トリチウムインベントリ

トリチウムインベントリ(トリチウム在庫量)とは、核融合装置およびその周辺設備の全体に存在する三重水素(トリチウム)の総量のことである。トリチウムは半減期約12.3年のベータ崩壊核種であり、燃料として不可欠であると同時に、放射能を持ち、天然にほとんど存在しないため高価でもある。このため、装置内や燃料サイクル内のどこに、どのくらいの量のトリチウムが滞留しているかを把握し、制御することは、安全性の確保と燃料経済性の両面から核融合炉設計の中心的な工学課題となっている。

トリチウムインベントリとは何か、なぜ制限されるのか

D-T核融合炉では、プラズマに注入したトリチウムの一部は核融合反応に消費されるが、それ以外は排気として回収され、燃料サイクル系で精製されて再利用される。しかし実際には、プラズマ対向材料への注入・捕獲、冷却材への透過、廃棄物への移行などにより、燃料として使える形で循環していないトリチウムが装置の各所に滞留する。この滞留量の総和がトリチウムインベントリであり、炉心内、第一壁・ダイバータなどの容器内、燃料サイクル設備、貯蔵設備、廃棄物に分けて管理される。

インベントリが制限される理由は主に二つある。第一は安全上の制約である。トリチウムはベータ線を放出するが、ベータ線の飛程が短い一方で化学的には水素と同じ挙動を示し、酸化されるとトリチウム化水素(HTO)として生体に取り込まれやすい。したがって、事故時に放出しうる量を抑えるため、サイトの放出限度や管理限度(アドミニストラティブ・リミット)が設けられ、装置全体のインベントリはこれを超えてはならない。第二は燃料経済性である。トリチウムは増殖ブランケットでリチウムから増殖されるが、その増殖能力には限りがあり、起動に必要な最低限の貯蔵量を確保しなければ運転を始められない。例えば融合出力約143 MW級の実験炉を想定した動的モデル計算では、燃焼率数パーセント、増殖比1.1程度の条件下で、起動・運転に必要な最小トリチウム貯蔵量は約319 gと見積もられている。このように、必要な起動在庫と、安全上許容される総在庫の間で設計が絞られる構造になっている。

重要なのは、インベントリが機械の規模に単純に比例して増えてはならないという点である。現在の小型装置では問題にならなかった滞留が、ITERやDEMOのような大型機では、サイト放出限度の観点から許容されない。このため、低インベントリ化プロセスの開発、系統ごとのインベントリの分離管理、系間移動の追跡、多重格納や工学的安全屏障といった多層防護の導入が求められている。また、発電炉ではインベントリ最小化とプラント稼働率の間にトレードオフが生じる。トリチウム除去のために運転を中断すれば在庫は抑えられるが発電時間が失われるからであり、この両立は実験装置よりも発電炉で一層厳しい課題となる。