表題	

ダイバータおよびPWI合同研究会, 7月23日, 筑波大学

20µ	 	 	 Liダイバータのトリチウムバランス	 に与える影響	 	 	 

西川正史	九州大学総合理工学研究院	 

Liダイバータ	Vacuum vessel
T to vacuum
vesselT, He

Energeticparticles
T to vacuum
vesselDivertor plate

Figure Schematic diagram of Li flow in Li divertor system.

Liダイバータ	T to vacuum
vesselEnergetic
particles

Li with T

Ionized Li

Li vapor

T, HeVacuum vessel

Li vaporT with Li

Liquefied Li

Liquefied Li

Li pond
LiT separator
from Li	
T extracted
from Li

Figure Schematic diagram of Li flow in Li divertor system.

Tritium and Li flows in ST from Design by Nagayama
Bred T recovery
T: 400 g/day
Processing time
Supply to vessel
T: 24302 g/day

Li: 5.25x1011 g/day
Tritium breeding
400 g/day

FW Li coating
Life timeT trapping

Supply to core Burning rate
T: 2765 g/day T: 372 g/day
Li: 4.0 x 106 g/day
Exhaust from core
Li: 1.123x109 g/day
T: 2393 g/day
Li divertor
T Exhaust
T-Li separator
T: 23930 g/day
Processing time
Flow system of T & Li in ST

Li in NSTX (DR. M. Ono) 032712PPPL 1Ionization of Li at the surface of Li protector placed on the bottom ofthe divertor which is in the liquid condition.
Fusion output is 3000 MW
Heat to divertor is 20% of output : 600 MW
The amount of ionization : 6 moles/s------- 42g/s (~4x106g/day)
The amount of evaporation : 55 l/s----------24000 g/s (~2x109g/day)
Tritium from divertor : 2.4x104 g/day (Trapping of T to Li : 100%)
T concentration in Li : Evaporation dominant 1.2x10-5 in weight
Radiation dominant 6x10-3
Heat of evaporation 147 kJ/mol (~21 kJ/g)
Ionization energy 1.96x104 kJ/mol (~2.8x103 kJ/g)

Tritium and Li flows in ST from Design by Nagayama
T recovery
T: 400 g/day
Processing time

Li: 5.25x1011 g/day

Supply to vessel
T: 24302 g/day

Tritium breeding
400 g/day

T:7.62x10-10
in weight

Li coating
Life time
T trapping

Supply to core Burning rate
T: 2765 g/day T: 372 g/day
Exhaust from-5core
T:2.13x10
T: 2393 g/day

in weight

T Exhaust
T: 23930 g/day

T:5.98x10-3
in weight
9

Li: 1.123x10 g/day
Li divertor

T-Li separator
Processing time
Flow system of T & Li in ST	 F 1T in Li

110Ionization dominant-1

10Tritium gas pressure , Pa-310

ηi=1-510

ηi=0.1

Evaporation dominantηi=0.01-710(δT)Li=1

ηi=0-910600 C
500
400300-1110-1310fra=0.0139

荷電粒子とLi原子とがイオン化まで進む反応の効率 ηiはどの程度になるのか？
またTの捕捉確立ηTLiは？	

-1510-910-7-5-3101010Tritium atomic fraction in Li-110初期インベントリーと T増倍時間	
外部トリチウ
ム供給源	

(4)
(3)

(2)

(TBR)BS要求(TBR)R,Net(1)

炉内トリチウムバランス	
(1) 次期炉用準備(2) β崩壊分補填(3) 透過損失補充(4) 炉内捕捉補充	

達成可能(TBR)BS

増殖トリチウム回収率	
Net TBR第一壁関連
中性子利用率	

要求(TBR)BSDT核燃焼	
Local TBR
増殖モジュール
中性子利用率 	DT
中性子	Figure Tritium required in a DT fusion reactor .

Fig.1-2 Ways to two (TBR)s 2

要求 (TBR)BS の主要因	
(1) 次期炉用準備	
炉の初期インベントリー (活性動的トリチウムインベ
ントリー、貯蔵トリチウムおよび不活性トリチウムインベントリーの和)をどれだけ期間をかけて準備するか。	
(2) トリチウムのβ崩壊	
炉内トリチウムインベントリーのβ崩壊分(6.5%/年の減少)の補填。
(3) 透過による損失	
プラズマ駆動透過とガス駆動透過による損失補充(4) 捕捉による損失	
プラズマ対向材料再付着層へのトリチウム捕捉(時定数大)と第一壁や配管への吸着、吸収(時定数小)TINVと総括燃焼率	1000

静的インベントリー	
1 貯蔵系	
2 ブランケット系	
3 不活性トリチウム
4 Liダイバータ系	

動的インベントリー	
1 主燃料循環系
2 真空ポンプ系	3 Liダイバータ系	

ntotal , days

Tav : 0.09, 0.09, 0

Nishikawa (2011)100

Nishikawa (2009)

n2 : 30, 3, 6, 0
Hayashi (2011)
Tobita (2009)

Nishikawa (1990)
ntotal= Tav{1/(ηT)overall-1}+ n2n1= nFC+nVP+nLiDiv
n2= nstorage+nblanket+ninactT+ nLiDiv

10-3

10Figure-2

10-1

10(ηT)overall
Overall burning efficiency and total tritium inventory.

Critical overall burning efficiency式 	

Table(TBR)BS required 計算式	(TBR)BS required - (TBR)R,Net
次期炉準備={(δT)overall/(η)overall }{1-f ’Decay (βtrap)VV }+ (θP)overall/(η)overall

再付着層捕捉+(QT)decay/(Tburn)
放射性崩壊

捕捉T回収

透過損失

(TBR)R,Net=1+[{18(0.01/(η)overall )+39}/f ’TWT]/(365TWT)
炉のトリチウムインベントリー	
(QT)decay={T total inventory}(1.53/10000)
Tburn = ηPL1ηTR1ηBUPQT1(η)overall = Tburn/(QT1+QT2)
Nishikawa, FST (2010, 2011), FED (2012)

Tritium inventory in trap (Roth et al.)

ROTH２ +
NishikawaSum of both processes:
comparison ofmaterials options
ITPA SOL/DIV
assessment

ITER condition
Nishikawa

δTAll W: 1 (3/10000)
Be+W: 10 (3/1000)
Mix: 50 (1.5/100)
All C: 250 (7.5/100)
Contribution to theIAEA, Geneva 2008

4Slope 1/2321

W co-deposition

0.10

再堆積T無回収
再堆積T90%回収

0.08

(1)
(η)overall,CΔTBR

0.06(TBR)BS attainable＝1.05
0.04

0.02

0.00
-310(3)
(2)
(4)
(5)

(1)次期炉用準備 (TWT=3yr)(2) β崩壊補填(3)透過補充 (θP)overall=5x10-5(4)共堆積分 (δT)overall=3x10-5(5)共堆積分 (毎年90% 回収)-210(η)overall

4.8% 5.1%

Figure Comparison of Contribution to (TBR)BS required.

-110Fig.3ΔTBR,0.00003,INV補, Total

Li – H Recovery

Liからのトリチウム回収法
1) 溶融塩による抽出
V.A. Maroni et al., Nucl. Technol., (1975)
H. Moriyama et al., Nucl. Technol., (1991)
2) イットリウムゲッターによる回収
S.D. Clinton and J.S. Watson, 7th Symposium on
Eng. Problems of Fusion Res., (1977)
3) 水素透過窓法 (Nb 窓)
S. Tanaka et al., J. Nucl. Mater., (1981)
4) 分留法 (1240K)
H.R. Ihle and CH. Wu, 2nd Int. Conf. on Hydrogenin Metals, (1977)

Extraction system by Moriyama

Breeding rate: 1440 g/d
T Inventory: 0.8kg ~1wppm

T2: 1.44 kg/d

Li inventory: 8x108 gLi Blanket

T: 0.209 g/m3

Holding
Tankg/m3

T: 0.482
Li flow rate: 220m3/h
2.7x109 g/d

T: 0.030 g/m3

Extractor

Electrolysis
Tank

T: 0.303 g/m3
Salt flow rate: 220m3/h
Recovery efficiency=0.9

Conceptual tritium recovery system from Li blanket by Moriyama.

0.10

ntotal = 0.18/(ηT)overall + 39
0.08

ΔTBR

0.06

ntotal = 0.34/(ηT)overall + 39
(1)(TBR)BS attainable＝1.05

0.04

0.02

0.00 -310(Li からトリチウム回収に要する期間 1/4日)	

Liダイバータの影響‐1	(1)Preparation (3yr) Li system(2)Decay(3)Permeation (θP)overall=1x10-4(4)Trap (δT)overall=3x10-5(5)Trap (90% recovery)-2-110(η)overall

10

Figure Comparison of Contribution to TBR (Li system).

Fig.3ΔTBR,0.00003,INV
補Li系	

0.10(1)(TBR)BS required - 1

0.08

No recovery from trap

Liダイバータの影響‐合計	(η)overall,C

0.06(TBR)BS attainable＝1.05
0.04

(2)
(3)

0.02

0.00
-310(4)(5)(1)Preparation (3yr) Li system(2)Decay Lisystem-5(3)Permeation(θ)=5x10Poverall
Overall burning efficiency(4)Trap (δT)overall=3x10-5
should be larger than 9%(5)Trap (90% recovery)

when (TBR)BS is 1.05-210(η)overall

9% 10-1

Figure Comparison of Contribution to TBR (Li system).
Fig.3ΔTBR,0.00003,INV補, Total,Li

0.10

臨界燃焼率WLi1(δT)overall = 3x10-5
No recovery(θP)overall = 5x10-5
TWT=3yrsn2=39days

0.08

ηoverall,C

0.06

Tav=1.09 (0.09,0,1.0)
0.59 (0.09,0,0.5)
0.34 (0.09,0,0.25)
0.18 (0.09,0.09,0)

0.04

0.02

0.00
1.00

1.34%
1.02

1.04

1.06

1.08

1.10

1.121.14

1.16(TBR)BS required

Figure Critical overall burning efficiency from tritium balance.

トリチウムバランスからの問題点	
１．エネルギー回収におけるLiの利用効率の測定と主反応の特定
２．ダイバータLiへのトリチウム捕捉率の定量
３．PWI現象がどのように変わるのか？	
４．Liからのトリチウムの効果的回収法（回収システムのトリチウム平均滞留時間が１/４日程度で回収効率が大）の開発	
５．真空排気に要求される機能の変化	Temperature, CTemperature range of
Li in blanket of ST(700K-800K)

11.51000/Thydrogen on metal hydride