学術実験プラットフォーム検討会議資料
2021/5/10

LHD出⼝戦略への提案
ｰ核融合科学研究のDXｰ
研究⼒強化戦略室三⼾利⾏

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LHDの出⼝戦略• R4年度のLHDプロジェクト終了後、LHD関連機器、建物、組織をどう整理し活⽤するのかは、研究所の今後の展開にとって⾮常に重要• LHDの超伝導低温システムは建設から30年を経過しており、安全性の観点からそのまま使⽤し続けることは困難• また、超伝導低温設備の維持、運転・保守には多額の予算を必要とするため、プロジェクト終了後に維持し続けることは困難• プロジェクト終了後の超伝導低温システムの整理案について検討した• 同時にLHDの成果を最⼤限に⽣かすための展開案「核融合科学研究のDX」について検討した
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LHD超伝導低温システムの整理
LHDクライオスタット

LHD実験棟

ヘリウム液化冷凍機
超伝導バスライン
操作室
コイル電源
ヘリウム圧縮機

ヘリウムタンク

LHD超伝導低温システムの構成

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LHDのデコミッショ⼆ング

7,000• 1997年から2020年の全運転時間は98,267時間に達する。圧縮機停⽌に⾄ったシステム停⽌時間は僅かに743.2時間。99％を越す⾼い稼働率で、⼤型超伝導低温システムの⾼い信頼製を実証。

Stop time (h)Purification / Cool‐down/ Warm‐up (h)6,000Steady state operation time (h)
5,000
4,000
3,000
2,000
1,000

22/2020

21/2019

20/2018

18/2014

LHD超伝導低温システムの運転履歴

19/2016‐7

17/2013

16/2012

15/2011

14/2010

13/2009

12/2008

11/20079/2005

10/2006

8/20047/20036/20025/20014/20003/19992/1998

1/1997‐80• LHD超伝導低温システムの優れた運⽤成果を将来に引き継ぐため、これまでには収集できなかった精密データ（例えば系内各所のヘリウムガス中の不純物濃度の推移など）を収集すると共に、24回の⻑期連続運転で得られた様々なノウハウを整理・解析し、同様の⼤型システム（科学技術⽤、⼀般産業⽤）の構築に⽣かせるように発展させる。
• 単純に機器を解体するのではなく、運転期間24年を越す機器内部の状況を詳細に観察しながら計画的な解体を⾏い、機器の経年劣化に関する貴重なデータを蓄積する。

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核融合科学研究のDX• 2050年のカーボンニュートラル達成には、核融合は残念ながら直接は貢献できない• しかし、核融合科学研究で得られた超伝導低温技術は、電⼒の省エネ化で直接貢献することができる• 2050年の電⼒消費量を抑えるために、何が最も効果的かを考えた

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情報システムの電⼒消費量の増⼤• 国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)低炭素社会戦略セン
ターの試算では、現在の日本の情報機器全体の電力消費量は、41TWhと総電力使用量980TWhの4％程度だが、今のデータ増加量が続くとすれば、2030年には、1,480TWh、2050年には、176,200TWhとなり、2030年の段階でも日本の総電力消費量の1.5倍以上の電力消費となり、明らかに破綻している• 「情報化社会の進展がエネルギー消費に与える影響（Vol.1）」、
平成31年3月、JST低炭素社会戦略センター、LCS-FY2018-PP-15から抜粋

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データセンターの消費エネルギーの増⼤• 「情報化社会の進展がエネルギー消費に与える影響（Vol.2）」、
令和3年2月、JST低炭素社会戦略センター、LCSFY2020-PP-03• データセンターの消費電⼒
14 TWh (2018)
90 TWh (2030)
12,000 TWh (2050)• 2030年に現在の3〜10倍
2050年には1,000倍の消費電⼒性能の向上（省エネ化）が必要
7データセンターの機器別消費電⼒• エネルギー効率の⾼い最新のデータセンターでは、CPUとDRAMで全体の消費電⼒の80%を占めている• 周辺機器ではなく、メモリーを含むCPU本体の省エネ化が不可⽋

機器別消費電⼒の割合• 超伝導コンピュータの本格導⼊による抜本的な省エネ化が求められている
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科学技術
データセンター省エネ化• データセンターの電源として、再生可能エネルギーを利用した水素生成と液体水素を蓄電池として活用した
自立電源化を提案する• 同時に、液体水素の寒冷を有効活用し、磁気冷凍機と組み合わせた超伝導コンピュータの経済的な冷却方式による抜本的な省エネ化を達成する

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再⽣可能エネルギーを⽤いた電源の⾃⽴化
液体水素を用いた蓄電も可能な冷却システム
300K

水素タンク

窒素タンク

水素導入

水素排出

圧縮機

圧縮機
熱交換器

JT弁

熱交換器

膨張タービン

77K
液体窒素
貯槽

JT弁

20K

磁気冷凍機
4K
超伝導コンピュータ

低温ポンプ• 太陽光及び風力等の再生可能エネルギーを利用した水素製造と、液化した水素を蓄電池として活用することにより、負荷変動に応じた電源制御が可能で、商用電源から自立したカーボンニュートラルの電源とする• 液体水素として貯蔵することによって蓄電機能を持たせることにより、自然まかせの発電
で日毎の変化や季節変化の影響が大きく、そのままでは電源の負荷変動に対応できない
再生可能エネルギーによる発電の欠点を克服する• データセンターで必要な電力は、貯蔵した液体水素を気化し、燃料電池等で発電する

液体水素
貯槽

10磁気冷凍機を⽤いた
超伝導古典コンピュータの冷却
液体水素冷却
排熱部

液体水素冷却排熱部

コイル
冷却パス

排熱スイッチ（励磁時ON)

排熱スイッチ
（消磁時OFF)

高温超伝導コイル
（励磁時）

磁気作業
物質

高温超伝導コイル（消磁時）

吸熱スイッチ（励磁時OFF)

吸熱スイッチ
（消磁時ON)

被冷却体（超伝導コンピュータ）

被冷却体（超伝導コンピュータ）• 液体水素温度から4Kまでの低温の冷却をヘリウム無しで行うことができる磁気冷凍機を実用化する
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核融合科学研究の将来像• R4年度からの第4期中期計画中に、再⽣可能エネルギーを⽤いた電源の⾃⽴化が可能であることを実証、それを活⽤した超伝導古典コンピュータの研究へと展開• 2030年にSGDsの⽬標である超伝導古典コンピュータを⽤いた情報システムの抜本的な省エネ化と再⽣可能エネルギーを⽤いたグリーン⽔素の活⽤による電源のカーボンフリー化、⾃⽴化を実証する• 2040年に、超伝導古典コンピュータで周りを取り囲んだ超伝導量⼦コンピュータの実⽤化• 2050年に、超伝導量⼦、古典コンピュータのハイブリットシステムの活⽤（新材料開発、炉システム最適化）により、核融合商業炉の早期社会実装に貢献
12核融合科学研究のＤＸ
項⽬/年度

R42022R52023

R62024

R72025

R82026

R9-122027-2030

・核融合科学
研究DX化のための基幹設
備の動作実証・20K以下を担当する磁気冷凍機の動作実証

左記の基幹設備を活⽤した超伝導古典コンピュータ開発研究への展
開・LHD⻑期運
⽤DNAの伝承

核融合科学研究のDX・⽔素液化設
備の整備（温度可変低温設備の増強）
・太陽光パネル設置
（別予算）

・⽔電界グ
リーン⽔素製
造装置整備
・液体⽔素の冷熱回収装置開発
・⾵⼒発電設備の開発・再⽣可能エ
ネルギー発電システムの稼働、運転デー
タ収集
・AI化した⽔素液化システ
ムの開発

・AI化した全⾃動⽔素液化システムの開発、実装
・20K以下を担当する磁気冷凍機の開発
・カーボンフリー⾃⽴電源の開発

LHDのデコ
ミッショニング

・不純物精密測定装置整備・運転データの収集・整理
デジタルデータ化

・運転ノウハウのデジタル
データ化
・機器故障データのデジ
タルデータ化・低温システム⾃動運転/予防保全AIの構築・低温システム⾃動運転/予防保全AIの⽔素液化システ
ムへの導⼊

・⾃動運転/予防保全AI化⽔
素液化システムの動作実証

予算

5億円

5億円

5億円

5億円

5億円

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LHD超伝導低温システムの整理案
LHDクライオスタット

LHD実験棟

超伝導コンピュータ
ヘリウム液化冷凍機
研究エリア
超伝導バスライン

AI研究エリア

操作室
コイル電源

⽔素製造／液化
ヘリウム圧縮機
研究エリア
⽔素貯蔵
屋外ヤード
ヘリウムタンク

LHD超伝導低温システムの構成

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補⾜資料

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2021年4月20日10：00 – 11:00
施設安全課との打合せ資料
施設・安全管理課：白髭、若島、宮田
研究力強化戦略室：三戸
装置工学・応用物理研究系：平野ＰＰＡ 太陽光発電事業計画（案）～外部資金活用事業提案～

核融合科学研究所 施設・安全管理課

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ＰＰＡ 太陽光発電事業
現状

太陽光発電および電力会社受電
受電単価 ＝ 太陽光単価

・設備設置費、メンテナンス費
は設置及び撤去費企業負担
・CO2削減効果
・災害時電力対応
・15年程度の長期契約

PPA：Power Purchase Agreement
事業者が顧客の屋根、敷地に発電設備を設置して電力供給を行う契約方法
核融合科学研究所 施設・安全管理課

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太陽光発電設備設置場所と配電方法（案）

計測実験棟

特高受電

高圧受電
研究員宿泊施設空地器材庫
研究員宿泊施設
第2冷却水装置棟

超電導マグネット実験棟

駐車場

水素装置（将来）
管理・福利棟

第1冷却水装置棟
余剰電力を水素製造に活用

研究Ⅰ期棟
総合工学実験棟

研究Ⅱ期棟

核融合科学研究所 施設・安全管理課

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研究所内太陽光発電設備設置想定（案）

核融合科学研究所 施設・安全管理課

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20