Nuclear Fusion: 構造材料が一番重要！
matériaux de structure sont les plus importants !
Strukturmaterialien sind am wichtigsten!
Structural Materials Are Most Important!
結構材料最重要！
ー原型炉に向けて材料の課題ー
ー構造材料開発の重要性を忘れてはならないー
東北大学金属材料研究所
笠田竜太教授ー核融合炉で、特有材料が使われる部品とはー
核融合反応で生まれる余分なヘリウムを、
「排出するダイバータ」と、「熱を取り出すブランケット」だ。
「ダイバータ」
「ブランケット」ーこれらは核融合反応持続に欠かせないー
ダイバータの役割：
プラズマの温度を冷やすヘリウムの排出だ。
- ダイバータはプラズマの高温にさらされる。
- 高温の熱除去に、高い熱伝導性が求められる。
そこで、ダイバータの表面にはタングステン、内部に銅合金を使う。
どちらの材料も熱伝導性に優れ、規格化されている。
イーターの弱点：
イーターのダイバータは、タングステンと銅合金の材料で出来ている。
笠田教授の指摘：
「現在のイーターでは、中性子の発生量が少ないこと」が、気掛かりだ。
「実用炉では、大量の中性子や水素の同位体にさらされる」のだ。
ダイバータ表面は、スパッタリングにより大きく損耗する。
実用炉でのダイバータ：
「実用炉では、熱伝導性に加え、損耗量を抑制すること」が重要と指摘する。
ブランケットの役割：
ブランケットは、核融合反応で生じた中性子を遮蔽し、熱を取り出す。
また、燃料となる三重水素を製造する役割も担う。
ブランケットの表面：
ブランケット表面は、
「多くの中性子を浴びて、放射化してもろくなってしまう」のだ。
そこで火力発電用のフェライト鋼を改良した「低放射化フェライト鋼」を使う。
「低放射化フェライト鋼」：
「中性子を浴びても、放射化しにくい元素を使った材料」なのだ。
ブランケットの内部：
ブランケットの内部では、「三重水素の増殖」を担う。
「三重水素の増殖」：
三重水素増殖のため、液体金属を充てんする。
主に使うのがリチウムとベリリウムだ。
リチウムは、中性子と反応して三重水素を作る。
三重水素の重要性：
ー三重水素は、自然界に微量しか存在しないー
核融合発電を定常的に動かすには、中性子で三重水素を製造する必要がある。
核融合反応が「完全ループ」の場合：
重水素と三重水素による核融合反応が完璧にループする場合、
中性子は一つあれば良い。
核融合反応が「不完全ループ」の場合：
完璧なループができない場合、
三重水素を作るのに必要な中性子が足りず、核融合反応が持続しない。
ベリリウムを使用：
このリスクを回避するため、中性子を増やすベリリウムを使う。
ベリリウムに中性子をぶつけると、一つの中性子が二つに増える。
この中性子を三重水素の製造に利用して、運転を安定させる。
リチウムの入手：
リチウムは海水中に多く存在し、そこからほぼ無尽蔵に取り出せる。
海水から取り出す場合、鉱山由来よりも価格は高くなる。
ただ、鉱山リチウムの価格は、二次電池向け需要増加で上昇傾向だ。
ベリリウムの入手：
ベリリウムは鉱山でしか入手できない。資源が偏在している。
中性子を倍増させる材料は、ベリリウム以外に鉛を使う方法もある。
- しかし鉛は重いため、液体金属にする難易度が高い。
- また、材料を腐食してしまう課題もある。
当面はベリリウムを使うしかない。
2040年代運転の原型炉：
笠田教授によれば、
「2040年代の運転が想定される原型炉」では、
「火力発電技術を応用した構造材料」を使う。
構造材料に必要なスペック：
構造材料に必要なスペックは、冷却温度によって決まる。
ブランケットの場合：
液体金属を充てんするスペースを確保するため、
- なるべく構造材料を薄くしたい。
- 薄くしすぎると、高温での強度が足りない。
このバランスを取ることが難しい。
「火力発電並みの500度Cに耐える構造材料」なら、実現できる。
冷却温度が700度C：
冷却温度が700度Cになれば、発電効率などはかなり良くなる。
冷却温度が900度C：
冷却温度が900度Cになれば、水素の直接熱分解も目指せるとのこと。
材料開発は容易ではない：
ー材料開発は、苦難の道のりだー
材料の実用化で最も重要なのは、安全性を担保すること。
一般的に、
鉄鋼材料強度を2倍に高めるための研究開発期間は50年だ。
核融合材料の場合、中性子の照射試験なども必要になる。
中性子の照射試験：
日本には、そういった照射施設はない。
「中性子量が増える実用炉データを取得できるか」も不透明だ。
われわれは、構造材料開発の重要性を忘れてはならない。
（ニュースイッチ） – Yahoo!ニュース
https://news.yahoo.co.jp/articles/303c3ec61f8787b8f912f2620804b7857218a8c1
Réaliser la fusion nucléaire : les matériaux de structure sont les plus importants !
ーProblèmes matériels pour le réacteur DEMOー
-N’oubliez pas l’importance du développement des matériaux de structure-
Institut de recherche sur les matériaux, Université du Tohoku
Professeur Ryuta Kasada
-Pièces qui utilisent des matériaux uniques dans les réacteurs à fusion nucléaire-
L’excédent d’hélium né dans la réaction de fusion nucléaire,
Ils sont le “divertisseur épuisant” et la “couverture d’extraction de chaleur”.
“Déviateur”
“couverture”
-Ceux-ci sont essentiels pour soutenir les réactions de fusion nucléaire-
Rôle de l’aiguillage :
C’est la décharge d’hélium qui refroidit la température du plasma.
Le divertor est exposé à la haute température du plasma.
Une conductivité thermique élevée est nécessaire pour l’évacuation de la chaleur à haute température.
Par conséquent, le tungstène est utilisé pour la surface du divertor et un alliage de cuivre est utilisé pour l’intérieur.
Les deux matériaux ont une excellente conductivité thermique et sont standardisés.
Faiblesses du mangeur :
Le divertor de l’Eater est fait d’un alliage de tungstène et de cuivre.
Le professeur Kasada souligne :
Il s’inquiète du fait que “l’EATER actuel produit une petite quantité de neutrons”.
“Les réacteurs commerciaux sont exposés à de grandes quantités de neutrons et d’isotopes de l’hydrogène.”
La surface du divertor est fortement usée par la pulvérisation.
Déviateur dans une fournaise commerciale :
Il souligne qu’il est important de “contrôler la quantité d’usure en plus de la conductivité thermique dans les réacteurs commerciaux”.
Le rôle de la couverture :
La couverture protège les neutrons produits par la réaction de fusion nucléaire et extrait la chaleur.
Il joue également un rôle dans la production de tritium comme combustible.
Surface de la couverture :
La surface de la couverture est
“Ils sont exposés à beaucoup de neutrons et deviennent radioactifs et cassants.”
Par conséquent, “l’acier ferritique à faible activation”, qui est une version améliorée de l’acier ferritique pour la production d’énergie thermique, est utilisé.
“Acier ferritique à faible activation”:
C’est un matériau qui utilise des éléments difficiles à activer même lorsqu’ils sont exposés à des neutrons.
A l’intérieur de la couverture :
A l’intérieur de la couverture, il est responsable de la “multiplication du tritium”.
“Multiplication du tritium”:
Remplir de métal liquide pour la multiplication du tritium.
Les plus couramment utilisés sont le lithium et le béryllium.
Le lithium réagit avec les neutrons pour former du tritium.
Importance du tritium :
-Le tritium n’existe qu’à l’état de traces dans le monde naturel-
Les neutrons doivent être utilisés pour produire du tritium afin de faire fonctionner la production d’énergie de fusion nucléaire de manière régulière.
Si la réaction de fusion est une “boucle parfaite”:
Si la réaction de fusion nucléaire par le deutérium et le tritium est parfaitement bouclée,
Un neutron suffit.
Si la réaction de fusion est une “boucle imparfaite”:
Si vous ne pouvez pas obtenir une boucle parfaite,
Il n’y a pas assez de neutrons pour fabriquer du tritium, donc la réaction de fusion nucléaire ne durera pas.
Avec du béryllium :
Pour éviter ce risque, le béryllium, qui augmente les neutrons, est utilisé.
Lorsqu’un neutron frappe le béryllium, un neutron devient deux.
Ces neutrons sont utilisés pour produire du tritium afin de stabiliser l’opération.
Obtenir du lithium :
Le lithium est abondant dans l’eau de mer et peut en être extrait presque inépuisablement.
S’il est extrait de l’eau de mer, le prix sera plus élevé que celui des mines.
Cependant, le prix du lithium extrait est sur une tendance à la hausse en raison de la demande accrue de batteries secondaires.
Obtention du Béryllium :
Le béryllium n’est disponible que dans les mines. Les ressources sont inégalement réparties.
Outre le béryllium, il existe également une méthode d’utilisation du plomb comme matériau qui double les neutrons.
Cependant, le plomb étant lourd, il est difficile d’en faire un métal liquide.
De plus, il existe également un problème de corrosion du matériau.
Pour l’instant, nous n’avons d’autre choix que d’utiliser du béryllium.
Réacteur DEMO en fonctionnement dans les années 2040 :
Selon le professeur Kasada,
Dans le “réacteur prototype qui devrait fonctionner dans les années 2040”,
Utiliser des “matériaux structurels qui appliquent la technologie de production d’énergie thermique”.
Spécifications requises pour les matériaux de structure :
Les spécifications requises pour les matériaux de structure sont déterminées par la température de refroidissement.
Pour la couverture :
Afin de sécuriser l’espace pour remplir le métal liquide,
Je veux rendre le matériau structurel aussi mince que possible.
Si l’épaisseur est trop fine, la résistance aux hautes températures est insuffisante.
Il est difficile de trouver cet équilibre.
Il peut être réalisé avec “des matériaux structurels pouvant résister à 500 degrés Celsius, ce qui équivaut à la production d’énergie thermique”.
La température de refroidissement est de 700 degrés C :
Si la température de refroidissement atteint 700 degrés C, l’efficacité de la production d’énergie sera considérablement améliorée.
La température de refroidissement est de 900 degrés C :
Si la température de refroidissement atteint 900 degrés C, on peut viser la décomposition thermique directe de l’hydrogène.
Le développement matériel n’est pas facile:
-Le développement matériel est un chemin difficile-
La chose la plus importante dans la mise en pratique des matériaux est d’assurer leur sécurité.
Typiquement,
La période de recherche et développement pour doubler la résistance des matériaux en acier est de 50 ans.
Dans le cas des matériaux de fusion nucléaire, des essais d’irradiation neutronique sont également requis.
Test d’irradiation neutronique :
Il n’y a pas d’installations d’irradiation de ce type au Japon.
Il est également difficile de savoir s’il sera possible d’obtenir des données sur les réacteurs commerciaux qui augmentent la quantité de neutrons.
Il ne faut pas oublier l’importance du développement des matériaux de structure.
(Nouveau commutateur) – Yahoo Actualités
Kernfusion erreichen: Strukturmaterialien sind am wichtigsten!
ーMaterialprobleme für den DEMO-Reaktorー
-Vergessen Sie nicht die Bedeutung der Entwicklung von Strukturmaterialien-
Institut für Materialforschung, Universität Tohoku
Professor Ryuta Kasada
-Teile, die einzigartige Materialien in Kernfusionsreaktoren verwenden-
Überschüssiges Helium, das bei der Kernfusionsreaktion entsteht,
Sie sind der „anstrengende Divertor“ und die „wärmeentziehende Decke“.
“Umsteller”
“Decke”
-Diese sind wesentlich für die Aufrechterhaltung von Kernfusionsreaktionen-
Rolle des Umleiters:
Es ist die Entladung von Helium, die die Temperatur des Plasmas abkühlt.
Der Divertor ist der hohen Temperatur des Plasmas ausgesetzt.
Für die Wärmeabfuhr bei hohen Temperaturen ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich.
Daher wird für die Oberfläche des Divertors Wolfram und für die Innenseite eine Kupferlegierung verwendet.
Beide Materialien haben eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und sind genormt.
Esser Schwächen:
Der Divertor des Eater besteht aus einer Wolfram-Kupfer-Legierung.
Professor Kasada weist darauf hin:
Er ist besorgt über die Tatsache, dass “der aktuelle EATER eine geringe Menge an Neutronen produziert”.
“Kommerzielle Reaktoren sind großen Mengen an Neutronen und Wasserstoffisotopen ausgesetzt.”
Die Divertoroberfläche ist durch Sputtern stark abgenutzt.
Divertor in einem kommerziellen Ofen:
Er weist darauf hin, dass es wichtig sei, “in kommerziellen Reaktoren neben der Wärmeleitfähigkeit auch den Verschleiß zu kontrollieren”.
Die Rolle der Decke:
Die Decke schirmt die durch die Kernfusionsreaktion erzeugten Neutronen ab und entzieht Wärme.
Es spielt auch eine Rolle bei der Herstellung von Tritium als Brennstoff.
Deckenoberfläche:
Die Deckenoberfläche ist
„Sie werden vielen Neutronen ausgesetzt und werden radioaktiv und spröde.“
Daher wird “niedrigaktivierbarer ferritischer Stahl”, der eine verbesserte Version von ferritischem Stahl zur thermischen Energieerzeugung ist, verwendet.
“Ferritischer Stahl mit niedriger Aktivierung”:
Es ist ein Material, das Elemente verwendet, die schwer zu aktivieren sind, selbst wenn sie Neutronen ausgesetzt werden.
In der Decke:
Im Inneren der Decke ist es für die „Tritiumvermehrung“ verantwortlich.
“Tritium-Multiplikation”:
Mit flüssigem Metall zur Tritiumvermehrung füllen.
Die am häufigsten verwendeten sind Lithium und Beryllium.
Lithium reagiert mit Neutronen zu Tritium.
Bedeutung von Tritium:
-Tritium kommt in der Natur nur in Spuren vor-
Neutronen müssen zur Erzeugung von Tritium verwendet werden, um die Kernfusionsstromerzeugung auf einer stabilen Basis zu betreiben.
Wenn die Fusionsreaktion eine “perfekte Schleife” ist:
Wenn die Kernfusionsreaktion von Deuterium und Tritium perfekt geloopt wird,
Ein Neutron ist ausreichend.
Wenn die Fusionsreaktion eine “unvollkommene Schleife” ist:
Wenn Sie keine perfekte Schleife bekommen können,
Es gibt nicht genug Neutronen, um Tritium herzustellen, also wird die Kernfusionsreaktion nicht von Dauer sein.
Mit Beryllium:
Um dieses Risiko zu vermeiden, wird Beryllium verwendet, das die Neutronen erhöht.
Wenn ein Neutron auf Beryllium trifft, werden aus einem Neutron zwei.
Diese Neutronen werden verwendet, um Tritium zu erzeugen, um den Betrieb zu stabilisieren.
Lithium bekommen:
Lithium ist reichlich im Meerwasser vorhanden und kann daraus nahezu unerschöpflich gewonnen werden.
Wenn es aus Meerwasser gewonnen wird, ist der Preis höher als aus Minen.
Der Preis für gefördertes Lithium befindet sich jedoch aufgrund der gestiegenen Nachfrage nach Sekundärbatterien im Aufwärtstrend.
Gewinnung von Beryllium:
Beryllium ist nur in Minen erhältlich. Ressourcen sind ungleich verteilt.
Neben Beryllium gibt es auch eine Methode, Blei als Material zu verwenden, das Neutronen verdoppelt.
Da Blei jedoch schwer ist, ist es schwierig, es zu einem flüssigen Metall zu machen.
Darüber hinaus besteht auch ein Problem der Korrosion des Materials.
Im Moment bleibt uns nichts anderes übrig, als Beryllium zu verwenden.
DEMO-Reaktor in Betrieb in den 2040er Jahren:
Laut Professor Kasada,
In dem “Prototyp-Reaktor, der voraussichtlich in den 2040er Jahren betrieben wird”
Verwenden Sie „Strukturmaterialien, die thermische Energieerzeugungstechnologie anwenden“.
Erforderliche Spezifikationen für Strukturmaterialien:
Die erforderlichen Spezifikationen für Strukturmaterialien werden durch die Kühltemperatur bestimmt.
Für Decke:
Um Platz zum Einfüllen des flüssigen Metalls zu schaffen,
Ich möchte das Strukturmaterial so dünn wie möglich machen.
Wenn die Dicke zu dünn ist, ist die Festigkeit bei hohen Temperaturen unzureichend.
Es ist schwierig, dieses Gleichgewicht zu finden.
Es kann mit “Strukturmaterialien realisiert werden, die 500 Grad Celsius standhalten, was einer thermischen Stromerzeugung entspricht”.
Kühltemperatur beträgt 700 Grad C:
Wenn die Kühltemperatur 700 Grad C erreicht, wird die Stromerzeugungseffizienz erheblich verbessert.
Kühltemperatur beträgt 900 Grad C:
Erreicht die Kühltemperatur 900 Grad C, kann eine direkte thermische Zersetzung des Wasserstoffs angestrebt werden.
Materialentwicklung ist nicht einfach:
-Materialentwicklung ist ein schwieriger Weg-
Das Wichtigste bei der praktischen Anwendung von Materialien ist die Gewährleistung ihrer Sicherheit.
Typischerweise
Die Forschungs- und Entwicklungszeit zur Verdoppelung der Festigkeit von Stahlwerkstoffen beträgt 50 Jahre.
Bei Kernfusionsmaterialien sind auch Neutronenbestrahlungstests erforderlich.
Neutronenbestrahlungstest:
In Japan gibt es keine derartigen Bestrahlungsanlagen.
Unklar ist auch, ob es möglich sein wird, Daten über kommerzielle Reaktoren zu erhalten, die die Menge an Neutronen erhöhen.
Wir dürfen die Bedeutung der Entwicklung von Baumaterialien nicht vergessen.
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