Achieving Nuclear Fusion: Structural Materials Are Most Important!
ーMaterial Issues for the DEMO Reactorー
-Don’t Forget the Importance of Structural Materials Development-
Institute for Materials Research, Tohoku University
Professor Ryuta Kasada
-Parts that use unique materials in nuclear fusion reactors-
Surplus helium born in the nuclear fusion reaction,
They are the “exhausting divertor” and the “heat-extracting blanket.”
“Diverter”
“blanket”
-These are essential for sustaining nuclear fusion reactions-
Role of the diverter:
It is the discharge of helium that cools the temperature of the plasma.
The divertor is exposed to the high temperature of the plasma.
High thermal conductivity is required for high temperature heat removal.
Therefore, tungsten is used for the surface of the divertor, and a copper alloy is used for the inside.
Both materials have excellent thermal conductivity and are standardized.
Eater Weaknesses:
The Eater’s divertor is made of a tungsten-copper alloy material.
Professor Kasada points out:
He is concerned about the fact that “the current EATER produces a small amount of neutrons.”
“Commercial reactors are exposed to large amounts of neutrons and isotopes of hydrogen.”
The divertor surface is heavily worn by sputtering.
Divertor in a commercial furnace:
He points out that it is important to “control the amount of wear and tear in addition to thermal conductivity in commercial reactors.”
The role of the blanket:
The blanket shields the neutrons produced by the nuclear fusion reaction and extracts heat.
It also plays a role in producing tritium as a fuel.
Blanket surface:
The blanket surface is
“They get exposed to a lot of neutrons and become radioactive and brittle.”
Therefore, “low-activation ferritic steel”, which is an improved version of ferritic steel for thermal power generation, is used.
“Low activation ferritic steel”:
It is a material that uses elements that are difficult to activate even when exposed to neutrons.
Inside the blanket:
Inside the blanket, it is responsible for “tritium multiplication”.
“Tritium multiplication”:
Fill with liquid metal for tritium multiplication.
The most commonly used are lithium and beryllium.
Lithium reacts with neutrons to form tritium.
Importance of tritium:
-Tritium exists only in trace amounts in the natural world-
Neutrons must be used to produce tritium in order to operate nuclear fusion power generation on a steady basis.
If the fusion reaction is a “perfect loop”:
If the nuclear fusion reaction by deuterium and tritium is perfectly looped,
One neutron is sufficient.
If the fusion reaction is an “imperfect loop”:
If you can’t get a perfect loop,
There aren’t enough neutrons to make tritium, so the nuclear fusion reaction won’t last.
With beryllium:
To avoid this risk, beryllium, which increases neutrons, is used.
When a neutron hits beryllium, one neutron becomes two.
These neutrons are used to produce tritium to stabilize the operation.
Getting Lithium:
Lithium is abundant in seawater, and can be extracted from it almost inexhaustibly.
If extracted from seawater, the price will be higher than from mines.
However, the price of mined lithium is on an upward trend due to increased demand for secondary batteries.
Obtaining Beryllium:
Beryllium is only available in mines. Resources are unevenly distributed.
Besides beryllium, there is also a method of using lead as a material that doubles neutrons.
However, since lead is heavy, it is difficult to make it into a liquid metal.
Moreover, there is also a problem of corroding the material.
For the time being, we have no choice but to use beryllium.
DEMO reactor in operation in the 2040s:
According to Professor Kasada,
In the “prototype reactor expected to operate in the 2040s,”
Use “structural materials that apply thermal power generation technology”.
Specs required for structural materials:
The required specifications for structural materials are determined by the cooling temperature.
For blanket:
In order to secure space for filling the liquid metal,
I want to make the structural material as thin as possible.
If the thickness is too thin, the strength at high temperatures is insufficient.
It is difficult to strike this balance.
It can be realized with “structural materials that can withstand 500 degrees Celsius, which is equivalent to thermal power generation.”
Cooling temperature is 700 degrees C:
If the cooling temperature reaches 700 degrees C, the power generation efficiency will be considerably improved.
Cooling temperature is 900 degrees C:
If the cooling temperature reaches 900 degrees C, direct thermal decomposition of hydrogen can be aimed at.
Material development is not easy:
-Material development is a difficult road-
The most important thing in putting materials into practical use is to ensure their safety.
Typically,
The research and development period for doubling the strength of steel materials is 50 years.
In the case of nuclear fusion materials, neutron irradiation tests are also required.
Neutron irradiation test:
There are no such irradiation facilities in Japan.
It is also unclear whether it will be possible to obtain data on commercial reactors that increase the amount of neutrons.
We must not forget the importance of structural materials development.
(New Switch)-Yahoo! News
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.
(Neuer Switch)-Yahoo!-Nachrichten