實現核聚變：結構材料最重要！
ーDEMO Reactor的材料問題ー
-不要忘記結構材料開發的重要性-
東北大學材料研究所
笠田隆太教授
-在核聚變反應堆中使用獨特材料的部件-
核聚變反應中產生的剩餘氦氣，
它們是“排氣偏濾器”和“排熱毯”。
“轉向器”
“毯子”
-這些對於維持核聚變反應至關重要-
分流器的作用：
正是氦氣的放電冷卻了等離子體的溫度。
偏濾器暴露在等離子體的高溫下。
高溫散熱需要高導熱性。
因此，偏濾器表面使用鎢，內部使用銅合金。
這兩種材料都具有出色的導熱性並且是標準化的。
食者弱點：
Eater 的偏濾器由鎢銅合金材料製成。
笠田教授指出：
他擔心“目前的 EATER 會產生少量中子”這一事實。
“商業反應堆暴露在大量中子和氫同位素中。”
偏濾器表面因濺射而嚴重磨損。
商用爐中的分流器：
他指出，重要的是“除了控製商用反應堆的熱導率外，還要控制磨損量”。
毛毯的作用：
毯子屏蔽核聚變反應產生的中子並提取熱量。
它還在生產作為燃料的氚方面發揮作用。
毯面：
毛毯表面是
“它們暴露在大量中子中，變得具有放射性且易碎。”
因此，採用“低活化鐵素體鋼”，它是火力發電用鐵素體鋼的改良版。
“低活化鐵素體鋼”：
它是一種使用即使暴露於中子也難以激活的元素的材料。
毯子裡面：
在毯子裡面，它負責“氚增殖”。
“氚乘法”：
填充液態金屬以進行氚增殖。
最常用的是鋰和鈹。
鋰與中子反應生成氚。
氚的重要性：
-氚在自然界中僅以微量存在-
中子必須用來產生氚，才能穩定地運行核聚變發電。
如果聚變反應是一個“完美循環”：
如果氘和氚的核聚變反應是完美循環的，
一個中子就足夠了。
如果聚變反應是一個“不完美的循環”：
如果你不能得到一個完美的循環，
沒有足夠的中子來製造氚，因此核聚變反應不會持續。
含鈹：
為了避免這種風險，使用了增加中子的鈹。
當一個中子撞擊鈹時，一個中子變成兩個。
這些中子用於產生氚以穩定運行。
獲取鋰：
鋰在海水中含量豐富，幾乎可以取之不盡，用之不竭。
如果從海水中提取，價格會比從礦山中提取的貴。
然而，由於對二次電池的需求增加，開採鋰的價格呈上升趨勢。
獲得鈹：
鈹僅存在於礦山中。 資源分佈不均。
除了鈹之外，還有一種方法是使用鉛作為使中子倍增的材料。
然而，由於鉛很重，很難將其製成液態金屬。
而且，還存在腐蝕材料的問題。
目前，我們別無選擇，只能使用鈹。
2040 年代運行的 DEMO 反應堆：
據笠田教授介紹，
在“預計在 2040 年代運行的原型反應堆”中，
使用“應用火力發電技術的結構材料”。
結構材料要求的規格：
結構材料所需規格由冷卻溫度決定。
對於毛毯：
為了確保填充液態金屬的空間，
我想讓結構材料盡可能薄。
如果厚度太薄，則高溫強度不足。
很難達到這種平衡。
可以用“能承受500攝氏度高溫的結構材料，相當於火力發電”來實現。
冷卻溫度為700攝氏度：
如果冷卻溫度達到700攝氏度，發電效率將大大提高。
冷卻溫度為900攝氏度：
如果冷卻溫度達到900攝氏度，氫氣可以直接熱分解。
材料開發並不容易：
-材料開發是一條艱難的道路-
將材料投入實際使用，最重要的是確保其安全性。
通常，
鋼材強度倍增的研發週期為50年。
對於核聚變材料，還需要進行中子輻照試驗。
中子輻照試驗：
日本沒有這樣的輻照設施。
還不清楚是否有可能獲得有關增加中子數量的商業反應堆的數據。
我們不能忘記結構材料開發的重要性。
(New Switch)-雅虎新聞
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