トリチウム燃料注入と壁不純物挙動のシミュレーション解析

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DT核融合炉の実現のためには、天燃には存在しない燃料としてのトリチウムの確保と炉内への注入シナリオの明確化が必要である。D/Tの燃料比の変動により核融合出力は大きく変動する。逆に、D/T比を制御することで核融合出力制御が可能である。また、炉壁からの不純物流入により、放射損失が増加すると同時に、D/T燃料密度の希釈が起こり、プラズマ温度低下と核融合炉出力の低下が起こるので、不純物混入を極力避け、D/Tの燃料の最適な比を維持する必要がある。本研究では、トリチウム燃料注入と壁不純物挙動の理論シミュレーション解析研究として、筆者が独自に開発してきた統合シミュレーションコードTOTALを用いて解析を行った。また、トリチウムの燃料サイクルを含めた核融合炉運転の最適化研究を、独自のシステムコードPECを用いて進めた。具体的には、トリチウム燃料の挙動やD/Tの燃料比の制御と密度限界、ベータ知限界、核融合出力特性の関係を明らかにし、D:T=7:3の燃料比にすることでトリチウム消費を大幅に低減できる事をシミュレーションで明確化した。また、トリチウムイオンや重水素イオンによるスパッタリングにより発生する壁不純物イオンの輸送と、その周辺プラズマやコアプラズマへの影響を検討し、不純物マントル形成による壁熱負荷の低減を明確化した。特に、ITERや将来の核融合炉で重要になると考えられているタングステン壁不純物の輸送解析を進め、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、モリブデン、等の不純物の振る舞いとの比較を行い、ITERでのクリプトン不純物マントルの有効性を示した。以上の成果を踏まえて、平成22年度から2年間の特定領域公募研究「トリチウム燃料消費の最適化と燃料システムの経済性評価」へと発展させることができた。