FENDL-3プロジェクトの概要

核融合炉開発と核データ

九州大学 大学院総合理工学研究院

渡辺 幸信

RCNPでの核データ研究戦略検討会

阪大RCNP、2011年6月28,29日

内 容

• はじめに

- トカマク型DT核融合発電プラントのしくみ

- 核融合研究開発ロードマップ

• ＤＴ核融合炉開発に関連した核データ

• 国際核融合材料照射施設（IFMIF）に関連した核データ

• FENDL-3プロジェクト@IAEA

• まとめ（核データに対する要望）

参考資料： 原子力学会・核データ部会

“核融合炉関連核データの現状と将来展望

―フェムトスケールの物

理が支える核融合炉開発ー”, 原子力学会誌 Vol.51 (2009) p.749

トカマク型ＤＴ核融合発電プラントのしくみ

参考： ITER時代を迎えた核融合研究開発(I)、日本原子力学会誌 Vol.50, No.7 (2008).

)

MeV

1

.

14

(

)

MeV

5

.

3

(

He

T

D





4



n

• 燃料資源的には豊富かつ偏りなく存在するエネルギー源

（重水素は海水に無尽蔵に存在、トリチウムは核融合中性子とリチウムとの反応で生成）

• CO

₂

を出さないので、地球温暖化防止の観点から優位。

• 高レベル放射性廃棄物を出さない。（中性子による誘導放射化物は生成）

• 核的暴走がない。

特徴

核融合研究開発の開発ステップ

国際熱核融合実験炉（ITER）

国際核融合材料照射施設（IFMIF）

2019完了

2027 ＤＴ燃焼

DEMO炉

プロトタイプ加速器の建設＠六ヶ所

（日欧共同事業）

40MeV d

加速

Layout of IFMIF/EVEDA Accelerator Building

Cold air and water area

Entranc

e

Control room

Entrance for

radiation controlled

room

Electricity yard

Cooling towers yard

Cooling towers yard

RF power supply area

Accelerator vault

Hot air

handling

area

Hot water area

Entrance

Length:58 m, Width:37 m

Height: 11 m, Area: 2020 m

5

Accelerator

Vault

RF Power Supply

Area

• Preparation for auxiliary systems of

the Accelerator Prototype is ongoing.

Outline of IFMIF/EVEDA accelerator prototype

Accelerator prototype up to 9MeV is planning for Engineering Validation

100 keV

5 MeV

9 MeV

ion

source

Beam

_Dump

Beam

ExtractionLEBT

RFQ

MEBT

Sc HWR-Linac

HEBT

12.5 kW

625 kW

1125 kW

DPlate

5 MeV, 125 µA

(10

-3

_{, maximum loss in C.W )}

9 MeV , 125 mA

DTL and HEBT

1 W/m (~100 nA/m)

Loss in RFQ

~14 mA max

D2+: 25 mA

D3+: 8 mA

 LEBT : 33 mA losses, 140 mA at 100 keV

RFQ : losses re-assessed recently for 90 % transmission

DTL and HEBT : 1 W/m (~100 nA/m)

核融合炉ニュートロニクス（中性子工学）

JENDL

MCNP

20MeVまで

トリチウムの増殖生産

17.6MeV

n

He

T

D





4





MeV

4.8

He

T

n

Li

4

6









核融合反応：

MeV

2.5

n'

He

T

n

Li

4

7











トリチウム生成：

天然リチウム

6

_{Li (7.4%)}

7

_{Li (92.6%)}

トリチウム増殖比

(TBR) = 生成されるT／消費されるT

低エネルギーでも起こる

しきいエネルギーの存在

（トリチウム増殖材中）

TBR > ～1.1要求

MeV

2.5

He

2

2n

n

Be

9









中性子増倍反応：

MeV

7

Pb

2n

n

Pb

A

1

A











出典：JENDL-3.2

中性子による材料損傷

引用：関昌弘著、核融合炉工学概論

・ 反跳核のエネルギースペクトル

（PKAスペクトル）

ＤＴ核融合炉における主要な核反応

参考： 原子力学会誌 Vol.51 (2009) p.749

T(d,n)α

: 燃料

D(n,2n)p

： 燃料

6

Li(n,t)α

_{： Tの増殖材}

6

Li(n,nd)α

_{：中性子の減速}

7

Li(n,nt)α

_{：Tの増殖材}

9

Be(n,2n)2α： 中性子増倍材

12

C(n,n„)3α ：第一壁材料 etc.

9

_Be(

a

_,n),

9

_Be(p,

a

_),

9

_Be(p,n)

プラズマ診断用

7

_{Li(d,n) : 材料照射中性子源}

トリチウム生成率

トリチウム増殖比 TBR > 1

予測値はブランケットが真空容器全体を覆う場合：

1.35

ダイバータや加熱ポート等での中性子損失を考慮: 1.0～1.1

 詳細設計段階：核データの精度、計算体系のモデル化が重要

参考： ITER時代を迎えた核融合研究開発(I)、日本原子力学会誌 Vol.50, No.7 (2008).

テスト・ブランケットモジュール模擬体系

7

Li(n,n‟)

a

_t反応

松本等（北大）によるCDCC計算

n+

6

Li反応

3体模型:n+（d+α）

d+α波動関数：OCM

n+

6

Li

: JLM folding model

弾性散乱

二次中性子スペクトル

E

_n

‟（MeV)

30deg

最近の核融合核データ関連研究: 14MeV DDX測定

例）中性子増倍反応

9

Be(n,2n)2α反応に関する研究

参考： K. Kondo et al., Proc. of ND2007, pp.407-410, (http://dx.doi.org/10.1051/ndata:07596)

JAEA-FNSにおける14MeV中性子実験と解析

0

2

4

6

8

10

12

14

10

10

10

10

_a

a

d

/d

dE

[m

b/

s

r/

M

eV]

a

-particle energy [MeV]

Present expt. ENDF/B-VII.0 JENDL-3.3 JEFF-3.1

20 deg.

a

a

n

2 body sequential

decay + 3-body

simultaneous

breakup

_Fitting

国際核融合材料照射施設（IFMIF）関連の核データ

主建屋

加速器

系

ターゲット

系

テストセル

系

重陽子

中性子

10MW

照射温度制

御

10

18

n/m

2

_/s

40MeV,125mA×2

の重陽子ビーム

Liループ

d-Li反応の採用

参考文献：

- 日本原子力学会誌, Vol. 49, No.4 (2007), pp. 267

- プラズマ・核融合学会誌, Vol.82, (2006), pp.3

中性子エネルギー分布

要求：

IFMIF中性子スペクトル による照射モジュール材料の核データ

また、

Li(d,t)のデータは殆ど無。

重陽子加速器中性子源に関する研究@九大

建設予定のIFMIF施設

 核融合炉材料の健全性実証のための

中性子照射施設（IFMIF）

 癌のホウ素捕獲治療用の小型中性子源

応用分野の例

(1) 核反応機構に関する理論研究（CDCC, Glauberモデル）

(2) 重陽子入射による厚い標的からの中性子生成に関する実験的研究

d+Li, d+Be

反応を利用

重陽子ビームを用いた加速器中性子源の核設計に不可欠な

核データ

、

特に

中性子生成反応

に着目し、重陽子入射加速器中性子源シミュレー

ションの高精度化に向けた基礎研究

(2007年度から開始）

CDCC analysis of d+Li reactions

T. Ye, Y. Watanabe, K. Ogata, and S. Chiba, PRC 78, 024611 (2008).

Application of

the CDCC method

to deuteron elastic scattering from

6,7

_Li

max

k

bin

N

S-state only

S- and D- states

The CDCC (

Continuum Discretaized

Coupled-Channels

) method describes

deuteron breakup process (A+2 body

system) with following phenomenological

three-body Hamiltonian :

Code: CDCDEU+HICADEU (by Y. Iseri et al.)

deuteron

)

,

,

(

)

(

)

2

/

,

,

(

)

2

/

,

,

(

s

s

r

H

R

V

E

s

r

U

E

s

r

U

T

H

























A

p

n

deuteron

R



r



U

U

6

_Li

7

_Li

d＋Li核反応機構に関する研究

“Analysis of deuteron breakup reactions on

7

Li for energies up to 100 MeV”

Tao Ye, Yukinobu Watanabe, Kazuyuki Ogata, Phys. Rev. C 80, 014604 (2009).

0 10 20 30 40 50 60 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 =00 =150 =300 =450 =600 =900 nat Li(d,xn) E_d=40MeV d 2  /d  dE (mb/MeV/sr) E_n (MeV)

1)重陽子分解過程

 CDCC

2)ストリッピング過程

 Glauber

3)蒸発過程

 Moving source

0°

10°

15°

Li(d,xn), E

=40MeV, Higawara+2005

20°

30°

角度分布

d

7

_Li

10-1 100 101 102 103 o _p=5o

d

/d

E

d

(

m

b

/M

e

V

s

r)

CDCC+Glauber: p,n-OMP:Koning-Delaroche

NI(d,xp), E

=100MeV, Ridikas+2000

d

/d

E

d

(

m

b

/M

e

V

s

r)

E

(MeV)

E

(MeV)

E

(MeV)

E

(MeV)

(d,xp)解析@100MeV

18

T. Ye, S. Hashimoto, Y. Watanabe, K. Ogata, M. Yahiro, submitted to PRC (2011)

PHITSとCCONEの適用例

• 複合核過程では、一致している

• 0～20MeVの範囲でPHITSは、

分布の形をよく表している

• 後方角では、CCONEの方が実験値

とよく一致している。

• PHITSは、前平衡複合核過程の評価

が小さくなっている。

問題点：

両コードはstrippingやbreakup 過程を記述できない。

Al(d,xp)

Al(d,xp)

FENDL研究プロジェクト@IAEA

• IAEA核データセクションによる研究協力プロジェクト(Coordinated

Research Project: CRP) がスタート (2008年～）

“先進システム-核融合装置用核データライブラリ（Nuclear Data

Libraries for Advanced Systems - Fusion Devices ）”

• 本CRPは、

FENDL（Fusion Evaluated Nuclear Data Library）

と呼ばれ

ている核融合応用に関連した評価済ライブラリ（最新版FENDL-2.1）の

更新を主たる目的とし、その

適用対象をIFMIFやITER以降の次世代

DEMO炉まで拡張すること（”Beyond ITER”）

にある

。

• 本CRPの成果は、

FENDL-3

として公開される予定である。

FENDL-3に期待される成果

• FENDL-2.1(71核種に対する20MeVまでの中性子入射反

応の核データ)が、

主要な最新核データライブラリ（ENDF/B-VII.0, JEFF-3.1, JENDL/HE-2007等）を用いて更新

される。



180核種へ拡張

参考： JENDL関連 合計89核種予定（2011.3）

• 陽子および重陽子反応データ

も汎用ファイルおよび放射化

ファイルに入る。

• IFMIF設計サイドからの要求に応じるために、入射粒子のエ

ネルギー範囲を

150MeVまで拡張

する。

• 設計における不確実性評価のために、評価済ライブラリに

共分散ファイル

も取り入れる。

FENDL-3.0 Starter File (抜粋)

---#) MAT Material Lab. Date Authors Source ---1) 125 1-H-1 LANL EVAL-OCT05 G.M.Hale ENDF/B-VII 2) 128 1-H-2 LANL EVAL-FEB97 P.G.Young,G.M.Hale,M.B.Chadwick ENDF/B-VII

3) 131 1-H-3 LANL EVAL-NOV01 G.M.Hale ENDF/B-VII 4) 225 2-He-3 LANL EVAL-MAY90 G.Hale,D.Dodder,P.Young ENDF/B-VII 5) 228 2-He-4 LANL EVAL-OCT73 Nisley,Hale,Young ENDF/B-VII 6) 325 3-Li-6 LANL EVAL-APR06 G.M.Hale, P.G.Young ENDF/B-VII 7) 328 3-Li-7 LANL EVAL-AUG88 P.G.Young ENDF/B-VII 8) 425 4-Be-9 LLNL,LANL EVAL-JAN86 Perkins,Plechaty,Howerton,Frankle ENDF/B-VII 9) 525 5-B-10 LANL EVAL-APR06 G.M.Hale,P.G.Young ENDF/B-VII 10) 528 5-B-11 LANL EVAL-MAY89 P.G.Young ENDF/B-VII

11) 625 6-C-12 Kyushu U. EVAL-JUL03 Y. Watanabe JENDL-HE

12) 720 7-N-15 CJD EVAL-APR89 A.I.BLOKHIN, N.S.RABOTNOV BROND-2

13) 725 7-N-14 AITEL EVAL-MAY05 T.Murata, K.kosako and T.Fukahori JENDL-HE

14) 825 8-O-16 LANL EVAL-DEC05 Hale,Young,Chadwick,Caro,Lubitz ENDF/B-VII

15) 925 9-F-19 CNDC,ORNL EVAL-OCT03 Z.X.Zhao,C.Y.Fu,D.C.Larson, Leal+ ENDF/B-VII 16) 1125 11-NA-23 SIT.SHIMZ EVAL-MAY 6 K. Kosako JENDL-HE 17) 1225 12-MG-24 KYUSHU EVAL-DEC 3 Sun Weili and Y.Watanabe JENDL-HE 18) 1228 12-MG-25 KYUSHU EVAL-DEC 3 Sun Weili and Y.Watanabe JENDL-HE 19) 1231 12-MG-26 KYUSHU EVAL-DEC 3 Sun Weili and Y.Watanabe JENDL-HE

20) 1325 13-Al-27 LANL EVAL-FEB97 M.B.CHADWICK & P.G.YOUNG JEFF-31 21) 1425 14-Si-28 LANL,ORNL EVAL-DEC02 M.B.Chadwick,P.G.Young,D.Hetrick ENDF/B-VII 22) 1428 14-Si-29 LANL,ORNL EVAL-JUN97 M.B.Chadwick,P.G.Young,D.Hetrick ENDF/B-VII 23) 1431 14-Si-30 LANL,ORNL EVAL-JUN97 M.B.Chadwick,P.G.Young,D.Hetrick ENDF/B-VII

24) 1525 15-P-31 LANL,LLNL EVAL-DEC97 M.Chadwick,P.Young,R.Howerton ENDF/B-VII

25) 1625 16-S-32 FUJI E.C. EVAL-MAY87 H.Nakamura ENDF/B-VII 26) 1628 16-S-33 FUJI E.C. EVAL-MAY87 H.Nakamura ENDF/B-VII 27) 1631 16-S-34 FUJI E.C. EVAL-MAY87 H.Nakamura ENDF/B-VII 28) 1637 16-S-36 FUJI E.C. EVAL-MAY87 H.Nakamura ENDF/B-VII

29) 1725 17-Cl-35 ORNL,LANL EVAL-OCT03 Sayer,Guber,Leal,Larson,Young+ ENDF/B-VII 30) 1731 17-Cl-37 ORNL,LANL EVAL-OCT03 Sayer,Guber,Leal,Larson,Young+ ENDF/B-VII 31) 1925 19-K-39 FUJI E.C. EVAL-MAY87 H.Nakamura ENDF/B-VII

32) 1928 19-K-40 FUJI E.C. EVAL-MAY87 H.Nakamura ENDF/B-VII

33) 1931 19-K-41 FUJI E.C. EVAL-MAY87 H.Nakamura ENDF/B-VII 34) 2025 20-CA-40 SAEI EVAL-MAY 3 K. Kosako JENDL-HE 35) 2031 20-CA-42 SAEI EVAL-MAY 3 K. Kosako JENDL-HE 36) 2034 20-CA-43 SAEI EVAL-MAY 3 K. Kosako JENDL-HE 37) 2037 20-CA-44 SAEI EVAL-MAY 3 K. Kosako JENDL-HE 38) 2043 20-CA-46 SAEI EVAL-MAY 3 K. Kosako JENDL-HE 39) 2049 20-CA-48 SAEI EVAL-MAY 3 K. Kosako JENDL-HE

20MeV

以上無

20MeV

以上

TENDL

-2008

20MeV

以上

JENDL

-HE

n+Li反応核データの現状

23

A.Yu. Konobeyev et al.,

Nucl. Sci. Eng. 139 (2001) 1.

IFMIF関連（20MeV以上）の

Liに対する核データの現状

7

_Li

₆

Li

6

_Li

Triton生成

核データに対する要望

• 中性子入射ばかりでなく、陽子・重陽子入射も必要

IFMIFに関連して

20 MeV以上のデータも必要

• 軽核

（1p殻核：Li, Be, B, C, N, O）の断面積評価が

重要課題（特に 20MeV以上で信頼できる核デ―タなし）

• 必要データ

 ２次生成粒子や反跳イオンの断面積およびエネルギー・角度

分布 （中性子輸送計算、核発熱評価など）

 広い放出エネルギー・角度範囲に亘るデータ（14MeVだけで

はない）

 同位体生成（放射化）断面積（

特に、トリチウム生成

）

九大グループの測定例

12, 14,16 MeV偏極陽子入射DDX測定

Exp. : N. Koori et al., JAERI-M 91-009 (1991)

p +

6,7

_{Li  p, d, t,}

a

の inclusive spectra測定

p +

7

Li  p + t +

a

３体終状態のFSIモデル解析

PHITS適用例

（QMD+GEM）

ＲＣＮＰで何がやれるか（やりたいか）

ー比較的短期（５年間）の計画案ー

• 陽子入射反応

（65MeV～150MeV領域）

 p+Li, p+Be反応など

 CDCC解析（理論研究者の協力）

入射粒子を中性子にして理論予測・断面積

評価へ適用

• (d,xn)反応

 １００MeV(d,xp)データとの同時解析できる

データの取得

 さらに高いエネルギーへ

入射エネルギー依存性の調査

ご清聴有難うございました。