국제 핵융합 물질 조사 시설

International Fusion Materials Irradiation Facility
IFMIF
국제 핵융합 물질 조사 시설(IFMIF)의 대상 영역을 개략적으로 나타냅니다.한 쌍의 듀테론 빔에 의해 작은 표적 영역이 조사되어 소재에 대한 강렬한 중성자속(중수소와 리튬의 흐름의 상호작용에 의해 생성됨)의 영향을 연구한다.

IFMIF라고도 알려진 국제 핵융합 물질 조사 시설은 에너지 생산 핵융합 원자로에서 사용할 수 있는 후보 물질을 완전히 검증할 수 있는 투영된 물질 시험 시설이다.IFMIF는 중수소-리튬 핵반응을 사용하여 핵융합로의 첫 번째 벽에서 예상되는 스펙트럼과 유사한 고강도 고속 중성자속을 생성하는 가속기 구동 중성자 선원이다.IFMIF 프로젝트는 1994년에 국제 과학 연구 프로그램으로 시작되어 일본, 유럽연합, 미국, 러시아가 실시하고 국제 에너지 기구가 관리하고 있다.2007년부터는,[1][2] IFMIF의 엔지니어링 검증 및 엔지니어링 설계 활동을 실시하는 IFMIF/EVEDA 프로젝트를 통해서, 핵융합 에너지 연구 분야에 있어서의 폭넓은 어프로치 협정에 근거해 일본과 유럽연합에 의해서 추진되고 있다.IFMIF 구축은 ESFRI([3]European Strategy Forum on Research Infrastructures)가 발간한 유럽 연구 인프라 로드맵 보고서에서 권장된다.

배경

중수소-삼중수소 융합 반응은 14.1MeV의 에너지를 가진 단일 에너지 중성자를 생성한다.핵융합 발전소에서 중성자는 10ms의18−2−1 속도로 플럭스에 존재하며 스펙트럼이 넓어지고 [citation needed]부드러워지는 원자로의 재료 구조와 상호작용한다.핵융합 관련 중성자원은 핵융합 [4]에너지의 성공적인 개발을 위한 필수 단계이다.해당 원자력규제기관에 의한 핵융합발전설비의 안전한 설계, 건설 및 인가를 위해서는 핵융합로 수명 중 중성자 조사 하에서 플라즈마 방향 물질 열화에 관한 데이터가 필요하다.재료 열화의 주요 원인은 일반적으로 원자당 변위(dpa)[5]의 관점에서 정량화된 구조적 손상이다.현재 건설되고 있는 대규모 핵융합 실험인 ITER에서 원자로강의 구조적 손상은 수명 종료 시 2dpa를 초과하지 않는 반면 핵융합 발전소의 손상 발생은 연간 [6]15dpa에 이를 것으로 예상된다.

일반적으로 이용 가능한 중성자 선원은 다양한 이유로 핵융합 물질 시험에 적합하지 않다.물질 미세구조에서 가스의 축적은 충돌 중성자의 에너지와 밀접하게 관련되어 있다.온도제어조건에서 연간 15dpa 이상의 손상수준에서 α 입자 발생/dpa 비율과 같은 조사조건의 특이성에 대한 물질의 민감도 때문에 재료시험에서는 중성자 선원이 핵융합로 환경과 동등해야 한다.

강철에서 Fe(n,α)51Cr 및 Fe(n,p)54Mn 반응은 생성된 양성자와 α 입자의 대부분을 담당하며,[7][8] 이들은 각각 0.9MeV 및 2.9MeV의 입사 중성자 에너지 역치를 가진다.따라서 평균 에너지가 1-2MeV인 중성자를 생산하는 기존 고속핵분열로는 핵융합물질 시험요건을 충분히 충족할 수 없다.실제로 메짐화의 주요 요인인 변환에 의한 α 입자의 생성은 현실적 조건과는 거리가 멀다(실제로는 0.3apm He/[9]dpa 정도).파쇄 중성자 선원은 잠재적으로 다른 결함 구조를 초래하고 합금의 목표 특성에 본질적으로 영향을 미치는 빛 변환 핵을 생성하는 수백 MeV까지 광범위한 에너지를 제공한다.이온 주입 시설은 표준화된 기계적 특성 시험을 위해 충분한 조사량(최대 수백 µm 층 두께의 값)을 제공한다.또한 경이온에 대한 저탄성 산란 단면은 10dpa 이상의 손상 수준을 [10]실용적이지 않습니다.

1947년, 로버트 서버는 이론적으로 고에너지 중수소가 [11]목표물에 맞았을 때 양성자가 없어지는 과정을 통해 고에너지 중성자를 생산할 가능성을 입증했다.1970년대에 이 박리 반응을 이용한 고에너지 중성자 선원에 대한 최초의 설계가 [12][13]미국에서 개발되었다.1980년대에 고전류 선형 가속기 기술의 급속한 발전으로 인해 고휘도 대용량 국제 핵융합 재료 시험 [14][15]시설의 요건을 충족하기 위한 여러 가속기 구동 중성자 선원의 설계로 이어졌다.중수소-리튬 중성자 선원에 기초한 핵융합 물질 조사 시험(FMIT) 설비는 핵융합 물질 및 기술 [16][17][18][19]시험을 위해 제안되었다.

IFMIF에 이용된 중수소-리튬 반응은 IFMIF를 다른 사용 가능한 중성자 [20][21][22][23]선원과 비교함으로써 알 수 있듯이 적절한 핵융합 중성자 스펙트럼을 제공할 수 있다.리튬에 충돌하는 사이클로트론에서 나온 40 MeV 듀테론 실험에서 중성자 스펙트럼과 리튬의 방사능 생성을 측정하여 계산된 추정치와 충분한 일치를 발견했다.[24]

묘사

IFMIF는 액셀러레이터 설비, Li 타깃 설비, 테스트 설비, PIE(사후조사) 설비, 재래식 [25][26][27]설비 등 5대 시스템으로 구성된다.발전소 전체가 국제 원자력 시설 규정을 준수해야 한다.빔(40 MeV)의 에너지와 평행가속기(2 x 125 mA)의 전류는 핵융합로 첫 번째 벽과 동등한 조사 조건을 만들면서 중성자속(1018−2 m−1 s)을 최대화하도록 조정되었다.연간 20 [28]dpa 이상의 손상률은 약 1000개의 소형 시험체를 수용할 수 있는 고유속 시험모듈의 0.5 L 부피에서 도달할 수 있다.개발된 소형 표본 시험 기술은 후보 물질의 완전한 기계적 특성(피로, 파괴 인성, 균열 성장률, 크리프 및 인장 응력)을 목표로 하며, 핵융합 중성자 유도 열화 현상에 대한 과학적 이해 외에도 핵융합 재료 데이터베이스의 주요 요소 생성을 가능하게 한다.미래 핵융합로의 설계, 면허 및 신뢰성 있는 운영에 적합하다.IFMIF의 핵융합 커뮤니티에 대한 주요 기대 기여도는 다음과 같다.[29]

  1. DEMO를 위한 엔지니어링 설계에 대한 데이터를 제공한다.
  2. 재료의 성능 한계를 정의하기 위한 정보를 제공한다.
  3. 기존 데이터베이스의 완성 및 검증에 기여한다.
  4. 다양한 대체 핵융합 물질의 선택 또는 최적화에 기여한다.
  5. 엔지니어링 적용과 관련된 조사효과 모델링의 벤치마킹을 포함한 재료의 방사선 응답에 대한 기본적인 이해를 검증한다.
  6. 테스트는 ITER 테스트 대상 모듈 테스트 전 또는 그 전에 포괄적인 개념과 기능적인 자료를 보완합니다.

IFMIF 중간 엔지니어링 설계

IFMIF 공장의 엔지니어링 설계는 검증 활동과 밀접하게 연계되어 있으며, 이른바 IFMIF 엔지니어링 검증 및 엔지니어링 설계 활동 프로젝트(IFMIF/EVEDA)의 첫 번째 단계에서 실시되었습니다.IFMIF Intermediate Engineering Design Report는 2013년 6월에[26] 설립되어 2013년 12월에 이해관계자에 의해 채택되었습니다.IFMIF Intermediate Engineering Design은 주요 시스템을 개략적으로 정의합니다.

액셀러레이터 설비(LiPac)

각각 5 MW의 가속기 CW 중수소 빔 두 개가 약 20 mm 깊이의 브래그 피크 흡수 영역과 함께 액체 Li 제트의 일정한 시간 프로필과 200 mm x 50 mm의 각도로 ±9°의 각도에서 겹치는 방식으로 충돌한다.

대상시설

대상 시설은 약 10m의3 Li 재고를 보유하고 있으며 빔 타깃을 형성하고 컨디셔닝한다.Li 스크린은 두 가지 주요 기능, 즉 중수소와 반응하여 정방향으로 안정적인 중성자속을 생성하고 연속적으로 빔 파워를 소멸시키는 기능을 수행합니다.유동 Li(15 m/s; 250 °C)는 빔 발자국 영역에서 곡률 반경이 최소 250 mm인 25 mm 두께의 오목한 제트를 형성하는 2단 환원 노즐에 의해 빔 상호작용 영역 근처에서 형성 및 가속됩니다.그 결과 원심압력은 유동 Li의 비등점을 상승시켜 안정된 액상을 확보한다.Li에 흡수된 빔 전력은 열 제거 시스템에 의해 배출되고 리튬은 일련의 열 교환기에 의해 250°C까지 냉각됩니다.액정 스크린의 품질에 필수적인 불순물 관리는 콜드 트랩과 핫 트랩 시스템의 맞춤형 설계를 통해 이루어지며, 작동 중 Li의 순도는 99.9% 이상이 될 것으로 예상됩니다.불순물의 온라인 모니터링은 50ppm 이상의 불순물 수준을 탐지합니다.지난 30년간 수행된 수치 분석에 따르면 빔-표적 상호작용은 제트 [30]안정성에 결정적인 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다.

테스트 설비

시험 시설은 발전소에서 잠재적으로 다른 수준의 조사 대상이 될 수 있는 금속 및 비금속 물질을 수용하는 0.5L, 6L 및 8L의 조사 부피와 함께 2020 dpa/fpy ~ 11 dpa/fpy 범위의 고, 중, 저 플럭스 영역을 제공한다.구체적으로는 고플럭스 영역에서는 0.5L 영역에서 3.5년 이상 50dpa의 플루언스와 0.2L 영역에서 5년 이상 발전소 관련 플루언스가 각각 120dpa 이상의 플루언스를 계획한다.고유속 영역에는 독립적으로 온도를 제어하는 12개의 개별 캡슐에 조립된 약 1000개의 작은 샘플이 수용되어 테스트 대상 구조 재료의 기계적 특성뿐만 아니라 조사 중 재료 온도에 따른 열화의 영향을 이해할 수 있습니다.

조사 후 시설

IFMIF의 필수적인 부분인 조사 후 검사 시설은 조사 [31]시료의 취급 작업을 최소화하기 위해 본관 건물에 설치되었다.다양한 테스트 모듈에서 조사된 시료를 테스트할 수 있을 뿐만 아니라 파괴 테스트 후 시료의 특성을 금속학적으로 파악할 수 있습니다.

IFMIF 엔지니어링 검증 액티비티

그림 7. 일본 록카쇼에 설치 중인 LIPAc(Linear IFIF Accelerator Prototype Accelerator) 중수소 주입기의 LEBT 이미지

IFMIF 건설 위험 최소화려면 IFMIF/EVEDA 사업 또는는 즉 핵 융합 관련된 중성자 source,[17][32]1)바로 연결 설비 2)를 설립하는 데에는 국제적 협력이 60년 동안 식별된 주요 기술적 도전에 직면한 시스템의 시안을 건설하고 있건설해 왔다. 그 Targ설비 및 3) 테스트 설비.[33][34]가속기 프로토타입(LIPAc)은 F4E의 조정 하에 주로 유럽 실험실 CEA, CIEMAT, INFN 및 SCK•CEN에서 설계 및 제작되었으며 JEA 구내 Rokkasho에서 설치 중인 초전도 가속기 설계(9단계까지)와 동일합니다.현재)이며 2017년 [35]6월에 가동될 예정이다.IFMIF Li 대상 시설의 모든 요소를 통합한 JEA의 Oarai 구내 Li Test Loop(ELTL; [36]Li 테스트 루프)은 2011년 2월에 시운전되었으며 브라질 [37]ENEA의 Li 루프(Lifus6)에서 수행된 부식 실험으로 보완되었다.캡슐들 주택의 프로토 타입으로는 A고등 중성 자속 시험 모듈(두개의 다른 디자인을 수용하거나 제공 활성화 Ferritic-Martensitic 철(RAFM)또는 탄화 규소),[38][39][40]는 작은 표본 SCK•CEN[41]의 BR2 연구용 원자로에서 HELOKA은 연구원 소속 Technology,의 loop은 냉각 헬륨 시험 조사 후 있었다.Karlsruhe,[42]-복폴 셰러 연구소에서 실물 크기로 제조 및 테스트된 크리프 피로 테스트 모듈 포함 에테르.진행 중인 검증 활동에 대한 자세한 정보는 관련 출판물에서 [44][45][46][47][48][49][50]확인할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

  • ITER(국제 열핵 실험용 원자로, 라틴어로 '길')

레퍼런스

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외부 링크

  • Wikimedia Commons의 IFMIF 관련 미디어