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5 - 京都大学エネルギー理工学研究所小西研究室
エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 地球環境学舎サステイナビリティ学コース 未来エネルギーシステム技術とメタ評価 ー革新エネルギー、核融合、地球環境、水素社会 その技術と経済、社会への適合 － 5．核融合工学とエネルギー変換 2014.前期 月曜 ４限 京都大学エネルギー理工学研究所・エネルギー科学研究科 (14:45-16:15) 5/19 小西哲之・笠田竜太 内容 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University １．未来のエネルギーと環境 ４．核融合工学 ① エネルギー問題 ① 基本的な工学 ② 地球環境問題 ② 核融合炉の構成機器 ③ 未来エネルギーの考え方 ③ 工学研究の現状 ④ なぜ核融合を研究するのか？ ④ 技術課題とトピック ⑤ メタ評価とは何か？ ５．安全性 ２．核融合入門 ① 安全性の考え方 ① 原理と特徴 ② 動力プラント安全 ② 開発の現状 ③ 廃棄物と材料 ④ トリチウム、環境、生物 ３．核融合エネルギー変換と炉設計 ① 核融合炉設計 Physics Today, vol.55, No.4 (2002) ② エネルギープラント 人工衛星(400個)の撮影画像から合成した地球の夜景 内容２ Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University ６．先進エネルギー変換 ９．エネルギー研究の社会影響 ① エネルギー変換 ② 核融合ブランケット工学 ① 研究開発と社会 ② 経済効果 ７．未来エネルギーと水素 ③ 外部性の概念 ① 未来型エネルギーシステム ② 現在の水素製造 ③ 技術的に考えられる １０．未来エネルギーの導入シナリオ 水素製造 ① エネルギー開発戦略 ④ 水素製造法の比較 ② 未来のエネルギー市場 ③ 環境対策とエネルギーの意義 ８．核エネルギーの利用 ④ 社会への適合 ① 核融合と核分裂 ② 核エネルギーによる水素製造 ③ 水素製造とエネルギー源 Physics Today, vol.55, No.4 (2002) ④ 核エネルギーと水素社会 人工衛星(400個)の撮影画像から合成した地球の夜景 ０．連絡事項 １．講義資料 ・エネルギー理工学研究所のウェブサイト、 http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/atomic/に入れてあります。 ２．本講義の進め方（再掲） ・履修登録、確定しました。 ・欠席者は、事前にメールで通知のこと。 （今日も、何名か出ています。届けてくれればOK？） ・欠席の場合、上記ファイルで自習し、課題をレポートとして提出 すること。提出先は下記メールアドレスあるいは持参。 ・欠席多数の場合は補講をします。 [email protected] 期限 次の授業当日14：30分。 ・出席とクイズ全数で単位採点。不足の場合は学期末に検討。 ・試験なし。 ・詳しく勉強、自習したい人は参考図書：「エネルギー問題の 誤解 いまそれをとく」小西哲之 化学同人社(2013) ¥1890 978-4759813548 前回の課題 １．水槽に、藻、ミジンコ、魚がいる。 －安定にシステムが機能する状態を 記述せよ。 熱 エントロピー 魚 ミジンコ フン 死骸 CO2 O2 藻 バクテリア 代表的な回答 エネルギー エネルギー エントロピー 生物 環境 社会 物質（原料） システム 廃棄物 （１）エネルギーバランス ・エネルギーの入口：光 ・エネルギーの出口：熱 エネルギーの質が違っている。 エントロピーはどこで捨てている？ 生物はエネルギーを｢変換」している。 安定なシステム：エネルギーバランスが取れている ＝入るエネルギーと出るエネルギーが同じ ＝エネルギー保存則（熱力第１法則） でもこれだけではシステムは「動かない」 →「仕事」をするシステムはエントロピーを捨てる。（第２法則） 前回の課題 １．水槽に、藻、ミジンコ、魚がいる。 －安定にシステムが機能する状態を 記述せよ。 ・変換 岩脇健二郎：「このままだと全滅。バクテリアを足せばよい」 ・変換 野儀武志：「個体数の変化は不安定のもとになる。」 ・変換 中村康二：「持続可能となるということは、偶然でしかない」 ・環境マネジメント 最上智也：「現実的な視点が大切」 前回との違い：「持続可能性」 （２）物質バランス ーこの場合は循環：物質収支はない ・分解者（バクテリア）の介在： ・分解者がいれば「合成者」がいる －合成するときにエネルギーを使い、 エントロピーをすてる 物質（原料） 廃棄物 魚 ミジンコ フン 死骸 CO2 安定なシステム：物質バランスが取れている 廃棄物と原料は相対的なもの。 しかし廃棄物はよりエントロピーを持っている。 O2 藻 バクテリア 物質循環 魚 （３）個体数、社会システム ・個体数ピラミッド：食物連鎖 ・個体数の安定性：すべての個体数がほぼ一定 －資源制約ーみんな空腹 －どうやって？－個体数を制御する「システム」：社会？ 安定なシステム – 「持続可能」 ミジンコ 個体数の一定、は自明ではない 思考実験 ー草食動物しかいない島に肉食動物が漂着したら？ １．草食動物全滅→肉食動物全滅 ２．肉食動物全滅 肉食動物 ３．適当なバランスで安定 古典的ダーウィニズムでは ・生物は環境に適応する。 ・より適応が進んだものが生き残る。 草食動物 食物連鎖 実際には ・生物は生存環境と相互作用する。 ・相互作用の結果、持続可能なシステムにバランスしたときだけ 生き残る。 「持続可能」は、自明でも自然でもない。 すごく難しいかというと。。？？ 光(Light) 浮き草（Duckweed） 藻類（Algae） 、 ﾐｼﾞﾝｺ（Water flea） メダカ （Killifish） 糸ﾐﾐｽﾞ（Tubificids） Detritus(細菌群集) 人間－家畜－植物系 放射線医学総合研究所の提供による。 メダカ－ミジンコ－藻類系 物質（原料） （４）物質バランスについての更なる考察 ーたとえば、元素ごとにリサイクルを見ると かなり挙動がちがう。 ・酸素：呼吸と光合成の間で循環 ・炭素：化学エネルギー媒体として、 食物連鎖を循環 ・窒素：タンパク質源として循環 －実は多くの場合これが資源 制約。(←肥料？） ・他にも、ミネラルなど制約になるものが ありうる。 （５）エネルギー制約 ・エネルギー供給量、利用量が変わると どうなるか？ Ｎ 魚 C 廃棄物 C Ｎ ミジンコ CO2 O2 C 藻 フン C Ｎ 死骸 Ｎ バクテリア 各元素の循環 このサイクルをまわして いるのが エネルギー より多くを生かすには？ 「持続可能な」システムの作り方を考えてみよう。 「環境」を生物と対置してはいけない。 ー人間は環境を破壊しているわけではない ー生物が環境に適応するのが進化ではない 「生物」は自分の棲む「環境」をつくる －それが自分に適しているとは限らない 。。たまたま「環境」と「生物」が適応したとき 「持続可能」（定常状態）となる。 －人類はその状態に達していない 経済成長、エネルギー、人口 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University エネルギー開発 破綻 エネルギー需要 人口増加 経済成長 エネルギー 経済成長？ 人口一定 エネルギー供給自体が人口を増加させてきた。 それがエネルギー需要を作る。→自己撞着 産業革命以来、持続可能性を超えた成長が続いてきた。 安定解の必要条件は人口一定。 →エネルギー＝善ではない このとき経済成長は？ →持続可能な「発展」は未解決 ３．核融合エネルギー変換と 炉設計 ー核融合発電の原理 ーエネルギー変換 ーシステム構成 ー炉設計の例 ー物質サイクル 太陽のエネルギー：核融合 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 太陽の燃焼 中心温度：1,500万度 反応時間：１００億年 燃料：水素 ヘリ ウム 陽子 核融合 中性子 人工の核融合 陽子 陽電子 温度：２億度 反応時間：１秒 燃料：水素の一種 重水素 ト リ チ ウ ム ヘリ ウ ム 中性子 石油８ t 燃料１ ｇ このエネルギー、どうやったら 使えるんだろう？ いやそもそも、ふつーのエネルギーだって、 そのままじゃ使えない。 －太陽光？洗濯物を干すとか。ひなたぼっことか。 －火？バーベキューでもやる？ －電気？雷や静電気が使えるかな？ エネルギーは、使える形にしなきゃ 使えない（変換） 本日の課題 ０．エネルギーは、何に使っている？ （１）「使い方」＝利用されているエネルギーの形を、３種類 あげてください。 （２） また、君が使った例を、「単位をつけて」どれくらい使ったか、 書いてください。 核融合反応で発生するエネルギー Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University d + t = α ＋ n +17MeV 利用 加熱 利用 加熱 損失 プラズマ 損失 利用 アルファ粒子はプラズマ中にとどまる 中性子の持つエネルギーを利用 実は火を使うのと 変わらない 核融合発電の原理 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University エネルギーシステムのＳＣＭ Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 需要 社会的要求 （産業界なら常識？） 資源、原料 廃棄物 エネルギー 発生技術 燃料供給 廃棄物処理 フロー ストック エネルギー 供給 環境影響 社会影響 量が多い 単価が安い 輸送・分配が重要 ＬＣＡとの違い：動的な概念。インベントリーではない →資源豊富/エミッション少 でも制約されるものがわかる →物質によらない制約もある。需要、環境、廃棄物。。 →成長速度も制約されうる。 核融合プラントの燃料サイクル Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University １.重水素と リチウムを消費 リチウム ブランケット ３ .放射性物質は 施設内で循環 トリチウム プラズマ 海水 重水素 ２ .資源は海水 n + 6Li → t + 4He 材料は再利用 放射化物 （保管） ●重水素：ほぼ無尽蔵 （すべての水に６０００分の１含まれる） ●リチウム資源は海水中を含めて、 1,500万年分） ４ .廃棄物の処理は単純 核融合炉工学技術 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 超伝導コイル技術 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University ＩＴＥＲで要求された超電導技術 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 超電導磁石 100 将来の核融合 今後 T F コイル ① ニオブ・アルミ導体開発 ② 20K 動作超伝導導体の開発 90 80 70 電 流 値 60 (KA) 30 50 現状 40 ITER-TF(12.5T, 60kA) ITER-CS(13T, 40kA) DPC LCT LHD TRIAM 磁気浮上 列車用 20 10 0 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 21 22 磁場 (T ) ダイバータ（高熱流束機器） Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University ダイ バータ の構造 (MW/m2) 100 熱 10 負 荷 表面温度 5 0 0〜 1 5 0 0℃ ダイ バータ 溶接機 ダイ バータ 技術の課題と 成果 プ ラ ズマから の熱 材料工学 高熱伝導率・ 高強度を も つ耐熱材料の開発 冶金工学 異種材料の接合技術開発 1 原子炉 0 .1 0 0. 1 ボイ ラ ー 熱工学 形状改良によ る 伝熱促進 構造工学 対熱応力・ 熱疲労寿命に 優れた構造の開発 核融合炉用 炭素複合材料 を 新たに開発 銀を 含ま ない 低放射化ろ う 付 け技術を 開発 ねじ り テ ープ を 挿入し たスワー ル冷却管を 開発 分散強化銅 の利用 こ れま での成果 5 MW /m 2、 定常、 3 5 0 0回 2 0MW /m 2、 1 0秒、 1 0 0 0回 に耐え る 機器を 開発 今後の課題 製作コ ス ト 低減、 機器の低放射化等 安全性・ 信頼性の向上 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 冷却管中の流れ CFC モノブロック 垂直ターゲット（日本） カセット本体（米 国） ~1 m 支持構造 垂直ターゲット冷却管 （ 20 MW/m2, 10秒 ,1000 サイクル） 15 中性粒子入射装置 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 本日の課題 １．核融合1反応あたり17.6MeVのエネルギーが発生する。 一人当たり電力消費年間４０００kwhとして、核融合燃料何ｇが 必要か。 ただし、1eV=1.6x10-19J、D-２g/mol、T-３g/mol ２．また、そのうち何ｇの質量が反応でなくなるか。 （E=mc2 を利用。） ペレット入射（燃料注入） HFS flight tube (mainly for plasma density control through core fuelling) LFS flight tube/trajectory (mainly for ELM pacing) Pellet in ASDEX 遠隔操作技術 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 開発課題 ブラ ンケッ ト交換 保守時 の要求 ・大重 量（可 搬性能 ：4 to n ） ・高精 度（取 扱精度 ：±2 m m ） ビー クル型 保守概 念 グ リ ッパ マ ニ ピュ レ ー タ ブ ラ ンケ ッ ト (4 to n ) ビ ー クル レール グ リ ッパ 実規 模モデ ルによ る実証 試験 マ ニ ピュ レ ー タ ブ ラ ンケ ッ ト ビ ー クル レール シミ ュレー ション 技術の 開発 大型構造物 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 低歪み電子ビーム溶接により１５ｍの構造物を±３ｍｍで製作 ± 60 ± 50 製 作 ± 40 精 度 ± 30 高層ビル 圧力容器 (m m ) ビーム 溶接 ± 20 ± 10 開発目標 JT - 60 今回の成 果 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 構造体寸法（高さ：m ） 1 8 20 ブランケットの機能 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University １.遮蔽 T ３.トリチウム増殖 ブランケット プラズマ 増倍材 Be 2n 中性子 増殖材 ７Li 増殖材 T 6Li n トリチウム 回収系 T （トリチウム損失） ２.エネルギー変換 熱交換器 SG タービンへ T 燃料系へ ITERテストブランケット・モジュール(TBM) Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University • TBM計画は、工学面では、最も重要なITER利用計画。原型炉の 根幹となる技術で世界をリードする絶好の機会。 – ITERは各極ブランケット概念の国際コンテストの場 – 最も優れたブランケットが原型炉以降の世界標準になる可能性 ITER 真空容器 プ ラ ズ マ テスト ブランケット モジュール 加圧水 冷却系 タ ︱ ビ ン ITER・TBMでの国際競争 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University • ＩＴＥＲ参加極は3→７と増えた。（もともとは各極が競争のつもり） • テスト場所は6箇所しかない。（共同で設置するしかない） – 各極ブランケット概念の国際コンテスト →国際協力の枠組みの中でのリーダーシップ争いに変化 ポート ブランケット概念 ブランケット概念 1 (EU) リチウム鉛 (EU) Ｈｅ冷却固体 (EU) 2 (日本) 水冷却固体 (日本) 3 (中国) Ｈｅ冷却固体（韓 国） Ｈｅ冷却固体 (中国) リチウム鉛(インド) ブランケットの要素技術開発 ー製作技術に見通しが得られ、設計基礎データも取得完了ー 第一壁パネル製造技術 トリチウム増殖材 微小球製造技術 中性子増倍材 微小球製造技術 滴下原液 （Li2TiO3粉末､バインダー､純水） 200m m ゲル球 凝固材 増殖材充填部 側 乾燥・焼結 矩形冷却 管 30m m 直径2mm Li2TiO3微小 世界で初めて高温等方圧加 圧接合法（HIP接合法）を用 いて試作した低放射化フェラ イト鋼第一壁パネル ・HIP条件を選定 （約1100℃、1500気圧） ・材料疲労強度と同程度の 疲労強度 （1MW/m2、400秒、5000回以上） 球 2mm 増殖材(Li2TiO3)微小球の 製造技術（湿式造粒法）と 微小球の外観 1mm ・回転電極法によるベリリ ウム微小球 固体増殖と液体増殖 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 固体増殖 増殖材 粒子（ペブル）を充填 トリチウム回収 ガスを流通 冷却 水/ガスを流通 交換 定期 固体増殖方式（日本案） 液体増殖 液体を流通 液体から抽出 冷却材兼用も可能 連続 液体増殖方式（ＥＵ案） Top Cover First Wall Back Plates LiPb inlet Breeder Cooling Units Bottom Cover LiPb outlet ブランケット工学 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 核融合エネルギーを利用可能な形に転換する装置 →各国で方式を競争中 核融合エネルギーの利用 Institute of Sustainable Science 中性子利用 Institute of Advanced Energy, Kyoto University 合成燃料の製造 熱エネルギー 核融合プラント 工業利用 熱エネルギー 発電 熱利用 高効率発電 システム 海水淡水化等 一般家庭 核融合エネルギーの取り出し Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 燃焼とエネルギー取り出しの分離 ーブランケットはプラズマに影響しない ーブランケットはプラズマと独立に交換、稼働 原子炉 核融合 エネルギー 取り出し ブランケット エネルギー 取り出し 中性子 プ ラ ズマ （ エ ネルギー 冷却材 発生） 燃料 冷却材 火力発電に似ている 熱エネルギーの利用分野 Institute of Advanced Energy, Kyoto University Institute of Sustainable Science 水冷却プラントシステム検討 Institute of Sustainable Science 核融合出力 全熱出力 Institute of Advanced Energy, Kyoto University 直接 間接 2300ＭＷ 2910ＭＷ ブランケット除熱量 冷却水圧力 入口/出口温度 流量 2420ＭＷ 25MPa 280/500℃ 290/510℃ 1250kg/s 1256kg/s ダイバータ除熱量 冷却水圧力 入口/出口温度 流量 490ＭＷ 10MPa 150/200℃ 200/250℃ 1200kg/s 1120kg/s 本日の課題 ３．燃料が無尽蔵にあるエネルギーはいくらでも使っていいか？ ダメだとしたらなぜ？ ４．太陽光や風力は、確かに無尽蔵にある。好きなだけ使える のだろうか？できないとしたら、どうして？ 核融合工学のまとめ Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University 核融合工学技術 ・核融合開発では、装置規模、性能で数桁の向上が要求されてきた ・現在、ITERへの工学開発を通じて、ほとんど目標領域に到達。 ここまでの進展には目覚しいものがある。 ・ITERから発電炉までには、これ以上の量的な拡大は予想されない 発電プラントに向けて ・核融合エネルギーの取り出しに向けては、まだ開発の必要な工学 課題が残されている。（材料、ブランケット、エネルギー利用 、安全等） 工学技術開発の成果 ・多くの分野で、飛躍的に技術が進歩した。 ・多分野への波及、技術レベルの進歩への寄与も大きい。 エネルギー変換のまとめ Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University エネルギーは、変換しないと使えない。 ・使い方によって、変換の仕方も変わる。 ・新しいエネルギーは、変換技術も要求することがある。 エネルギーは、変換の仕方によって使いやすさが変わる ・エネルギーの使い方は、社会や消費者が決めることがある。 ・利用技術によっては、エネルギー技術が役に立たないことがある。 エネルギーは、届け方、送り方の方が問題 ・エネルギー技術と社会は相互作用している。 ・資源や発生よりも、ロジスティックスの方が影響が大きいことがある 核融合工学技術の可能性 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University マイクロ波 超伝導 エネルギー貯蔵 超高真空 核融合技術 遠隔操作 ﾊﾟﾜｰ 高分解能質量分析 ｴﾚｸﾄﾛﾆｸ ｽ 粒子 ビーム 宇宙通信 高熱負荷 半導体製造 ロボット 大電力交流-直流変換 耐熱材料 イオンビームの応用分野 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University イオ ン 1000 万 医療用ビーム 源 100 万 イオン注 入 10 万 表面改質 半導体製 造 1万 100 0 ス パッ タ リ ン グ 10 0 デポジショ ン 弾き出され た 原子 イオンビーム加 工 薄膜生成 10 イオン注 入 スパッタリン グ イオ ン 新素材開 発 1 イ オン 加速電圧 （ ボルト ） デポジショ ン ＮＢＩ加熱技術の応用 Institute of Sustainable Science Institute of Advanced Energy, Kyoto University