establishment of basis for power generation with rift-up liquid metal

• Project/Area Number: 20K20445
• Project/Area Number (Other): 19H05526 (2019)
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2020); Single-year Grants (2019)
• Review Section: Medium-sized Section 31:Nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 花田 和明 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (30222219)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 胡 長洪 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (20274532)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,480,000 (Direct Cost: ¥19,600,000、Indirect Cost: ¥5,880,000); Fiscal Year 2024: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2023: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2019: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
• Keywords: 液体金属 / 楊液体金属発電 / 液体金属シミュレーション / 楊液体金蔵発電 / MHDドラッグ / コロージョン / MHD発電 / 乱流起電力

Outline of Research at the Start

液体金属を用いて揚水発電のような電力供給の時間変動や日変動を緩和させる楊液体金属発電の原理実証とエネルギー収支の評価を行うことを目的とする。液体金属は比重が大きいため、楊水発電よりも小型化が可能で、直接電気出力が取り出せるためタービンが必要なくゼロ出力からの立ち上がりが早いため工場等の大電力を消費する設備の停電対策としての活用が考えられる。また、通常時は再生可能エネルギーの畜エネルギー機器として使用可能である。持ち上げておくだけで畜エネルギーができ、メインテナンスも必要ない。流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するダイナモには未解明な部分も多く、学術的にも意義が高い。

Outline of Annual Research Achievements

2023年10月に本研究に関連する論文がPlasma and Fusion Research誌に掲載された。基礎実験と開発したシミュレーションの比較を行った結果についてまとめたもので、シミュレーション計算は定量的な評価も含めて基礎実験と良い一致を示しており、磁場の勾配が強い場所から表面波が伝搬する様子を再現できている。一方、表面波がぶつかり合う場所の磁場依存性については一致していなかった。この点について論文では液体金属GaLiSnの表面酸化に伴う表面張力の変化を一因としてあげたが、確認には至っていない。アルゴン雰囲気の液体金属用基礎実験装置を製作し、確認実験の準備を進めている。表面酸化を防ぎながら装置にGaLiSnを注入するための特注のグローブボックスを設計した。グローブボックスの製作が終了次第、実験を開始する予定である。
製作したシミュレーション・コードについては米国の核融合関連の研究者が実験結果を説明するために使用するなど、広く認知され始めている。基礎実験との違いが実験側の液体金属の表面張力の違いであることが確認できれば、さらに信頼性が向上して用途が拡大することが期待される。
液体金属の基礎研究とシミュレーションの比較と、GaLiSn以外に錫やリチウムを使った場合のシミュレーション結果について、2023年度の日米科学技術協力協定に基づく液体金属に関するワークショップで博士後期課程学生が発表を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

開発した計算機コードは本研究の目的である発電量の試算以外に、磁場中での液体金属の流動に大きな影響を与えるMHDドラッグの評価として使用されるなど用途が広がっている。基礎実験との定性的な比較は論文として掲載されている。新規に製作した基礎実験装置は懸案だった液体金属の注入方法についても目途が立ち、おおむね順調に進展していると考える。GaLiSnでの検証を終えれば、来年度は液体錫での確認実験を予定している。液体錫での実験とシミュレーションの比較では、シミュレーションによる発電量と実験での発電量の比較を行い、発電量の定量的な評価が確認できればシミュレーションによる大規模設備での発電量の予測を行う予定である。

Strategy for Future Research Activity

新規に製作した基礎実験装置で酸化防止の処置を施した実験を行うことで、基礎実験とシミュレーションの違いを確認する。すでに米国の実験機関で、製作したシミュレーションと核融合分野で実験の比較が行われているので、そちらの結果も検証に使用する。来年度は液体錫での実験を予定している。基礎実験の計算はすでに終了しているので、基礎実験を実施することでシミュレーションのベンチマークを完了する。液体錫の実験では発電装置を取り付けて発電量を観測する。結果をシミュレーションと比較して、シミュレーションと基礎実験での定量性を確認する。発電量の定量的な評価が確認できれば、大規模設備を仮定したシミュレーションを実施して、「楊液体金属発電」によるでの発電量の予測を行い、その結果に基づいた社会実装した場合の予測を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Deformation Induced by Magnetic Field on GaInSn Flow Surface (2023)
  • Author(s): HIRAKA Ryosuke、AL SALAMI Jabir、TSUGIKI Takumi、HANADA Kazuaki、HU Changhong
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 18 Issue: 0 Pages: 2405083-2405083
  • DOI: 10.1585/pfr.18.2405083
  • ISSN: 1880-6821
  • Year and Date: 2023-10-12
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experimental, numerical and analytical evaluation of j×B -thrust for fast-liquid-metal-flow divertor systems of nuclear fusion devices (2023)
  • Author(s): Saenz F.、Fisher A.E.、Al-Salami J.、Wynne B.、Sun Z.、Tanaka T.、Kunugi T.、Yagi J.、Kusumi K.、Wu Y.、Yamazaki G.、Hu C.、Hanada K.、Kolemen E.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 63 Issue: 9 Pages: 096015-096015
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ace9e9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetohydrodynamics in free surface liquid metal flow relevant to plasma-facing components (2023)
  • Author(s): Sun Z.、Al Salami J.、Khodak A.、Saenz F.、Wynne B.、Maingi R.、Hanada K.、Hu C.H.、Kolemen E.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 63 Issue: 7 Pages: 076022-076022
  • DOI: 10.1088/1741-4326/acd864
• [Journal Article] A Duct Design for Reducing Grad-B MHD Drag (2023)
  • Author(s): Shimada Michiya、Al Salami Jabir、Hanada Kazuaki、Hu Changhong
  • Journal Title: Journal of Fusion Energy Volume: 42 Issue: 2
  • DOI: 10.1007/s10894-023-00388-2
• [Journal Article] A high order flux reconstruction interface capturing method with a phase field preconditioning procedure (2021)
  • Author(s): Al-Salami Jabir、Kamra Mohamed M.、Hu Changhong
  • Journal Title: Journal of Computational Physics Volume: 438 Pages: 110376-110376
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2021.110376
• [Journal Article] Magnetic induction and electric potential smoothed particle magnetohydrodynamics for incompressible flows (2020)
  • Author(s): Al‐Salami Jabir、Hu Changhong、Kamra Mohamed M.、Hanada Kazuaki
  • Journal Title: International Journal for Numerical Methods in Fluids Volume: 93 Issue: 3 Pages: 720-747
  • DOI: 10.1002/fld.4906
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A study on smoothed particle hydrodynamics for liquid metal flow simulation (2019)
  • Author(s): Jabir Al Salami, Changhong Hu, Kazuaki Hanada
  • Journal Title: Evergreen Volume: 6 Pages: 190-199
  • NAID: 120006764118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Estimation of fuel particle balance in steady state operation with hydrogen barrier model (2019)
  • Author(s): Hanada K.、Yoshida N.、Takagi I.、Hirata T.、Hatayama A.、Okamoto K.、Oya Y.、Shikama T.、et al.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 19 Pages: 544-549
  • DOI: 10.1016/j.nme.2019.03.015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Particle balance investigation with the combination of hydrogen barrier model and rate equations of hydrogen state in long duration discharges on all-metal plasma facing wall QUEST (2019)
  • Author(s): K.Hanada,N.Yoshida,M.Hasegawa,H.Idei,Y.Nagashima,K.Nakamura,T.Onchi,O.Watanabe,H.Watanabe,K.Tokunaga,A.Higashijima,S.Kawasaki,T.Nagata,S.Shimagukuro,A.Hatayama,K.Okamoto,I.Takagi,T.Hirata,T.Shikama,S.Murakami,H.Long,Z.X.Wang,Y.Oya,S.Kojima,K.Gaku,M.Oya,M.Miyamoto,Y.Oya,T.Takase,X.Gao,H.Liu,J.Qian,R.aman,M.Ono
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 投稿中 Issue: 7 Pages: 076007-076007
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab1858
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] A study of relations physical quantity with magnetic field induced deformation of the Galinstan flow surface (2024)
  • Author(s): Ryosuke HIRAKA, Kazuaki HANADA, Jabir AL SALAMI, Takumi TSUGIKI
  • Organizer: The 4th Power and Particle Control in a Steady State Magnetic Fusion DEMO Reactor by Liquid Metal Plasma-Facing Components
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁場中の液体金属流で発生する波の磁場分布と表面張力の影響 (2023)
  • Author(s): 平賀涼輔、Prapan Pakkapawn、花田和明
  • Organizer: 第40回 プラズマ・核融合学会
• [Presentation] 液体金属ダイバータ開発に向けた液体金属の磁場中流動の観測 (2022)
  • Author(s): 平賀涼輔、AL SALAMI Jabir、次木匠、花田和明、胡長洪
  • Organizer: 第１４回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] Deformation on GaInSn flow surface induced by magnetic field (2022)
  • Author(s): Ryosuke HIRAKA, Jabir AL SALAMI, Takumi TSUGIKI, Kazuaki HANADA, Changhong HU
  • Organizer: The 31th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Closed loop system for observation of liquid metal flow in magnetic field (2022)
  • Author(s): Ryosuke HIRAKA, Jabir AL SALAMI, Takumi TSUGIKI, Kazuaki HANADA, Changhong HU
  • Organizer: The 7th INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LIQUID METALS APPLICATIONS FOR FUSION (ISLA-7)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁場中を流動する液体金属の表面波形成 (2021)
  • Author(s): 平賀涼輔、AL SALAMI Jabir 、次木匠、花田和明、胡長洪
  • Organizer: 第38回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] 磁場中における液体金属の流動観測用ガリンスタン循環ループ装置の開発 (2021)
  • Author(s): 平賀涼輔 , 花田和明 , 永田貴大 , 油布圭 , 牟田口嵩史 , 酒見亮佑
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第25回 支部大会
• [Presentation] Overview of recent progress on steady state operation of all-metal plasma facing wall device, QUEST (2021)
  • Author(s): HANADA Kzzuaki
  • Organizer: 24th PSI International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 液体金属の磁場中での流動の基礎研究 (2019)
  • Author(s): 次木匠 ，花田和明 ，胡 長洪 ，廣岡慶彦 ，嶋田道也 ，Hatem O ELSerafy，Jabir Al Salami， 大宅諒 ，川崎昌二
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第23回 支部大会
• [Presentation] Fundamental research of liuid metal flowing in magnetic field (2019)
  • Author(s): Takumi Tsugiki, Kazusaki Hanada
  • Organizer: CSS-EEST21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overview of recent progress on the QUEST experiments (2019)
  • Author(s): Kazuaki Hanada, Hiroshi Idei, Yoshihiko Nagashima, Ryuya Ikezoe, Makoto Hasegawa, Takumi Onchi, Makoto Oya, Kengo Kuroda, Shoji Kawasaki, Aki Higashijima, Takahiro Nagata, Shun Shimabukuro, Shinichiro Kojima, Hatem O ELSerafy, Naoaki Yoshida, Kazuo Nakamura, Atsushi Fukuyama, et.al.
  • Organizer: 20th International Spherical Torus Workshop (ISTW2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plan for contribution of plasma start-up from Japanese STs (2019)
  • Author(s): 花田和明
  • Organizer: ITPA Integrated Operation Scenarios Topical Group Meeting
  • Int'l Joint Research