Development of 4-phase continuous diverter system by MHD controlling

• Project/Area Number: 21H04449
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 橋爪 秀利 東北大学, 工学研究科, 教授 (80198663)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 悟 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60422078) ; 遊佐 訓孝 東北大学, 工学研究科, 教授 (60466779) ; 宍戸 博紀 東北大学, 工学研究科, 助教 (90827792)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥33,280,000 (Direct Cost: ¥25,600,000、Indirect Cost: ¥7,680,000); Fiscal Year 2025: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2024: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2023: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
• Keywords: MHD流れの制御 / ダイバータ / MHD流れ / 核融合炉 / ダイバーター / 液体ダイバータ / MHD効果 / ４相連続 / 液体ダイバーター

Outline of Research at the Start

従来から考えられている２つの方式であるガスダイバータ（固体壁の表面にガスを噴射する方法）と液体ダイバータ（液体金属を用いる方法）で問題となる、一部の荷電粒子がガス領域を突き抜けてしまうことによる固体壁の重大な損傷の発生・液体の蒸発によるプラズマへの不純分の侵入によるプラズマの不安定化といった工学的課題を解決するため、両者の方法を統合し、世界初の「MHD効果を利用した４相連続型の革新的なダイバータシステム」の基盤研究を遂行することによって、合理的なダイバータの実現に向けたブレイクスルーを示す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、従来から考えられている２つの方式であるガスダイバータ（固体壁の表面にガスを噴射する方法）と液体ダイバータ（液体金属を用いる方法）で問題となる、一部の荷電粒子がガス領域を突き抜けてしまうことによる固体壁の重大な損傷の発生・液体の蒸発によるプラズマへの不純分の侵入によるプラズマの不安定化といった工学的課題を解決するため、両者の方法を統合し、世界初の「MHD効果を利用した４相連続型の革新的なダイバータシステム」の基盤研究を遂行することによって、合理的なダイバータの実現に向けたブレイクスルーを示すことである。本年度の研究実績は以下の通りである。
１）永久磁石を利用した一様磁場下での液体金属ガリンスタン流動ループの整備を行い、予備流動試験を行った。現状では目標とする流速を得るには至っていないため、ループの改良が必要である。また、磁場中での流動場を電位プローブを用いて評価するLEVI法のプローブ駆動システムの設計・製作を行い、液体金属自由表面流の流動場計測体系の整備を行った。
２）液体ダイバータの液体金属自由表面流と固体壁の熱交換促進のため、3次元接続エルボによって自己形成される旋回流を利用した沸騰伝熱冷却システムを固体壁側に適用することを検討した。当該システムを導入した銅製冷却流路を用いての沸騰伝熱実験を行ったところ、流路内に壊食が見られたが、伝熱面にNi-Pメッキを施すことでこれを防止することに成功した。Re = 10000の場合の実験結果によると、エルボ出口付近では自己形成旋回流は、通常の平滑管の発達流れよりも高い冷却性能を示したが、長手方向に直径の5～6倍程度の距離まで至ると両者は同等となった。長距離にわたる旋回流の維持や、エルボ配置間隔などの検討が今後必要である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

永久磁石を利用した一様磁場下での液体金属ガリンスタン流動ループの整備を行い、予備流動試験を実施たしたが、現状では目標とする流速を得るには至っていないため、ループの改良が必要となっている。また、磁場中での流動場を電位プローブを用いて評価するLEVI法のプローブ駆動システムの設計・製作を行い、液体金属自由表面流の流動場計測体系の整備が完了した。
さらに、液体ダイバータの液体金属自由表面流と固体壁の熱交換促進のため、3次元接続エルボによって自己形成される旋回流を利用した沸騰伝熱冷却システムを固体壁側に適用することを検討した。当該システムを導入した銅製冷却流路を用いての沸騰伝熱実験を行ったところ、流路内に壊食が見られたが、伝熱面にNi-Pメッキを施すことでこれを防止することに成功している。
以上のことから概ね順調に進展していると判断する。

Strategy for Future Research Activity

前年度に引き続き、非一様な磁場条件下での実験を、強磁場センターのマグネットを利用しながら実施する。さらに、前年度、購入した核融合炉の磁場条件を模擬した一様な磁場発生装置と使用して、液体金属の流動実験ループを完成させ、ガリンスタンを作動流体とした実験を開始する。また、この磁場発生装置の磁場分布の詳細に解析と計測を外部に委託し、数値解析用のデータを取得し、MHD解析を開始する。さらに、液体金属流の下部から気泡を導入するための基礎実験装置の製作を開始する。

Research Products

• [Journal Article] Feasibility Study on Liquid Divertor Using Molten Salt Free Surface Flow with Turbulent Promoters (2023)
  • Author(s): Takahiro IJIMA, Shota SAKURAI, Fumiya TAKAHASHI, Shinji EBARA and Hidetoshi HASHIZUME
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 18 Issue: 0 Pages: 2405075-2405075
  • DOI: 10.1585/pfr.18.2405075
  • ISSN: 1880-6821
  • Year and Date: 2023-08-28
  • Peer Reviewed
• [Presentation] トロイダル方向流路を採用した自己冷却液体金属ブランケット構造の基礎検討 (2022)
  • Author(s): 落合信吉、伊藤悟、田中照也、橋爪秀利
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会