A computer simulation study to unveil fluid behavior of the beam-on target of a fusion neutron source

• Project/Area Number: 22K03579
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: Kushiro National College of Technology
• Principal Investigator: 中村 誠 釧路工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (80462886)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 核融合中性子源 / 自由表面液体リチウム流 / 数値流体シミュレーション / 遠心力 / 液面形状 / 液体金属 / ターゲット / 自由表面 / 流体シミュレーション

Outline of Research at the Start

核融合中性子源の実現は核融合炉材料の開発、ひいては核融合炉実現に必要不可欠である。最有力の核融合中性子源の方式は、重陽子ビームを高真空環境(0.001Pa)の自由表面液体リチウムターゲットに照射するものであるが、その流体挙動は未知である。
本研究の目的は、ビームオンターゲットの流体挙動を解き明かすことにある。 数値流体力学シミュレーションによりビームの運動量・エネルギー付与が自由表面の形状に及ぼす影響を解明する。本研究の成果は核融合中性子源のターゲット制御のための基盤知識となる。本研究の遂行により、核融合中性子源という核融合炉材料研究の新しい研究プラットフォームの創出に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

核融合中性子源の自由表面液体リチウム流ターゲットについて、平板近似に基づく数値流体シミュレーション(CFD)モデルを開発した。ターゲット形状は凹型なので、単に流体方程式を解くだけで自ずと解に遠心力効果が現れるはずである。しかし本解析平板近似を用いるため、流れ方向に垂直な遠心力項を流体方程式に人為的にソースタームとして導入した。汎用流体計算パッケージOpenFOAMを用いて、ナビエ・ストークス方程式を数値的に解き、3次元平板近似体系における自由表面Li流れの挙動を解析する数値流体力学計算コードを開発した。
新たに開発した計算コードを用いて、ターゲットに掛かる遠心力がリチウム液面形状に及ぼす影響を評価した。本解析においてビーム入射は考慮しない。本解析において簡単のためにターゲットの曲率半径は一定（R = 0.245 m）と仮定した（すなわち遠心力は一様と仮定）。
ノズル出口流速vinについて流体シミュレーションの感度解析を行ったところ、下流方向に向かって液面が増大することが分かった。さらに、入口流速が大きいほど液面の盛り上がりが大きいことが分かった。特にvin = 10~20 m/sの場合において、ターゲットのビーム入射中心位置においてリチウム液面は数mm盛り上がることが分かった。本研究の数値シミュレーションで得られた液面高さの流れ方向分布は、先行する簡易理論解析とELTL実験結果と定性的に一致した。
本研究成果はthe 41st JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST2022)にてOutstanding Presentation Awardを受賞され、学術的に高い評価を受けた。

Research Products

• [Journal Article] A computational fluid simulation study of the free-surface flow of the liquid lithium target of Advanced Fusion Neutron Source A-FNS (2022)
  • Author(s): M.M. Nakamura, M.Ikeda, T. Ebisawa, K. Masuda, M. Oyaidzu, S. Sato
  • Journal Title: Proceedings of the 41st JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST 2022) Volume: 1 Pages: 21-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A computational fluid simulation study of the free-surface flow of the liquid lithium target of Advanced Fusion Neutron Source A-FNS (2022)
  • Author(s): M.M. Nakamura, M.Ikeda, T. Ebisawa, K. Masuda, M. Oyaidzu, S. Sato
  • Organizer: The 41st JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 令和４年度 中村先生がオンライン国際会議で受賞されました
  • URL: https://www.kushiro-ct.ac.jp/mech/link00/R04/4.html