| Project/Area Number |
23K20836
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| Project/Area Number (Other) |
21H01060 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
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| Research Institution | Institute of Science Tokyo |
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Principal Investigator |
近藤 正聡 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (70435519)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菱沼 良光 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (00322529)
田中 照也 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (30353444)
大野 直子 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40512489)
植木 祥高 東京理科大学, 先進工学部電子システム工学科, 准教授 (50731957)
浜地 志憲 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (60761070)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 液体ブランケット / MHD / 酸化被膜 / FeCrAl合金 / 保全 / 核融合炉 / MHD圧力損失 / アルミナ被膜 / 異常酸化 / 密着性 / スクラッチ / 保護性酸化被膜 / 核融合 / 絶縁被覆 / 磁場 / 絶縁性被覆 / 液体金属 / MHD流れ / 共存性 / スクラッチ試験 / 導電率 / Al含有鋼 |
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| Outline of Research at the Start |
液体鉛リチウム(Pb-16Li)を用いた核融合原型炉先進ブランケットにおけるエネルギー変換と燃料増殖を検証する実験計画において、液体金属流体が磁場下を横切る際に誘起される電磁流体力学(MHD)圧力損失を抑制する技術の開発が重要な課題である。本研究では、FeCrAl合金が自己形成するAl2O3被膜の保全性能や電気絶縁性を明らかにし、磁場下熱流動実験を実施する事により、FeCrAl合金という革新的材料の応用による新しいMHD圧力損失の抑制メカニズムを構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
FeCrAl合金が高温大気中において形成する保護性アルファAl2O3被膜を利用した、核融合炉液体増殖ブランケットのMHD圧力損失低減機構に関する研究について、実験とシミュレーションの両方から取り組んだ。
FeCrAl合金を円環流路などに加工する場合には、ワイヤー放電加工を用いる場合があるが、この際に加工面に生じる再凝固層が被膜形成に与える影響について調べた。再凝固層は加工面の研磨などに除去可能であるが、部分的に残った場合には、異常酸化物の形成を引き起こし、健全な被膜の形成を阻害する可能性があることが分かった。この時、被膜の導電率が大きくなり、MHD圧力損失抑制効果が低下することもわかった。ただし、大気中における酸化処理の温度を、従来の1273Kから1373Kに上げることにより、異常酸化物の下にアルファAl2O3被膜を形成することが可能であり、電気絶縁性の低下を抑制することができることがわかった。
また、被膜の基材に対する密着性に関しては、様々な条件で形成したに対してスクラッチ試験を実施した結果、アルファAl2O3被膜被膜と基材の界面に凹凸がある場合に、アンカー効果が発生し、密着性が向上することがわかった。活性元素(Ti, Y, Zr)を含むZrの場合は、酸化被膜の成長が適度に不均一であり、密着性を向上させる効果が発言しやすいことがわかった。この成果はSurface and Coating Technology誌に掲載された。更に、被膜の構造や密着性に対する温度変化履歴の影響を明らかにするために、サーマルサイクル試験を実施し、サーマルサイクルが被膜の密着性に与える影響は小さいことが分かった。
FeCrAl合金が形成する保護性アルファAl2O3被膜によるMHD圧力損失抑制効果を明らかにするために試験スタンドを設計、製作し、その計測系の基礎的な性能を水実験により明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
FeCrAl合金が形成するアルファAl2O3被膜の形成機構や、その微細組織、性状、電気的特性に至るまで、ワイヤー放電加工時の再凝固層の有無の影響を含め、体系的に明らかにした。また、被膜の密着性とその促進機構、更にはサーマルサイクルの影響や液体金属浸漬の影響について調べた。こうした結果から、核融合炉の液体ブランケットのような苛酷な環境においても十分に使用可能な耐環境性を備えていることがわかった。MHD圧力損失を抑制しうることが、シミュレーションの結果から得られているが、その実証を行うためのテストスタンドの政策も進んでいる。更に、こうした成果は国際誌へ掲載されている。以上より、『当初の計画以上に進展しているとした。』
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| Strategy for Future Research Activity |
アルファAl2O3被膜の健全性については、密着機構に注目し研究を行う。特に、せん断方向の密着性に加え、被膜の膜厚方向の密着性を評価する手法についても検討を行う。また、核融合炉の液体増殖ブランケットのような苛酷な環境における健全性については、繰り返しの温度履歴や液体金属腐食などが与える影響について体系的に明らかにする。同時に、絶縁性被膜を最大限有効に活用するために、シミュレーション計算を充実させながら、これまでの成果をブランケット設計へと反映させる。アルファAl2O3被膜により、MHD圧力損失の抑制を実証する実験を実施したい。こうした成果をまとめ、国内外の学会で発表するとともに、有力国際誌へと投稿したい。
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