2017 Fiscal Year Annual Research Report
Research and Development of Innovative Lithium Isotope Separation Using an Ionic Superconductor with Lithium-6 Adsorption
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16H04624
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
星野 毅 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所 ブランケット研究開発部, 上席研究員(定常) (80370469)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
町田 昌彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主席 (60360434)
佐々木 一哉 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (70631810)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 核融合炉 / トリチウム / リチウム / リチウム6 / 同位体分離 / イオン伝導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核融合炉の燃料として必要なトリチウムは、核融合炉ブランケット内に装荷されるトリチウム増殖材料中のリチウム6(6Li)と中性子との核反応により生産する。しかしながら、天然のリチウムには6Liが最大で約7.8％(残りはリチウム7(7Li))しか存在せず、核融合炉の定常運転には、6Liの存在比を約90％に濃縮したリチウムが必要となる。
そこで、平成28年度は、リチウムイオン伝導体を6Li分離膜とした、新たなリチウム同位体分離技術の原理実証を行った。その結果、リチウム同位体の分離効率は、Li含有溶液中に含まれるプロトン(H)やナトリウム(Na)等の他元素の影響を受けることが分かった。このため、効率よくリチウム同位体分離を行うためには、リチウム吸着選択性の高いリチウムイオン伝導体が望まれた。
よって、平成29年度は、計算科学による古典力場＋第一原理計算と機械学習を組み合わせた、マテリアルインフォマティクス的な手法により、イオン伝導体表面がHやNaに交換されにくいイオン伝導体の探索を行った。第一原理計算データベースMaterial Projectから候補材料の結晶構造を選定し、更に古典力場により2386構造を評価対象とした。次に、2386構造から469構造をランダムに選び出し、第一原理計算により、HまたはNaに関するイオン交換エネルギーを計算するとともに、イオン交換性能の予測モデルを機械学習により作成した。
第一原理計算データーからLi-H(Na)イオン交換エネルギーに対する予測モデルを構築し、交差検証の結果、Li-H、Li-Na交換予測モデルの決定係数は、それぞれ約0.75、0.65となり予測能のあるモデル構築が可能であることを確かめた。また、予測モデルから未計算1917構造に対するイオン交換エネルギーを算出したところ、第一原理計算データーの分布を再現していることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
核融合燃料製造に必要なリチウム6(6Li)同位体の分離回収法として、リチウムイオン伝導体を6Li分離膜とした新たな同位体分離技術を実験的手法により原理実証し、その同位体分離メカニズムを、スーパーコンピュータにより探索した。その結果、6Li同位体分離係数は最大で1.04と、海外にて実用化されていると考えられる水銀アマルガム法の6Li同位体分離係数1.06と同等の高い値が得られた。また、本結果は、計算シミュレーションより得られた値(1.05～1.06)とも、ほぼ一致する結果である。更に、6Li同位体分離係数の更なる向上には、イオン伝導体表面がHやNaに交換されにくいイオン伝導体が必要であることを、スーパーコンピュータによる計算シミュレーションにより明らかにし、平成29年度の研究計画を達成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は、イオン伝導体を6Li分離膜としたリチウム同位体分離技術の原理を実証し、平成29年度は、スーパーコンピュータを用いた計算シミュレーションにより、同位体分離メカニズムを解明し、研究は順調に進展している。
最終年度の平成30年度は、より長時間のリチウム同位体分離試験時における6Li分離効率を明らかにするとともに、より6Li濃縮率を向上させる際の最適な実験条件を探索する。
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