2016 Fiscal Year Research-status Report
動的な合金化プロセスによる高温溶融アルカリ金属の瞬時不活性化に関する研究
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16K14526
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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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, 助教 (70435519)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | アルカリ金属 / リチウム / ナトリウム / 核融合炉 / 合金化 / 燃焼 / 消化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核融合炉の液体燃料増殖材やIFMIFの液体ターゲット、高速炉の冷却材として、溶融アルカリ金属(リチウム(Li)やナトリウム(Na))の応用が期待されている。しかし溶融アルカリ金属は酸素や水と反応して燃焼するため安全上の課題がある。本研究では、溶融アルカリ金属漏洩事故時の対策技術として、合金プロセスを応用した安定化手法として、従来の窒息消火法とは全く異なる独創的且つ斬新なメソッドに挑戦している。
今年度は、Liに対してPbを投入して合金化させて安定化させるプロセスで形成されるLiリッチな鉛(Pb)-Liについて研究を実施した。核融合炉の液体燃料増殖材として期待され、既に研究が実施されているPb-15Li合金(リチウム濃度15mol%)に対して、約2倍のリチウム濃度のPb-28Li, 更に3倍のリチウム濃度のPb-45Liの合成を行った。また、これらの合金の化学的安定性、材料共存性、大気環境下反応性を明らかにした。
合金化実験により、PbとLiの合金時に溶解熱に加えてリチウムと鉛酸化物との反応による反応熱が発生する事がわかった。また、この合金反応時に、Pb中に溶存している二酸化炭素や水分とLiが反応し、発生した非金属不純物が不純物として溶存する事がわかった。昇温脱離ガス分析法により、水とLiが反応する事により水素が大量に発生するが、その水素は高温条件では合金内には溶存できない事がわかった。
また、Pb中のLi濃度が高い場合、合金と鋼材との反応挙動は純Liと鋼材との反応挙動に近くなるという事がわかり、Li特有の溶存窒素による腐食反応が生じる事がわかった。また、Li濃度の高い合金を大気中で加熱した場合、Liの蒸発と酸化が同時並行的に発生し、その後、付近に析出する事がわかった。以上より、これまで限定的であった高Li濃度のPb-Li合金の基礎特性を明らかにした。
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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
核融合炉液体ブランケットの分野において、リチウム(Li)濃度が15-17mol%の鉛リチウム合金(Pb-15Li, 融点235℃)の材料共存性、水素保持特性などが調べられてきた。しかし、この組成以外の合金の特性に関しては殆ど調べられていない状況である。今年度の研究の進捗に関しては、従来のLi濃度の2倍の28mol%及び3倍の45mol%のPb-Li合金の合成に成功した事が重要なポイントである。これらの合金は、最も高融点(融点726℃)となるLi7Pb2の組成に比べると、融点が約320℃(Li28mol%)、約480℃(45mol%)とかなり低い。そのため、グローブボックス内で加熱する事で達成可能な500℃以下の温度でも液体として用いる事が可能であり、溶存非金属不純物ガスを分析するための昇温脱離ガス分析、構造材料との共存性を調べるための腐食試験、大気中の化学挙動を調べるための高温加熱試験などを実施する事ができた。これにより、合金内のLi濃度上昇に伴う、合金の特性変化の傾向を明らかにする事ができた。以上の研究成果に関しては、中国で開催された13th China-Japan Symposium on Materials for Advanced Energy Systems and Fission/Fusion Engineergin (CJS-13)において招待講演を行い、Fusion Engineering and Design誌で発表した。
一方、LiとPbの動的反応実験については、実験実施に必要な反応容器の製作が完了し、グローブボックス内への設置が完了した状況である。この反応容器では、合金化が生じる深さ方向の温度分布が測定可能な事に加え、Liの部分的な燃焼を含む反応時の挙動を高速度カメラで撮影する事が可能である。現在実験準備をしている段階である。
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| Strategy for Future Research Activity |
準備を完了した動的合金化試験を実施し、その合金反応中の挙動と、合金反応後の化学的特性を明らかにする。特に、沸騰二相流実験および限界熱流束実験の際に培ったハイスピードカメラの技術を新たに本研究に導入し、LiとPbが反応する際の挙動の詳細に明らかにする予定である。動的な合金化反応時の鉛やリチウムの移行挙動と発生する温度分布との関係を明らかにする。
また、Pb-Li合金中の水素や窒素等の非金属不純物の挙動は観測が極めて難しい状況にあったが、昨年度の成果により昇温脱離ガス分析法や改良型アンモニア抽出法により測定可能である事が分かった。以上の分析方法を応用して、合金反応後の合金の化学特性を詳細に明らかにする予定である。また、これまでPbやPb-Li合金のような柔らかい金属組織の顕微鏡観察を行う事はその前段階の研磨のプロセスに技術的な課題があり困難であったが、研磨機メーカーとの協力により、Pb合金の研磨方法を新たに見出すことに成功した。これにより、2017年度の試験後サンプルについても、詳細な金属組織観察が可能となった。大気環境下における挙動についても、標準的なデータが蓄積された。よりLi濃度が高い場合の酸化試験も実施する計画である。
以上の成果から、アルカリ金属プラント漏えい事故時の対策技術としての動的合金化反応についてモデル評価を行い、技術実装に向けた課題の整理を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
実験に使用する消耗品(研磨、および金属組織観察)が、想定していた金額よりも安い金額で手に入ったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
2017年度の実験に使用する消耗品の購入費用に充てる。
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| Remarks |
POSTER PRESENTATION AWARD, The 5th international Syposium on Innovative Nuclear Energy System(2016)
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Research Products
(7 results)
