2020 Fiscal Year Research-status Report

再生可能発電と放射性元素変換を同時に実現する反応場としての金属ナノ構造の機能開拓

Research Project

Project/Area Number	19K22081
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	田辺克明京都大学, 工学研究科, 准教授 (60548650)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Keywords	水素 / 金属 / エネルギー / 核融合反応 / 表面化学 / 水素貯蔵
Outline of Annual Research Achievements	水素を充填した金属中において，発熱を伴う異常反応が報告されており，当研究室においても重水素-Pd系で発熱と中性子線発生を伴う現象を観測している．この系は有用な水素エネルギー技術となり得る可能性があるが，現象の理解が進んでおらず，再現性に乏しいことが問題視されている．本研究では，既往の重水素化パラジウムに通電加熱するだけでなく，レーザーを利用することで局所的に高密度なエネルギー場を提供し，再現性の向上を目指した．また，温度や電流・電圧の測定だけでなく，液体シンチレータを利用し中性子線の個数やエネルギー帯の測定及び質量分析を行うなど多角的に分析を行った．実験には電子ビーム蒸着室，重水素吸蔵室，そして反応分析室からなるステンレス製の真空反応装置を用いた．マッフル炉にてアニール処理(1000℃，10時間，N2雰囲気下)を施したPd試料板(3 cm×3 cm×1 mm)を真空装置に導入した後，片面に電極となるAuを100 nm蒸着し，吸蔵室に移送した．吸蔵室にD2(99.6 %)を素早く1気圧まで充填した後，室温にて10時間程度放置し，試料に重水素を吸蔵させた．続いて，高真空状態(~10-5 Torr)の反応分析室へと移送し，試料のAu蒸着面に電極針を接触させて印加電圧一定で通電加熱と試料に対してレーザー(YAG，半導体)照射を行った． Pdの水素吸蔵モデルについて拡張を行い，環境温度や試料厚みの違いによる水素吸蔵速度，水素吸蔵時の発熱による温度変化を再現した．また，重水素化Pdに定電圧印加及びレーザー照射したところ，一定の発熱があること，発熱と同時のタイミングで圧力のバーストがあることを明らかにした．一方で，報告例のある中性子線や元素が変換される現象についてはこれまでのところ確たる証拠を得ることができなかった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 新型コロナウイルス感染防止対応のため当初の予定通りに研究活動を進めることができなかったため。
Strategy for Future Research Activity	本研究においては，再現性の更なる向上は必須課題である．また，本異常反応が核融合反応であるかどうか，核融合反応であればどのような反応機構であるのか明らかにすることも同様に重要である．今後の方針として，再現性の向上のため最適な温度や材料形状，Pd板に蒸着させるAuの膜厚といった反応条件の最適化を行う．また，表面ナノ構造による電界増強効果に着目している．本実験で重要なファクターの１つである電界を増強することで，再現性の向上が期待される．そのため、重水素化パラジウム試料に対してレーザーを照射するとともに、そのレーザー光を局所的に増強、すなわち集光の効果をもたらし、核反応確率を向上させるために、表面プラズモンによる電界増強のための貴金属のナノ粒子を重水素化パラジウム試料に設置する予定である。このような一連の取り組みを通し、重水素化パラジウム内における有意な核融合反応速度を実現し、また、高い再現性をもって実証・観測できるような反応系の条件を見出す。
Causes of Carryover	新型コロナウイルス感染防止対応のため当初の予定通りに研究活動を進めることができなかったため。予定からの遅れを取り戻すべく鋭意研究活動を進めていく。進捗によっては研究期間を1年延長させて頂くことも検討する。