2022 Fiscal Year Annual Research Report
低環境負荷シードフリー高効率ＭＨＤ発電の高性能化実証研究
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20H00361
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
奥野 喜裕 東京工業大学, 工学院, 教授 (10194507)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 宏充 慶應義塾大学, 法学部(日吉), 教授 (60317336)
藤野 貴康 筑波大学, システム情報系, 准教授 (80375427)
高奈 秀匡 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (40375118)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ＭＨＤ発電 / エネルギー効率化 / 電力工学 / 省エネルギー / 電磁流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，低環境負荷シードフリー高効率ＭＨＤ発電の実用化を見据えた高性能化実証を推進し，その開発ロードマップを確固たるものにすることを目的としている。本研究課題での学術的問いは，既往研究では未到の 1)予備電離（希ガスプラズマ生成）の高効率化 と 2)発電機内プラズマの最適化 を実証・達成することである。昨年度（令和3年度）は，1)予備電離希ガスプラズマＭＨＤ発電におけるプラズマ流体諸量の把握と高度化，ならびに2)数値シミュレーションによる発電機内プラズマの挙動解析と性能評価に取り組んだ。これらの成果を受けて，本年度は，下記の大きく3点に焦点を絞って遂行し，本研究を一層推進した。
1）希ガスプラズマ生成に必要な電力（正味の予備電離電力）の見積もりと発電性能の統一的な評価 ： 発電性能のより正確な評価，特に数値シミュレーションとの比較においては，希ガスプラズマ生成に必要な電力（正味の予備電離電力）の見積もりが不可欠となっている。ここでは，実験で得られる計測諸量から正味の予備電離電力を評価する方法を構築し，それを評価軸として発電性能の統一的な評価を試みた。
2）キセノンシードのプラズマ挙動と発電性能に与える効果 ： ネオンに添加するキセノンのモル分率（シード率）を変化させた発電実験を行い，プラズマ構造や発電性能，また正味の予備電離電力に与えるシード率の依存性をより詳細に明らかにした。
3）数値計算による実験結果の理論的裏付けと評価：これまでの研究実績から，本研究で提案するアルカリ金属シードフリー方式の発電実証および数値シミュレーションの高度化が進展したことから，実験で使用する発電機，実験条件を模擬した数値シミュレーションを行い，特に作動気体にアルゴンを使用した発電実験結果の理論的裏付け，実験方針への定量的フィードバック，また改善に向けた具体的な提案を行った。
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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
令和4年度は，令和3年度の成果を受けて，1）希ガスプラズマ生成に必要な電力（正味の予備電離電力）の見積もりと発電性能の統一的な評価，2）キセノンシードのプラズマ挙動と発電性能に与える効果，ならびに3）数値計算による実験結果の理論的裏付けと評価に向けた研究に着手した。
具体的には，1) に関しては，実験で得られる計測諸量から正味の予備電離電力を評価する方法を構築し，その熱入力に対する割合である予備電離電力割合に対して発電性能の評価を行うことで，高周波誘導コイルのターン数や配置が異なる場合においても，統一的に発電性能を議論することが可能であることを示した。
2) に関しては，ネオンに添加するキセノンのモル分率（シード率）を変化させた発電実験を行い，キセノンをシードすることで，高い実効的な電気伝導度，エンタルピー抽出率が得られること，その一方で，キセノンのシード率が過度に高いとホールパラメータが低下することからエンタルピー抽出率が低下すること，さらに最適なシード率において，発電性能の向上と予備電離電力の低減が実現できることを実験的に示した。
3) に関しては， 作動気体にアルゴンを使用した発電実験を対象として，実験で使用する発電機，実験条件を模擬した磁界に垂直な面（r-θ面）での非定常2次元電磁流体数値シミュレーションを行い，入口電子温度5600~6600Kにおいてプラズマ構造は実験で観測された不均一プラズマ構造と類似し，エンタルピー抽出率（熱入力に対する発電出力の割合）は2~5%程度で，実験結果とよく一致すること，さらには入口電子温度7200~8000Kでエンタルピー抽出率は最大（13~14%）となることを指摘した。
これらの研究成果は，当初の計画通りであり，確実に次年度以降の本研究の進展に資するものとなっており，「おおむね順調に進展している」と判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画どおり，1）希ガスプラズマ生成に必要な電力（正味の予備電離電力）の見積もりと発電性能の統一的な評価，2）キセノンシードのプラズマ挙動と発電性能に与える効果，ならびに 3）数値計算による実験結果の理論的裏付けと評価を進めた。これらの成果を受けて，本年度は，下記の大きく4点に焦点を絞って遂行し，本研究を一層推進する。
1）キセノンシードネオンプラズマＭＨＤ発電実証実験の高度化 ： 昨年度（令和4年度）のキセノンシードネオンプラズマＭＨＤ発電実証の実績をさらに発展させるとともに，純ネオンや純アルゴンでの実験結果と比較し，そのプラズマ構造や発電特性の特徴，また正味の予備電離電力に与える作動気体依存性をより詳細に明らかにする。
2）キセノンシード希ガスプラズマＭＨＤ発電機内プラズマの安定性に関する数値シミュレーション ： これまでの純アルゴンに加え，キセノンをシードした希ガス（アルゴン，ネオン，ヘリウム）を作動気体とするＭＨＤ発電機内プラズマの安定性に関して，磁界に垂直な面（r-θ面）での2次元数値解析より明らかにし，キセノンシード希ガスプラズマＭＨＤ発電の特徴を明確にする。
3）数値計算による実験結果の理論的裏付けと評価 ： 上記1）の発電実験に並行して，実験で使用する発電機，実験条件を模擬した数値シミュレーションを行い，発電実験結果の理論的裏付け，実験方針への定量的フィードバック，また改善に向けた具体的な提案を行う。
4）新たな予備電離手法の開拓 ： 更なる予備電離の高効率化，発電性能の向上を目指し，これまで本研究で開発してきた誘導結合型高周波（ＲＦ）放電に代わり得る，あるいは併用が可能な新たな予備電離手法として，誘電体バリア放電（ＤＢＤ）を用いた予備電離手法の有用性をＭＨＤ発電機の構造や運転条件を考慮した数値シミュレーションから明らかにする。
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