2021 Fiscal Year Research-status Report
establishment of basis for power generation with rift-up liquid metal
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20K20445
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
花田 和明 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (30222219)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
胡 長洪 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (20274532)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 液体金属 / 楊液体金属発電 / MHDドラッグ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体金属の流動挙動用のシミュレーションコードの開発と基礎実験装置の製作を実施した。基礎実験では発電用の磁石と電磁流体である液体金属の相互作用を調べるために、最大0.7Tの電磁石の間を液体金属を流動させる実験を行った。流速は約1m/sで、磁場強度が0.3Tを超えると液体金属に隆起が観測され、磁場を上げると隆起が高くなる様子が観測された。実験は令和2年度に実施されたもので、この実験結果を調査するためにシミュレーション計算が実施され、この隆起は磁場勾配が急峻となる鉄心の切断面の端で発生し、隆起が維持されたまま下流へと流れている可能性が指摘された。このため磁場分布の詳細計測が必要となり、磁場分布の詳細計測を実施して有限要素法との比較を実施した。結果として、実測結果と計算結果には少し違いがあったものの磁場勾配が急峻であることが確認された。また、この現象の定量的な説明には表面張力の管理が欠かせないことから、表面が酸化して表面張力が変化する液体金属ガリンスタン（GaInSn）の特性を考慮した密閉式流路を作成し、アルゴン雰囲気での実験を行ったが、酸化膜が形成されたことから実験を一時中断して流路の再設計を行っている。
シミュレーションの方は、実験結果を概ね評価できたことから共同研究を通じて米国のプリンストンプラズマ物理研究所の基礎実験にも適用する等、ベンチマークを進めている。これらの結果は論文等で発表されている。
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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
研究概要に示したように、液体金属の流動シミュレーションは、他機関の実験の説明にも使用される等、成果を上げ始めている。この流動シミュレーションは今後大規模化されて発電予想にも使用されることから基礎実験とのベンチマークが欠かせない。特に発電効率の良い磁場配位等の設計には計算による検証が欠かせないため、シミュレーションが予想以上に進展したことは重要である。一方、実験の方は常温で液体であるGaInSnの性質は好ましいが、酸化の影響で表面張力が変化することはシミュレーションとの比較の上で問題である。アルゴン雰囲気の流路を作成して、シミュレーションとの定量的な比較を行う実験を実施することでシミュレーションの信頼性を確認しつつ大規模実験の最適化を行う必要がある。概要にも示したように定性的にはシミュレーションの結果は実験結果を再現できているのでその意味で「おおむね順調に進展している」の評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
アルゴン雰囲気での液体金属流路を完成させて、シミュレーションとの定量的なベンチマークを実施する。比較対象は隆起発生点の同定及び隆起の高さと磁場強度や流速との関係である。磁場強度は電磁石に流す電流で変更が可能であり、流速はダイヤフラムポンプを採用したことで可変となっている。基礎実験装置の実験結果とシミュレーションの定量比較からシミュレーションの正確さを確認した後、発電を最適化するための磁場配位を検討して、実験を実施する。この際にアルゴン雰囲気の流路を完成させておけば、まずはガリンスタンで発電量を評価し、シミュレーションとの定量比較を行うことが可能となる。中規模実験におけるコイル配置のシミュレーションを行い、最適配置を検討し、最適配置での実験準備を開始し、実際の発電効率を計測する。結果をシミュレーションと比較することで大規模化した際の発電効率を予測する。
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