2021 Fiscal Year Research-status Report
プラズマを用いたトリチウム化水素化合物ガスの分解によるトリチウム抽出法
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21K13899
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
大宅 諒 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (10804750)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 水素化合物ガス / プラズマ分解法 / トリチウム抽出 / 燃料循環システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核融合炉の燃料循環システムにおいて、トリチウムの効率的な利用のため、真空容器から排気されたトリチウム化水素化合物ガス（炭化水素, 水蒸気など）を分解し、トリチウムを抽出する必要がある。本研究は、燃料循環システムの要素機器として、プラズマを用いたトリチウム化水素化合物ガスの分解によるトリチウム抽出法の有効性を明らかにすることを目的とする。高効率の長時間持続を目指し、(1)最適な分解効率を与えるプラズマ条件の選定、(2)副生成物の堆積を低減するための手法の検討、(3)核融合実験装置からの真空排気ガスを想定した実証実験、を行う。今年度は、主として(1)および(2)の研究を推進することとし、水蒸気をプラズマで分解する実験を実施して分解効率を評価するとともに、炭化水素の分解による容器内壁への炭素堆積が与える影響を調べた。
実験には、所属研究室の高周波プラズマ発生装置を使用した。まず、酸化銅による水素ガスの酸化反応を利用して、水蒸気を生成するシステムを構築した。生成した水蒸気をプラズマ容器に流入させ、プラズマを点火して分解実験を行った。分解後の粒子種分布と分解効率を測定した結果、水分子の分解とそれによって生成された水素と酸素が確認され、流入させた水蒸気のうち30%が分解したことがわかった。
また、炭素堆積が水蒸気の分解率に与える影響について実験を実施した。予めメタンのプラズマ分解実験を実施し、プラズマ容器内壁に炭素を堆積させた。その後、水蒸気のプラズマ分解を行ったところ、分解効率は最大で70%にまで上昇した。分解後の粒子種分布を調べたところ、酸素が消失し、一酸化炭素と二酸化炭素が生成されていることが確認された。これは、分解生成物の酸素原子が容器壁の炭素原子と結合して生成されたと考えられ、プラズマと堆積炭素の相互作用により、炭素堆積下で水蒸気の分解率が上昇することが判明した。
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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
本研究は、核融合炉の燃料循環システムにおいてトリチウムを効率的に利用するため、プラズマを用いたトリチウム化水素化合物ガスの分解によるトリチウム抽出法の有効性を明らかにすることを目的としている。高効率の長時間持続を目指し、(1)最適な分解効率を与えるプラズマ条件の選定、(2)副生成物の堆積を低減するための手法の検討、(3)核融合実験装置からの真空排気ガスを想定した実証実験、を実施する。
(1)の研究を推進するため、水蒸気のプラズマ分解実験を行った。分解後の粒子種分布と分解効率を測定した結果、流入させた水蒸気のうち30%が分解していることが示された。現在、プラズマ中の分解過程に関わる水分子と電子の衝突断面積のデータベースを調査しており、支配的な衝突反応を調べるとともに、最適なプラズマ条件の選定を進めている。
(2)の研究を推進するため、炭素堆積下で水蒸気のプラズマ分解実験を行った。炭素堆積により水蒸気の分解率は向上し、これには分解生成物の酸素原子と容器壁の炭素原子の反応が関与していると考えられる。これまで、炭化水素の分解において、容器壁への炭素堆積が水素回収率を低下させることが問題となっていた。しかし、水蒸気の分解により炭素堆積層を除去できる可能性とともに、その際、水蒸気の分解率も向上することを示すことができた。
(3)の研究を推進するため、九州大学応用力学研究所の長時間放電型核融合実験装置QUESTに設置した四重極質量分析計で、真空容器内のガスの粒子種分布を調べる研究に参画し、準備を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
プラズマを用いたトリチウム化水素化合物ガスの分解によるトリチウム抽出法の有効性を明らかにすることを目的として、次年度以降、以下の研究を推進する。
(1)最適な分解効率を与えるプラズマ条件の選定については、今年度に得られた水蒸気分解のデータをもとに、支配的な素過程を抽出することで、分解効率が最大となるプラズマ条件をプラズマ原子分子過程の観点から明らかにする。また、プラズマ条件以外にも、容器内圧力やガス流量が分解率に与える影響を、化学工学的に調べることを予定している。さらに、メタンや水蒸気以外の水素化合物ガスについても、同様にプラズマ分解実験を行うため、実験環境の整備を進める。
(2)炭素等の副生成物の堆積を低減するための手法の検討については、引き続き炭素堆積が水蒸気分解に与える影響とそれに関与する素過程を明らかにするための研究を進める。また、プラズマ・壁相互作用の既存のコードで容器材料（ステンレス鋼）での炭素を含む反応生成物の反射・堆積・損耗や、水素吸蔵・再放出特性をシミュレーションし、実験結果と比較する。それによって、物理スパッタリングや化学スパッタリングを促進し、水素の回収率を向上させるプラズマ条件を探索する。さらに、最適な分解処理装置の構造も検討する。
(3)核融合実験装置からの真空排気ガスを想定した実証実験については、九州大学応用力学研究所の長時間放電型核融合実験装置QUESTで、真空容器内のガス種を分析し、排気されるガスの成分構成を調査する。
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| Causes of Carryover |
本年度は、既存の実験・分析装置の整備とそれらを用いた実験を中心として、研究を実施した。
実験・分析装置の整備は、既存の装置の改良を中心に行っていたが、実験方法等の工夫により、本年度当初の予定よりも少ない改良で実験が可能となり、これらの実験装置を用いて本研究の目的の達成に向けて重要なデータを取得することができた。このため、次年度使用額が生じた。また、今後もこれらを積極的に活用して、より系統的で詳細な実験を行う計画であるが、状況によって更なる改良の経費や、金属材料試料の購入等のために次年度使用額を使用する予定である。
また、多くの学会がオンライン開催されたことに伴い、本研究の成果をオンラインで発表したため、出張旅費を使用しなかった。今後は、主として、プラズマ照射試料等分析のため、他機関のより高度な分析装置を使用した実験や関連する研究情報の収集の出張旅費に、次年度使用額を使用する予定である。
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