2013 Fiscal Year Annual Research Report
溶融塩ブランケットの安全性と熱効率向上を目指した水素溶解度の積極的制御の実験研究
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25249133
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Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
相良 明男 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (20187058)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菱沼 良光 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (00322529)
田中 照也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30353444)
後藤 拓也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (30509518)
長坂 琢也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40311203)
深田 智 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (50117230)
室賀 健夫 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (60174322)
八木 重郎 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (70629021)
渡邉 崇 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 研究員 (90520148)
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| Project Period (FY) |
2013-10-21 – 2017-03-31
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| Keywords | ブランケット / 溶融塩 / 水素吸蔵金属 / 水素溶解度 / マイクロ波 / Flinak / Flinabe |
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| Research Abstract |
本課題研究の目的であるTi、Zr、V等の水素吸蔵金属微粒子による溶融塩の実効水素溶解度制御に必要な各要素について、基礎実験を実施した。
（１）液体Flinak冷却材中における水素溶解度および拡散係数を正確に評価するために、厚み0.5-1ｍｍの薄い層を透過させる水素透過測定装置を構築した。これにより既存の測定手法では正確な係数評価の妨げとなり得る対流の影響を抑制し、データ解析、評価に成功した。
（２）水素吸蔵金属と液体Flinakの水素溶解度から想定される金属微粒子内の水素濃度の検討、及び、溶融塩冷却材中における金属微粒子沈降速度予測から、直径10μm以下の粒子を混合させることが適していると評価し、この条件を中心に本課題研究を展開することとした。また、静止場実験用ポットを製作し、550℃静止液体Flinak中に混合した金属Zr微粒子への水素吸蔵、及び、放出実験を実施したが、水素吸収量は理論溶解度からの想定値を大きく下回った。金属粒子表面に酸化膜が存在する等の要因が考えられる。
（３）Flibeについてニッケル坩堝を使い原料のLiFとBeF2から製造し、HFによる精製、pH測定をおこない、今後のFlinabe製作の準備を行うとともに、Flinakを合成して水素透過予備試験をおこなった。基礎物性の研究例が少ないFlinabeについて、理論計算により融点、粘度の基礎データの予測を行い、最適な三成分組成の探索を行った。
（４）溶融塩中に存在する水素吸蔵金属粒子のみを加熱する手法として、マイクロ波を利用することの発想に至った。この原理を検証するために固体Flinakおよび固体Flinak+Ti粉末試料に対するマイクロ波加熱実験を行なったところ、後者のみ磁場定在波による温度上昇が生じた。金属粒子のみを加熱することにより、効率的な水素回収を実現するための有効な技術となることを確認した。
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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
H25年度の交付申請書に記載した内容について、下記の様に進展しており、おおむね予定通りと判断した。
(1)静止場ポット装置製作、水素溶解特性研究の立ち上げ：液体溶融塩を加熱した際の対流による水素輸送効果を抑制し、より正確な水素拡散係数を求めるための静止場ポット装置の製作を行い、Flinakに対する実験データ取得、解析に成功した。また、Flinabeについても基礎データの取得を進めている。
(2)金属微粒子による溶融塩の水素溶解度制御実験：静止場ポット中の液体Flinak（550℃）中にZr微粒子を混合させ、水素溶解量の測定を試みた。この際、交付申請の段階では、水素吸蔵試料をポット外に取り出し、TDS（昇温脱離）測定により評価することを検討していたが、今年度は静止ポット中で気相水素圧力の変動を観察することにより評価を行った。混合したZrへの溶解による水素ガス圧の低下は、Zrの混合量及び水素溶解度から予測される量より少なく、表面状態が影響していると考えられるが、この点については、研究開始時から重要な研究課題となる可能性を議論してきており、特に、研究計画に遅れをもたらすものではない。
(3)Flinakループ装置への磁場導入に向けた改造：本研究グループではH25年度、本課題とは独立した別の研究実験装置に設置するために、50cm長さの配管に１Ｔの強磁場を印加できる永久磁石を導入した。この永久磁石については、本課題における金属微粒子の流動に対する磁場効果の検証にも使用できるようにするため、移動可能な設置架台の製作等を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 溶融塩に水素吸蔵微粒子を入れることにより、溶融塩冷却材の実効的な水素溶解度を増加させると同時に、冷却材自体の実効的な粘性等が変化すると予測される。そこで、液体FlibeやFlinabeと同程度の粘性を示す低温水を循環させるための小型ループ装置の構築を行う。装置はアクリル配管を用いることで超音波流速測定の他に画像直接換算を行えるようにし、微粒子混合流体の振る舞いや流動環境での微粒子沈降速度についての基礎的な知見を得る。また、１T永久磁石を用いた強磁場下での流動変化、金属試験片を挿入することにより、管壁損耗量について知見を得る。
(2) H25年度のポット試験において、微粒子表面状態制御が溶融塩の実効溶解度制御に大きな影響することを示唆する結果を得ている。溶融塩中における微粒子表面の化学状態の理解や電子顕微鏡による微視観察等を通じて、その制御手法について重要課題として研究を推進する。また、溶融塩（Flinak、Flinabe等）、ブランケット構造材（低放射化フェライト鋼、バナジウム合金等）、水素吸蔵金属（Ti、Zr、V等）の組み合わせにおける水素挙動や化学状態制御について、静止場ポット試験により理解、モデル化を進める。
(3) 金属微粒子のマイクロ波加熱による水素回収については、液体溶融塩を用いた実験に移行し、効率的な水素回収技術の実証を目指す。
(4) 流動溶融塩中における水素移行制御については、既存のFlinak溶融塩ループ実験装置（装置名：オロシ-１、1/2インチ配管、流速0.2-0.5m/s）等を用いた実験により検証を目指す。溶融塩を用いた実験にも水ループ同様に永久磁石を設置し、強磁場下の流動を模擬するとともに、高温溶融塩用遠心ポンプや水素透過抑制セラミック被覆等、実際の核融合ブランケット構成要素が統合された試験を検討している。
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Research Products
(4 results)
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[Journal Article] Helical reactor design FFHR-d1 and c1 for steady-state DEMO2014
Author(s)
A. Sagara, H. Tamura, T. Tanaka, N. Yanagi, J. Miyazawa, T. Goto, R. Sakamoto,J. Yagi, T. Watanabe, S. Takayama, the FFHR design group
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Journal Title
Fusion Engineering and Design
Volume: in press
Pages: 1-5
DOI
Peer Reviewed
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