2014 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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| 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, 准教授 (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)
高山 定次 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40435516)
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| Project Period (FY) |
2013-10-21 – 2017-03-31
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| Keywords | 溶融塩ブランケット / 水素吸蔵金属 / 水素溶解度制御 / 強制循環ループ / マイクロ波加熱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
粒子分散溶融塩の実効的水素溶解度を測定した。実験にはミクロンサイズのチタン粒子（0.1wt%）を含有させたFLiNaK溶融塩を用い、石英ガラス試験管内で水素・水素含有アルゴンガスをバブリングして水素を吸収させ、続く純アルゴンガスによるバブリングで水素を回収して水素溶解度を測定した。測定は525～700℃にて実施し、純粋な溶融塩に比較して５桁高い水素溶解度を確認した。また、大気暴露した分散溶融塩では水素溶解度の上昇が認められず、分散粒子表面の清浄性が重要であることも明らかになった。さらに、分散粒子の比表面積の影響を明らかにするため、ナノサイズのチタンを分散させたFLiNaKを調整した。
九州大学においては、実験室への簡易フードの増設などの設備強化をおこない、溶融塩FLiNaBeを合成した。また作製したFLiNaBeと3重管構造の水素透過測定装置を用い、水素の溶解度及び拡散係数の測定を開始した。関連溶融塩であるFLiNaK、FLiBe、FNaBe等も併せて作製し、特性の比較を行った。
粒子分散溶融塩の流動特性を模擬するための水流動ループ装置については、1インチ配管ループ内に数m/sで高速循環させるために圧損計算、駆動ポンプ、超音波センサー、流量計の選定を行い、機器設置作業を進めた。
金属粉末から水素を取り出す新しい手法として、粒子分散溶融塩中の水素を吸蔵した金属粉末（チタン粉末）を局所加熱するためのマイクロ波加熱実験を進めている。今年度、試料位置を変えずにマイクロ波の電場成分と磁場成分の入力エネルギーを制御できる装置の開発を行った。また、マイクロ波共振器による加熱実験で、当初の計画通りマイクロ波磁場成分では、溶融塩は加熱されず、金属粉末のみが加熱される知見を得た。水素を吸蔵した金属粉末は水素吸蔵前の金属粉末よりも電気抵抗が大きく、より加熱されることも明らかとなった。
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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
（１）水ループを用いた金属微粒子の流動模擬実験：流動可視化のためのアクリル製配管を含む配管ループの基本設計、ポンプ・センサーの選定等を進めた。当初、ループには既存の高温溶融塩ループ装置に設置されているものと同等の差圧式流量計を設置し、微粒子添加時の応答についての評価を計画していた。しかし、計画遂行中に本ループに適用可能な電磁流量計の存在が分かり、調査の結果、材料等の選択により、将来的には高温溶融塩ループにも適用できる可能性があることが分かった。電磁流量計は差圧式流量計と異なり分岐管を設ける必要がなく、高流速でも圧力損失なく高精度測定が期待できるため、当初計画を変更し、水ループに導入することとした。これらの検討、導入のために試験開始をH27年度前半としたが本ループ装置については、他に解決すべき技術課題は無く、また、必要な装置、センサー類はそろっており、順調に設置作業を進めていることから、全体計画に対して遅れを生じさせるものではないと判断した。
（２）FLiBe、FLiNaBe溶融塩の実効水素溶解度制御：本課題にとって最も重要な項目の一つであるガスバブリングによる微粒子添加溶融塩からの水素回収特性試験を実施し、微粒子を添加していない溶融塩と比較して5桁の実効水素溶解度が向上する、良好な結果を得た。また、現在バナジウム合金への水素移行減少の検証試験を遂行中であり、ほぼ計画通り進んでいる。FLiNaBeについては、当初予定の単体中の水素透過挙動に関する基礎データの取得が行われ、さらにFLiNaK、FLiBe、FNaBe等との特性比較が進められている。
（３）マイクロ波加熱による水素回収実験：本年度、電場成分と磁場成分の入力エネルギーを制御する装置の開発を行うともに、加熱実験により、金属微粒子の選択的加熱を確認しており、計画通りである。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)水ループを用いた水素吸蔵金属微粒子の流動模擬実験：電磁流量計や超音波流速分布計測装置等を用いて流動測定実験を行い、微粒子を添加した際の溶融塩の実効的な粘性、流速分布変化等の流動特性の変化や、配管屈曲部での流動挙動を予測するために必要なデータの取得を行う。また、様々な流動条件における各種ブランケット配管候補材料の管壁表面への浸食作用の評価データ蓄積、永久磁石を用いた磁場効果の検証を進める。
(2)Flibe、Flinabe溶融塩の実効水素溶解度制御：液体溶融塩に水素吸蔵金属微粒子を混合することで、ブランケット構造材として高温溶融塩に接して使用されるバナジウム合金への水素吸蔵が抑制されることを検証する。また、金属微粒子混合により、500℃以上のステンレスやNi合金配管から外部への水素透過が抑制できることを検証する。これら水素移行抑制に対する金属微粒子の表面酸化状態の影響を評価する。以上の水素移行抑制のデータに加えて、これまでに取得している溶融塩中の水素溶解度・拡散係数等のデータを基に、ブランケット中における水素輸送挙動のモデル化を進める。
(3)マイクロ波加熱による水素回収検証試験：マイクロ波の電場成分と磁場成分の割合を最適化することで、溶融塩の温度を維持しつつ金属微粒子を効率的に加熱して水素回収効率を上げるための条件最適化の方針を見出す。
(4)微粒子添加溶融塩の流動特性：既存のFLiNaK溶融塩ループ装置等を用いて、微粒子添加溶融塩の流動について最終検証を行うことを検討している。
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Research Products
(8 results)
