非接触微粒子操作と3次元可視化計測に基づく気液界面における微粒子挙動モデルの構築

• 研究課題/領域番号: 20K15211
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分31010:原子力工学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 堀口 直樹 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究職 (20808331)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2020年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
• キーワード: 微粒子 / 界面 / 非接触操作 / 可視化計測 / 非接触微粒子操作 / 3次元可視化計測 / 気液界面 / 微粒子挙動 / 過酷事故

研究開始時の研究の概要

軽水炉過酷事故に伴う放射性微粒子の拡散を抑制させるため、プール中に発生させた気泡による微粒子の捕集効果が想定されている。捕集時気液界面に到達した微粒子は瞬時に液相中に移行するという仮定のもと解析的研究が行われているが、近年の可視化実験において気液界面上に不溶性微粒子が堆積し液相に移行しない様子が観察され、仮定が成り立たないこと明らかとなりつつある。微粒子の捕集量を過大評価する可能性があり、仮定の見直しと物理モデルの構築が必要である。
本研究は、単一ナノ・マイクロ微粒子の非接触操作と3次元可視化計測により気液界面における微粒子挙動を明らかにし、微粒子挙動を適切に評価するための物理モデルを構築する。

研究成果の概要

本研究では、レーザーマニピュレーション技術を用いて界面上の単一マイクロ粒子の挙動を可視化する手法を開発した。レーザーマニピュレーション技術により液単相中の不溶性マイクロ粒子の操作および可視化が可能な装置を製作し、この装置内にシリコンオイルおよび水を用いた界面を形成する手法を開発した。この装置を用いた実験を行い、界面がマイクロ粒子を捕集することを確認した。また、別のマイクロ粒子は曲率の小さい界面に捕集されたが、しばらくすると元の相に戻った。この挙動は、粒子自身のブラウン運動や界面の曲率の影響によるものと考えられる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究における成果は、界面における単一微粒子の非接触操作および可視化計測技術を開発し、界面における単一微粒子の挙動を明らかにしたことである。この技術および知見は、原子力分野におけるスクラビングによる放射性微粒子の捕集効果に関する調査に活用することができ、原子力発電の安全性向上および社会への安定的なエネルギー供給に貢献するものである。