楊液体金属発電の原理実証

• 研究課題/領域番号: 20K20445
• 補助金の研究課題番号: 19H05526 (2019)
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金 (2020); 補助金 (2019)
• 審査区分: 中区分31:原子力工学、地球資源工学、エネルギー学およびその関連分野
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 花田 和明 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (30222219)
• 研究分担者: 胡 長洪 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (20274532)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 25,480千円 (直接経費: 19,600千円、間接経費: 5,880千円); 2024年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2023年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2020年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2019年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
• キーワード: 液体金属 / 楊液体金属発電 / 液体金属シミュレーション / 楊液体金蔵発電 / MHDドラッグ / コロージョン / MHD発電 / 乱流起電力

研究開始時の研究の概要

液体金属を用いて揚水発電のような電力供給の時間変動や日変動を緩和させる楊液体金属発電の原理実証とエネルギー収支の評価を行うことを目的とする。液体金属は比重が大きいため、楊水発電よりも小型化が可能で、直接電気出力が取り出せるためタービンが必要なくゼロ出力からの立ち上がりが早いため工場等の大電力を消費する設備の停電対策としての活用が考えられる。また、通常時は再生可能エネルギーの畜エネルギー機器として使用可能である。持ち上げておくだけで畜エネルギーができ、メインテナンスも必要ない。流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するダイナモには未解明な部分も多く、学術的にも意義が高い。

研究実績の概要

2023年10月に本研究に関連する論文がPlasma and Fusion Research誌に掲載された。基礎実験と開発したシミュレーションの比較を行った結果についてまとめたもので、シミュレーション計算は定量的な評価も含めて基礎実験と良い一致を示しており、磁場の勾配が強い場所から表面波が伝搬する様子を再現できている。一方、表面波がぶつかり合う場所の磁場依存性については一致していなかった。この点について論文では液体金属GaLiSnの表面酸化に伴う表面張力の変化を一因としてあげたが、確認には至っていない。アルゴン雰囲気の液体金属用基礎実験装置を製作し、確認実験の準備を進めている。表面酸化を防ぎながら装置にGaLiSnを注入するための特注のグローブボックスを設計した。グローブボックスの製作が終了次第、実験を開始する予定である。
製作したシミュレーション・コードについては米国の核融合関連の研究者が実験結果を説明するために使用するなど、広く認知され始めている。基礎実験との違いが実験側の液体金属の表面張力の違いであることが確認できれば、さらに信頼性が向上して用途が拡大することが期待される。
液体金属の基礎研究とシミュレーションの比較と、GaLiSn以外に錫やリチウムを使った場合のシミュレーション結果について、2023年度の日米科学技術協力協定に基づく液体金属に関するワークショップで博士後期課程学生が発表を行った。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

開発した計算機コードは本研究の目的である発電量の試算以外に、磁場中での液体金属の流動に大きな影響を与えるMHDドラッグの評価として使用されるなど用途が広がっている。基礎実験との定性的な比較は論文として掲載されている。新規に製作した基礎実験装置は懸案だった液体金属の注入方法についても目途が立ち、おおむね順調に進展していると考える。GaLiSnでの検証を終えれば、来年度は液体錫での確認実験を予定している。液体錫での実験とシミュレーションの比較では、シミュレーションによる発電量と実験での発電量の比較を行い、発電量の定量的な評価が確認できればシミュレーションによる大規模設備での発電量の予測を行う予定である。

今後の研究の推進方策

新規に製作した基礎実験装置で酸化防止の処置を施した実験を行うことで、基礎実験とシミュレーションの違いを確認する。すでに米国の実験機関で、製作したシミュレーションと核融合分野で実験の比較が行われているので、そちらの結果も検証に使用する。来年度は液体錫での実験を予定している。基礎実験の計算はすでに終了しているので、基礎実験を実施することでシミュレーションのベンチマークを完了する。液体錫の実験では発電装置を取り付けて発電量を観測する。結果をシミュレーションと比較して、シミュレーションと基礎実験での定量性を確認する。発電量の定量的な評価が確認できれば、大規模設備を仮定したシミュレーションを実施して、「楊液体金属発電」によるでの発電量の予測を行い、その結果に基づいた社会実装した場合の予測を行う予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Deformation Induced by Magnetic Field on GaInSn Flow Surface (2023)
  • 著者名/発表者名: HIRAKA Ryosuke、AL SALAMI Jabir、TSUGIKI Takumi、HANADA Kazuaki、HU Changhong
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 18 号: 0 ページ: 2405083-2405083
  • DOI: 10.1585/pfr.18.2405083
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2023-10-12
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental, numerical and analytical evaluation of j×B -thrust for fast-liquid-metal-flow divertor systems of nuclear fusion devices (2023)
  • 著者名/発表者名: Saenz F.、Fisher A.E.、Al-Salami J.、Wynne B.、Sun Z.、Tanaka T.、Kunugi T.、Yagi J.、Kusumi K.、Wu Y.、Yamazaki G.、Hu C.、Hanada K.、Kolemen E.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 63 号: 9 ページ: 096015-096015
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ace9e9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetohydrodynamics in free surface liquid metal flow relevant to plasma-facing components (2023)
  • 著者名/発表者名: Sun Z.、Al Salami J.、Khodak A.、Saenz F.、Wynne B.、Maingi R.、Hanada K.、Hu C.H.、Kolemen E.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 63 号: 7 ページ: 076022-076022
  • DOI: 10.1088/1741-4326/acd864
• [雑誌論文] A Duct Design for Reducing Grad-B MHD Drag (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimada Michiya、Al Salami Jabir、Hanada Kazuaki、Hu Changhong
  • 雑誌名: Journal of Fusion Energy 巻: 42 号: 2
  • DOI: 10.1007/s10894-023-00388-2
• [雑誌論文] A high order flux reconstruction interface capturing method with a phase field preconditioning procedure (2021)
  • 著者名/発表者名: Al-Salami Jabir、Kamra Mohamed M.、Hu Changhong
  • 雑誌名: Journal of Computational Physics 巻: 438 ページ: 110376-110376
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2021.110376
• [雑誌論文] Magnetic induction and electric potential smoothed particle magnetohydrodynamics for incompressible flows (2020)
  • 著者名/発表者名: Al‐Salami Jabir、Hu Changhong、Kamra Mohamed M.、Hanada Kazuaki
  • 雑誌名: International Journal for Numerical Methods in Fluids 巻: 93 号: 3 ページ: 720-747
  • DOI: 10.1002/fld.4906
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A study on smoothed particle hydrodynamics for liquid metal flow simulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Jabir Al Salami, Changhong Hu, Kazuaki Hanada
  • 雑誌名: Evergreen 巻: 6 ページ: 190-199
  • NAID: 120006764118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Estimation of fuel particle balance in steady state operation with hydrogen barrier model (2019)
  • 著者名/発表者名: Hanada K.、Yoshida N.、Takagi I.、Hirata T.、Hatayama A.、Okamoto K.、Oya Y.、Shikama T.、et al.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 19 ページ: 544-549
  • DOI: 10.1016/j.nme.2019.03.015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Particle balance investigation with the combination of hydrogen barrier model and rate equations of hydrogen state in long duration discharges on all-metal plasma facing wall QUEST (2019)
  • 著者名/発表者名: K.Hanada,N.Yoshida,M.Hasegawa,H.Idei,Y.Nagashima,K.Nakamura,T.Onchi,O.Watanabe,H.Watanabe,K.Tokunaga,A.Higashijima,S.Kawasaki,T.Nagata,S.Shimagukuro,A.Hatayama,K.Okamoto,I.Takagi,T.Hirata,T.Shikama,S.Murakami,H.Long,Z.X.Wang,Y.Oya,S.Kojima,K.Gaku,M.Oya,M.Miyamoto,Y.Oya,T.Takase,X.Gao,H.Liu,J.Qian,R.aman,M.Ono
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 投稿中 号: 7 ページ: 076007-076007
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab1858
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] A study of relations physical quantity with magnetic field induced deformation of the Galinstan flow surface (2024)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke HIRAKA, Kazuaki HANADA, Jabir AL SALAMI, Takumi TSUGIKI
  • 学会等名: The 4th Power and Particle Control in a Steady State Magnetic Fusion DEMO Reactor by Liquid Metal Plasma-Facing Components
  • 国際学会
• [学会発表] 磁場中の液体金属流で発生する波の磁場分布と表面張力の影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平賀涼輔、Prapan Pakkapawn、花田和明
  • 学会等名: 第40回 プラズマ・核融合学会
• [学会発表] 液体金属ダイバータ開発に向けた液体金属の磁場中流動の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平賀涼輔、AL SALAMI Jabir、次木匠、花田和明、胡長洪
  • 学会等名: 第１４回核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] Deformation on GaInSn flow surface induced by magnetic field (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke HIRAKA, Jabir AL SALAMI, Takumi TSUGIKI, Kazuaki HANADA, Changhong HU
  • 学会等名: The 31th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会
• [学会発表] Closed loop system for observation of liquid metal flow in magnetic field (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke HIRAKA, Jabir AL SALAMI, Takumi TSUGIKI, Kazuaki HANADA, Changhong HU
  • 学会等名: The 7th INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LIQUID METALS APPLICATIONS FOR FUSION (ISLA-7)
  • 国際学会
• [学会発表] 磁場中を流動する液体金属の表面波形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平賀涼輔、AL SALAMI Jabir 、次木匠、花田和明、胡長洪
  • 学会等名: 第38回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 磁場中における液体金属の流動観測用ガリンスタン循環ループ装置の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平賀涼輔 , 花田和明 , 永田貴大 , 油布圭 , 牟田口嵩史 , 酒見亮佑
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第25回 支部大会
• [学会発表] Overview of recent progress on steady state operation of all-metal plasma facing wall device, QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: HANADA Kzzuaki
  • 学会等名: 24th PSI International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] 液体金属の磁場中での流動の基礎研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 次木匠 ，花田和明 ，胡 長洪 ，廣岡慶彦 ，嶋田道也 ，Hatem O ELSerafy，Jabir Al Salami， 大宅諒 ，川崎昌二
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第23回 支部大会
• [学会発表] Fundamental research of liuid metal flowing in magnetic field (2019)
  • 著者名/発表者名: Takumi Tsugiki, Kazusaki Hanada
  • 学会等名: CSS-EEST21
  • 国際学会
• [学会発表] Overview of recent progress on the QUEST experiments (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Hanada, Hiroshi Idei, Yoshihiko Nagashima, Ryuya Ikezoe, Makoto Hasegawa, Takumi Onchi, Makoto Oya, Kengo Kuroda, Shoji Kawasaki, Aki Higashijima, Takahiro Nagata, Shun Shimabukuro, Shinichiro Kojima, Hatem O ELSerafy, Naoaki Yoshida, Kazuo Nakamura, Atsushi Fukuyama, et.al.
  • 学会等名: 20th International Spherical Torus Workshop (ISTW2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Plan for contribution of plasma start-up from Japanese STs (2019)
  • 著者名/発表者名: 花田和明
  • 学会等名: ITPA Integrated Operation Scenarios Topical Group Meeting
  • 国際学会