液体水素環境下で使用できる可視化技術の開発とそれによる液体水素の沸騰現象の解明

• 研究課題/領域番号: 26630074
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 熱工学
• 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: 達本 衡輝 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 J-PARCセンター, 研究副主幹 (70391331)
• 研究分担者: 小林 弘明 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究員 (50353420)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2015年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2016年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2015年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2014年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 液体水素 / 超臨界圧 / 可視化 / 熱伝達 / 沸騰

研究実績の概要

本研究では、これまで培った「熱伝達実験計測技術」に高圧・極低温の液体水素中での「可視化技術」を導入することにより、従来の相関式では記述できない液体水素のプール沸騰現象を解明し、液体水素冷却による高温超電導聞きの性能を十分発揮できる最適な冷却技術とその設計基準の確立を目標としている。
提案書で提案した可視化プローブを平成２６年度製作し、液体窒素を用いた予備試験を実施したところ光ファイバーが貫通する真空断熱層のコンダクタンスがわるいため、先端にある窓部において要求する真空度を維持できないため、結露が生じることがわかった。そこで、新たに光ファイバー自体を液体水素に直接浸して使用する可視化プローブを考案し製作した。光ファイバーは、１万本を束ねたバンドル型を採用し、クライオスタットの上部の常温部において、低膨張ホウケイ酸塩製の耐圧ガラス窓を介して、カメラとカップリングされている。また、光源も同様に、LEDから光ファイバーを介して供試体部に導入する方式を採用した。平成２６年度には可視化プローブの各部品の製作と調達を実施した。
平成２７年度は、新たに提案した可視化プローブの組み立てと液体窒素による実証性能試験を実施した。提案した方法により１週間液体窒素に浸して耐久試験を実施した。懸念していたファイバーの熱収縮による屈折率変化による撮像の劣化がないことを確認した。高解像度カメラを新たに調達し、液体水素および超臨界圧極低温水素での実証試験（大気圧から1.5MPAa)を１週間実施し、液体水素中での耐久性および耐圧性能を確認することができた。さらに、白金コバルトワイヤ（直径0.2mm）を用いて広範囲の圧力温度条件下でプール沸騰実験も同時に行い、熱伝達特性データおよびそれらの沸騰現象を新たに開発した可視化プローブで取得することができ、本方式の高圧下の液体水素中で適用できることを実証できた。