革新的ピストンを用いた2段ガス加速方式による固体水素ペレット入射の高速度化研究

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K18307
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 本島 厳 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00509507)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: ２段ガス加速 / 固体水素ペレット / アイスピストン

研究実績の概要

本研究では、核融合燃料供給法の一つである固体水素氷粒ペレット入射法において、「アイスピストン」を用いたこれまでにない2段ガス加速方式を提案し、開発を行うものである。その目的は、入射速度の高速化ならびに高繰り返し運転が可能な信頼性の向上である。本研究によりペレット入射を高速度化し、プラズマ実験に供することにより、核融合炉に向けてペレット燃料吸収過程を精度よく予測、外挿することが可能となる。
昨年度、アイスピストンを駆動するための大流量の高速射出弁を製作した。高速射出弁の仕様は以下の通りである。アイスピストンの材質としてアルゴンを選択し、サイズを20 mmの円筒形と仮定した場合、アイスピストンの加速に必要な加速ガス流量は約4000 Pa m^3であり、その流量を満たす高速射出弁を製作した。製作後の高速射出弁のガス流量試験を行い、上記の仕様を満たしていることを確認した。
本年度は、高速射出弁を用いて実際にアルゴンによるアイスピストンの射出を試みたが、アイスピストンを生成するまでに予想よりも時間を要することがわかり、まずは固形ピストンによる圧縮性を確かめることとした。固形ピストンの使用に際し、ピストンの材質の検討を行った。これまでの先行研究によりポンプチューブは高温になることがわかっており、単純なチタン合金では表面が摩耗する可能性があり、その対策としてダイアモンドライクカーボンなどの耐摩擦に優れたコーティング法を検討した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

射出試験のための制御系および冷凍機などのユーティリティと射出の要である大流量高速射出弁の準備は進捗しており、平成29年度はアイスピストンの駆動試験を行う予定であったが、アイスピストンの生成に時間を要することがわかり、まずは高圧縮性を検証すべく、固形ピストンを用いることにした。その際、耐摩擦性能を向上させる必要があり、その材質の検討に時間を要した。

今後の研究の推進方策

高速射出弁による高圧縮性を検証するために、昨年度に引き続きアイスピストンを用いずに固形ピストンを用いて行う。
固形ピストンの耐摩耗性強化は必要であるが、その目処は立っており早急に実施する予定である。
高圧縮性を確認したのち、アイスピストンを生成するために冷凍機を用いることにしているが、生成に必要な冷凍機システムはすでに準備がなされている状況である。その他、ガス操作に必要なバルブ類、排気系システムの目処も立っており、今後はアイスピストンの駆動試験が可能になるように試験体制を強化する。

次年度使用額が生じた理由

アイスピストンの生成に想定よりも時間を要することがわかり、固形ピストンの使用に踏みきたったが、固形ピストンの材質の検討に時間を要して、発注までに至らなかった。

今後の使用計画として、耐摩耗性を強化した固形ピストンの購入や、ピストンの駆動に必要なユーティリティ用の低圧バルブを購入予定である。