| 研究課題/領域番号 |
20H00361
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
奥野 喜裕 東京工業大学, 工学院, 教授 (10194507)
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| 研究分担者 |
小林 宏充 慶應義塾大学, 法学部(日吉), 教授 (60317336)
藤野 貴康 筑波大学, システム情報系, 准教授 (80375427)
高奈 秀匡 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (40375118)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | MHD発電 / 電力工学 / エネルギー効率化 / 省エネルギー / 電磁流体力学 |
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| 研究実績の概要 |
多様な熱源に適応する高効率クローズドサイクルＭＨＤ（電磁流体力学）発電の実用化研究において，研究代表者は，「シード」（作動気体への金属蒸気の微量添加）のフリー化というブレークスルーを世界で初めて展開するに至っている。本研究は，低環境負荷シードフリー高効率ＭＨＤ発電の実用化を見据えた高性能化実証を一気に進め，その開発ロードマップを確固たるものにすることを目的としている。本研究課題での学術的問いは，既往研究では未到の 1)予備電離（希ガスプラズマ生成）の高効率化 と 2)発電機内プラズマの最適化 を実証・達成することである。当初の計画どおり，令和2年度（初年度）は，下記の大きく2点に焦点を絞って研究を遂行した。
1) 高周波予備電離プラズマＭＨＤ発電実験における予備電離手法の高度化
ディスク形状発電機を用いた衝撃波管駆動ＭＨＤ発電実験において，予備電離電力の効率的注入（予備電離プラズマの効率的生成）を目指した高周波誘導コイル配置の影響（ターン数や設置位置）を明らかにするとともに，発電機形状（発電流路高さ，出口・スロート断面積比）の依存性を実験的に明確にした。前者においては，発電機上流のノズルにおけるコイルの亜音速・超音速領域設置での違いや予備電離領域の広さ，また発電機入口（アノード）までの距離等の影響に着目し，後者においては，予備電離領域の流路高さとプラズマ生成の関係に着目した。
2) 数値解析によるプラズマ安定化制御と性能評価に向けた基盤構築
発電機内プラズマ数値シミュレーションにおいて，磁界に垂直な面（r-θ面）での2次元数値解析から発電機内プラズマの性質を把握し，均一・安定なプラズマが維持される条件を明らかにするとともに，予備電離によるプラズマ生成過程を組み込んだ磁界に平行な面（r-z面）での2次元電磁流体シミュレーションを行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
令和2年度（本研究課題初年度）は，当初の計画どおり， 1) 高周波予備電離プラズマＭＨＤ発電実験における予備電離手法の高度化，ならびに２）数値解析によるプラズマ安定化制御と性能評価に向けた基盤構築に着手した。
具体的には，1）に関しては，予備電離希ガスプラズマＭＨＤ発電における，予備電離用高周波誘導コイルの配置（位置およびターン数）が発電性能に与える影響を，衝撃波管装置に組み込んだディスク形ＭＨＤ発電機において実験的に検証し，コイル2turn発電機ではコイル位置（プラズマ生成加熱領域）が超音速領域にある発電機においてより高いエンタルピー抽出率が得られ，またコイル2turn発電機に比べてプラズマ生成加熱領域が広いコイル4turn発電機では更に高いエンタルピー抽出率が得られることを実証した。また，予備電離領域を含め流路高さが低い場合には，発電機性能が劣化する傾向にあることを明らかにした。
2）に関しては，アルゴンを作動気体とする予備電離希ガスプラズマＭＨＤ発電機内部に生じるプラズマ構造を等エントロピー流れの仮定の下でr-θ2次元非定常数値解析により検討し，適切な外部負荷抵抗では円周方向に均一なプラズマ構造となり，高い発電出力が得られること，また，電子数密度の特性時間が作動気体の滞在時間より長くなる電子温度を実現することで，均一なプラズマが得られることを明らかにした。さらに，予備電離によるプラズマ生成過程を組み込んだr-z次元非定常数値解析に着手し，励起過程や輻射過程がプラズマの生成・維持，また発電機性能に与える影響等が明らかになりつつある。
これらの研究成果は，確実に次年度以降の本研究の進展に資するものとなっており，「おおむね順調に進展している」と判断している。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度（本研究課題初年度）は，上述の通り， 1) 高周波予備電離プラズマＭＨＤ発電実験における予備電離手法の高度化，ならびに２）数値解析によるプラズマ安定化制御と性能評価に向けた基盤構築に取り組み，前者では高周波誘導コイルの配置の発電性能に与える影響を，また後者では2次元非定常数値解析から発電機内プラズマの均一安定性について明らかにした。これらの成果を受けて，次年度は，下記の大きく2点に焦点を絞って遂行し，本研究を一層推進する。
1) 予備電離希ガスプラズマＭＨＤ発電実験におけるプラズマ流体諸量の把握と高度化
ディスク形状発電機を用いた衝撃波管駆動ＭＨＤ発電実験において，高速度ビデオカメラ等を使用して発電機内プラズマ流体挙動を観測し，高周波誘導コイルの配置が発電機性能に与える影響を発電機内プラズマ流体諸量の変化と関連付けて明らかにする。また，今後の新たな研究展開の前準備として，作動気体としてこれまで使用してきたアルゴンに加え，ネオンやネオンに微量のキセノンを添加したガス等を用いた場合の発電特性を明らかにする。
2) 数値シミュレーションによる発電機内プラズマの挙動解析と性能評価
輻射を伴うプラズマ生成・消滅過程を考慮した2次元数値シミュレーションを深化させ，輻射損失が発電機性能に与える影響を検討するとともに，実験で使用する発電機，実験条件を模擬した数値シミュレーションを行い，電機実験結果の理論的裏付け，実験方針への定量的フィードバック，また改善に向けた具体的な提案を行う。また，実験計画に呼応して，アルゴンに加え，ネオンやネオンに微量のキセノンを添加したガス等を用いた場合の発電性能ならびに均一・安定なプラズマが維持される条件を2次元数値シミュレーションにより明らかにする。
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