楊液体金属発電の原理実証

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H05526
• 配分区分: 補助金
• 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): 2019-06-28 – 2025-03-31
• キーワード: 液体金属 / MHD発電 / 乱流起電力

研究実績の概要

液体金属を高所に揚げておいて磁場中を通過させて落下する際の運動エネルギーを電磁流体的効果で電気エネルギーに変換して取り出すことを目的とする。令和元年度は最大１Tの電磁石を用いて、磁場中を通過する金属及び非金属の流路中の液体金属の観測を行った。液体金属が0.3T以上の磁場中で電磁石下流において流路内で狭隘化することを観測した。この狭隘化において流路に流れる電流の影響を調べるために、流路を金属と絶縁体で行い、狭隘化を確認したところ、きな違いはなく、狭隘化は流路に流れる電流の影響は小さいことが確認された。狭隘化は磁場の強度によって変化することも確認された。この結果を定量的に観測するために超音波流量計を設置した。計測条件を整え、正確な流量を得るための準備を行った。また、液体金属の磁場中の変化をシミュレーションするために電磁流体に対応したSPH法によるCFDコードを開発した。開発したコードに必要な磁場分布をホール素子を用いて計測し、開発した計算機コードに入力して計算を実施した。定量的な確認を行うために、より精度の高い流速の観測と磁場の計測を行う必要があることを確認している。開発したコードによる計算は国際会議で発表され、ベスト学生発表賞を受賞している。

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

当初計画では、液体金属発電のための基礎実験装置の開発とCFDコードの初期開発を目指していた。液体金属として常温で液体の金属であるガリンスタン（GaInSn）を用い、基礎実験装置を製作し、１Tまでの磁場を発生できる電磁石を用いて、磁場中を流動する液体金属の挙動を観測できる装置を製作した。結果として0.3T以上の磁場で液体金属の狭隘化が観測された。この狭隘化において流路に流れる電流の影響を調べるために、流路を金属と絶縁体で行い、双方で大きな変化がないことを確認した。この結果、狭隘化は流路に流れる電流の影響は小さいことが確認された。また、基礎実験と比較できる粒子シミュレーション（SPH法）の開発は順調に実施され、国際会議で発表されている。一方、実験とシミュレーションの比較のためには流速分布の計測が必須ではあるが、現在超音波流量計を用いて計測を開始している。以上のようにおおむね研究は順調に進展している。

今後の研究の推進方策

ガリンスタン（GaInSn）を用いた基礎実験装置で超音波流量計での流速分布測定法を確立する。磁場の詳細計測と流速測定を組み合わせて開発したシミュレーションとの比較を行うことでシミュレーションの妥当性を確認する。落下実験を実施するために磁場中での運動をシミュレーションで予測したうえで、ガリンスタン（GaInSn）を用いた落下装置を製作する。製作した落下装置を用いて観測を行い、シミュレーションの結果を確認する。高価なガリンスタン（GaInSn）を用いた実験から、加熱した錫の実験に移行する。加熱には大きな電力とやや大掛かりな装置が必要になるが、これらは現有設備を流用する。装置製作には開発したシミュレーションを活用しする。さらに発電装置の開発に着手する。発電は電磁流体効果を使うため、さらにシミュレーションコードの開発が必要となる。このための基礎実験をガリンスタン（GaInSn）を用いた基礎実験装置を実施して発電効率や電気の抽出法の開発を並行して行う。、

研究成果

• [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
  • 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.、Wang Z.、Long H.、Huang C.、Oya M.、Idei H.、Nagashima Y.、Onchi T.、Hasegawa M.、Nakamura K.、Zushi H.、Kuroda K.、Kawasaki S.、Higashijima A.、Nagata T.、Shimabukuro S.、Takase Y.、Murakami S.、Gao X.、Liu H.、Qian J.、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 the hydrogen barrier model and rate equations of hydrogen state in long duration discharges on an all-metal plasma facing wall in QUEST (2019)
  • 著者名/発表者名: Hanada K.、Yoshida N.、Hasegawa M.、Hatayama A.、Okamoto K.、Takagi I.、Hirata T.、Oya Y.、Miyamoto M.、Oya M.、Shikama T.、Kuzmin A.、Wang Z.X.、Long H.、Idei H.、Nagashima Y.、Nakamura K.、Watanabe O.、Onchi T.、Watanabe H.、Tokunaga K.、Higashijima A.、Kawasaki S.、Nagata T.、Shimabukuro S.、et.al.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 ページ: 076007～076007
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab1858
  • オープンアクセス / 国際共著
• [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