Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

アルカリ金属 / 合金 / 消火 / 活性度 / 核融合 / 高速炉 / 液体金属 / 合金化反応 / 核融合炉 / 安全性 / 熱拡散率 / TDS / リチウム / ナトリウム / 合金化 / 燃焼 / 消化 / 火災 / 物性

核融合炉の液体燃料増殖材やIFMIFの液体ターゲット、高速炉の冷却材として、溶融アルカリ金属(リチウムやナトリウム)の応用が期待されている。しかし、溶融アルカリ金属は酸素や水と反応して燃焼するため、漏洩事故時に安全上の課題がある。本研究では、アルカリ金属燃焼時の斬新な消火手法の開発に挑戦した。溶融アルカリ金属に対して、金属鉛片(もしくは錫片)を直接投与する事により、瞬時に高融点且つ化学的に安定な合金を形成させる手法について研究を実施し、アルカリ金属の化学的活性度を制御する画期的な手法確立に繋がる様々な研究成果を得た。

優れた伝熱特性を有する液体アルカリ金属の課題の一つとして、大気や水と反応して燃焼する事が挙げられる。しかし、漏洩事故時等において、適切に処理する方法が確立できれば、そのリスクを大きく低減する事が可能である。従来は、燃焼したアルカリ金属に対して窒息消火が行われてきたが、本研究で提案した方法は化学的活性度の高い溶融アルカリ金属に対して金属片を投入して不活性な合金を形成する事により反応性を制御するという画期的な手法である。今後、更に応用が期待されるアルカリ金属技術（リチウムイオンバッテリーやBNCTターゲット）の安全面に大きく寄与する研究であると言える。

コールド・クル-シブル / 放射率 / 液体金属 / 銅 / 金 / 銀 / 放射機構 / モデリング / 近赤外分光放射率 / 貴金属 / モデル / 液体合金 / 金属 / 合金 / 液体 / 分光放射率

液体金属の放射率の値は、放射温度計の入力データとして、また、材料プロセッシングの伝熱過程に関する数学モデルの入力データとして重要である。本研究は、液体金属及び合金の放射率を温度及び波長の関数として統計的に測定すること、また液体金属の放射機構を考察し、放射率値を予測できる理論的モデルを構築することを目的として行った。
まず、通常の抵抗加熱炉と光学系を組み合わせた放射率測定装置を作製し、溶融銅の近赤外分光放射率の測定を行った。放射率値は、融点付近においては波長に依存せず約0.55と測定された。しかし、この値は、文献値(約0.1)と比較して大きく、炉心管壁からの光の影響やるつぼによる試料の汚染の影響を受けていると考えた。
これらの問題点を解消するために、コールド・クル-シブルを用いた測定装置を作製し、融点における固体及び液体銅の分光放射率を可視波長域550〜750nmで測定した。放射率の値は液体のほうが大きく、また、いずれの場合も波長が長くなるにつれ急激に小さくなり、液体銅で0.30〜0.10、固体銅で0.25〜0.06の範囲にあった。文献値の多くは本研究結果の固体と液体の値の中間に位置し、本測定法の妥当性が確認できた。ついで、融点における貴金属(金、銀、銅)の固体及び液体の分光放射率を近赤外波長域1000〜2500nmで測定した。いずれの金属においても、放射率値は液体のほうが大きく、固体、液体ともに波長が長くなるにつれゆるやかに減少し、たとえば液体銅では0.076〜0.060、固体銅では0.043〜0.033の値を示した。
以上の結果に基づいて放射機構を考察し、光の放射は、測定波長域においては、電子-フォノン、電子-電子及び電子-表面散乱とバンド間遷移によって起こると結論した。また、これらのファクターを考慮したモデルを構築したところ、測定結果を合理的に再現することができた。なお、本研究で作製した放射率測定装置は、他の金属や合金に適用することも可能である。

液体金属 / 合金 / 数学モデル / 熱伝導度 / 非定常熱線法 / 水銀

液体金属および合金の熱伝導度の値は,プロセス・シミュレータの基礎データとして重要である.本研究は,それらの熱伝導度の測定方法を開発することを目的として行った.
実際には,非定常熱線法を液体金属用に改良することを試みた.すなわち,非定常熱線法を液体金属のような導電性試料に適用する場合には,測定プローブを絶縁性物質で被覆する必要がある.さらに,精密な測定を行うためには,この被覆層が十分高い熱伝導度を有し,十分薄いことが要求される.そこでまず,これらの条件を満足する被覆物質およびその形成方法を検討した結果,被覆物質としてはアルミナが最適であり,合金の高温酸化を利用して形成できるとの結論に達した.
プローブをAlを含有する合金であるアルメルで作製し,それを空気中,960℃で10分間酸化した.このプローブでグリセリンおよびエチレン・グリコールを測定した結果,それぞれ,0.29〜0.31W/m・Kおよび0.26〜0.27W/m・Kの値を得,これらの値が文献値と概ね一致することから,基本的に測定が可能であることを確認した.現在,水銀の測定を行っているが,得られた測定値(13W/m・K)は,文献値(8.5W/m・K)と比較して大きく,対流の影響を受けている可能性があると考えられる.この点に関しては改善の余地がある.
また,アルメルを酸化した場合には,酸化膜にはアルミナ以外に,アルメルの成分であるNi,Co,Si,Mnの酸化物も含まれているために,高温の液体金属にこのプローブを適用する場合には金属に還元される酸化物もあり,被覆層の絶縁性が維持できなくなる可能性があることがわかった.この対策として,Alを固溶するPtをプローブ材として使用し,これを酸化してアルミナ単相の被覆層を形成することが有望であると考え,今後実験することとした.

【研究分担者】
南口誠	東京工業大学	工学部	助手	(Kakenデータベース)
福山博之	東京工業大学	工学部	助教授	(Kakenデータベース)
丸山俊夫	東京工業大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)