量子エネルギー材料の研究
高温融体の物性測定
過酷事故によって炉心が損傷すると、核燃料や被覆管、炉内構造物を含む炉心物質が溶融流出し、圧力容器下部の損傷やコンクリートとの反応に至る可能性があります。このような炉心溶融物質の流下移動や溶融分散時の挙動の解明のためには、その物性を明らかにする必要があります。しかし、炉心溶融物は極めて反応性の高いZrや、融点の高いUO2, ZrO2等の溶融物の混合物であることが予想されており、測定が極めて難しいという問題点があります。我々の領域では、この問題点を解決できる浮遊法に着目し、静電浮遊装置やガス浮遊装置を作製して物性評価に取り組んでいます。
静電浮遊法
図1は、静電浮遊装置で実験をしている様子です。静電浮遊法では、帯電した試料とその周囲に配置した電極との間に働くクーロン力を利用し、直径2mm程度の試料を浮遊させることができます。浮遊した試料は加熱用レーザーを照射することで溶融させ、溶けている状態の試料の熱物性を測定します。浮遊した液滴は真球に近い形状となるため、熱膨張率、表面張力及び粘性係数等の熱物性の正確な測定が可能です。この技術はNASAで開発され、日本ではJAXA等が開発を進めています。我々はJAXAのグループの協力の元で静電浮遊装置を作製し、炉心溶融物の物性を明らかにすべく研究を進めています。この手法を用い、我々はこれまでにZr-FeやZr-Ni, Zr-Cr, Zr-O合金の熱物性を明らかにしています[1-3]。
図1 静電浮遊装置と浮遊している試料
図2 静電浮遊装置で測定した溶融Zrの密度と文献値
ガス浮遊法
炉心溶融物はUO2やZrO2が含まれていると考えられます。これらの物質は極めて高い融点を有している（2800℃前後）ため、その物性を調べるためには極高温域での測定が必要です。静電浮遊法が適用できれば良いのですが、静電浮遊法を酸化物へ適用するのは技術的に難しいのが現状です。一方、ガス浮遊法はコニカルノズルからガスを流すことで試料を浮遊させるシンプルな方法であり、酸化物でも浮遊させることができます。近年、ドイツのDLR(German Aerospace Center)のグループがガス浮遊させた融体を音波で振動させることで粘性を測定することに成功しました。そこで、DLRの研究グループの協力の元、我々も図3のようにガス浮遊装置を作製し、酸化物系の炉心溶融物の物性を明らかにすべく極高温域での測定に挑戦しています。これまでに、ZrO2-Al2O3混合溶融物の物性の評価に成功しています[4]。また、ZrO2の粘性を測定することに成功しました[5]。
図3 ガス浮遊装置と溶融したAl2O3
[1] Yuji Ohishi, Hiroaki Muta, Ken Kurosaki, Junpei T. Okada, Takehiko Ishikawa, Yuki Watanabe, and Shinsuke Yamanaka, "Thermophysical properties of molten core materials: Zr-Fe alloys measured by electrostatic levitation", J. Nucl. Sci. Technol. 53, 1943-1950, 2016.
[2] Yuji Ohishi, Toshiki Kondo, Takehiko Ishikawa, Junpei T. Okada, Yuki Watanabe, Hiroaki Muta, Ken Kurosaki, and Shinsuke Yamanaka, "Physical properties of molten core materials: Zr-Ni and Zr-Cr alloys measured by electrostatic levitation", J. Nucl. Mater. 485, 129-136, 2017.
[3] Yuji OHISHI, Toshiki KONDO, Takehiko ISHIKAWA, Junpei T. OKADA, Yuki WATANABE, Hiroaki MUTA, Ken KUROSAKI and Shinsuke YAMANAKA, “Thermophysical properties of Zr-O liquid alloys measured by electrostatic levitation”, Int. J. Microgravity Sci. Appl. 35,1, 350100, 2018.
[4] Yuji Ohishi, Florian Kargl, Fumihiro Nakamori, Hiroaki Muta, Ken Kurosaki, and Shinsuke Yamanaka, "Physical properties of core-concrete systems: Al2O3-ZrO2 molten materials measured by aerodynamic levitation", J. Nucl. Mater. 487, 121-127, 2017.
[5] Toshiki Kondo, Hiroaki Muta, Ken Kurosaki, Florian Kargl, Akifumi Yamaji, Masahiro Furuya and Yuji Ohishi, "Density and viscosity of liquid ZrO2 measured by aerodynamic levitation technique", Heliyon 5 (2019) e02049.