JP2020004636A

JP2020004636A - 液体金属ループの壊食抑制機構

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Publication number: JP2020004636A
Application number: JP2018124335A
Authority: JP
Inventors: 三浦　邦明; Kuniaki Miura; 邦明三浦; 達也鬼澤; Tatsuya Onizawa; 高橋　光俊; Mitsutoshi Takahashi; 光俊高橋
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: JP7082805B2

Abstract

【課題】中性子を発生させるための液体金属ループにおいて、液体金属の噴流を受け止めるタンクのキャビテーションエロージョンを抑制する。【解決手段】液体金属ループの壊食抑制機構は、ノズルから噴出された液体金属に荷電粒子を照射して中性子を発生させた後に前記液体金属を冷却して前記ノズルまで循環させるための配管を有する液体金属ループにおいて、前記荷電粒子が照射された後の前記液体金属を前記配管に送り出す前に貯留しておくタンクと、前記タンクの筐体の内側に磁界が発生するように配置された磁界発生手段と、を備え、前記磁界発生手段によって前記タンクの筐体の内側にある前記液体金属の粘度を上げておくことにより、前記液体金属の噴流を前記タンクの中央側で受け止めたときに発生したキャビティが前記タンクの筐体の内側に到達しないように抑制する、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、中性子を発生させるための液体金属ループにおいて、液体金属の噴流を受け止めるタンクのキャビテーションエロージョンを抑制する機構に関する。

中性子を発生させる方法として、加速器で加速させた陽子や重陽子さらには電子などの荷電粒子を真空中でターゲットに衝突させるものがある。荷電粒子を加速するためには真空中でなければならず、ターゲットとしてのベリリウムやリチウムは真空中に設置しなければならない。ターゲットに荷電粒子を照射するとターゲットが発熱するので冷却が必要である。固体ベリリウムの場合、水と反応しないので直接水で固体ベリリウムの裏側を冷却することができるが、照射される荷電粒子のエネルギーが大きいため、加速器内の真空中で加速された荷電粒子が当たる固体ベリリウムの裏側の冷却水が沸騰してしまうおそれがある。

固体リチウムの場合、水と反応するので直接水で冷却することができず、熱伝導の良い銅板などの上にコーティングされるが、銅板を水で冷却する際に、冷却水が沸騰してしまうおそれがある。特許文献１に記載されているように、ノズルから噴射された液体リチウムの噴流をターゲットとして陽子ビームを照射して中性子を発生させる発明も開示されている。

リチウムには、安定同位元素のリチウム６とリチウム７があり、リチウム７が９２．５％を占めている。陽子とリチウム７が核反応すると、ベリリウム７と中性子が発生するが、ベリリウム７は約５３日の半減期で電子捕獲によりリチウム７に戻る。ベリリウム７は液体リチウムに溶けず、液体リチウムより比重が大きいので、容器などの底に溜まり、液体リチウムの流れに影響しない。そのため液体金属ループとして連続的に使用することが可能である。

中性子を発生させるための荷電粒子は、例えば、陽子の場合でＭｅＶオーダー、電子の場合で数十ＭｅＶオーダーのエネルギーが必要であり、多量の中性子が必要な場合の荷電粒子の電流値も１０ｍＡ程度必要であるため、液体金属に荷電粒子を照射したときの発熱量は数十ｋＷ以上になる。そのため、液体金属を、例えば、荷電粒子を受けて発熱する流れの流速を１０〜２０ｍ／ｓｅｃの高速で流すことにより、温度上昇を抑制する。そして、液体金属の噴流をタンクに流した後、タンクからノズルまでの配管系を液体金属が循環する途中で液体金属を冷却する。

特許第５８０８２１５号公報

しかし、液体金属を循環させる際に、ノズルから噴射された高速液流が曲がっている配管等にそのままぶつかるとその部分でキャビテーション（気泡の発生と消滅）が発生し、このキャビティ（気泡）が潰れるときに高速の小さな液滴が管壁に当たってエロ―ジョン（壊食）が発生する。また、液体金属の噴流がタンクの内壁に衝突していると、衝突した部分で同様にキャビテーションが生じる。更に噴流が真空雰囲気の液面に当たった所でも最初から真空のキャビテーションが生じ、この様に液中のキャビティが液中でつぶれる分には筐体と接触しないので壊食は無いが、タンク内の液面から液中（ちぎれて行く）で発生した気泡（キャビティ）は真空の空隙でありこの空隙が流れと共に移動し壁面で潰れるときに壁面に壊食が生じ、次第に壁面に凹みが増えて、穴が開き液体金属が漏れるおそれがある。このように噴流が直接タンクに衝突していなくても、気泡（キャビティ）が液面下の乱流とともにタンク内を漂って内壁に衝突すれば、キャビテーションエロージョンが起こり得る。

尚、真空雰囲気で使える加速器が接続できずあくまでも想定上の説明であるが、化学的に活性な液体リチウムと反応しない不活性ガスのアルゴンやヘリウムガス雰囲気でも噴流が液面に当たるとガスを含むガスキャビティが生じる。この場合ガスを含んでいるためキャビティはつぶれずに浮力で浮き上がり、液面ではじけてガスの気泡が潰れるだけなので、上記のようなキャビテーションエロージョンは生じない。今回の特許は、真空中ならではの問題と言える。

そこで、本発明は、中性子を発生させるための液体金属ループにおいて、液体金属の噴流を受け止めるタンクのキャビテーションエロージョンを抑制すること目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明である液体金属ループの壊食抑制機構は、ノズルから噴出された液体金属に荷電粒子を照射して中性子を発生させた後に前記液体金属を冷却して前記ノズルまで循環させるための配管を有する液体金属ループにおいて、前記荷電粒子が照射された後の前記液体金属を前記配管に送り出す前に貯留しておくタンクと、前記タンクの筐体の内側に磁界が発生するように壁外に配置された磁界発生手段と、を備え、前記磁界発生手段によって前記タンクの筐体内側にある前記液体金属の粘度を上げておくことにより、前記液体金属の噴流を前記タンクの中央側で受け止めたときに発生したキャビティが前記タンクの筐体内側に到達しないように抑制する、ことを特徴とする。

また、前記壊食抑制機構において、前記磁界発生手段は、前記タンクの外側に複数の磁石を配置して多極式にした、ことを特徴とする。

また、前記壊食抑制機構は、前記タンクから前記配管に送り出される前記液体金属の流速を前記キャビティの上昇速度より遅くすることにより、前記キャビティが前記配管を循環しないようにした、ことを特徴とする。

また、前記壊食抑制機構は、前記タンクから前記配管に送り出される前記液体金属を、更なる整流タンクで前記キャビティの上昇速度より遅くすることにより、前記キャビティが前記配管を循環しないようにした、ことを特徴とする。

また、前記壊食抑制機構において、前記タンクは、前記液体金属の液面上方に飛沫防止用の金網が配置される、ことを特徴とする。

さらに、本発明である液体金属ループは、前記壊食抑制機構を備えた、ことを特徴とする。

本発明によれば、中性子を発生させるための液体金属ループにおいて、液体金属の噴流を受け止めるタンクのキャビテーションエロージョンを抑制することで、タンクの寿命を延ばすことができる。また、噴流を受け止めてキャビテーションが発生する領域を磁界によって制限することにより、タンクを小型化することができ、コストと使用流体の容量を最少化することができる。さらに、噴流を受け止める液体金属の流れをキャビティの浮上速度より遅く循環させることによってタンク下の配管内に気泡を無くしておくことで、気泡が配管内を巡ってしまうのを抑制することができる。

本発明である液体金属ループの壊食抑制機構を用いる液体金属ループの概要を示す図である。図１を補足的に説明するための液体金属ループの概要を示す図である。本発明である液体金属ループの壊食抑制機構を用いたタンクを示す図である。本発明である液体金属ループの壊食抑制機構を用いたタンクをＡ−Ａで切断したときの断面図である。本発明である液体金属ループの壊食抑制機構を用いたタンクの小型化を説明する図である。本発明である液体金属ループの壊食抑制機構を用いたタンクの応用例について示す図である。本発明である液体金属ループの壊食抑制機構を用いたタンクの応用例について示す図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本発明である液体金属ループの壊食抑制機構について説明する。図１は、液体金属ループの概要を示す図である。図２は、図１を補足的に説明するための液体金属ループの概要を示す図である。図３は、壊食抑制機構を用いたタンクを示す図である。図４は、タンクをＡ−Ａで切断したときの断面図である。図５は、タンクの小型化を説明する図である。図６及び図７は、タンクの応用例について示す図である。

図１に示すように、液体金属ループ１００は、まず、電磁ポンプ１５０により液体金属２００を駆動し、ノズル１１０から高速で噴出された液体金属２００の噴流２００ａに、加速器１２０から得た閾値以上のエネルギーを持った荷電粒子２１０をターゲットである液体金属２００の噴流２００ａに照射することにより中性子２２０を発生させる。そして、荷電粒子２１０が照射された後の液体金属２００の噴流２００ａをタンク３００で受け止め、液体金属２００を配管１３０に送り出すために貯留しておく（ゆっくりした流れであるが配管系を循環している）。その後、荷電粒子２１０の照射により温度が上昇した液体金属２００を、配管１３０の途中に設置された冷却器１４０で冷却し循環させる。

系統は同じであるが、最適な液体金属２００は荷電粒子２１０の種類によって異なり、中性子発生メカニズムも異なってくるので、説明を簡単にするため陽子の場合だけにする。因みに、荷電粒子２１０が陽子（ＭｅＶオーダー）の場合、ターゲットは液体リチウム（Ｌｉ）が用いられ、中性子発生メカニズムは陽子核反応である。荷電粒子２１０に重陽子を使うと、中性子発生に必要な加速エネルギーの閾値が低くなり、同一エネルギーの陽子照射に比べ発生する中性子量も増え高エネルギーの中性子２２０も発生するが、熱中性子や熱外中性子を用いる用途の場合は陽子が用いられている。荷電粒子２１０が電子（数十ＭｅＶオーダー）の場合は、ターゲットには液体重金属の水銀や鉛ビスマス共晶合金を用い、その中性子発生メカニズムも電子の制動ガンマ線による光核反応である。この光核反応による中性子発生効率は良くないが、電子線加速器のコストは安く中性子量は少なくて済む用途、例えばイメージングなどに利用可能である。

ノズル１１０は、液体金属２００を所定の幅及び厚さの帯状にして流下させるための吐出口である。液体金属２００は、荷電粒子２１０が照射されたときの熱エネルギーにより温度が上昇し過ぎないように、例えば、毎秒１０〜２０メートルの速さの噴流２００ａとして、単位時間あたりの熱を受け取る吸収長さを長くすることによって単位面積に吸収される熱量を減らす。

荷電粒子２１０は、線形加速器、サイクロトロン、シンクロトロンなどの加速器１２０で加速される。荷電粒子２１０が照射されたときのエネルギー（数十ｋＷ以上）が液体金属２００の噴流２００ａの厚さ内に収まるようにする。発熱量については、例えば、リチウムの融点が約１８０℃であることから、約２２０℃の液体金属２００に荷電粒子２１０を照射することで約２５０℃になる。

タンク３００は、ノズル１１０から吐出されて流下してきた液体金属２００が入る容器である。液体金属２００の噴流２００ａは高速で流入してくるので、ノズルの方向によってはタンク３００の壁面やタンク３００内に溜まっている液体金属２００の液面に衝突してキャビテーションが発生する。

キャビテーションは、液体金属２００の局部において蒸気圧より低い圧力になることで気泡が発生し、短時間のうちに気泡の周囲の一部から凹んで、凹んだ部分が角を出したような状態で潰れる現象である。タンク３００の壁面におけるキャビテーションは、壁面が少しずつ削れて凹みの増加を招き、エロージョンにより壁面に穴が開く原因になるため、液体金属２００の噴流２００ａは、タンク３００の壁面側ではなく中央側に流下させる。

なお、図２の様に液体金属２００を滑り台の様な斜面１１１に沿って流すと、斜面１１１に継ぎ目など凹凸があった場合に液体金属２００がそこにぶつかってキャビテーションが発生するおそれもあるので、ノズル出口からつながる斜面１１１をタンク３００内の液面までつなげずにノズルから出た噴流は、滑り台の様な斜面１１１を使わずに真空中を直線状（幕状）に液面までそのまま流下させることが好ましい。また、液体金属２００が斜めに流れると、タンク３００の壁面に当たりやすくなるので、タンク３００の底面に対して垂直に流下させることが好ましい。

配管１３０は、タンク３００からノズル１１０までを連結しており、電磁ポンプ１５０などを用いてタンク３００内の液体金属２００をノズル１１０まで移送する。なお、電磁流量計１６０などを用いて液体金属２００の流量を制御する。また、冷却器１４０で液体金属２００を冷却するが、例えば、リチウムは水と反応するので、オイルなどで冷却する。

図３に示すように、タンク３００は、例えば、上面が空き、底面には配管１３０が繋がれ、側面が円筒状の筐体３００ａで囲まれた容器である。筐体３００ａの外側には、磁界発生手段として、複数（例えば、４個）の磁石４００が配置される。複数の磁石４００により磁界が発生するが、磁力線の経路を制御するために磁石４００の外側に継鉄としてヨーク４１０も配置する。

噴流２００ａは、用途によってその大きさが変わり幅ｗ（例えば、５〜２５ｃｍ）、厚さｔ（例えば、１〜２５ｍｍ）の液幕状にタンク３００内に流れ落ち、タンク３００内に貯留されている液体金属２００の液面に突入する。噴流２００ａが突入した近辺でキャビテーションが起こり、液面下に多数の気泡（空隙）であるキャビティ３１０が発生したり、液面上に飛沫が上がったりする。キャビティ３１０は、タンク３００の筐体３００ａの方に拡がるような流れに乗って漂ったり、途中で潰れたりする。

磁石４００は、永久磁石でも電磁石でも良いが、タンク３００の筐体３００ａ側に磁界が発生すれば良い。磁界は、例えば、筐体３００ａの液体側で磁束密度が０．３Ｔ（テスラ）以上あれば良い。液体金属２００は、導電性流体であって、磁界の強さに応じて粘度が変化する。磁石４００により磁界が発生することにより、タンク３００の筐体３００ａ側にある液体金属２００の粘度が上がって、粘性増加領域３２０が生じる。

図４に示すように、円筒状の筐体３００ａの外周に沿って、例えば、４個の磁石４００を等間隔に、磁極が交互に変わるように配置して多極式にする。図に示すような磁力線により磁界が発生し、筐体３００ａ側が粘性増加領域３２０となり、中央側より液体金属２００の粘度が向上する。尚、図４においては磁石４個の場合を示したが、筐体３００ａの液体側で必要な粘度を得るのに、必要な磁束密度が得られる磁石数を配置しなければならない。

タンク３００の中央側に噴流２００ａが落ちてきても、粘性増加領域３２０との境界から筐体３００ａの方へは流れが進みづらくなる。すなわち、キャビティ３１０も粘性増加領域３２０との境界を超えて先に行かないように抑制される。キャビティ３１０が筐体３００ａ側に到達しないことでエロージョンが抑制される。キャビティ３１０は、中央側において、循環の流れに乗って配管１３０の方に進むか、途中で潰れる。

図５に示すように、粘性増加領域３２０によってキャビティ３１０が存在する領域ｄが狭められるので、タンク３００の筐体３００ｂの内径Ｄも小さくすることが可能となる。例えば、普通のタンク３００で、噴流２００ａの幅ｗが２００ｍｍで、厚さｔが２５ｍｍの場合、キャビテーションによるエロージョンを防止するには、筐体３００ｂの直径φは、その噴流幅の４〜５倍以上である８００〜１０００ｍｍ以上にする必要があるが、磁界を掛けることのよって３倍程度でよい。また、磁界を掛けた小型のタンク３００で、噴流２００ａの幅ｗが７０ｍｍで、厚さｔが２ｍｍの場合、筐体３００ｂの直径φは、その２倍程度である１００〜１５０ｍｍで良い。

また、噴流２００ａが液面に衝突したときに飛沫２００ｂが上がることがあるので、タンク３００内の液体金属２００よりも上方に金網３３０を配置しても良い。金網３３０は、噴流２００ａが通過する中央部を空けておけば良い。飛沫２００ｂを金網３３０で受け止めることにより、飛沫２００ｂが筐体３００ｂまで届くのを防止する。

また、噴流２００ａが液面に突入してキャビティ３１０ができる深さは、実験によると幅５０ｍｍ×厚み０．６ｍｍ×噴流２００ａの流速３０ｍ／ｓで４００ｍｍ程であるので、キャビティ３１０が配管１３０側に行かないようにするためにはタンク３００内の湯面深さは４００ｍｍ以上にし、更にキャビティ３１０の上昇速度はキャビティ３１０の径によって違うが２０ｃｍ／ｓ程であるのでタンク３００内の下向きの流速は、キャビティ３１０の上昇速度より遅い流速になるように噴流２００ａの流量からタンク３００の内径Ｄを決めて、キャビティ３１０が配管１３０側に行かないようにしなければならない。

図６に示すように、キャビティ３１０が筐体３００ａに到達しないようにしても、配管１３０を循環する液体金属２００にキャビティ３１０の気泡が残っているのは好ましくないことから、気泡を無くすための整流タンク３４０を設けても良い。タンク３００の高さを長くして、配管１３０に到達するまでに気泡を無くすようにしても良いが、液面ではキャビティ３１０が発生しているため、気泡が上昇しづらいこともあって気泡を無くすための整流タンク３４０を設けるのが良い。

そのため、タンク３００から整流タンク３４０に気泡を含んだ液体金属２００を送り込まれても、整流タンク３４０内の流速を遅くして気泡を除去すれば良い。例えば、気泡が２ｃｍ／ｓｅｃの速さで上昇する場合、液体金属２００が配管１３０を循環する流速を１ｃｍ／ｓｅｃに遅くすれば、気泡が上方に抜けやすくなる。

また、図７に示すように、筐体３００ｂの下部の径を大きくすることにより、液体金属２００が配管１３０に流入する速度を遅くすることで、気泡が上昇しやすくなるようにしても良い。配管１３０に気泡が混入しないことで、キャビテーションエロ―ジョンが無くなり液体金属２００の循環や冷却の効率が向上し、流れが安定する。

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。発生させた中性子は、ＢＮＣＴ（ホウ素中性子捕捉療法）を扱う医療施設や、ＩＦＭＩＦ（国際核融合材料照射施設）など、その他中性子科学の分野で利用可能である。例えば、ＢＮＣＴでは、ホウ素１０を取り込ませたガン細胞に中性子を照射して、ホウ素１０と中性子の核反応で発生する細胞の大きさと同程度の飛程のα粒子とリチウム７によりガン細胞を殺すが、正常な細胞にはあまり損傷を与えずにガン細胞のみを選択的に破壊することができる。

１００：液体金属ループ
１１０：ノズル
１１１：斜面
１２０：加速器
１３０：配管
１４０：冷却器
１５０：電磁ポンプ
１６０：電磁流量計
２００：液体金属
２００ａ：噴流
２００ｂ：飛沫
２１０：荷電粒子
２２０：中性子
３００：タンク
３００ａ：筐体
３００ｂ：筐体
３１０：キャビティ
３２０：粘性増加領域
３３０：金網
３４０：整流タンク
４００：磁石
４１０：ヨーク

Claims

ノズルから噴出された液体金属に荷電粒子を照射して中性子を発生させた後に前記液体金属を冷却して前記ノズルまで循環させるための配管を有する液体金属ループにおいて、
前記荷電粒子が照射された後の前記液体金属を前記配管に送り出す前に貯留しておくタンクと、
前記タンクの筐体の内側に磁界が発生するように配置された磁界発生手段と、を備え、
前記磁界発生手段によって前記タンクの筐体の内側にある前記液体金属の粘度を上げておくことにより、前記液体金属の噴流を前記タンクの中央側で受け止めたときに発生したキャビティが前記タンクの筐体の内側に到達しないように抑制する、
ことを特徴とする液体金属ループの壊食抑制機構。
前記磁界発生手段は、前記タンクの外側に複数の磁石を配置して多極式にした、
ことを特徴とする請求項１に記載の液体金属ループの壊食抑制機構。
前記タンクから前記配管に送り出される前記液体金属の流速を前記キャビティの上昇速度より遅くすることにより、前記キャビティが前記配管を循環しないようにした、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体金属ループの壊食抑制機構。
前記タンクから前記配管に送り出される前記液体金属を、更なる整流タンクで前記キャビティの上昇速度より遅くすることにより、前記キャビティが前記配管を循環しないようにした、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の液体金属ループの壊食抑制機構。
前記タンクは、前記液体金属の液面上方に飛沫防止用の金網が配置される、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の液体金属ループの壊食抑制機構。
請求項１乃至５の何れか一に記載の壊食抑制機構を備えた、
ことを特徴とする液体金属ループ。