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（資料５）中間・事後評価の結果 ナノテクノロジによるナトリウムの化学的活性度抑制技術の開発（基盤研究開発分野）
（資料５）中間・事後評価の結果 ナノテクノロジによるナトリウムの化学的活性度抑制技術の開発（基盤研究開発分野）
原子力システム研究開発事業−基盤研究開発分野−中間評価 総合所見公表用
１．研究開発課題名ナノテクノロジによるナトリウムの化学的活性度抑制技術の開発（基盤研究開発分野） | ||||||||||||
２．研究開発の実施者
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３．研究開発の概要ナトリウム中に超微粒子（ナノ粒子）を分散させ、ナノスケール領域で生じる原子間相互作用により液体ナトリウム自身の水との化学的活性度を抑制することで、ナトリウム冷却高速増殖炉におけるナトリウム−水反応に起因するナトリウム冷却材の潜在的危険性を低減させることを目標とする。本開発では、最適ナノ粒子の製造技術を確立するための製造試験や水反応試験／酸化反応試験によるナノ流体による反応抑制効果の試験評価や反応抑制メカニズムの解明ならびにナノ流体の特性を生かした原子炉プラント概念の検討を行う。 これにより、高い安全性と経済性を実現し得る革新的なナトリウム冷却型高速増殖炉システムの実用化概念を提示する。 | ||||||||||||
４．研究開発予算
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５．研究開発期間平成17年 12月 〜 平成22年 3月（5年計画） | ||||||||||||
６．H18年度までの目標【研究開発項目１】ナノ粒子の製造技術の開発
(1) ナトリウムに適合するナノ粒子の検討(微細化の検討、ナノ粒子の試作試験)
(平成17年度) ナノ粒子の微細化に向けた気相法(フラッシュ蒸発法＊)による試験検討として、粒子生成に係わる金属の蒸発温度や雰囲気圧力などの粒子微細化支配因子の影響について検討を行い、試験条件を整理する。また、金属超微粒子製造装置を設計・製作して、ナノ粒子試作のための製造条件の検討を行う。それらをもとにナノ粒子の微細化のための影響因子を評価する。 *) 高温に加熱したヒーター直上に原料粉末を散布することにより一旦蒸発させ、その後再凝縮させることにより微粒子を生成する方法。報告者らが、ナトリウムへの適合要件(小粒径、均一化、表層酸化抑制)を満たすために公募事業前から高度化開発を行ってきた技術。
(平成18年度) ナノ粒子の微細化のための影響因子を絞り込むとともに、微細化に向けた試験を行い、各因子の微細化におよぼす影響を把握するとともにナノ粒子微細化の影響因子を評価する。また、粒子の生成機構に基づく観点から、ナノ粒子の粒径や形状の制御のために、金属間の相互作用に注目して蒸発、凝集挙動を把握するための装置を設計・製作し、蒸発・凝集など金属間の相互作用を把握、評価する。尚、平成19 年度は、平成18 年度に行った粒子微細化の影響因子の評価結果を受けて微細化粒子の試作試験を実施する計画であるが、現在(6 月)までに有効な微細化の方策が得られている。 (2) ナノ粒子の分散手法の検討
(平成17年度) ナトリウム中へのナノ粒子の分散条件、方策及び安定分散評価方法の検討を行い、分散試験条件を整理するとともに必要な機材などの整備を行う。ナノ粒子の分散評価を行う上で重要なパラメータを整理する。 (平成18年度) 安定分散に影響をおよぼすナノ粒子特性の検討ならびに分散のための調製＊条件の検討を行い、安定分散に重要な条件を整理するとともにナトリウム中でのナノ粒子の分散メカニズムのモデル構築に反映する。 *) 目的の仕様となるよう物質を混ぜ合わせること。ここでは超微粒子が液体ナトリウム中で分散状態となるように行う作業をさす。
(3) ナノ粒子とナトリウムの微視的結合状態の観察技術の開発・適用
(平成17年度) ナノ粒子の微細構造の金属組織学的な観察を行い、ナノ粒子表面原子とナトリウムとの相互作用の把握に必要となるナノ粒子の構造に係わるデータを整備する。これらのデータは結合状態の理論的検討の計算モデルの構築に反映する。 (平成18年度) 継続してナノ粒子の微細構造の金属組織学的な観察を行い、データを整備する。さらに、ナトリウム中のナノ粒子観察技術の検討を行い、ナトリウム観察用の試料冷却ホルダを用いてナトリウム中のナノ粒子の微細構造の試観察を行い、ナノ流体中のナノ粒子の構造解明に資する。 (4) ナノ粒子とナトリウムの結合状態の理論的検討
(平成17年度) ナノ粒子表面におけるナトリウムとの相互作用の把握に備え、量子化学計算によるナノ粒子表面原子とナトリウムの結合状態の理論計算手法の整備を行う。さらに、整備した結果を結合状態の理論的検討の計画に反映する。 (平成18年度) ナノ粒子理論計算装置を整備し、検討した計算モデルを用いて結合状態の理論計算を行い、ナノ粒子とナトリウムの相互作用の理論的評価を行う。また、ナノ粒子の微視的結合状態を把握するために核磁気共鳴法を用いた解析装置を整備し、結果を理論計算に反映し、ナノ粒子の表面原子とナトリウムの結合状態を評価するとともに、ナノ粒子の分散メカニズムの検討に資する。 (5) ナノ粒子の量産検討のための適用手法調査 (ナノ粒子生成手法の検討、直接分散法の調査)
(平成17年度) 湿式法を中心にナノ粒子の均質化及び生成効率などへの影響因子を整理する。 (平成18年度) ナノ粒子の均質化及び生成効率の増大に着目したナノ粒子生成試験を行い、影響因子を把握する。また、製造粒子のナトリウムへの直接分散を狙った粒子製造の試験を行い、粒子表面酸化抑制手法を評価する。 【研究開発項目２】ナノ流体の反応抑制効果の試験・評価
(1) 反応抑制効果の試験・評価
(平成17年度) ナノ流体の反応抑制効果の評価に備え、反応熱及び反応速度などの試験・評価方法を検討する。 (平成18年度) 反応抑制効果の基礎的な挙動把握のため、基礎的反応特性試験装置、また反応挙動におよぼす環境効果把握のため、環境効果基礎特性試験装置を設計・製作し、種々条件で調製したナノ流体の酸化雰囲気反応特性、反応速度特性及び反応熱特性試験を行い、各試験前後での分析・解析とあわせて基礎的な反応特性を把握する。さらに、ナノ流体の反応時の発熱量を反応熱量測定装置にて測定し、ナノ流体の反応挙動把握と反応特性評価に反映する。また、ナノ流体が固体と液体間で状態変化する際の挙動把握のため、状態変化基礎特性試験装置を設計・製作し、ナノ流体の凝固や再溶融する際のナノ粒子の分散濃度や分布におよぼす影響を試験により把握する。また、粒子反応特性試験を行い、反応抑制機構の把握に資するデータを整備する。これらの機材整備、試験により、H19年度の評価に備えるとともに粒子製造技術への反映のためにデータ取得を開始する。尚、平成19 年度は、反応抑制効果の試験を継続して抑制効果の評価に資するデータの蓄積を図る計画であるが、現在(6月)までに反応抑制を示す結果の蓄積が進んでいる。 (2) ナノ流体の基礎物性評価
(平成17年度) ナトリウムの化学的活性度抑制の観点から、反応現象に対して重要因子である蒸発速度に着目し、測定方法、評価方法の調査及び検討を行い試験計画に反映する。 (平成18年度) 蒸発速度測定装置を設計・製作し、ナノ流体及びナトリウムの蒸発速度、表面張力を測定、比較し、反応挙動におよぼす影響を検討する。また、熱的特性を測定するための融点、比熱測定装置、ナトリウム−水反応挙動に影響する液体特性を測定するための静的液体基礎特性測定装置及び動的液体基礎特性装置を製作する。これらの機材を用いてナノ流体の基礎物性測定やナノ流体の特性変化を把握するとともに、反応抑制機構の解明や反応解析の検討に資する。これらの機材整備、試験により、H19年度の評価に備えるとともに粒子製造技術へのフィードバックのためにデータの取得を開始する。 【研究開発項目３】ナノ流体の原子炉への適用性評価
(1) ナノ流体の特性を活かした原子炉概念の検討
(平成17年度) ナノ流体を原子炉の冷却材として適用するため、原子炉の設計、運転などの観点からナノ粒子の製造技術開発及び反応抑制効果評価などの要素技術への要求条件を整理する。 (平成18年度) 平成19年度以降に実施するナノ流体の基本特性検証試験の方法及び評価項目について検討する。また、ナノ流体の特徴である反応速度低減効果のプラントへの適用性及び安全性などの向上効果の概略評価、検討を行う。さらに、ナノ流体の特徴を活かしたプラント概念の検討として、システム構成及び評価上キーとなる設備の仕様を検討する。これらの検討結果をナノ流体の基本特性検証試験の具体的な方法、条件などの試験計画に反映する。 (2)ナノ流体反応評価のための解析モデルの検討
(平成17年度) 反応試験データに基づき反応ジェット*１温度抑制メカニズムと解析モデルを検討する。 (平成18年度) それらの検討結果からナノ流体条件下での伝熱管破損伝播解析モデルなどの検討を行い、ナノ流体を適用した場合の反応評価解析手法の整備を行う。 | ||||||||||||
７．これまでに得られた成果【研究開発項目１】ナノ粒子の製造技術の開発
[現在までの実績] (1) ナトリウムに適合するナノ粒子の検討(微細化の検討、ナノ粒子の試作試験)
本公募研究開始以前の報告者らの研究実績から、気相法(フラッシュ蒸発法)をもとに、課題である粒子の微細化に取り組んだ。その結果、支配因子の影響度の詳細検討及び粒子の試作試験を行い、加熱温度及び容器内の圧力など雰囲気が主たる影響因子であることを明らかにし、これらの影響因子の制御により一次粒子径10nm〜20nm の微細化粒子を実現した。又、透過型電子顕微鏡観察結果、粒径10nm以下の粒子が生成されていることを確認し、今後の研究推進により、本研究の目標であるシングルナノメートルサイズの粒子製造が可能との見通しを得た。 (2) ナノ粒子の分散手法の検討
実験とともに、分散機構の把握のために理論的な検討として、ナノ粒子表面原子とナトリウムとの界面における原子レベルの結合状態を第一原理バンド計算(実験結果に依らないで、系の電子状態を計算)により推定した結果、ナトリウムとの適性から候補粒子としているチタンやニッケルは、界面における電荷の偏りが生じることにより粒子間の静電的斥力が存在することが推測され、理論的にも分散維持の可能性が示された。 TEM やXRD による粒子の微細構造の観察を行い、粒子形状や原子配列（結晶性）に関する情報を取得、整備することで、ナノ粒子表面原子とナトリウムとの相互作用の把握に必要となるナノ粒子の構造観察を実施することが可能となった。気相法で予備試作したチタン及びニッケルを供試体として、TEM によりナノ粒子の微細構造観察を行った結果、 マイクログリッド(微細な試料を支持するときに用いられる孔径数ミクロン以下の穴が無数にあいている試料用支持膜)法が適用できることが明らかとなった。 また、ナノ粒子がナトリウム中に分散している状態でナノ粒子表面とナトリウムの構造をTEM により直接観察に成功した。 【研究開発項目２】ナノ流体の反応抑制効果の試験・評価
(1) 反応抑制効果の試験・評価
ナノ流体の反応抑制効果の評価試験に必要となる試験方法及び条件を検討し、基礎的反応特性試験、環境効果基礎特性試験、反応熱量測定及び状態変化基礎特性試験の各装置を設計・製作するとともに、必要な計測精度の評価を行い、試験方法及び機材を整備した。 その結果、ナノ粒子を分散させていないナトリウムに比べ、ナノ流体では明らかな挙動・特性の差異、反応抑制効果の兆候が確認された。 (2) ナノ流体の基礎物性評価
表面張力の測定は広く利用されているSelected Plane法(鉛直にした管の先端に懸垂した液滴の輪郭形状、雰囲気との密度の差から表面張力を求める方法)を採用し、先ずナトリウムを用いた精度検証実験を行い文献値とほぼ一致するデータが得られることを確認した。次に、ナノ流体試料について473K(200℃)〜573K(300℃)の範囲で測定した結果、ナトリウムの表面張力に比べてナノ流体の表面張力が大きいことが示された。今後、データを蓄積し定量評価を行う予定であるが、前述のナノ流体の概念であるナノ粒子の表面原子とナトリウム原子の比較的強い結合を裏付ける結果と言える。 蒸発速度の測定では、純ナトリウムは温度上昇と共に蒸発速度が増加する質量減少曲線となるが、ナノ流体試料は、ナトリウムに比べて蒸発速度が小さい傾向にあることを見出した。この結果はナノ流体の表面張力の傾向とも整合しており、評価に向けてデータの蓄積を図る。 【研究開発項目３】ナノ流体の原子炉への適用性評価
[現在までの実績] (1) ナノ流体の特性を活かした原子炉概念の検討
① ナノ流体の原子炉への適用検討として、研究開始当初から、原子炉の設計、運転・制御の観点から考慮すべき事項の抽出と整理を行った。
ナノ流体の安定性については、次のように評価した。ナノ粒子表面とナトリウムとの界面における原子レベルの結合状態の計算結果から、ナノ粒子の表面原子とナトリウム原子の界面の結合エネルギーはナトリウム原子間の結合エネルギーの約2 倍で、運動、熱エネルギーより1 桁以上大きい。このためナトリウムリッチな条件ではナノ粒子は周囲にナトリウム原子が集まったクラスター状で存在すると予測される。そのためナノ粒子は周囲のナトリウムと一体で存在、流動し、ナノ粒子が構造材壁やナノ粒子と直接接触する可能性はなく、懸念されるナノ粒子の構造材への付着、エルボ部でのエロージョンあるいはナノ粒子間の凝集などの悪影響はないと予測される。 ナノ粒子の候補の選定においては、ナトリウムとの相互作用の強さに加えて、構造材料との共存性を考慮している。ナノ粒子は、実験結果及び理論検討で適性と判断された金属チタンや金属ニッケルなどの遷移金属としており、ナトリウム冷却型炉の構造材料の構成成分(遷移金属)と同種である。また、液体金属ナトリウムの溶解度に起因して生じる質量移行を考えると、ナトリウムに対する遷移金属の溶解が低いことに加え、ナトリウムに溶解したナノ粒子成分(遷移金属)が低温状態で構造材表面(配管内面)に析出したとしても、既往知見(ナトリウム技術)から、拡散による材料中への侵入はごく表層に限られるので、有意な劣化(脆化相の生成による強度の低下や耐食性低下など)の原因になるとは考えにくい(通常のナトリウム冷却炉と同程度)。また、ナノ粒子成分(遷移金属)と構造材の成分（遷移金属)間の状態図から推測しても、共存性の低下は考えにくい。このような共存性を考慮したナノ粒子候補の選定と予備評価を行うとともに、確認すべき重要な要件として試験計画に反映している。
【事業全体】を通して
１． 本研究で提案するナノ流体概念の成立性が、実験研究及び理論研究の両面から明らかになった。
２． ナノ流体の特徴は、ナトリウムと接するナノ粒子の表面積の大きさが重要であり、これは粒子の量ではなく粒子の微細化(比表面積増加)によって達成されるため、ナトリウムが有する良好な流動特性などの冷却材としての適用要件を損なわないことにある。これまで原子炉の設計、運転・制御の観点から課題の摘出を行い、適用を妨げるような問題の無いことを確認するとともに、試験で確認すべき事項の検討を進めており、これまでにおいて、成立性の阻害要因は無い。
３． ナノ流体を実現するために必要な要素技術として、ナトリウムに適した粒子製造技術を推進し、（研究開始前の粒子径＜50nm に対して）既に粒子径10nm 級を実現しており、目標の粒子径10nm 以下への方策が明らかになっている。
４． ナノ流体の反応現象・挙動の試験研究を進め、理論検討から推測されるナノ流体の反応熱量の低減や反応速度の緩和効果が明らかになってきた。また、反応性評価結果をナノ粒子製造技術に反映し、ナノ流体を適正化しながら定量評価を行っていく目処がたった。
５． また、これら理論と実験の両面の研究からナノ流体の反応抑制機構を把握できるようになった。
６． 以上の結果を踏まえた原子炉への適用概念の検討として、蒸気発生器のナトリウム−水反応事故や冷却系の漏洩・燃焼事故を対象とした評価手法が整備できつつあり、これまでに現行FBR 大型炉設計の冷却系への適用効果が明らかになるとともに、得られた実験結果をもとに、予備的ながら、得られた反応低減率(15%〜20%程度)を用いると、蒸気発生器事故時の高温ラプチャが回避され、更に抑制効果を2 倍以上(分散量が同一の場合には粒子径が1/2、或いは粒子径が同一の場合には分散量が2 倍に相当で見通し範囲内)にできればウエステージによる破損伝播も回避できる可能性が見出せた。また、ナトリウム−水反応にとどまらず漏洩時の空気(酸素)との反応による燃焼火災への抑制効果の可能性も明らかになった。このように蒸気発生器などの具体的な合理化検討が可能な状況になり、FBR への適用性及びナノ流体の特性を活かした適用概念を提案できる見通しである。
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８．中間評価の過程における主な指摘事項【全体】
【研究開発項目１】ナノ粒子の製造技術の開発
【研究開発項目２】ナノ流体の反応抑制効果の試験・評価
【研究開発項目３】ナノ流体の原子炉への適用性評価
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９．中間評価結果
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１０．総合評価
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