１．研究開発の背景とねらい

　革新的原子力システムには、より一層の安全性の向上が望まれている。黒鉛減速ヘリウム冷却型高温ガス炉では炉心構造材料として黒鉛が用いられるため、炉内に存在する水素と黒鉛との反応により一次ヘリウム冷却材中に微量の炭化水素が発生する。また炉心では、ウラン燃料の三体核分裂、及び冷却材ヘリウムや黒鉛中のリチウム、ボロンなどの中性子吸収反応によりトリチウムが一定量生成される。従って、生成トリチウムと黒鉛との反応により、一定量のトリチウム化炭化水素が生成される。高温ガス炉は、水素製造設備を備える電力水素併産型が想定されており、炉心で生じるトリチウムの水素製造系への移行が懸念されている。そのため、トリチウムの漏洩を極力抑制する技術の開発が望まれている。透過漏洩を抑制することは、すなわち冷却材中のトリチウム濃度を増加させることにつながるため、積極的にトリチウムを回収するシステムとの併用が不可欠である。トリチウムは各種化学形で存在するため、分子状トリチウム（HT）、水蒸気状トリチウム（HTO）を対象にした回収法に加えて、炭化水素状トリチウム（CH₃T）の回収法を検討しておく必要がある。そこで本事業では、ヘリウムガス冷却炉の安全性向上のため、ヘリウム冷却材からのトリチウム化炭化水素の分解回収を目的とした、高周波プラズマと水素透過膜を組み合わせた炭素・水素分解回収システムの開発を行う。図１にシステム概念図を示す。

２．研究開発成果

２-１．高周波プラズマ発生装置の製作と分解試験
　ヘリウムプラズマ中での炭化水素分解反応に伴う炭素・水素物質移動現象の定量的把握を目的として高周波プラズマ発生装置(図２参照)を製作した。メタン分解反応速度の定量を行うため、プラズマ発生部は流通式管型反応器としての形状を有する。また、質量分析計及び発光分析器を備え、出口ガス成分の観測やプラズマ中でのイオン・ラジカルの観測が可能である。
　メタン濃度１％以下のメタン混合ヘリウムガスに高周波を印加してプラズマ化させ、高周波印加後のガス中の組成変化を質量分析計で観測した。その結果、数10W程度の低印加電力においても、95％以上のメタンが分解され得ることが明らかとなった。また、分解反応はメタン濃度が低いほど効果的に進行する傾向が見られた。なお、プラズマ通過後のガス中には、水素に加えてエチレンやアセチレンが観測されたが、平均滞留時間を大きくとることで、正味の水素抽出率(出口炭化水素中水素／入口炭化水素中水素)、90％以上確保することが可能であった(図３参照)。このことは、プラズマ通過前後でのヘリウム冷却材中のトリチウム化炭化水素濃度を一桁以上減少させ得ることを示唆するこれらの結果から、トリチウム化炭化水素からのリチウム回収システムが成立する見通しを得た。

２-２．シミュレーションコードの作成
　ヘリウムプラズマ中での炭化水素分解反応に関わる水素・炭化水素挙動のモデリングを行った。実験結果に基づいて、１）電子衝突によるメタンの直接分解反応による水素発生、及び２）CH₃ラジカルの重合反応によるアセチレン合成に伴う水素発生を考慮した各種成分の物質収支式を提案した。これらの式を連立させて数値的に解き、プラズマ中での各種成分濃度分布が推定可能なプログラムを作成した。シミュレーション結果の一例として、図４にプラズマ中の各成分濃度分布を示す。現段階では、実験結果との定量的比較はできないが、水素、メタン、アセチレンのプラズマ出口ガス濃度比は、実験結果とよく一致した。

２-３．析出炭素膜中水素濃度の定量
　プラズマ中で高効率にメタンが分解されるため、プラズマ容器内での炭素の析出が観測された。析出炭素膜のSEM画像を図５に示す。10μm程度の粒子が重なり合うように成長していることがわかる。析出炭素膜の一部をアルゴン雰囲気で800℃まで加熱し、放出される水素量から、膜中の水素濃度を測定した。その結果、原子比H/Cで0.35程度の水素が含まれていることがわかった。分子状水素の回収を目的とするのであれば、これは懸念すべき問題であるが、ヘリウム冷却材からのトリチウム回収の観点からは、気相から固体内へとトリチウムを移行させているのであり、トリチウム除去のひとつの手法と言える。

２-４．水素透過装置の作製と透過試験
　炭化水素及び析出炭素による水素透過の阻害作用を評価するため、水素透過装置を作製した。水素透過部は、石英管にPd-25％Ag管を備えた二重管型となっている。また、炭素発生源としてガス流路上流側に誘導結合型プラズマ発生部を設けた。ヘリウムガスを導入して、プラズマ点火試験を行ったところ良好なプラズマを得た。また、Pd-Ag管の水素透過性能を確認するため、大気圧下での水素透過試験を300℃、400℃において行った。水素導入直後の透過速度は、文献値と同程度であったものの、水素流通開始後10時間程度経過した後も定常に達する事無く、減少し続けた。これは、導入ガス中の不純物水蒸気による阻害作用と考えられる。水蒸気による効果を抑制した上で、炭化水素及び析出炭素による水素透過の阻害作用を評価する必要があり、引き続き試験を実施する。

３．今後の展望

　高周波プラズマ発生装置を用いた炭化水素分解試験を実施し、印加電力、ガス圧力、流量、メタン及び水素濃度をパラメーターとした成分濃度変化を観測する。試験結果を化学工学的観点から解析し、炭化水素分解反応速度の定量評価を行う。また、炭化水素分解機構の解明に向けてプラズマ中でのイオン・ラジカルの挙動観測を行う。水素透過装置を用いて、炭化水素及び析出炭素による水素透過詐害作用を評価し、阻害作用が顕著であれば対策を検討する。以上２つの試験結果から、炭化水素分解及び水素透過に関わる水素・炭化水素挙動のモデリングを行い、シミュレーションコードを作成する。水素・炭化水素挙動の数値シミュレーションにより、実機を想定した最適な炭素・水素分解回収システム設計を行う。最終的には、高周波プラズマと水素透過膜とを組み合わせたプラズマ分解回収装置を製作し、トリチウム化炭化水素を用いた実証試験を行い、開発システムの性能を評価検討する。以上の試験及び計算による成果を総括し、ヘリウムガス冷却炉でのトリチウムに対する安全性向上の観点から、本開発システムの総合的な評価を行う。