原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
ナノ構造伝熱面の創成技術ならびに伝熱特性に関する研究開発
(受託者)独立行政法人日本原子力研究開発機構
(研究代表者)江里幸一郎 核融合研究開発部門 研究副主幹
(研究代表者)江里幸一郎 核融合研究開発部門 研究副主幹
1.研究開発の背景とねらい
Na冷却高速炉をはじめとする第4世代炉の実用化に当っては経済性の向上が必須であり、この観点から炉の更なるコンパクト化、高熱効率化が強く求められている。本事業で取り組むナノ構造伝熱面は第4世代炉における炉心機器の除熱性能の向上に寄与することを目的とする。ナノ構造伝熱面は京都大学が開発したスラリー塗布法および九州大学と原子力機構が共同で開発した物理エッチング法で実現されており、京都大学における基礎伝熱実験によると、従来の伝熱促進技術と異なり、圧力損失の増大無しに伝熱性能を向上させる可能性がある。本研究開発は(1)ナノ構造伝熱面創成研究および(2)ナノ構造伝熱面伝熱特性研究を平成18年度より3ヵ年で実施する。ナノ構造伝熱面は一般構造材料であるステンレス鋼(SUS316)、高速炉で使用が想定されている高クロム(12Cr)鋼や酸化物分散強化(ODS)鋼への適用が無いため、本研究では、これら鋼材基板表面へのナノ構造伝熱面を創成する技術を確立することを目的とする。さらに本研究では第三の方法として、浸漬塗布法によるナノ構造伝熱面創成技術を開発する。
2.研究開発成果
2.1 ナノ構造伝熱面創成研究① 漬塗布法によるナノ構造伝熱面の創成技術
本方法では、金属酸化物ナノ粒子およびポリスチレンラテックス(PSL)粒子を溶媒中に分散させた溶液に鋼材基板を浸漬し、基板を一定速度で引き上げる際の溶媒の流れや毛細管現象、表面張力による自己集積現象を利用し、ナノ粒子を基板上に体積させる方法である。さらに焼成させることにより、PSL粒子を分解し、基板上に微小スケールの多孔質を形成する方法である。平成18年度はSUS316基板を用いて、ナノ粒子分散溶液の濃度や引き上げ速度をパラメータとして試作した。試作条件中、高濃度溶液(ナノ粒子(CuO)濃度10wt%)では、緻密な積層面が形成されるのに対し、低濃度溶液(0.2〜1wt%)では、多孔質状に積層させることが出来た。その構造としては、百ナノメートル程度の空隙と粒子が複雑に入り組むものとなっていることを明らかにした(図1参照)。平成19年度は引き抜き温度条件をパラメータとして試作を実施するとともに、12Cr鋼およびODS鋼にも適用し、同様の方法で混合ナノ粒子が基板上に積層できることを確認した。
② スラリー塗布法によるナノ構造伝熱面の創成技術
本手法は金属酸化物ナノ粒子(CuO)を酸溶液に懸濁させたスラリー溶液を表面処理済みの基板に塗布するものである。平成18年度はSUS316鋼基板への塗布に成功し、表面構造はサブミクロンから百ナノメートル程度の多重スケールを有する多孔質構造を有していることを明らかにした(図2参照)。表面には1マイクロメートル以下の空洞、2マイクロメートルほどの塊状構造および柱状構造がみられ、これら、三者が折り重なるような複雑な構造であった。平成19年度は12Cr鋼およびODS鋼基板に対し同手法を用いて、同様のスケールおよび構造を有するナノ構造伝熱面が形成されているのを確認した。 ③ イオンビーム照射によるナノ構造伝熱面の創成技術
本手法は繰り返しへリウムイオンビーム照射による基板表面上で生じるヘリウムバブル形成とその破裂を繰り返し表面に微細多孔質を形成するものである。イオンビーム照射量や基板温度を制御することにより、SUS316 基板上での微細多孔質構造の形成に成功した。表面観察により、空隙と柱状構造が積層する500ナノメートル程度のスケールを有する多孔質層が基板上に直接形成されていることを確認した(図3参照)。
2.2 ナノ構造伝熱面の伝熱特性評価研究
ナノ構造伝熱面伝熱特性評価装置を製作し、SUS316鋼基板上および無酸素銅基板上にスラリー塗布法により形成したナノ構造伝熱面の平板体系における伝熱特性試験を実施した。本装置では、上部加熱面と下部冷却面の熱伝達比、α_top/α_bottomが上下の伝熱面間の伝熱特性を表す無次元数となる。下部伝熱面をレファレンスとして、SUS316製もしくは無酸素銅製平滑面を設置し、上部伝熱面に同材料の平滑面もしくはナノ構造伝熱面を設置し、実験を実施した。SUS316基板上に形成したナノ構造伝熱面による熱伝達促進は施工していないものと比較して約2倍以上に向上し(図4参照)、これまで実績のある無酸素銅製基板上のものと同程度の促進比を有していることを明らかにした。これはSUS316基板上に形成したナノ構造伝熱面が伝熱促進に関して有効であることを示す。