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

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ヵ年で実施している。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

図1 酸化銅(CuO)ナノ粒子(1wt%)とPSL粒子(1wt%)混合溶液を使用した浸漬塗布法によるナノ構造伝熱面の電子顕微鏡観察(5000倍)

２．１ ナノ構造伝熱面創成研究
①浸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堆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年度から平成19年度にかけて、SUS316鋼基板、12Cr鋼基板、ODS鋼基板に、酸化銅(CuO)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結果、多孔質状に積層させることに成功した。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)。さらに平成20年度は酸化チタンおよびアルミナなの粒子を用いて、SUS316鋼基板上に上記と同様の構造を有するナノ構造伝熱面を生成することに成功した。
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年度から19年度にかけて、SUS316鋼基板、12Cr鋼基板およびODS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(文献1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。
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、平成18年度から19年度にかけてSUS316 基板、12Cr鋼基板およびODS鋼基板に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(文献1図3参照)。

図4 ナノ構造伝熱面特性試験の結果(SUS316基板上の3種類のナノ構造伝熱面の比較)

図5 本実験で得られたヌセルト数Nu_expと相関式による予測値Nu_DBの比較

２．２ ナノ構造伝熱面の伝熱特性評価研究
①平板体系における伝熱特性評価
　ナノ構造伝熱面伝熱特性評価装置を製作し、SUS316鋼基板、12Cr鋼基板およびODS鋼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、加えてSUS316 鋼基板上に浸漬塗布法およびイオンビーム照射により成形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。スラリー塗布法により形成したナノ構造伝熱面では基板による伝熱性能向上の違いはほとんど見られなかった。SUS316 基板上に形成した3種類のナノ構造伝熱面すべてにおいて伝熱熱性能向上が認められ、α_top/α_bottomはスラリー塗布法、浸漬塗布法、イオンビーム照射による方法の順で、それらの値は0.45から0.6であった。
②鉛直上昇流体系における伝熱特性評価
　燃料棒を模擬したヒータピンを用いた模擬炉心機器試験装置を製作し、鉛直上昇流の伝熱特性を評価した。本装置では燃料棒を模擬したヒータピンを試験流路内に挿入し、試験流路とヒータピンで形成される環状流路内の上昇流の伝熱特性をスラリー塗布法によりヒータピン上で形成したナノ構造伝熱面の有無で比較した。特性データはヒータ表面の熱伝達係数と対流による熱輸送の比を示すヌセルト数を用いて評価した。その結果、ナノ構造伝熱面を施工したヒータの場合(図5実線)、未施工のヒータ(破線)と比較して20-25%のヌセルト数の増加、すなわち熱伝達係数の増加を示し、ナノ構造伝熱面の伝熱促進効果を確認した。

３．今後の展望

　平成18年度は3種類のSUS316基板上へのナノ構造伝熱面の創成技術開発(浸漬塗布法、スラリー塗布法、物理エッチング法)ならびスラリー塗布法によるナノ構造伝熱面の伝熱特性を評価した。平成19年度は開発したナノ構造伝熱面の創成技術を高速炉用に開発された12Cr鋼製やODS鋼製基盤に適用し、施工性を確認した。また、各種基板に形成したナノ構造伝熱面の伝熱特性試験を実施し、基板の違いが伝熱性能に与える影響を評価した。平成20年度は高温耐久性試験として、試作したナノ構造伝熱面を炉心相当の温度条件まで加熱し、組織や構造の変化を調べる。

４．参考文献

文献1 第2回原子力システム研究開発事業成果報告会資料, 「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」