J. Plasma Fusion Res. Vol.84, No.9 (2008)６００‐６０５

レビュー論文IFMIF 液体金属リチウムターゲット流に関する実験研究近 藤 浩 夫，金 村 卓 治，顧 和 平，山 岡 信 夫，宮 本 斉 児，井 田 瑞 穂，１）中 村 博 雄，２）松 下 出，３）室 賀 健 夫，堀 池 寛

１）

大阪大学大学院工学研究科，１）日本原子力研究開発機構，２）株式会社神菱ハイテック，３）核融合科学研究所（原稿受付：２００７年１２月３日／原稿受理：２００８年７月２５日）

本研究は国際核融合材料照射施設（IFMIF）の液体リチウム（Li）ターゲットの自由表面流に関する実験研究である．Li ターゲットは流速 15 m/s ほどの平板状のジェット流であり，その表面には微細な波が発生する．本研
究では，Li 表面を発光半値幅 20 μs のストロボスコープを照明に用い高感度 CCD カメラで撮影し，その表面の波の流速に対する変化を明らかにした．さらに，表面に発生する波を接触式の液面計を用い計測し，その不規則な波群の統計的な波高値と，その波高分布を明らかにした．
Keywords:
liquid metal, liquid lithium, IFMIF, liquid Li target, beam target, free surface flow, liquid jet

１．はじめに由表面から真空中への蒸発を抑制しなければならない．こ核融合炉材料開発を進めるにはエネルギー 14 MeV の強のためバックウォールは半径 250 mm の曲率を持ち，遠心力中性子源が必要不可欠である．そこで国際協力の下，国力による圧力をジェット流内に発生させてLiの沸騰を抑制

際核融合材料照射施設（IFMIF）の設計が始められた．IF-させる構造となっている．自由表面での波高の許容値は，＋

MIF は重陽子（D ）ビームを液体 Li のジェット流（噴流）Li 流中のビーム入熱分布の変動からバックウォールを保護に入射させて D-Li ストリッピング反応で中性子を得る方するため，1 mm を目標としている．

式であり，その施設は最大 40 MeV，125 mA の２基の重陽IFMIF ターゲット流の流動に関する研究は，Fusion Ma-子加速器，ビーム輸送系，液体 Li ターゲット系，試験片とterial Irradiation Test facility 計画（FMIT）［６‐８］
での R&照射設備を収納するテストセル，照射後試験設備およびこD を参照しつつ，ESNIT（Energy Selective Neutron Irradia-れらを収納する建屋から構成される．IFMIF の設計の詳細

tion Test facility）［９］の検討や，IFMIF 概念設計活動（Con-やその経緯は参考文献［１‐３］などに詳しい．

ceptual Design Activity，IFMIF-CDA）など［１０，１１］を経本研究で取り扱う Li ターゲット系は，主に，高速の Liて，主に水を用いた流動模擬実験や熱流動解析によって進ターゲット流を形成し，重陽子ビームの照射を行うターめられてきた．水流動模擬実験では高速カメラによる表面ゲットアセンブリーと，ターゲットアセンブリーに温度，の可視化や超音波探傷装置を用いターゲットの厚さ変化の不純物濃度を制御したLiを供給するループシステムから成計測［１２］，さらにレーザー測定装置を用いターゲット表面る．Li ループからターゲットアセンブリーに供給された Liに発生する表面波の計測［１３］とその理論解析［１４］等詳細な流は，整流器を通して流速分布を平坦化された後，ノズル研究が行われた．また，同時に熱流動解析［１５‐１７］が行わにより幅 260 mm，厚さ 25 mm の板状のジェット流を形成れ，ターゲットが沸騰抑制に対し十分な尤度があることがする．ノズルは安定な高速 Li 流を実現するため，ポテン確認された．

シャル流理論による島のモデル［４，５］に基づいた二段絞り

これら実験研究を受けて，本研究では大阪大学の既存の方式が採用されている．D ビームは，凹面壁（バックウォー

液体 Li 循環装置にターゲットアセンブリー設計の 1/2.5ル）に沿って流下する Li ジェット流自由表面の幅 200 mm，スケールの二段縮流ノズルと水平流路を取りつけた試験部

高さ 50 mm の領域（ビームフットプリント）に入射され中を設置し流動実験を行ってきた．ターゲット流動に焦点を性子を生成する．ビームフットプリントはノズルの中性子当てた当試験では，IFMIF-CDA で設計されたノズル形状損傷を避けるため，その中心がノズルから 175 mm 下流のによりLi流が飛散や激しい波を伴わず安全・安定に流れる位置に設定されている．Li ターゲットでは最大の Li 流速 20ことを確認した上で，表面に発生する波の挙動を実験的にm/s 時にも 10−3 Pa の真空中で 25 mm のジェット流厚さを把握し，ノズル・流路設計の確証を得ることを目的とし安定に維持すると共に，ビーム入射時には，Li の沸騰や自た．高速の液体金属 Li 流の表面に生じる微小な波の波

Experimental Study on IFMIF Liquid Lithium Target FlowKONDO Hiroo, KANEMURA Takuji, KO Kaduhira, YAMAOKA Nobuo, MIYAMOTO Seiji, IDA Mizuho, NAKAMURA Hiroo, MATSUSHITA Izuru,
MUROGA Takeo and HORIIKE Hiroshi
corresponding author’s e-mail: h-kondo@nucl.eng.osaka-u.ac.jp

６００!2008 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

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H. Kondo et al.

長，振幅，速度などの特性を計測する手法が確立されておらず，それら計測法の提案と確立，さらにその計測も主要な目的の一つに据えた．本報では，液体 Li ターゲット流の表面を可視化し，そこに生ずる微小な波の波長を計測し，さらに液面と直接接触する方式の液面計を導入し波高計測を試みた結果について報告する．

２．実験装置
図１に Li 循環装置の全景およびフロー図，表１にその概要を示す．主ループは噴流試験部（Free surface test section），ALIP 式電磁ポンプ（EMP，ElectroMagnetic Pump），空冷却器（Cooler），電磁流量計（ElectroMagnetic

図２

自由表面試験部．

flowmeter），ダンプタンク（Dump tank）からなり，配管は２きるという点が考慮された．ただし運転停止時にバックインチで SUS３０４を使用している．サブループには Li 純化

ウォール上の Li を残さずダンプタンクに回収するため，のためのコールドトラップ（Cold trap）が設置されている．

バックウォールにはおよそ 2.5°の傾斜がつけられている．

図２に噴流試験部断面図を示す．Li の流れは図中右から

チャンバーには，流動観測・計測用ポートが設けてあり，左であり，SUS３０４製のハニカムと３枚の多孔版からなる

ポートの中心はそれぞれノズルから 15 mm，175 mm，450

整流部を通り整流されたのち，２段階縮流ノズルにより厚mm の距離に位置し，バックウォールに垂直である．本さ 10 mm，幅 70 mm の平板状の噴流となる．２段階縮流ノポートから CCD カメラによる運転時モニタリングや，Liズルは IFMIFモデルを使用している．ノズルより吐出され流自由表面の撮影，波高の計測を行った．

た Li 噴流はチャンバー内のほぼ水平に設置された流路壁（バックウォール）上を流れる．IFMIF の設計ではバック

３．実

ウォールは半径 250 mm の曲率を持ち垂直方向に設置され３．
１ 自由表面波の可視化と波長計測

験るが，本装置では装置簡略化のため水平のバックウォール

液体Li噴流の表面をカメラ等で撮影し可視化しようとすを採用した．これは既設装置の制約によるところが大きいる際に，液体 Li 流表面では光の鏡面反射が起こるため，イが，上述の水実験では水平流路にて詳細なリチウム模擬試

メージセンサーを用いた表面の画像撮影を行うには明暗に験を行っており，それと比較検討できること，また高流速ついてのダイナミックレンジが非常に大きい高ダイナミッ領域では流体の慣性力の寄与が大きく重力の影響は無視でクレンジのイメージセンサーが必要である．本研究では高ダイナミックレンジ且つ高速度シャッタの CCD カメラ（PCO 社製 Sensicam qe）と発光半値幅 20 μs の極短時間発光ストロボスコープ（日進電子社製 CF-15S3）を準備して，単位時間当たりの記録可能な画面数は少ないが，１枚１枚の映像のシャッタは非常に短時間で切れ明瞭な画像を取得することで，表面波の可視化を行った．ノズル出口付近と，ノズルより 175 mm 下流に位置する計測用ポートに CCDカメラを設置し，ストロボスコープはノズル直上のポートから試験部内に光が拡散するように照明を行った．
図３にCCDカメラで撮影した自由表面の写真を示す．右の写真がノズル出口付近，左が 175 mm 下流の写真である．
自由表面に発生する波の様相は，流速範囲に対して，大きく分けて３つの形態をとった．流速 3.0 m/s より低い比較的低流速の場合，図３（a）のノズル付近の写真にあるよう

図１に自由表面は完全に滑らかであり波は発生しなかった．流Li 循環装置フロー図．

速が増加すると徐々に流れ方向に進行する波が発生し，流表１EMPNozzle
Open channel
Dump tankCold trap
Evacuation

循環装置概略．

ALIP 500l/min, 0.5MPa
Max. velocity at test section: 15m/sec
70mm width 10mm height−１００cm long
420 liter
6l/min, operating temp. >220 ℃
Dry pump down to 15Pa

速5.0 m/s以上になると図３（b）の写真のようにノズル出口から細かな波が表面全体にわたって発生し始めた．図３（b）は 7.0 m/の写真であるが，5.0 から 8.0 m/s の範囲でノズル近くにおいて流れ方向に直行した規則性が高い波が観測された．図３（b）の左図に示すように，ノズルより 175mm 下流の重陽子ビーム照射領域では，そのような規則性はなくなった．さらに流速を上げていくと，流速 9.0 m/s
程度以上では，もはや規則性は見られず表面全体が不規則
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SS304 製の先端を細く加工した直径 3 mm 程度の針（プローブ）を液面上部より挿入し，液面とプローブとの接触を直接電気的に検知する装置である．図４（a）に接触式プローブの写真を示す．本装置は，主に２本のプローブとこれらを動かすステッピングモータからなり計測ポートに取りつけ使用する．接触式プローブは図４（b）のように，ノズルより 175 mm 下流の試験部ポートに設置し，流路中心（側壁より 35 mm）とおよそ 1/4（側壁より 16 mm）の位置の２点の計測を行った．計測はプローブを Li 液面上方から徐々に降下させ，Li と接触し始めた位置からプローブ位置を固定し２０秒間，接触‐非接触の電圧信号（ON-OFF 信号）を AD 変換器により記録した．その後，0.1 mm 間隔で降下させ２０秒間の記録を繰り返し，プローブと液面が常時接触するまで計測を行った．前節に流れの写真を示したように生じる波の波長は高々数 mm 程度であり，流速は１〜15 m/s までの範囲で測定を行っているので，この計測時間２０秒内に十分に多くの波（数千波長以上）がプローブ位置を流れる．
３．
２．
２ 実験結果とその整理
プローブ計測法は当研究グループの従来の研 究報告［１９，２０］で詳しく述べているので，ここでは得られた結果については簡単に触れるにとどめ，次節でさらに踏み込んだ分析を行う．プローブを液面上方より徐々に挿入して計測を行った結果，プローブが液面の平均的な高さに比べて高い位置にあるとき，プローブと液面の接触の時間間隔は
図３

リチウム流表面の流速に対する変化．

長くその回数も少なかった．その位置から徐々に挿入するにつれ，その接触間隔は短くなり，やがて接触回数は最大な波で覆われるようになった．図３（c）
は流速 15 m/s 時の値をとった．さらに挿入していくと接触の時間が長くな流れの写真である．これはノズル出口において境界層が乱り，接触‐非接触の切り替わりも少なくなっていき，完全流状態に移行したためと考えられる．このような表面波のに接触状態に至る結果を得た．これらの接触信号は単位時様相は前述の水実験のものと一致する．波の波長は，ノズ間あたりの接触回数（接触の時間頻度）により整理した．

ル出口における境界層の運動量厚さを代表長とするウエ

図５に，流路中心位置と，流路幅の 1/4 の位置での接触バー数によって整理し，自由表面せん断層の不安定性理論の時間頻度の計測結果を示す．横軸にはプローブの流路底の予測結果と比較し，よい一致を得た［１８］．

からの距離を取っており，実験では高い位置から低い位置

３．
２ 自由表面波の波高計測へとプローブを徐々に挿入した．ここで，ノズル出口高さ，

３．
２．
１ 計測装置・原理

すなわち初期液面高さは 10 mm であり，図中黒線で示して表面に発生した波の波高を計測するために，接触式の波いる．流速 3 m/s の場合，プローブ高さが 12.3 mm 付近で高計測装置（接触式プローブと呼ぶ）を導入した．これは，側壁側のプローブ（青三角印）が液面と接触し始め，12 mm

図４電気接触式プローブ．

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付近で頻度が最大を取る．その後，液面と常時接触状態に

図６に実験で得た接触の頻度の模式図を示す．図中の高なる．流路中心（赤丸印）では，高さ 11 mm 付近から接触

さ H１における接触周波数は，波の山の高さが H１以上の波をはじめ，10.5 mm 付近で頻度最大となり，10 mm で常時が単位時間あたりに通過する数と捉えることができる．H１

接触となる．この場合，流路中心位置と 1/4 の位置では，液よりわずかにプローブを挿入した位置 H２（＝H１−ΔH）にお面の高さにおよそ 1.5 mm 程度の差があることがわかり，ける接触の周波数と，H１における周波数の差は，波の山流れ断面方向に厚さの分布があることが考えられる．流速（波頭）の高さが H１から H２の高さにある波が単位時間あたの増加とともに，接触の頻度と幅も増加していく．流速 7

りに通過した数と考えられる．

m/s や 14 m/s では，接触開始から暫くのあいだ接触はあるもののその頻度が小さい領域が続く．このことから表面波に孤立的な非常に振幅の大きな成分を含んでいることが予想できる．この傾向は常時接触状態付近でも同様に観測された．
３．
２．
３ 表面波の波高分布
本研究では図５の接触の頻度をさらに分析し，振幅および波高の分布を算出し，これまでの水面波のものと比較した．以下にその手順を示す．

図６

図５

図７

接触の頻度．

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接触の頻度の模式図．

流路中心位置における波高分布．

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図７には上述の方法によって波頭の分布を算出した結果を示す．接触の範囲の上限から接触の中心まで０.1 mm 間隔でその間隔にある波頭の単位時間当たりの数で示した．
ここで波の分布は横軸に波高，すなわち振幅の２倍をとった．図７には代表的な例として，流路中心での測定結果のうち 主 流 速 度 が 3，7，14 m/s の も の を 示 し た．流 速 が3 m/s の場合，接触範囲，すなわち計測時間中における最大波高は 1.2 mm であった．しかしながらその数は非常に少なく，僅か数回の接触があったのみである．この流速においては，波高が 0.2〜0.4 mm の波の割合が多いことがグ
ラフよりわかる．7 m/s の場合，最大波高は 1.2 mm であるが，3 m/s の場合と同様に 0.2〜0.4 mm の波高をもつ波の割合が多い．7 m/s の場合はより分布に広がりが見られる．
高流速になると，接触の範囲は非常に大きいことが，前述の接触周波数のグラフからもわかる．14 m/s の場合，最大波高は 4 mm を超えるが，分布の最大は 0.8 mm 付近にあり，高振幅の波の存在の割合は少ないことがわかる．現在の設計では IFMIF ターゲットの自由表面での波高の許容値は，1 mm となっているが，これらの結果から，高流速においても大部分は 1 mm 以内に収まり，わずかに許容を超える波が発生することが明らかになった．
図８に，図７で示した振幅分布を，横軸を平均波高 Ha

図８で縦軸を全波高に対する確率密度で規格化したものを示

無次元波高分布．

す．平均波高は波高分布から算出した度数平均である．図８の実線は次式で示されるレイリー分布である．不規則な波群に含まれる波の波高は，Longuet-Higgins によってレイリー分布によって表されることが示されており［２１］，いま波高 !の確率密度関数を ##!$とするとレイリー分布は##!
# !
##!$'!"'!
(*)!
# ! "$#!"#% !"とかかれる．図８に示すように，計測値の波高分布はレイリー分布と非常によく一致し，波高分布は不規則であることがわかった．
図９に 175 mm の位置における計測の結果得られた，平均波高（Average wave），有義波高（Significant wave），最図９大波高（Maximum wave）を示す．ここで，有義波とは，波流速に対する平均波，有義波，最大波．

群中での波高の大きい方から数えて，全体の波数 N の 1/3の数の波について波高および周期を平均し，その値に等しの波高値も明らかとなった．

い波高と周期を持つ波を言う．不規則な波群を取り扱う場

４．まとめ合，有義波は目視観測によって報告されている波の波高，周期にほぼ等しいとされる．有義波を !""$とすれば，レイ液体金属流動第一壁や先進ブランケットの研究への適用

リー分布に従う場合，!""$""!
!" と書ける．また，最大&!

も視野に入れつつ，近い将来にも建設が見込まれる強力中波高は接触の範囲で定義した．図中には流路中心位置と側性子源 IFMIF の液体金属ターゲット研究の推進と実機設

壁より 16 mm の位置（流路幅 1/4 の位置）における計測結計に資することを目的とした実験研究に関するレビューを果を示した．平均波および有義波は流速の増加とともに行った．

徐々に成長し，流路中心位置において，流速 15 m/s 時でそLi 流の自由表面を発光半値幅 20 μs のストロボスコープ

れぞれ 0.93 mm，1.5 mm であった．一方，最大波高は 4.5を照明に用いて高感度CCDカメラで撮影し，その表面の流mm にも達した．

速に対する変化を明らかにした．さらに，接触式プローブ

本研究において，計測位置はノズルより 175 mm 下流で装置を導入し，その波の波高の計測を行った．流速をパラあり，生じる波は十分に発達しており，その波高分布はレメータとし，記録した接触‐非接触を繰りかえす時系列信イリー分布に従う不規則波であることがわかった．またそ号から，単位時間あたりの接触（接触の頻度）を算出し，さ６０４

Review Paper

Experimental Study on IFMIF Liquid Lithium Target Flow［６］J.A. Hassberger, Proc. 10th Sym. Fusion Engineering Philadelphia, (Pennsylvania, December5-9, 1983).
［７］J.A. Hassberger, Nucl. Technol./Fusion 4, 433 (1983).
［８］C.E. Annese et al., HEDL report, HEDL-SA-2722, November 1982
［９］K. Noda et al., J. Nucl. Mater. 174, 319 (1990).
［１０］IFMIF-CDA team (edited by M.Martone), IFMIF International Fusion Materials Irradiation Facility Conceptual
Design Activity Final Report, ENEA Frascati Report,
RT/ERG/FUS/96/11, December 1996.
［１１］IFMIF team (edited by A.Moeslang), IFMIF International Fusion Materials Irradiation Facility Conceptual
Design Evaluation Report, A Supplement to the CDA bythe IFMIF team, FZK Report, FZKA 6199, January 1999.
［１２］H. Nakamura, Proc. NURETH-8 (Sep. 30-Oct.4, 1997,Kyoto) Vol.3, 1268.
［１３］K. Itoh, Y. Tsuji, H. Nakamura and Y. Kukita, Fusion
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［１６］M. Ida, Y. Kato and H. Nakamura, JAERI-Research 98022.
［１７］M. Ida, H. Nakamura, H. Nakamura, H. Nakamura, K.
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［１９］H. Horiike, H. Kondo, H. Nakamura, S. Miyamoto, N.
Yamaoka, I. Matsushita, M. Ida, K. Ara, T. Muroga, H.
Matsui, Proc. 21st IAEA Fusion Energy Conference, (16 - 21October, 2006, Chengdu, China).
［２０］T. Kanemura, H. Kondo, N. Yamaoka, S. Miyamoto, M. Ida,
H. Nakamura, I. Matsushita, T. Muroga, H. Horiike, Fusion Eng. Des. 82, 2550 (2007).
［２１］堀川清司：海岸工学（１９７３，東京大学出版会）５０．

らに波高の分布を算出する手法を提案し，波高分布を得た．このような波高分布に無次元規格化を施し，整理した結果，得られた無次元波高分布は，1〜15 m/s の流速範囲において，不規則な水面波の波高分布であるレイリー分布と非常に良い一致を示すことが明らかになった．この時の計測位置はノズルより 175 mm 下流であり，波は十分に発達した不規則な波であることが示された．また波高分布より，波群を特徴づける統計的な波高値である平均波高，有義波を算出した．平均波および有義波は流速の増加とともに徐々に成長し，流路中心位置において，流速 15 m/s 時でそ れ ぞ れ 0.93 mm，1.5 mm で あ り，最 大 波 高 が 4.5 mmを示す場合もあるが，大部分の波は設計目標値 1 mm 以内に納まることがわかった．

謝

H. Kondo et al.

辞

本研究は，自然科学研究機構核融合科学研究所の LHD共同研究（NIFS05KOBF009）のご支援のもと遂行した．また，東北大学教授の松井秀樹先生にはご協力，ご助言をいただいた．ここに記して謝意を表す．

参考文献［１］勝田博司他： 国際核融合材料照射施設（IFMIF）の設計活動 日本原子力学会誌 40, 162 (1998).
［２］松井秀樹他：小特集「国際核融合材料照射施設（IFMIF）の 設 計 と 開 発 の 現 状」プ ラ ズ マ・核 融 合 学 会 誌 82,(2006).
［３］IFMIF International Team, IFMIF Comprehensive Design Report, IEA on-line publication, http://www.iea.org/Textbase/techno/technologies/fusion/IFMIF-CDR?
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［４］島 章：東北大学，高速力学研究所報告 第１６巻１５４号（１９６０/１９６１）．
［５］島 章：東北大学，高速力学研究所報告 第１７巻１６４号（１９６１/１９６２）．

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