原子力イノベーター養成プログラム SANI2023成果報告会（Zoom）
2024/3/18

SANI2023 成果報告
派遣先：マサチューセッツ工科大学, Nuclear Science & Engineering
派遣期間：2023/9/2～2023/12/27
研究題目：磁場閉じ込め型核融合炉液体ブランケットにおける液体金属MHD流れの乱流現象に関する研究
東京工業大学工学院機械系原子核工学コース
近藤研究室 博士後期課程1年
西尾 龍乃介派遣先研究室の概要

Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Nuclear Science & Engineering (NSE)

研究室があったNuclear Reactor Laboratoryの入り口

1998年にノーベル物理学賞を受賞した分数量
子ホール効果の研究はNSEの建屋で行われた

3

研究グループについて
Prof. Emilio Baglietto

Baglietto先生は東京工業大学で博士号を取得した

4

研究グループのメンバー：10人程度（修士・博士が多数、共同研究先企業の研究者もいた）
研究テーマ：計算流体力学 (CFD)、乱流モデリング、非定常乱流現象、気液二層流
沸騰水型軽水炉 (BWR)やロケットのエンジンなど、様々なプラントにおける熱流体現象について、CFDを用いて現象をモデル化し取り組んでいる研究室メンバーでご飯に行った時の様子

研究内容について

磁場閉じ込め型核融合炉
液体リチウム鉛合金 (LiPb) ブランケット
1. 燃料増殖2. 中性子遮蔽
3. 熱エネルギーの回収
第一壁

1000 ℃

炉心Li

冷却材

TLi
燃料増殖材

D
T

He

He
Pb

中性子
Liブランケット

300 ℃

Li

Pb
中性子増倍材
真空容器

液体LiPb 超電導コイル

プラズマ閉じ込めの強磁場 (10 T)

6

液体LiPbブランケット流路
電気絶縁
誘導電流

液体LiPb流れ 𝒖
ローレンツ力

磁場 B
炉心プラズマ

電磁流体力学
Magnetohydrodynamics (MHD)

液体LiPbブランケットにおける熱エネルギー回収

7

ブランケット内で発生する中性子との核反応
6Li + n → 4He + T + 4.8 MeV

磁場中性子
表面熱負荷

核発熱

7Li + n → 4He + n’+ T -2.5 MeV

核発熱

Pb (n, 2n)

表面熱負荷と核発熱を同時に処理しなければならない➢ 乱流現象→熱・物質輸送に大きな影響を与える
第一壁

液体LiPb流れ

液体LiPbブランケット構造の例→ブランケットの熱輸送性能の評価には乱流を考慮することが必須

液体LiPbブランケットの乱流現象

8• 磁場の効果をうけた乱流 (MHD乱流) は非磁場下と大きく異なる
ハルトマン数 𝑯𝒂 =(電磁力)

粘性力

𝑯𝒂 大

磁場 強

核融合炉液体ブランケットでは、準２次元(Quashi-2D; Q2D) 乱流の領域に属する
磁場
S. Smolentsev et al., An approach to verification and validation of MHD
codes for fusion applications, Fusion Eng. Des. 100 (2015) 65-72.

LiPb流れ

3D乱流

LiPb流れQ2D乱流

二次元的なMHD乱流の特徴をCFDに組み込むモデルが研究されている→自分のCFD解析目的に合ったモデルを用いる必要がある

研究の目的
CFDを用いた液体LiPb ブランケットの熱輸送性能評価に適したMHD乱流モデルを調査・改良する

研究内容
1. 液体金属MHD流れCFD解析の妥当性検証
2. MHD乱流モデルの改良
3. 液体LiPbブランケット流路における熱輸送性能評価

9MHD乱流モデル評価に用いた実験

10

MAgnetohydrodynamic TURbulence (MATUR) experiment(K. Messadek and R. Moreau, 2002)

水銀 (Hg)B

K. Messadek and R. Moreau (2002)

𝐼
𝐽=2𝜋𝑟

𝐼𝐵
𝐹 =𝐽×𝐵 =2𝜋𝑟111.11

B = 5 T, I = 30 A

0.9

Uθ0.8Uθ [m/s]0.7

乱流による流速分布の平滑化

0.60.50.4

Laminar

0.3MATUR

0.20.1000.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06
r [m]

0.07

0.08

0.09

0.10.11

CFDシミュレーションの概要

12

CFDソフトウェア：STAR-CCM+ (Siemens社)
乱流モデル：Lag Elliptic blending k-εモデル（曲がり管部の流れの剥離の予測に優れている）➢ 乱流エネルギーkと乱流散逸率εの輸送方程式➢ MHD乱流モデル(Meng et al., 2017)
𝝈 𝟐𝝈 𝟐𝝂
𝑺𝒌 = − 𝑩 𝒌 𝐞𝐱𝐩 −𝟑𝟎𝑩𝝆𝝆𝒌𝝈 𝟐𝝈 𝟐𝝂𝑺𝝐 = − 𝑩 𝝐 𝐞𝐱𝐩 −𝟑𝟎𝑩𝝆𝝆𝒌Lag Elliptic blending k-εモデルのkとεの輸送方程式のソース項 (Sk, Sε) に磁場による乱流抑制を表した式を代入

STAR-CCM+の結果とMATUR実験結果と比較

1.1131

B = 5 T, I = 30 A

0.90.8Uθ [m/s]

0.70.60.50.4

Laminar

0.3

Lag EB k-ε0.2

MATUR

0.1

000.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

r [m]

➢ 実験よりも緩やかな形状➢ 磁場や平均流速を変えると形が合わなくなる→ MHD乱流モデルの改良を試みた

0.11

計算結果

141.1
10.9

B = 5 T, I = 30 A

0.8

Uθ [m/s]

0.7
0.60.5Laminar

0.4

Lag EB k-ε

0.3

Improved model
0.2

MATUR

0.1

000.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

r [m]

実験結果により近い流速分布が得られた

0.1

0.11

研究まとめ15

核融合炉液体LiPbブランケットの液体金属MHD流れについて

1. CFDソフトSTAR-CCM+におけるMHD流れの妥当性を検証した．
2. 液体ブランケットの熱輸送性能評価を目標としてMHD乱流モデ
ルの改良を行い、より正確に流速分布を与えるMHD乱流モデルを考案した．

今後の展望
現在のMHD乱流モデルが低磁場にも適用するように改良→ 研究結果を国内学会で発表→ 国際投稿論文で発表（改良したMHD乱流モデルも用いてブランケット流路の熱輸送性能評価）

留学先での生活について

住居・交通手段

レンタルバイクに乗っている写真

ホストファミリーとの写真

電車で１時間ほど通学レンタルバイクも活用した
とてもやさしく迎え入れてくれました食事• $10~20 (￥1500~3000) / meal

Vietnamese

KoreanAmerican

MexicanFree foodJapanese

Chinese,Taiwanese,
etc…
毎週木曜日は研究グループでランチがあった

観光➢ マンハッタン &ワシントンD.C.旅行
ハーバード大学

科学博物館

野球観戦
ホワイトハウス

タイムズスクエア➢ さまざまな動物もみられた

ボストン美術館
ボストン交響楽団

現地で出会った人々

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お世話になった人たち

研究室・NSEの大学院生たち

沢山の人にお世話になりましたSANI2023まとめ
1. 数値流体計算の扱い方を学び，磁場下液体金属の乱流について理解を深める事が出来た．

2. 研究活動・日々の暮らしを通して英語によるコミュニケーションを積極的に行い，語学力を向上させる事が出来た．
3. 日本では感じにくい文化や生活の違いを実感し，それにどう対応していくかを考える事が出来た．

大変貴重な体験をさせていただき，誠にありがとうございました．