OVERVIEW of
ゼロカーボンエネルギー研究所要覧
国立大学法人東京工業大学
科学技術創成研究院

ゼロカーボンエネルギー研究所

Laboratory for Zero-Carbon Energy (ZC)
Institute of Innovative Research
Tokyo Institute of TechnologyVol.�

ごあいさつ所長 教授 工学博士

加藤 之貴

Professor Yukitaka Kato
Director of the Laboratory for Zero-Carbon Energy「東京工業大学 科学技術創成研究院 ゼロカーボンエネル

ギ ー 研 究 所（ZC 研）」は ���� 年 � 月 に 開 設 さ れ まし た。
���� 年度要覧 Vol. � 発刊にあたりご挨拶申し上げます。

近年、気候変動が顕在化し、人類が継続して生きるためには、

いよいよ二酸化炭素（CO�）の人為的な排出の抑止が必要と考えます。本研究所はゼロカーボンエネルギー（ZCE）を用いたカーボンニュートラル（CN）技術の開発を通じて、地球と共生しかつ豊かなエネルギー社会の構築に貢献することを目的に設置されました。ZC 研はフューチャーエネルギー部門、
原子力工学部門の � 部門からなり所員が一丸となり貢献課題に取り組んでまいります。

�� 世紀を迎え、物・情報が豊かになり便利な時代を迎えたと思ったのも束の間、急激な気候変動、感染症拡大などの人々を取り巻く環境の変化に翻弄されています。またウクライナ紛

争に端を発し世界のエネルギーサプライチェーンの滞りとエネ

ルギー価格の高騰が進んでいます。人類は自然の大きさと人類社会の無力さを再認識する時期にきております。自然に生かされている感謝を改めて思い起こし生活様式の修正が必要と考えます。ZC 研では �� 世紀型の過度に化石資源に依存した社会を見直し、地球環境に親和性のあるカーボンニュートラル
社会への転換を目指します。

豊かな社会生活の駆動のためには一次エネルギーが必要です。これまでの化石エネルギー依存を極力減らし、ZCEである

再生可能エネルギー（再生エネ）、原子力エネルギー、バイオ

マスまた産業排熱などを一次エネルギーとして活用する研究を
1

The Laboratory for Zero-Carbon Energy (ZC), Institute forInnovative Research, Tokyo Institute of Technology (Tokyo
Tech) was established in June ����.

In recent years, climate change has become more
apparent, and we believe that we must ﬁnally curb
anthropogenic emissions of carbon dioxide (CO�) in order for
mankind to continue to live. ZC was established for the
purpose of contributing to the construction of an aﬄuent
energy society in harmony with the earth through thedevelopment of carbon neutral (CN) technology using
zero-carbon energy (ZCE). ZC is composed of two divisions,
Future Energy Division, and Nuclear Engineering Division.

As we enter the ��st century, we are at the mercy of therapidly changing environment that surrounds us, including
rapid climate change and the spread of infectious diseases,
while at the same time we have entered an era ofconvenience and material and information abundance. In
addition, the conﬂict in Ukraine has caused a stalemate in
the global energy supply chain and energy prices haveskyrocketed. It is time for humankind to reaﬃrm themagnitude of nature and the powerlessness of humansociety. We at ZC are rethinking our society’s excessive
dependence on fossil resources of the ��th century, and areaiming for a shift to a carbon-neutral society that is friendly
to the global environment.

Primary energy is necessary to drive aﬄuent social life.
The ZC Lab aims to reduce dependence on fossil energy as
much as possible and to utilize ZCE, that is, renewableenergy, nuclear energy, biomass, and industrial waste heatas primary energy. Since renewable energies are unstable,
large-scale energy storage technologies are necessary for
their widespread use. We are considering energy storage,
thermal storage, energy carrier technology, and new energy
network systems as storage technologies. Although nuclear
energy is causing anxiety in society, we regard it as avaluable ZCE and are developing safe and economicalGreetings from the Director
ZC 研は目指してまいります。再生エネは不安定であるため、その普及には大規模なエネルギー貯蔵技術が必要です。貯蔵技術として蓄電、蓄熱、エネルギーキャリア技術、また新なエ

ネルギーネットワークシステムを検討しています。原子力エネ

ルギーは社会に不安をもたらしていますが、貴重な ZCEと捉え、小型安全炉、核燃料サイクル技術等を活かした安全かつ経済的な原子力エネルギーシステムを開発しております。併せて放射線の医療応用技術研究を進めています。

人類は古来より炭素を利用しており、今後も継続して利用することが望まれます。そこで炭素利用を許容しつつ環境にCO�

を排出しない、ZCE を用いた炭素循環産業システムの創成を目指し、そのためにCO� の回収、資源化、循環利用の進展を図ります。

研究の社会実装を加速するためにグリーン・トランスフォー

メーション・イニシアティブ（Tokyo Tech GXI）事業を����

年度より展開しております。Tokyo Tech GXI にて産学官、社会、
市民、さらに外国研究機関とが連携したオープンイノベーショ

ンによるグリーン・トランスフォーメーション技術の開発を展開します。

必要とされるCN 研究テーマは未踏領域であり個人、一組

nuclear energy systems that utilize compact safety reactors,
nuclear fuel cycle technology, and other technologies. At thesame time, we are also conducting research on medical
application technology for radiation.

Humans have been using carbon since ancient times, and
it is hoped that we will continue to do so in the future.
Therefore, we aim to create a carbon-recycling industrial
system using ZCE that does not emit CO� into theenvironment while allowing the use of carbon, and for thispurpose, we are working to develop CO� capture, resource
conversion, and recycling.

In order to accelerate the social implementation of ourresearch, we have launched the Green Transformation
Initiative (Tokyo Tech GXI) project in ﬁscal year ����, whichaims to develop green transformation technologies throughopen innovation in collaboration with industry, academia,
government, society, citizens, and foreign research
institutions.

The CN research theme required is an unexplored area andcannot be achieved by an individual or an organization. It
requires the cooperation and collaboration of many people
who agree with the theme. We would like to be a focal pointof this institute and help build a society that has hope for the
future in cooperation with many people in Japan andabroad. We welcome your participation.
We look forward to your guidance and support for our
institute.

織での達成はできません。テーマに賛同いただける多くの方のご協力と連携が必要です。本研究所が一つの拠り所となり、国内外の多くの方々と協力して将来に希望を持てる社会の構築に役立ちたく思っております。皆様のご参画を大いに歓迎いたします。

本研究所に対するご指導、ご支援をどうぞよろしくお願いい

たします。

2

The SCO

ゼロカーボンエネルギー研究所（ZC 研）はゼロカーボンエネルギー（ZCE）に基づく炭素・物質循環システムを構築しカーボンニュートラル（CN）社会の実現に貢研究所献することをゴールとし、実現に必要な技術の研究開発を行います。日本が目指している���� 年 CN 社会実現への展望は図 � のとおりです。エネルギー供給側を化石燃料依存から再生可能エネルギー（再生エネ）、原子力エネルギー等の ZCE へ転換する必要があります。図 � は日本のカーボンニュートラル達成への道程（���� 年度基準［�］）です。

社会が用いる最終エネルギーにおいて電力は熱量ベースで� 割程度であり、日本の CN 化には

� 割を占める非電力分野の CN 化が量的に重要です。二酸化炭素発生量で国内の ��％を占める製鉄、同 ��％程度を占める運輸などが重要な CN 化の対象分野です。ZC 研では原子力を含むZCE 開発、エネルギー貯蔵・変換、炭素・物質循環技術を開発し、持続可能な CN 産業そしてCN 社会構築への技術
貢献を目指します。

[�] 経済産業省：エネルギー白書 ����、https://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper/����/pdf/�_�.pdf

一次エネルギーのゼロカーボン化

化石
��%

エネルギー
キャリア
• 製造、輸送

CCS

ZCE
��%
現在

一次
エネルギー
化石
��%

再生可能
エネルギー

原子力
• 出力安定化• 小型分散• 国産技術利用• 廃棄物無害化 • 立地
• 核燃サイクル

非化石
��％

• 経済性
• 立地

日本の一次エネルギー�� x �� �� J/年

図 � 一次エネルギーのゼロカーボン化展望����

最終エネルギー消費
電力 ��％(�.� EJ)

非電力(熱)��.� EJ
�.�兆kWh��兆円
��.�億t-CO�/y

運輸
製鉄

��％

(�.� EJ)

CO�
-��％

CO�
-���％
ゼロ
カーボン
エネルギー

��%

�.�億t-CO�
/y

�%

����
����
現在
カーボン
��.� EJ
ニュートラル(��� GW相当)
達成

図 � 日本のカーボンニュートラル達成への道程（���� 年度基準［�］）研究組織

ZC 研は図 � のとおりフューチャーエネルギー部門、原子力工学部門からなります。グリーン・トランスフォーメーション・イニシアティ
ブ（Tokyo Tech GXI）事業の本部を置き、GXI 運営をしています。また、福島復興・再生研究ユニット、TEPCO 協働研究拠点と連携活動を行う他に、社会との協調を保つために連携アドバイザリー委員会を設置します。研究所が目指すCN 社会の実現のため各部
門、各研究分野が有機的に連携して研究開発を進めています。

研究所長

フューチャーエネルギー部門 /GXI 本部

�. エネルギーネットワーク分野
ゼロエミッション・循環型エネルギーシステム、エネルギー経済学・社会学
�. エネルギー貯蔵・変換分野
蓄熱、蓄電、バイオマス、エネルギーキャリア
�. グリーン・トランスフォーメーション分野
GX 関連研究図 � ZC 研の組織構成

3

アドバイザリー委員会
原子力工学部門

�. 先進原子力システム分野
革新炉、核融合、熱流動、サイクル、
セキュリティ
�. 生命・医療放射線利用分野
加速器、量子ビーム、放射線医療、
生体影響
�. 先進原子力材料・化学分野
金属、セラミックス、機能材料

Tokyo Tech GXI
福島復興・再生研究ユニット、
TEPCO 協働研究拠点■ 事故炉廃止措置、デブリ取り出し、汚染水対策、固体廃棄物処理、
広域除染PE of ZC
活動目的

The Laboratory for Zero-Carbon Energy (ZC) aims to contribute to therealization of a carbon-neutral (CN) society by constructing carbon and material
recycling systems based on Zero Carbon Energy (ZCE), and researching anddeveloping technologies necessary for realization. Figure � shows the prospect ofzero carbonization of primary energy in Japan for realizing a CN society. It isnecessary to shift the energy supply side from fossil fuel dependence to ZCE such as
renewable energy (RNE) and nuclear energy. Figure � shows Japan’s path to achievingcarbon neutrality (���� standard [�]). Electricity share is only ��% of the ﬁnal energy
consumption on a caloriﬁc basis, and CN in the non-electricity ﬁeld, which accounts for��% of the ﬁnal one, is quantitatively important. Ironmaking, which accounts for ��% of thedomestic carbon dioxide emission, and transportation, which accounts for about ��% of theemission, are important target ﬁelds for CN conversion. ZC Lab aims to contribute to theestablishment of the CN industry and CN society by developing ZCE development including nuclear
power, energy storage and conversion, and carbon and material recycling technologies.

[�] METI, Energy White Paper of Japan in ����Zero-carbonation ofprimary energy
Energy Carrier

Fossil • Production,
Fuel transportation
��%
CCS

ZCE
��%
Current• Economical• Location

Nuclear• Small andsafe• Detoxiﬁcationof waste• Fuel cycle

PrimaryenergyFossil��%

Renewable
Energy• Outputstabilization• Domestic
tech. use
• Location

Primary Energy in Japan�� x �� �� J/y����Fig. � Prospects for zero carbonization of primary energy

Final energy
consumption

Electric
Nonelectric(Heat)

Non-Fossil��％��.� EJ
�.�x���� kWh��x���� JPY(=��� Billion USD)
�.�x��� t-CO�/y��％(�.� EJ)

Transport.

Ironmaking��％(�.� EJ)

Current��.� EJ(��� GW)

CO�
CO�
-��％
-���％
ZeroCarbon
Energy��%(�.�x���
t-CO�/y)

����

�%

����
Carbonneutrality

Fig. � Path to carbon neutrality for Japan (����FY standard [�])Research organization

ZC consists of Future Energy Division and Nuclear Energy Division as shown in Fig. �. The headquarters of the Green
Transformation Initiative (Tokyo Tech GXI) is set up and operates GXI. In addition to conducting collaborative activities with the
Fukushima Reconstruction and Regeneration Research Unit and the TEPCO Collaborative Research Cluster, and we are preparing
to establish a collaborative advisory committee to maintain cooperation with society. In order to realize the CN society that theinstitute aims for, each department and each research ﬁeld are organically collaborating to promote research and development.
Director

Future Energy Division/GXI Headquarters

�. Energy network ﬁeld
zero emission/recycling energy
system, energy economics/sociology
�. Energy storage/conversion ﬁeld
thermal storage, electricity
storage, biomass, energy carrier
�. Green transformation ﬁeld
GXI researches

Advisory Board
Nuclear Energy Division

�. Advanced nuclear system ﬁeld
innovative reactor, fusion reactor, thermal
hydraulics, fuel cycle, nuclear security
�. Life/medical radiation
utilization ﬁeld
accelerator, quantum beam,
radiology, biological eﬀects
�. Advanced nuclear materials /chemical ﬁelds
metals, ceramics, functional materials

Green Transformation
Initiative at Tokyo Tech

Tokyo Tech GXI

Fukushima Reconstruction andRegeneration Research Unit, TEPCO
Collaborative Research Cluster■ Accident reactor decommissioning,debris removal, contaminated water
countermeasures, solid waste
treatment, wide area
decontamination

Fig. � Organization structure of ZC

4

グリーン・トランスフォーメーション・
イニシアティブ（Tokyo Tech GXI）

日本が目指す ���� 年カーボンニュートラル（CN）実現のためには、
グリーン・トランスフォーメーション（GX、緑転、CN に応じた産業及び社会の構造の変化）が必須です。グリーン・トランスフォーメー
ション・イニシアティブ（Tokyo Tech GXI）事業は文部科学省ミッション
実現加速化経費に基づき令和 � 年度から活動を開始しました。GXI はCN 社会の実現を先導するために GX 研究の推進とスタートアップを強化し、産業・社会と連携してオープンイノベーションを進めます。
また、GX 研究の国際拠点として活動し、地球環境と共生した社会構築への貢献を目指します。

http://www.gxi.iir.titech.ac.jp/

Tokyo Tech GXI のゴール

ゼロカーボンエネルギー図 � は GXI がゴールとして目指すエネルギー社会
ビジョンです。一次エネルギーにゼロカーボン
エネルギー（ZCE）を導入します。再生エネは天候に依存するため、出力変動が大きい点が課題です。
一方で需要側にも変動があるため、エネルギー貯蔵のための蓄電（電池）、蓄熱技術開発が必要です。
エネルギー需要側は多くの分野で炭素化合物を必要とします。そこで排出される二酸化炭素を回収し、ZCE で炭素化合物に変換して循環再利用し、併せて水素、アンモニアなどのエネルギーキャリアを社会に供給します。そして物質の回収・分離・再生を同時に行うことで持続可能な CN 社会が成立します。GXI では CN 社会構築への技術貢献を目指し
ます。

化石資源

電力
熱

貯蔵/変換

水素

CO�、灰

再生可能
エネルギー

電力貯蔵
炭素

立地

物質変換

炭素循環
水素・アンモニア・

炭素化合物・エネキャリ
エネキャリ

発電

CO�
エネルギー
炭素循環
キャリア
変換
反応熱

熱貯蔵

原子力
放射性
廃棄物

産業、市民、行政、
ステークホルダーとの連携によるオープン・イノベーション

需要／供給システムの最適化

グリーン利用
運輸

物質

家庭
民生

資源循環

産業
回収・分離・再生図 � Tokyo Tech GXI がゴールとして目指すエネルギー社会ビジョン

Tokyo Tech GXI のオープンイノベーション

学長

学院

６学院・
エネルギー
関連研究者
���人

研究・産学連携本部
オープン
イノベーション機構

物質・情報、超スマート社会卓越教育院

科学技術創成研究院

エネルギー・情報卓越教育院

ZC研／GXI本部

グリーン・トランスフォーメーション・イニシアティブ

エネルギー関連
研究者���人

GXI実証研究
GXI大岡山ラボ
GXIラボ�・・・

産学連携委員会

ベンチャー育成コア

エネルギー関連企業��社のGXI連携プラットフォーム

GXI共研拠点群

市民、自治体、省庁、
地元企業、企業、国内外の大学および研究機関図 � Tokyo Tech GXI のオープンイノベーションネットワーク

5

GXI共研拠点

Tokyo Tech GXI は ZC 研に本部を置き、産業・社会と連携した GX 分野のオープンイノベーション研究を展開します。
図 � は GXI の連携ネットワークです。GXI 内に産学連携委員会を置き、エネルギー関連企業約 �� 社と企業コンソーシアム活動を行い、学内の約 ��� 名のエネルギー研究関連教員と企業が連携し、課題解決型のオープン
イノベーション研究を推進しています。また、GXI 研究成果の社会実装するために、ベンチャー育成コアを設置しベンチャー起業を支援します。併せて GXI 実証研究を加速するために実験施設 GXI 大岡山ラボを設置し、今後ラボ活動を展開させます。そして、GXI 共同研究拠点を形成し GX の社会実装をオープンイノベーションで進めます。
GX 実現に向けて皆様のご指導、ご支援をよろしくお願いいたします。

Green Transformation Initiative at Tokyo Tech (Tokyo Tech GXI)

http://www.gxi.iir.titech.ac.jp/

In order to realize Japan’s ���� carbon neutrality (CN), green transformation (GX, changes in industrial and social
structures according to CN) is indispensable. The Green Transformation Initiative at Tokyo Tech (Tokyo Tech GXI) project
has started its activities based on the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology's mission
realization acceleration fund since ����. GXI will promote GX research and strengthen startups to lead the realization of
CN society, and promote open innovation in collaboration with industry and society. In addition, we will act as aninternational center for GX research and aim to contribute to the construction of a society that coexists with the global
environment.

Goal of Tokyo Tech GXIFigure � shows the energy society vision that GXIaims to achieve. First, zero carbon energy (ZCE) isintroduced as a primary energy source. Since
renewable energy depends on the weather, theproblem is that the output ﬂuctuates greatly. On
the other hand, there are ﬂuctuations on the
demand side as well, so it is necessary to develop
electric storage (batteries) and heat storage
technologies for energy storage. Energy demandsides need carbon compound materials in many
sector ﬁelds. The carbon dioxide emitted there isrecovered, converted to carbon compounds by
ZCE, and recycled for reuse, and at the same time,energy carriers such as hydrogen and ammonia
are supplied to society. A sustainable CN society
will be established by simultaneously resource
material collecting, separation and regeneration.
GXI aims to contribute technologically to theconstruction of a CN society.

Zero-Carbon Energy
Fossil� schools
Energy-related
researchers,���

Renewable

Green Transformation Initiative at Tokyo Tech

Nuclearwaste

Ventureincubation core�� energy-related companies

Energy-related
researchers, ���

GXI Labo.

GXI Ookayama L.

GXI Joint Research
GXI JRCs

Citizens, local governments, ministries,
local companies, international
companies, domestic / overseas
universities and research institutes

Fig. � Open innovation network of Tokyo Tech GXIC recycling

CO�

Heat
generation

Collaboration between industry, citizen,
government & stakeholders for regional
revitalization and wide-area cooperation.
Optimization of energy supply and demandFig. � Energy society vision as the goal of Tokyo Tech GXIGXI Labo. � …

Industry-academia
collaboration committee

Energycarrierconversion

Electric
generation

Green Society

Materials

Transportation

Residence
Civilian

Resource
recycling

Industry

Collection
separation
regeneration

Open Innovation in Tokyo Tech GXI

IIR

ZC/GXI HQElectricity
storageE.-carri

Thermalstorage

Nuclear

Open Innovation
Platform

Academy of Energy
and Informatics

Carbon Recycling

Material H�, NH�, Hydrocarbon,transform. Energy carrier

CarbonLocation

Research/IndustryAcademia Collabo. HQAcademies for Materials
and Informatics, andSuper Smart Soc.

Heat

H�

CO�, Ash

President

Schools

Electricity

Storage/Transform.

Tokyo Tech GXI is headquartered at ZC and develops
open innovation research in the GX ﬁeld in collaboration
with industr y and society. Figure � shows the GXI
collaborative network . An industr y-academic
collaboration committee has been set up within GXI to
carry out corporate consortium activities with about ��energy-related companies. GXI organizes collaboration
with ��� energy research-related faculty members in
To k y o Te c h a n d t h e c o m p a n i e s t o p r o m o t e
problem-solving open innovation research. In order toimplement GXI research results in society, we will
establish a core of venture company development tosupport venture company startups. At the same time, inorder to accelerate GXI empirical research, we will set up
an experimental facility of GXI Ookayama Lab andpromote more laboratory activities in the future. Then,we will form a GXI joint research center and promote thesocial implementation of GX through open innovation.
We appreciate your guidance and support for therealization of GX.

6

教職員一覧
フューチャーエネルギー部門

教授

加藤 之貴

特任教授

浅野 浩志

教授

塚原 剛彦

特任教授

小田 拓也

教授

村上 陽一

特任教授

小山 堅

准教授

髙須 大輝

特任教授

竹下 健二

准教授

横井 俊之

特任教授

藤田 壮

特命教授

菅野 了次

特任教授

森原 淳

協力教員

物質理工学院教授
荒井 創

科学技術創成研究院
教授
山口 猛央

環境・社会理工学院教授
大友 順一郎物質理工学院教授
山中 一郎

科学技術創成研究院
教授
大竹 尚登
環境・社会理工学院教授
後藤 美香
科学技術創成研究院
教授
田中 寛
科学技術創成研究院
教授
原 亨和

物質理工学院教授
森川 淳子

原子力工学部門

7

工学院
教授

山田 明

科学技術創成研究院
准教授
沖野 晃俊
物質理工学院准教授
原田 琢也
物質理工学院
准教授
松下 祥子
工学院
准教授

水谷 義弘

教授

小原 徹

准教授

中瀬 正彦

教授

小林 能直

准教授

長谷川 純

教授

林﨑 規託

准教授

吉田 克己

教授

松本 義久

特任教授

奈良林 直

准教授

赤塚 洋

特任教授

望月 弘保

准教授

片渕 竜也

特任准教授 伊藤 あゆみ

准教授

木倉 宏成

助教

石塚 知香子

准教授

近藤 正聡

助教

井戸田 直和

准教授

相樂 洋

助教

グバレビッチ アンナ

准教授

鷹尾 康一朗

助教

島田 幹男

准教授

筒井 広明

助教

安井 伸太郎Members List of ZC
Future Energy Division

Professor

Yukitaka Kato

Specially Appointed Professor

Hiroshi Asano

Professor

Takehiko TsukaharaSpecially Appointed Professor

Takuya Oda

Professor

Yoichi Murakami

Specially Appointed Professor

Ken Koyama

Associate Professor

Hiroki Takasu

Specially Appointed Professor

Kenji Takeshita

Associate Professor

Toshiyuki Yokoi

Specially Appointed Professor

Tsuyoshi Fujita

Institute Professor

Ryoji Kanno

Specially Appointed Professor

Atsushi Morihara

Cooperating Faculty

School of Materials and Chemical Technology
Professor
Hajime Arai

Institute of Innovative Research
Professor
Naoto Ohtake

School of Environment and Society
Professor
Junichiro Otomo
School of Environment and Society
Professor
Mika Goto

Institute of Innovative Research
Professor
Kan Tanaka

Institute of Innovative Research
Professor
Michikazu Hara

School of Materials and Chemical Technology
Professor
Junko Morikawa

Nuclear Energy Division

Institute of Innovative Research
Professor
Takeo Yamaguchi
School of Engineering
Professor

Akira Yamada

School of Materials and Chemical Technology
Professor
Ichiro Yamanaka
Institute of Innovative Research
Associate Professor
Akitoshi Okino

School of Materials and Chemical Technology
Associate Professor
Takuya Harada

School of Materials and Chemical Technology
Associate Professor
Sachiko Matsushita
School of Engineering
Associate Professor

Yoshihiro Mizutani

Professor

Toru Obara

Associate Professor

Masahiko Nakase

Professor

Yoshinao Kobayashi

Associate Professor

Jun Hasegawa

Professor

Noriyosu Hayashizaki

Associate Professor

Katsumi Yoshida

Professor

Yoshihisa Matsumoto

Specially Appointed Professor

Tadashi Narabayashi

Associate Professor

Hiroshi Akatsuka

Specially Appointed Professor

Hiroyasu Mochizuki

Associate Professor

Tatsuya Katabuchi

Associate Professor

Hiroshige Kikura

Associate Professor

Specially Appointed Associate
Professor

Ayumi Itoh

Assistant Professor

Chikako Ishizuka

Masatoshi Kondo

Assistant Professor

Naokazu Idota

Associate Professor

Hiroshi Sagara

Assistant Professor

Anna Gubarevich

Associate Professor

Koichiro Takao

Assistant Professor

Mikio Shimada

Associate Professor

Hiroaki Tsutsui

Assistant Professor

Shintaro Yasui
8フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

カーボンニュートラルに向けたエネルギー貯蔵・変換技術の開発

Development of Energy Storage and Transformation
Technologies for a Carbon Neutral Society
教授 加藤 之貴

yukitaka@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����Yukitaka KATO, Professor

炭素循環エネルギーシステム (ACRES)

二酸化炭素を資源化し循環利用するエネルギーシステム。製鉄業などが応用先候補（図１）。ゼロカーボンエネルギーを利用することでカーボンニュートラル産業の創成が期待できる。
鍵となる二酸化炭素電気分解セルを開発している（図２）。

化学蓄熱とケミカルヒートポンプシステム

大量に排出されながら従来回収が困難であった産業排熱の貯蔵、有効利用のために化学蓄熱材料を開発している（図３）。
この材料を用いた酸化カルシウム / 水系ケミカルヒートポンプ
システムを研究開発している。

高効率水素透過膜

次世代エネルギーキャリアである水素の高効率製造に必要な水素透過膜を開発している。独自の逆ビルドアップ法により、従来の展延式膜より薄いパラジウム合金膜を開発している（図４）。低コストかつ高効率な水素分離に利用できる。

図�

炭素循環エネルギーシステム

図�

酸化カルシウム複合化学蓄熱材料

Fig. � Active carbon recycling energy system

Fig. � Composite material for calcium oxide thermochemicalenergy storage

9

Active Carbon Recycling Energy System (ACRES)

Active Carbon Recycling Energy System (ACRES) that recycles
carbon dioxide as a recycled resource is developing.
Ironmaking process is one of candidates for application (Fig.
�). ACRES is expected for the realization of a carbon-neutral
industry by using zero carbon energy. Metal-supported solidoxide electrolysis cell is being developed as a key device for
ACRES (Fig. �).

Chemical Heat Pump and Thermochemical
Energy Storage System

Thermochemical energy storage materials for eﬀective storageof industrial waste heats. The heats were previously diﬃcult tobe recovered even though it was discharged in large
quantities. We are researching and developing a calciumoxide/ water chemical heat pump system by using developed
composite material (Fig. �).

High-eﬃcient Hydrogen Permeation Membrane

Hydrogen permeable membrane necessary for high-eﬃciency
production of hydrogen, which is a next-generation energy
carrier, is being developed. We are developing a new
palladium alloy ﬁlm that is thinner than the conventional
extension ﬁlm by an original reverse build-up method (Fig. �).
It can be used for low cost and highly eﬃcient hydrogen
separation.

図�

金属基板支持形固体酸化物電気分解セル

図�

Pd 合金薄膜形水素透過膜

Fig. � Metal-supported solid oxide electrolysis cellFig. � Palladium alloy high-eﬃcient hydrogen
permeation membraneフューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

資源環境エネルギー循環型コンパクト化学システム
Creation of compact chemical system for material,
environment, and energy circulation
教授 塚原 剛彦

Takehiko TSUKAHARA, Professor

機能性ナノ材料の創製と応用

放射性物質やレアメタルを選択的にキャッチ & リリースしたり、色の変化として視覚的にセンシングすることを可能とする機能性ナノ材料（ポリマー、フォトニック結晶、ミセル等）を創製すると共に、これらナノ材料の特性を活かした、熱光変換デバイ
スや Li イオン電池用材料開発に関する研究を進めている（図１）。併せて、ナノ界面領域で起こる分子レベルの現象解明にも取り組んでいる。

Lab on a chip: マイクロ・ナノ化学デバイス

半導体加工技術を駆使し、一枚の基板上にマイクロ・ナノスケー
ル (�� nm ～ ��� μm) の微小空間を創り込み、そこに、溶液
混合・反応・分離・検出等の様々な化学分析操作を集積化す
る「Lab on a chip」の研究開発を進めている。独自のレーザー分光計測法や同位体質量分析法などを組み合わせ、僅か � 滴の溶液中に存在する放射性物質やレアメタルを、数秒で分離・分析することに成功している。現在、このシステムの福島原発事故の現場分析への適用を進めている（図２）。

Zero Waste レアメタル直接回収技術

刺激応答性ポリマーは、温度、pH、光などの外場に応答して物理化学特性を急激に相転移させるユニークな材料である。
我々は、このポリマーと金属元素に選択的に配位する抽出剤とを水系廃液中で混合・昇温させるだけで、金属錯体内包のポリマーゲルとして分離回収できる “廃棄物を出さない新しい分離法” を開発すると共に、そのポリマーの放射線医療応用を進めている。

図�

高分子フォトニック結晶による金属イオンセンシング

Fig. � Sensing of Strontium Ion Using Polymer-Based
Photonic Crystal

図�ptsuka@zc.iir.titech.ac.jp
��-����-����Creation of Functional Nano Materials and Its
Applications to Nuclear and Environmental
Chemistry

We have created various functional nanomaterials such as
photonic crystal polymers, micelles, and etc, which canseparate and detect selectively target radionucleids andrare-metals (Fig. �). By using the nanomaterials, we havedeveloped novel extraction/separation methods of metal ionsand energy devices for thermal-solar conversion andlithium-ion battery.

Lab on a chip: Micro-Nano Chemical Device

We are trying to realize Lab on a chip, which various chemical
operations invoking reaction, extraction, and separation canbe integrated into micro/nano scale spaces on a chip, using
micro/nano fabrication technologies. Rapid and highly
eﬃcient separation/analysis of radionuclides at single ion levelw i l l b e co n st r u cte d b y co m b i n at i o n w i t h o r i g i n a l
nano-detection methods (Fig. �).

Development of Waste-Free Solvent Extraction
MethodDirect extraction technique of metal ions from aqueous
solutions using stimuli-responsive polymers, which exhibithydrophilic/hydrophobic phase transition, has been
investigated. When the polymer and chelating ligands are
mixed and heated in an aqueous solution containing metal
ions, the polymer is smoothly converted to a gel and the metalchelate complexes can be recovered onto the polymer gel. We
have investigated the novel waste-free separation method andits application to radiation therapy for drug delivery system(DDS).

マイクロ・ナノ化学システム

Fig. � Fundamental Techniques of Micro/Nano Chemical System on a Chip

10

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

新世代のエネルギー変換材料・技術の創出
Development of materials and technologies
for future energy
教授 村上 陽一

Yoichi MURAKAMI, Professor

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CO� 吸収 / 吸着、イオン伝導を行う新規固体材料の開発

Solid materials for CO� absorption and ion
conduction

熱エネルギーを有効利用する新材料・システムの開発

New materials and systems for eﬀective use ofthermal energy

カーボンニュートラル（CN）に向けては、CO� 排出低減が困難
な産業分野に向けて、低消費エネルギー・低環境負荷で CO�
を分離・回収する技術が必要となっている。また、CNに必須な再エネ社会の実現には高伝導・安全・軽量な蓄電池材料が必要である。既存技術の延長ではないこれらの新材料開発を通じて社会の CN および産業界の発展に貢献する。

一次エネルギーの大半は熱として利用され、また、その他の場合も最終的に熱となる。社会で生じる膨大な熱の有効利用は重要であり、(i) 革新的な蓄熱材料の開発 および (ii) 強制対流冷却と熱電発電を統合する新エネルギーシステムの開発を通じてこのような課題への解決を追求する。

光エネルギーの利用効率を高める光の短波長化材
料の開発

CNには多量な太陽光エネルギーの高効率利用が望まれる。しかし、現状の半導体等の光変換材料は、ある波長より長波長側の光エネルギー部分は原理的に使用できない。新概念に基づく革新的な光の短波長化材料の開発を通じてこのような未解
決課題の解決に挑戦する。

図�

To achieve carbon-neutrality (CN), new technology to separateCO� with low energy consumption and low environmental load
is necessary for “hard-to-abate” industries. Maximal use ofrenewable energy requires highly conductive, safe, andlight-weight materials for secondary batteries. Through thedevelopments of these novel materials, contributions to CN of
our world and evolution of industry are to be made.

Most of the primary energy is used as heat, and in other cases
it eventually becomes heat. Eﬀective utilization of theenormous amount of such heat is pursued through thedevelopment of (i) innovative heat storage materials and (ii)the development of novel energy system that integrates
forced-convection cooling and thermoelectric power
generation.

Wavelength-shortening materials for improving
the eﬃciency of light energy utilization

Eﬃcient use of a large amount of solar energy is desired forCN. However, in the current materials such as semiconductors,
the spectral portion on the longer wavelength side than acertain wavelength cannot be used in principle. We arechallenging such unaddressed problem by developing
innovative wavelength-shortening materials based on a newconcept.

研究開発対象のイメージ

Fig. � Image of Research and Development Targeted11

murakami@zc.iir.titech.ac.jp

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

カーボンニュートラルへの貢献を目指したエネルギー関
連研究
Energy-related research for contributing to carbon
neutrality
准教授 髙須 大輝

takasu.h@zc.iir.titech.ac.jp

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Hiroki TAKASU, Associate Professor

二酸化炭素直接電気分解のための次世代セル開発

カーボンニュートラルへの貢献のため、二酸化炭素（CO�）の資源化技術開発に取り組んでいる。当研究室では、特にキー
テクノロジーとしての “CO� の効率的な直接電気分解の実現”を目標として、金属を支持体とする次世代固体酸化物形セル（SOC）の開発を行っている。SOC を用いることで電気エネル
ギーを利用した CO� の直接電気分解が可能である。また、金属支持とすることで熱応力に強く、優れた機械的強度を有する
低コストかつ大面積のセル製造が期待できる。一方で、金属支持体を用いることで、従来の SOC 製造プロセスが適用できないことから、各層の成膜から金属の耐食プロセスに至るまで
個別に検討が必要であるため、現在メーカーらや他大学・研究所と連携し開発を進めている。

超高純度水素製造のための金属水素分離膜開発

余剰エネルギーを物質製造に利用する Power to Gas の検討が世界的に進められている。特に水素はエネルギー媒体としての利用のみならず、メタンや液体燃料の原料としても利用が可
能であることからも注目を集めている。いずれの水素製造法においても水素は他ガス等との混合ガスとして生成されるため、利用する上では水素の分離プロセスが必要となる。本研究室
では金属格子間隙を “ふるい” として利用する金属水素分離膜の開発を進めている。本分離膜を用いることで超高純度な水素分離が一段分離プロセスで実現することが期待できる。実用化を見据え、複合化による優れた分離性能や長時間耐久性を有する金属分離膜の開発を進めている。また、金属分離膜
は ���℃以上で利用が可能であるため、炭化水素を用いた水素生成反応を促進する膜反応器としての利用についても検討を行っている。

図�

金属支持 SOC 構造

Fig. � Metal-supported SOC structure図�CO� 電解試験装置

Advanced cell development for direct electrolysis
of carbon dioxide

To contribute to carbon neutrality, we are working on thedevelopment of carbon dioxide (CO�) recycling technologies.
The laboratory is developing a next-generation solid oxide cell(SOC) using metal support with the goal of “realizing eﬃcient
direct electrolysis of CO�” as a key technology. The use of ametal support is expected to enable the production of
low-cost, large-area cells with excellent mechanical strengthand resistance to thermal stress. On the other hand, the use ofa metal support means that the conventional SOC
manufacturing process cannot be applied, so individual
studies are required from the deposition of each layer to themetal corrosion resistance process.

Development of metallic hydrogen separation
membrane for ultra-pure H� production

Power to Gas, the use of surplus energy for material
production, is being considered worldwide. Hydrogenproduction is a strong candidate and various production
methods are being considered, but a hydrogen separation
process is required to utilize hydrogen. This laboratory has
been developing a metallic hydrogen separation membrane,
which is expected to realize ultra-pure hydrogen separation ina single-step separation process. For practical use, we aredeveloping a metal separation membrane with excellent
separation performance and long durability. In addition, theuse of metal separation membranes as membrane reactors topromote hydrogen production reactions with hydrocarbons is
also being investigated.

Fig. � CO� Electrolysis test apparatus

図�

複合金属水素分離膜の SEM 像

Fig. � SEM image of metallic H� separation membrane12

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

革新的資源循環を可能にするナノ空間材料の創製
Elaboration of nanospace materials: enabler for
innovative resources recycling
准教授 横井 俊之

yokoi@zc.iir.titech.ac.jp

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Toshiyuki YOKOI, Associate Professor

骨格内ヘテロ原子位置を制御したゼオライトの創製

ゼオライトは、石油精製・石油化学分野における効率的な資源・エネルギー循環プロセスの創出から、大気、土壌、水質などの環境汚染や福島原子力発電所の事故に関する放射性物質の除去、吸着特性を生かした建材への利用など、多様な産業分
野において重要な材料であり、最近では、カーボンニュートラ
ル型化学品製造プロセス実現のためのキーマテリアルとしても注目されている。ゼオライトのシリカ骨格に Al、Ga、Fe、Sn、Ti などの “ヘテロ原子” を導入することにより、「触媒能」、「イ
オン交換能」など様々な機能を発現させることができる。ゼオ
ライト細孔内のヘテロ原子の位置を制御手法の開発と位置制
御による高機能に取り組んでいる。

化学産業のカーボンニュートラルに資する触媒プロセス開発

水を原料とした水素と二酸化炭素から合成されるメタノールから基礎化学品であるエチレン、プロピレン等の低級オレフィンを合成する触媒プロセス（methanol to oleﬁns: MTO 反応）
用のゼオライト触媒開発に取り組んでいる。一連のプロセスが完成すると、太陽光と水から得られた水素（ソーラー水素）と二酸化炭素からプラスチック原料等の基幹化学品を製造するという植物の光合成プロセスの一部を模した、化石資源に頼らない革新的な化学品製造プロセスの実現につながる。

二酸化炭素資源化用触媒プロセス開発

二酸化炭素と水素から代替再生可能燃料となるメタノールを高効率で合成するための革新的な水素化触媒プロセスの開発に取り組んでいる。特に、外場「マイクロ波、磁気誘導、およびプラズマ誘導」を駆動力とした省エネルギー型の革新的な二酸化炭素水素化触媒プロセスによるメタノール合成を目指している。

図�

ゼオライト骨格内 Al 原子の位置

Fig. � Location of Al atoms in zeolite
framework13

図�

A new class of zeolites with atomic-ordered
functions

Zeolites have attracted much attention because they
contribute to the solution of the issues of energy, resourcesand environment, contributing to the establishment of asustainable society. The introduction of heteroatoms such as
Al, Ga, Fe, Sn, Ti, and etc. generates unique function derived
from heteroatoms. We are tackling the development of amethod for controlling the location of heteroatoms innanospace of zeolites, dramatically improving their functions.

Development of catalytic process toward carbon
neutrality in chemical industry

We are carrying out the development of a zeolite catalyst thatcan selectively convert methanol to lower oleﬁns, ethylene,
propylene. Methanol can be obtained through solar hydrogenand carbon dioxide. The accomplishment of the whole process
w i l l co n t r i b u t e t o t h e d e v e l o p m e n t o f “a r t i ﬁ c i a lphotosynthesis” to apply to the chemical industry.

Development of catalytic process for utilization ofcarbon dioxide

We are focusing on the selective CO � conversion into
renewable methanol through innovative heterogeneous
catalysts systems optimized for advances hydrogenation
technologies (microwave, plasma and magnetic induction).

メタノールからエチレン、プロピレン等の低級オレフィンを合成するゼオライト触媒プロセス（methanol to oleﬁns: MTO 反応）

Fig. � Conversion of methanol into lower
oleﬁns over zeolite catalyst

図�

革新的水素化技術を基盤にした二酸
化炭素と再生可能水素からのグリーン
メタノール合成

Fig. � Conversion of CO� into renewable
methanol through innovative
heterogeneous catalysts systems

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

超イオン導電体の創成と全固体電池開発

Creation of superionic conductors and development of
all-solid-state batteries
特命教授 菅野 了次

kanno@zc.iir.titech.ac.jp

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Ryoji KANNO, Institute Professor

全固体電池の開発

電極材料、電解質材料の組み合わせとその界面形成技術の総合的な最適化によって実現される全固体電池は化学‐電気エネルギー変換デバイスの理想系とされ、将来の技術として大きな期待が寄せられている。その実現に向けて、固体電解質の物質開拓を行い、最適な全固体電池の構成を構築すると共に、プロトタイプデバイスを実際に作成し、問題点を要素技術に還元して全固体電池の開発を行っている。

図�

全固体電池模式図

Fig. � Schematic diagram of all-solid-state battery:(Left)Conventional lithium-ion battery,(Right)All-solid-state battery

Development to all-solid-state batteries

All-solid-state battery, which only be realized with the comprehensive
optimization of combining electrode materials and electrolyte materials andt h e i r i n te r fa ce fo r m i n g te c h n o l o g y, i s co n s i d e re d a s a n i d ea lchemical-electrical conversion device, and is believed to be a great futuretechnology. For its realization, the development of all-solid-state batteries istaken place by examining their optimized mechanism based on LGPS basedmaterials, making prototype devices to ﬁnd out their issues, and going
through the underlying technologies to solve the issues.

図�

固体電解質を用いた全固体電池の優れた出力特性

Fig. � Excellent output characteristics of all-solid-statebatteries using solid electrolytes

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

レジリエンス向上と再生可能エネルギー電力主力化に寄与す
る地域マイクログリッド
Resilient networked microgrid systems
特任教授 浅野 浩志

asano.h.aj@m.titech.ac.jp

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Hiroshi ASANO, Specially Appointed Professor

概要

単独のエリアでのマイクログリッドを配電系統を介して、常時はネットワーク型マイクログリッドを構成し、PV やバイオマス発電、小水力など地域資源をより活用できる。指定区域供給制度および配電事業制度の創設により、地域のエネルギーレジリエンスを向上させ、系統制約の強い地域でも再生可能エネルギー電力を活用できる。マイクログリッド内の電力貯
蔵容量に余裕のあるときは、系統運用者にアンシラリーサービスを提供し、追加的な収益も得られる。各種のマイクログリッドの設計・運用の最適化を目指す。

OutlineTo promote further renewable energy integration, some schemes to solve theissues without reinforcement of T&D facilities. A microgrid is one of promisingsolutions to relax the T&D constraints for further interconnection of variable
renewable generation. The increasing penetration of DERs such as distributed PV
and storage battery improves the resiliency of local microgrid with islanded
distribution system. Networked microgrids may bring signiﬁcant beneﬁt in
reducing the local outage damage. We eﬃciently make a stable and proﬁtable
schedule of microgrids with PV and storage battery.

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図�

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ネットワーク型マイクログリッド構成図

Fig. � Networked Microgrid Conﬁguration14

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

セクターカップリング技術のためのエネルギーシステム解析
Energy system analysis for sector coupling technologies
特任教授 小田 拓也

oda.t.ab@m.titech.ac.jp

��-����-����Takuya ODA, Specially Appointed Professor

概要

再生可能エネルギーの利用を最大化するために、交通機関を含むほぼ全てのエネルギー消費機器の電化が必要になります。本研究では、電化されたすべての機器がシステム的に連携して最適化された、将来の理想的なエネルギーシステムを明らかにすることを目指しています。

OutlineIn order to maximize the use of renewable energy, most ofenergy-consuming devices, including transportation sector, must be
electriﬁed. This research aims to identify the ideal energy systems of
the future, which all electriﬁed devices are systematicallycoordinated and optimized.

図�

エネルギーフローFig. � Energy Flow diagram

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

エネルギー社会の未来を予測する～核燃料サイクル高度化の意義～

Prediction of Future Energy Society ～ Signiﬁcance of Upgradingof Nuclear Fuel Cycle ～特任教授 / 名誉教授 竹下 健二

takeshita.k.ab@m.titech.ac.jp

��-����-����Kenji TAKESHITA, Specially Appointed Professor/Professor Emeritus

概要

核燃料サイクルは、原子炉を中心に、採掘、精錬、濃縮、燃料製造を含む前工程、使用済み燃料の再処理、ガラス固化、最終処分を含む後工程からなる。各工程間の物質収支を明らかにして、
適切な条件設定をすることにより核燃料サイクル全体を定量評価することができる。
本研究では、核燃料サイクルのシミュレーションコードを構築し、MOX 燃料利用、軽水炉マルチサイクル、高速炉サイクルの導入など数々の将来シナリオを解析する。原子力エネルギーの持続的利用を目指し、シナリオ解析の結果からバックエンドプロセスを起点にした核燃料サイクルの高度化について議論する。

Outline15

The nuclear fuel cycle consists of the front-end process including
mining, reﬁning, enrichment, and fuel production, and the back-end
process including spent fuel reprocessing, vitriﬁcation, and ﬁnal
disposal, centering on nuclear reactors. By clarifying the materialbalance between processes and setting appropriate operation
condition of each process, it is possible to quantitatively evaluate
the entire nuclear fuel cycle. In this study, we construct a simulation
code for the nuclear fuel cycle and evaluate a number of futurescenarios, such as the use of MOX fuel, the introduction of LWR
multi-cycle, and the introduction of fast reactor cycle. Aiming at thesustainable use of nuclear energy, we discuss the upgrading of thenuclear fuel cycle based on back-end processes from the results of
scenario analysis.

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図�

核燃料サイクル!"#$%& '()*+,-%!(+*%./)*+

Fig. � Nuclear Fuel Cycle

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フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

将来目標や計画等策定の「脱炭素地域計画支援システム」の開発
Planning System toward Sustainable Decarbonizing-Cities andRegions特任教授 藤田 壮

fujita��t@gmail.com
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Tsuyoshi FUJITA, Specially Appointed Professor

概要

各 地 域 に お け る 脱 炭 素 化（decarbonization）と 都 市 転 換（re-urbanization）を統合的に推進するため、脱炭素化に係る複数の主要な政策分野を横断的に捉え、地方自治体等が地域の脱炭素化に向けた総合的な計画策定等のために活用できる汎用的な「脱炭素地域計
画支援システム」を開発する。地域自律エネルギー、次世代交通、建設ストック等の脱炭素化に係る主要な政策分野における先導地域において、地域の大学、自治体、企業等と連携し、それぞれの政策分野における脱炭素化モデルを構築する。また、各政策分野の脱炭素化モデ
ルの統合や市民等を巻き込んだ合意形成システムの開発等に係る研究を行う。

OutlineRegional Planning Guideline systems are developed by analyzing andgeneralizing demonstrative practices of advanced cities and regions
and the systems are implemented and veriﬁed through regional
collaborative action research process among local governments, key
business sectors and other related stakeholders. Based on theinvestigation of local characteristics, regional energy system, local
transportation systems as well as built environment transition
systems are interactively designed and shared in the decision making
process with quantitative evidences.

図�

脱炭素地域インフラネットワークのイメージ

Fig. � Infrastructure Network Image for Decarbonizing Regions

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

半導体製造等で発生する排ガスのグリーン化システムの開発
Development of abatement system for semiconductor
production exhaust gas
特任教授 森原 淳

Atsushi MORIHARA, Specially Appointed Professor

morihara.a.aa@m.titech.ac.jp

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概要

半導体工場では、パーフロロカーボンや塩素系のガスなどを使用しその多くが未使用な状態で排気されるので無害化や温暖化係数の低減などの処置が必要となります。その処理を、化石燃料の燃焼ではなく、電気のプラズマや洗浄棟（スクラバー）によって分解除去するシステ
ムを開発しています。化石燃料を使用しないことで、地球温暖化の抑制をできることから、世界的にも電気による処理が増えてきています。
今後は、化石燃料由来でない水素を活用した更に省エネな方式の開発も推進しています。

OutlineSemiconductor factories use perﬂuorocarbon and chlorine-based
gases, and most of them are exhausted in an unused state. We aredeveloping a system that decomposes and removes it using electric
plasma or a scrubber instead of burning fossil fuels.
Since global warming can be suppressed by not using fossil fuels, theuse of electricity for processing is increasing worldwide. In the future,
we will promote the development of even more energy-saving
methods that utilize hydrogen that is not derived from fossil fuels.
図�

プラズマ除害装置

Fig. � Plasma abatement system

図�

プラズマ火炎Fig. � Fire of plasma

16

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

大規模電力貯蔵に向けた蓄電池とその制御手法の開発

Development of batteries for large-scale energy storage andtheir optimized control
教授 荒井 創arai.h.af@m.titech.ac.jp

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Hajime ARAI, Professor

リチウムイオン電池の長寿命化

世界中で製造されている電動車用リチウムイオン電池を、社会インフラストラク
チャーに相当するエネルギー貯蔵システムとして活用可能するために、その寿命診断技術および長寿命運転法の開発を進めている。

水系電池技術の開発

亜鉛空気電池を始めとする、安全・安価で資源豊富な材料で構成される水系電池に注目し、その場解析を適用して特性改善を進めている。

図�Life extension of lithium-ion batteries

We develop lifetime diagnosis and life extension management of lithium ion
batteries that are produced worldwide for electric vehicle applications and canbe utilized as large-scale energy storage systems as social infrastructure.

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Development of aqueous battery technology

We focus on safe, low-cost and material-abundant aqueous battery systems
such as zinc-air, and improve their performance by using operando analysis.

創形科学研究コア

電池寿命診断Fig. � Battery life diagnosis

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図�

亜鉛空気電池Fig. � Zinc‒air battery

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

Materials Processing Science Research Core教授 大竹 尚登

ohtake.n.aa@m.titech.ac.jp

���-���-����Naoto OHTAKE, Professor

DLC(Diamond-Like Carbon) の作製と応用

DLC はダイヤモンドに似た性質を持ち高硬度、低摩擦係数、化学的安定性などの優れた性質を有しています。体摩擦係数・耐摩耗性のコーティングとして応用が進んでいる DLC コーティングの更なる高機能化を推進します。具体的には、(�) 髙耐摩耗性テクスチャ DLC 膜、B-C-N 系アダマント膜の成膜方法開発と機械的特性・トライボロジー特性評価を行います。(�) 砂などの異物が潤滑油中に混入した過酷条件でも機械部品を守る表面を設計します。(�) DLC を構成する C、H に第三元素を添加して、DLC の耐薬品性能と生体親和性を向上
させ、高生体親和性の医療機器を開発します。(�) どんな樹脂や接着剤も剥離させることのできる DLC ベースのコーティングを開発します。

Fabrication and Application of Diamond-Like Carbon

DLC has excellent properties such as high hardness, low friction coeﬃcientand chemical stability, which are similar to diamond’s properties. We areaiming for further promotion of DLC coating technology. (�) To develop
deposition method of abrasion resistant texture DLC ﬁlm and B-C-N systemadamant ﬁlm, then evaluate the mechanical or tribological properties. (�) To
design the surface that can protect mechanical parts even under severe
moving conditions where contamination such as dust is mixed in lubricatingoil. (�) To enhance the chemical resistance and biocompatibility of DLC byadding third element other than C and H atom. By applying this technique,we tried to develop the DLC coated medical devices which is required highbiocompatibility. (�) To develop a DLC based coating technique that can beeasily peeled oﬀ against any resin or adhesive.
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微細表面構造（セグメント構造）DLC 膜の提案

・ 左の連続構造膜に対して、右のミクロンオーダ微細表面構造膜ではセグメント構造が明確に観察される。
・ セグメント構造化の効果は、ドライ条件下でのボールオンディスク試
験でも顕著である。左の連続構造の膜は �.��m で完全に剥離・摩滅してしまっているのに対し、セグメント構造では �.��m 摺動後でも摩耗がなく摺動部を探すのも困難。

Fig. � Fine surface structure (segment structured) DLC ﬁlm• The micron-ordered segment structure is clearly observed on
the surface of right ﬁgure.
• The eﬀect of the segment structuring is remarkable in the ball on
disc test under dry conditions. The continuous structured DLC
has been completely peeled oﬀ and worn out at �.�� m sliding
distance. On the other hand, wear track cannot be seen on thesurface of segment structured DLC even after �.�� m sliding.

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

エネルギー変換化学による炭素・窒素循環利用システムの創成
Creating Circular Systems for Carbon and Nitrogen Utilization
with Energy Conversion Chemistryཎᅗ2

教授 大友 順一郎

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Junichiro OTOMO, Professor

高効率燃料電池・電解セルの開発

otomo.j.aa@m.titech.ac.jp

ཎᅗ1高いプロトン伝導率を有する新規電解質材料を合成し、イオン、電子、ホール
伝導性を制御することで、高効率な燃料電池・電解セルの開発を推進している。

電気化学促進効果を利用した窒素・二酸化炭素還元

再生可能エネルギーを利用した電気化学促進効果による窒素と水からのアン
モニア電解合成反応の検討や二酸化炭素還元への応用展開を進めている。

化学ルーピングによる炭素循環利用

キャリア粒子の酸化還元反応に基づく化学ループ法を用いた二酸化炭素の活性化と有効利用の検討を行っている。

Developing highly eﬃcient fuel cell and electrolytic cell図ᅗ㻝䠊㧗ຠ⋡䝥䝻䝖䞁ఏᑟᆺ⇞ᩱ㟁ụ�㻲㼕㼓㻚㻝㻚㻌㻴㼕㼓㼔㼘㼥 㼑㼒㼒㼕㼏㼕㼑㼚㼠㻌㼜㼞㼛㼠㼛㼚㻙㼏㼛㼚㼐㼡㼏㼠㼕㼚㼓㻌㼒㼡㼑㼘㻌㼏㼑㼘㼘
高効率プロトン伝導型燃料電池

図�ᅗ㻞䠊㟁Ẽ໬Ꮫಁ㐍ຠᯝ䛻䜘䜛㟁ゎྜᡂ
電気化学促進効果による電解合成

Fig. �
Fig. �
Electrolysis with electrochemical
Highly eﬃcient1) G. Kojo, X. Wei, Y. Matsuzaki, H. Matsuo, K. Hellgardt, J. Otomo, Solid State
ཎᅗ3
Ionics337 (2019)132–139.
promotion 2eﬀect
proton-conducting
fuel cell㻲㼕㼓㻚㻞㻚㻌㻱㼘㼑㼏㼠㼞㼛㼘㼥㼟㼕㼟㻌㼣㼕㼠㼔㻌㼑㼘㼑㼏㼠㼞㼛㼏㼔㼑㼙㼕㼏㼍㼘㻌㼜㼞㼛㼙㼛㼠㼕㼛㼚㻌㼑㼒㼒㼑㼏㼠㻌㻌Highly eﬃcient fuel cell and electrolytic cell are developed by synthesizing novel electrolyte materials
with high proton conductivity and controlling ion, electron, and hall conductions.

Reduction reactions of nitrogen and carbon dioxide with electrochemical
promotion eﬀect

Electrochemical promotion eﬀect is investigated for electrochemical ammonia synthesis from nitrogen
and water by using renewable energy, and is also applied to carbon dioxide reduction reaction.

Circular use of carbon dioxide with chemical looping

Carbon dioxide activation and its eﬀective utilization are investigated using the chemical loop methodwith redox reaction of carrier particles.

図 � ᅗ㻟䠊Ⅳ⣲ᚠ⎔฼⏝໬Ꮫ䝹䞊䝢䞁䜾
炭素循環利用化学ルーピング㻲㼕㼓㻚㻌㻟㻌㻯㼔㼑㼙㼕㼏㼍㼘㻌㼘㼛㼛㼜㼕㼚㼓㻌㼒㼛㼞㻌㼏㼕㼞㼏㼡㼘㼍㼞㻌㼡㼟㼑㻌㼛㼒㻌㼏㼍㼞㼎㼛㼚㻌㼐㼕㼛㼤㼕㼐㼑

Fig. � Chemical looping for circular㻝㻕 㻿㻚 㻴㼕㼗㼕㼙㼍㻘㻹㻚 㻷㼑㼘㼘㼑㼞㻘㻹㼍㼠㼟㼡㼛㻘 㼅㻚 㻹㼍㼠㼟㼡㼦㼍㼗㼕㻘㻶㻚 㻻㼠㼛㼙㼛㻘 㻯㼔㼑㼙㻚 㻱㼚㼓㻚 㻶㻚 㼕㼚 㼜㼞㼑㼟㼟useof 㻴㻚carbon
dioxide㻞㻕㻌㻹㻚㻌㻷㼑㼘㼘㼑㼞㻌㼍㼚㼐㻌㻶㻚㻌㻻㼠㼛㼙㼛㻘㻌㻶㻚㻌㻯㻻㻞㻌㼁㼠㼕㼘㻚㻌㻠㻜㻌㻔㻞㻜㻞㻜㻕㻌㻝㻜㻝㻝㻥㻝㻚

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

環境要因を考慮した総合的生産効率性分析の研究

Research on comprehensive productive eﬃciency analysis
considering environmental factors
教授 後藤 美香

goto.m.af@m.titech.ac.jp

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Mika GOTO, Professor

概要

持続可能な社会に向けて、経済効率性や成長の視点に加え、気候変動対策や環境問題
解決の視点が重要になってきています。企業経営においては、ESG 投資に関連する非財務情報の開示が求められるようになってきました。そのような中、経済や社会の生産効率性の評価体系においては、投入要素、生産物から成る産出物最大化や費用最小化に依拠する従来の生産性、生産効率性の体系から、環境要因など新たな要素を取り入れた、
総合的・包括的な体系に移行していく必要があります。本研究室では、企業や地域・マ
クロ経済などを対象に、生産性、生産効率性の評価分析において、自然資源や文化資源、さまざまな環境要因などを取り入れて考察するための手法を、計量経済学や数理モデルの応用により提案するとともに、各種データを用いた実証分析から研究しています。

Outline図�

総合的生産効率性分析の概念

Fig. � Concept of Comprehensive Productive Eﬃciency
AnalysisToward a sustainable society, climate change countermeasures and environmental problem-solving perspectives are becoming
increasingly important along with economic eﬃciency and growth perspectives. In corporate management, disclosure of non-ﬁnancial
information related to ESG investment has been encouraged in recent years. Under such circumstances, it is necessary to shift from theconventional productivity and productive eﬃciency evaluation system, which relies on output maximization and cost minimizationconsisting of input factors and outputs, to a comprehensive and inclusive system that incorporates new factors such as environmental
factors. This laboratory is proposing methods to incorporate natural and cultural resources and various environmental factors in theevaluation and analysis of productivity and productive eﬃciency for companies, regions, macro-economies, etc., by applying
econometrics and mathematical models, and is conducting research through empirical analysis using various types of data.

18

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

エネルギーと物質代謝からの細胞制御の理解と応用

Understanding and application of the cell system based onenergy and biosynthesis
教授 田中 寛tanaka.k.bu@m.titech.ac.jp

���-���-����

Kan TANAKA, Professor

光合成を基盤とした細胞活動の基本構築

全ての生物は細胞から成り立っており、細胞システムの基本的作動原理の解明は生命科学に共通した目標です。細胞システムの基盤には、光合成や呼吸に代表される生体エネルギーの獲得系があり、それに支えられた生合成により細胞は成長し、さらに細胞は複製されて細胞増殖が起こります。当研究室では、生体エネルギーを基盤としたこれらの緒プロセスがどのように統合され、生きた細胞システムを構築しているかの研究を進めています。さらに、生物の実際の生育環境は常に変化しており、生きた細胞システムがそのような変動にどのように対処しているかについての考察を進めています。光合成微生物における細胞制御・環境応答の包括的理解、そこからの藻類バイオマス生産の応用などはその具体的な研究例です。

Basic architect of photosynthetic cells

All living things are made up of cells, and elucidation of the basic operating principle of the cellsystem is a common goal in life science. At the foundation of the cell system is a bioenergy
acquisition system represented by photosynthesis and respiration, and cells grow bybiosynthesis supported by it, and cells are further replicated to cause cell proliferation. In ourlaboratory, we are conducting research on how these bioenergy-based processes are integrated
to build a living cell system. In addition, the actual habitat of living organisms is constantly
changing, and we are considering how living cellular systems cope with such ﬂuctuations.
Comprehensive understanding of cell control and environmental response in photosynthetic
microorganisms and application for algal biomass production are speciﬁc research examples.

低温アンモニア合成

図�

光合成細胞の基本構築

Fig. � Basic architect of photosynthetic cells

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

Low temperature ammonia synthesis
教授 原 亨和mhara@msl.titech.ac.jp

���-���-����

Michikazu HARA, Professor

低温アンモニア合成

��� ℃以下で NH� 平衡収率（数 MPa の加圧で ��% 以上の NH� 収率：図１）を達成する新しい鉄系触媒 Haber-Bosch 法プロセスを開発し、CO� フリーエネルギーによる NH� 製造を社会実装することによって CO� 総排出量を �～�% 以上削減する。
NH� 製造を一手に担う Haber-Bosch（HB）
法は、NH� 収率の向上を ��� 年来の課題としている。このプロセスで使われてきた鉄系触媒の稼働温度は ��� ℃以上の高温であるため、当該触媒で NH� 収率を高めるには反応系を加圧しなければならない。従って、既存鉄系触媒を使用する限り、高温・高圧の維持に大きなエネルギーを投入したとしても、NH� 収率は �� ～ ��% に過ぎない（図１）。例えば、HB 法
で既存鉄系触媒を ��� ℃、�MPa で稼働した場合、最大 NH� 収率は ��% であり、�.�� MPa 相当の NH� しか得られない。しかし、
��� ℃で平衡収率（� MPa で ��%）を達成する触媒があれば、� MPa の加圧で �.�� MPa の NH� が得られる（図１）。即ち、��� ℃、�
MPa での稼働に投入したエネルギーを ��～��% 削減しても、同等量以上の NH� を製造できる。これは ��� ℃以下で NH� 平衡収率を達成できる触媒が HB 法の効率を飛躍的に高めることを意味する。しかし、従来の HB 法では ��� ℃以下で作動する触媒すら存在しない。
このような背景の中、当グループは：��� ℃以下で NH� 平衡収率を達成する新しい鉄系触媒 Haber-Bosch 法プロセスを開発する。

Low temperature ammonia synthesis

19

Conventional ammonia production based on the Haber-Bosch (HB) process usinghydrogen derived from natural gas and coal is currently required to reduce the large
global CO� emissions. Any catalyst that can allow the operating temperature to be
decreased below ���‒��� ℃ would reduce the energy consumed for the HB process by�� to ��%. While we have also discovered a unique Ru-based heterogeneous catalyst tosynthesize ammonia from H� and N�, even below ��� ℃, we have again focused on ironused as the reaction sites since the beginning of the HB process. Iron has been regarded
as a classical transition metal that is inferior to other transition metals for ammonia
synthesis. However, iron is suitable for low temperature ammonia synthesis. The use of
ubiquitous, abundant, and inexpensive iron is also a signiﬁcant advantage with respect tothe environment and economy.

図�

HB 法の反応温度と NH� 収率の関係

Fig. � Correlation of ammonia yield with temperatureフューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

熱デバイス、熱物性計測、熱解析・シミュレーション

Thermal device, Instrumentation of thermophysical properties,
Thermal analysis & simulation
教授 森川 淳子

morikawa.j.aa@m.titech.ac.jp
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Junko MORIKAWA, Professor

概要

熱に関する計測・解析技術は、環境や新エネルギー開発の観点から、幅広い分野で重要性を増しています。なかでも、熱に関する機能をもつ物質・プロセスの開発は、加速するデジタルトランスフォー
メーション社会を担うエネルギー有効利用を支える基盤技術として、さらなる飛躍を求められています。私たちの研究グループでは、熱物理現象のサイエンス (Thermal Science) の探究を、最新の熱デバイス・計測技術を駆使した熱設計インフォマティクスとの融合を含めて加速することで、次世代社会の構築に向けた、環境や新エネルギー開発の課題に、幅広い視点で挑戦しています。
• 新エネルギーシステムのミクロ伝熱や放熱・断熱・蓄熱・輻射などの熱物性に注目して、精密測定法や材料設計を行い、最新のグリーン・イノベーションへの応用を目指します。
• 開発した新規な熱解析技術は、測定法として国際標準として産業技術の基盤にも貢献しています。

OutlineThermal technology has become increasingly important in a wide range of ﬁelds from theperspective of the environment and new energy development. In particular, the development of 図 � 分子配向制御と熱伝導制御（ACS より許可を得て掲載）
materials and processes with thermal functions is required to make further progress as a
Fig. � Heat transfer controlled by using thefundamental technology to support the eﬀective use of energy in an accelerating digitalanisotropic molecular orientationtransformation society. Our research group accelerates the exploration of the science of(Reproduced with permission from
ACS)
thermophysical phenomena (Thermal Science), including the fusion of thermal design
informatics with the latest thermal device and measurement technologies, to meet the challenges of environmental and new energy
development from a broad perspective for the construction of a next-generation society.
The aim of this project is to develop new thermophysical properties such as heat transfer, heat dissipation, thermal insulation, heatstorage and radiation in new energy systems, and to apply them to the latest green innovations by using precision measurement
methods and material design.
The new thermal analysis techniques we have developed are contributing to the foundation of industrial technology as international
standards for measurement methods.

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

エネルギー材料およびデバイスの設計・開発

Design and development of energy materials and devices
教授 山口 猛央yamaguchi.t.al@m.titech.ac.jp

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Takeo YAMAGUCHI, Professor

燃料電池および水電解に関する材料およびシステムの設計・開発

地球環境化問題、エネルギー・資源枯渇問題など地球規模の問題の解決には、新しい材料およびデバイスの開発が必要不可欠です。水電
解および燃料電池などのエネルギー材料・デバイスを開発しています。電解質膜および電気化学触媒、さらにそれらを繋げた膜電極接合体
として、分子から地球までを繋げて考え、実験と計算の両方を駆使して、
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最適な材料およびデバイスを設計・開発します。

Design and development of fuel cell and waterelectrolysis materials and systems

The renewable energy can be converted into hydrogen or hydrogen
carriers by water electrolysis, and stored and transported, and used aselectricity by fuel cells or hydrogen turbines at the required time andplace. Water electrolysis using anion exchange membranes caneﬃciently produce hydrogen without using precious metals, anddevelopment of highly durable anion exchange membranes are key toachieve the technology. For polymer electrolyte fuel cells, hightemperature and low humidity operation is required, and theelectrolyte membrane development is important. We are developing
those new membranes, electro-catalysts, membrane-electrodeassemblies, and the design strategies.

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図�

分子レベルから電解質膜および電気化学触媒、膜電極接合体、デバイス、
さらに、持続発展可能社会へつなぐエネルギー材料・デバイス技術

Fig. � Energy material and device technologies that connect frommolecular level to electrolyte membranes and electrocatalysts,
membrane electrode assemblies, devices, and a sustainable society

20フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

持続可能社会のための化合物薄膜太陽電池

Compound Thin-Film Solar Cells for a Sustainable Society
教授 山田 明yamada.a.ac@m.titech.ac.jp
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Akira YAMADA, Professor

Cu(In,Ga)(S,Se)� 化合物薄膜太陽電池の開発

持続可能な社会を実現するためには、CO� 排出量を抑えたクリーンなエネルギー源が必要とされています。Cu(In,Ga)(S,Se)�（CIGSSe）は光の吸収係数が高いため、�µm 程度の薄膜においても太陽光を十分に吸収して発電することが可能です。このため低コストな太陽電池であるとともに、軽量・フレ
キシブル性を有する太陽電池の作製が可能であり、車載や曲面設置などの多用途展開が期待されています。本研究室では、この CIGSSe 薄膜太陽電池を同時蒸着法あるいは硫化法により作製、変換効率向上を目指した研究を進めています。

Development of Cu(In,Ga)(S,Se)� thin-ﬁm solar cells

For pursuing a sustainable society, clean energy sources with low CO� emissions are required. Cu(In,Ga)(S,Se)� (CIGSSe) has a high absorption coeﬃcient, and it can absorb sunlight with a thicknessof about �µm. The property makes it possible to fabricate low-cost, lightweight, and ﬂexible solar
cells, which opens new applications of solar cells to vehicle-integrated photovoltaics andphotovoltaics for curved surface. In our group, we are developing CIGSSe solar cells by
co-evaporation and sulfurization methods, aiming to improve the conversion eﬃciency.

図�

Cu(In,Ga)Se� 太陽電池

Fig. � Cu(In,Ga)Se� solar cells

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

高効率化学合成を目指した新電解触媒系の開拓

Development of new electrocatalytic system for eﬃcientchemical production
教授 山中 一郎

yamanaka.i.aa@m.titech.ac.jp

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Ichiro YAMANAKA, ProfessorCO� 気相電解に活性な電極触媒開発

P/G-statDevelopment of electrocatalytic system and studyof reaction mechanism for synthesis of purehydrogen peroxide form water and air.

21

For large reduction of energy consumption for hydrogen
peroxide production, development of electrocatalytic system fordirect synthesis of pure hydrogen peroxide solutions from waterand air, and study of reaction mechanism are done.

1/2O2

H+

CO2
H2

Products

H2O

CathodeAnode

Nafion-H

Refenceelectrode(Ag/AgCl)

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C

R




!!
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231'4
#!$!"/56#!$!"

P/G-statW#"""

CoTPP/KB(1023K)
Cathode!"#!$%

図�CO� 気相電解図�

水と空気からの過酸化水素合成

Fig. � CO� gas electroreduction

!"




For reduction of CO � emission, development of active
electrocatalyst and study of reaction mechanism for reduction ofCO � in the gas phase using the solid-polymer-electrolyte
electrolysis cell are done.

CO

CH4

He




Development of active catalyst for the gas phaseelectrolysis

e-




過酸化水素の製造に必要なエネルギーの大幅削減を目指して、水と空気から高濃度の純過酸化水素を合成可能な電解合成系の開発と電極触媒作用機構について研究しています。



水と空気からの純過酸化水素の電解合成触媒系の開発と機構解明C R

CO� 削減を目指して、固体高分子形電解セルを用いた CO� の気相
電解に活性な電極触媒の開発と反応機構の解明を研究しています。

W

e-

""

##

#""


&'()*+),'./0'1

Ir/KB Anode
Referenceelectrode

Nafion-H
0.5 M H2SO4 aq.

(Ag/AgCl)

Fig. � Hydrogen peroxide production
form water and air

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

表面処理・元素分析・環境浄化のための大気圧プラズマ工学
Atmospheric plasma engineering for surface treatment,elemental analysis and environmental puriﬁcation
准教授 沖野 晃俊

okino.a.aa@m.titech.ac.jp

���-���-����

Akitoshi OKINO, Associate Professor

新しい大気圧プラズマ装置の開発

沖野研究室では、零下から数�,���℃、��� ミクロンから � メートルまでの、様々な放電方式のプラズマ装置を開発し、それらの基礎特性の評価を行っています。

表面処理・元素分析・環境浄化への応用

それぞれの応用に適したプラズマ発生方式、プラズマ生成ガス、プラズマ温度、形状のプラズマ装置を用いて、接着強度向上などの材料表面処理、単一細胞などの元素分析、環境浄化などの応用研究を行っています。

Development of brand new atmospheric plasma sources

In Okino lab., we have developed brand new plasma devices with various discharge methods
from below zero to several thousand degrees Celsius, from ��� microns to � meter and are
evaluating their basic characteristics.

Applications for surface treatment, elemental analysis and environmental
puriﬁcation
Using plasma devices with plasma generation methods, plasma-producing gases, plasma
temperatures and plasma shapes suitable for each application, we are conducting appliedresearch on surface treatment to improve adhesion strength, elemental analysis in single
cells, environmental puriﬁcation, etc.

図�

開発した様々な大気圧プラズマ装置

Fig. � Various atmospheric plasma sources
developed

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

次世代カーボンニュートラルサイクルの確立を目指して
Challenges to the next generation carbon neutral cycle
准教授 原田 琢也

harada.t.an@m.titech.ac.jp
��-����-����Takuya HARADA, Associate Professor

高効率 CO� 分離回収法

低コストで高効率の CO� 分離回収法の確立は、持続可能なゼロカーボン社会の実現に必要不可欠です。本研究室では、コアシェル型ナノ粒子クラスターや溶融イオン液体などの新しい機能性材料を用いた、革新的な CO� 分離プロセスの技術追求を行っています。

低エネルギー電気化学的 CO� 変換

CO� をカーボン資源として再利用することは、次世代の安定な低炭素エネルギーシス
テムの実現に不可欠です。本研究室では、CO� を再生可能エネルギー、そして原子力エネルギーを使って有益な化学物質へ変換する、新たな低エネルギー電気化学的CO� 変換法について研究しています。

Advanced CO� capture process

The establishment of high eﬃciency CO� capture system is a crucial challenge
toward the future sustainable zero-carbon society. We explore the advanced
low-cost CO� capture processes based on the new class of functional materials,
such as the core-shell type nanoparticle clusters and molten ionic oxides.

Low energy cost electrochemical CO� conversion

The utilization of CO� as a new carbon source plays an important role in the future
low-carbon energy systems. We perform the researches on the advanced
low-energy electrochemical CO� conversion processes to produce useful chemicalmaterials by the sustainable and atomic energies.

図�

次世代カーボンニュートラルサイクルの概念図

Fig. � Schematic illustration of next generation carbon
neutral cycle

22フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

新しい熱エネルギー変換技術：半導体増感型熱利用発電

Get the electricity directly from heat: Semiconductor-sensitized
thermal cell准教授 松下 祥子

matsushita.s.ab@m.titech.ac.jp!"#$"%!&'(

���-���-����

Sachiko MATSUSHITA, Associate Professor

半導体増感型熱利用発電の学理構築

te-e(Red/Ox)
Electrolyte

Conductive paste

H ea

e-

e-

ETM

Potential

Semiconductor-sensitized thermal cell

LoadeConductive paste

半 導 体 増 感 型 熱 利 用 発 電（semiconductor-sensitized thermal
cell, STC）は、半導体内の熱励起電荷により電解質イオンの酸化還元反応を行い電力を得る、新しい熱エネルギー変換技術です。設置
温度で化学平衡に到達すると放電が終了しますが、スイッチを切り、別の平衡へ移行することで、再度放電が可能となります（公開総説：
Acc. Mater. Surf. Res. ����, Vol.� No.�, ��-��.）。我 々 は この STCの学理構築を通じ、ゼロカーボンエネルギー社会の実現に貢献していきます。

A semiconductor-sensitized thermal cell (STC) is a new thermal
Semiconductorenergy conversion technology that uses thermally excited charges
in a semiconductor to generate electricity through a redox reaction
図 � STC 模式図
図 � STC 外観
of electrolyte ions. The discharge is terminated when chemical
Fig. � Schematic image of STC
Fig. � Sheet-type STCs
equilibrium is reached at the installation temperature, but can be!
switched oﬀ to another equilibrium to discharge again (published review: Acc. Mater. Surf. Res. ����, Vol. � No. �, ��-��). We willcontribute to the realization of a zero-carbon energy society through the establishment of this STC theory.

フューチャーエネルギー部門 Future Energy Division

水素貯蔵容器の損傷監視システムと健全性保証法の開発
Development of Damage Monitoring System and Integrity
Assurance Method for Hydrogen Storage Containers
准教授 水谷 義弘

Yoshihiro MIZUTANI, Associate Professor

mizutani.y.aa@m.titech.ac.jp
��-����-����

概要

燃料電池自動車の普及を促進するために、水素貯蔵容器の損傷監視システムと、そのシステムの利用を前提とした水素貯蔵容器の設計法の研究をしています。自動車と水素ステーション向けの水素貯蔵容器の低価格化と、容器を寿命ぎりぎりまで使い切ることを可能とする技術の開発を目指しています。

OutlineTo promote the spread of fuel cell vehicles, we are developing a damage
monitoring system for hydrogen storage containers and a design
method for hydrogen storage with the monitoring system. Our goal is todevelop technologies that enable low-cost hydrogen storage containers
for automobiles and hydrogen stations, allowing the containers to be
used to their maximum lifespan.

図�

損傷監視システムを用いた燃料電池自動車用水素貯蔵容器の健全性
保証システムFig. � Integrity Assurance System for Hydrogen Storage Containers for
Fuel Cell Vehicles Using Damage Monitoring System23

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

より安全で廃棄物の少ない原子力システム

Nuclear energy systems with safe and less waste
教授 小原 徹tobara@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����

Toru OBARA, Professor

ブリードバーン型高速炉概念研究

カーボンニュートラル社会の実現には安全で廃棄物発生の少な
い革新的な原子炉の開発が必要不可欠である。この研究では濃縮施設や再処理施設を必要とせず、天然ウランや劣化ウランを燃料とし、資源を有効に利用でき、廃棄物の発生量が少なく、かつ高い安全性を有するモジュラー型のブリードバーン型高速炉の開発を進めている。

福島原子力発電所廃止措置時の臨界安全

福島第一原子力発電所の廃止措置は安全に行われる必要があ
り、燃料デブリの取り出し時に燃料デブリが臨界とならないよ
うに作業を行うことは不可欠である。この研究では燃料デブリが作業中臨界となることを防止する技術と万一事故が発生した
場合の対策技術の開発を行っている。

空間依存動特性解析手法の高度化

福島第一原子力発電所での燃料デブリの取り出しや核燃料製
造施設、再処理工場等での臨界事故時の安全対策を検討する
ためには、様々な体系で動特性解析を行う必要がある。本研
究では、従来解析が困難であった領域間が核的に弱く結合している体系の空間依存の動特性解析手法の開発を行っている。

Study on Breed-and-Burn Fast Reactor

Development of innovative nuclear reactor with safe and lessnuclear waste is necessary to realize carbon neutral society. In
the study, the development of a modular type breed and burnfast reactor is in progress. The reactor has unique features thatnatural uranium or depleted uranium can be utilized as thefuel, it does not need enrichment facility nor reprocessing
facility, it can utilize natural resource eﬀectively, the amount ofradioactive waste can be less and it has high safety features.

Criticality Safety in the Decommissioning ofFukushima Daiichi NPS

The decommissioning of Fukushima Daiichi NPS must be
performed safely. In the fuel debris removing process, it isnecessary to avoid criticality accident. The study is performed
to develop the technology to avoid the criticality accident andthe measures if the accident happens.

Improvement of Space Dependent Kinetic
Analysis Method

It is necessary to perform kinetic analysis for various
geometries to establish measures for the criticality accidents infuel debris removal in Fukushima Daiichi NPS, nuclear fuelfabrication facilities, and reprocessing facilities. Developmentof kinetic analysis method is in progress for weakly coupledsystems, which are diﬃcult to analyze by conventional
method.

0.5
0.4

Keff

0.3
0.2
0.1
0

ᅇ㌿ᆺ⇞ᩱࢩࣕࢵࣇࣜࣥࢢࣈ࣮ࣜࢻࣂ࣮ࣥᆺ㧗㏿⅔ࡢ⅔ෆฟຊศᕸ
図 � ᅗ1回転型燃料シャッフリングブリードバーン型高速炉の炉内出力分布

Fig. � Power density proﬁle in Breed-and-Burn fast reactor corewith rotational fuel shuﬄing
Fig. 1 Power density profile in Breed-and-Burn fast reactor core with rotational fuel shuffling

0

0.1

0.2

0.3

0.4
Time (sec)

0.5

0.6

0.7

0.8

ਦਭ஦Ͷ೫ྋυϔϨฤ͗ཚԾͪ࣎͢͹ࣰްଁഔི͹รԿ
)LJ&KDQJHRIHIIHFWLYHPXOWLSOLFDWLRQIDFWRUGXULQJVHGLPHQWDWLRQRISLHFHVRIIXHOGHEULVLQZDWHU

図�

水中にデブリが落下したときの実効増倍率の変化

Fig. � Change of eﬀective multiplication factor
during sedimentation of pieces of fuel debris
in water

24

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

ゼロカーボン材料創製技術および原子力システムの安全性確立への冶金技術の活用
Utilization of metallurgy for safety, reliability andsustainability of nuclear systems
教授 小林 能直ykobayashi@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����

Yoshinao KOBAYASHI, Professor

物質循環システムの創製によるゼロカーボン材料
技術

Zero Carbon material technology with creation ofmaterials circulating system

次世代革新炉の材料信頼性向上に関する研究

Improvement of materials reliability towardinnovative nuclear reactors

沸騰水型軽水炉過酷事故後の燃料デブリ取り出し
アクセス性に関する研究

Accessibility for removal of fuel debris in BWR
plant after severe accident

ゼロカーボン社会の創出のためには、構造材料・機能性材料
創製技術においても、カーボンニュートラルループでの製造プ
ロセスを考案することが不可欠です。鉄鋼は建築、輸送、エネルギー創出におけるベースマテリアルであり、従来の鉄鉱石と石炭からの二酸化炭素排出が不可避な製造プロセスから、リサイクル鉄およびゼロカーボンエネルギーの活用によりゼロ
カーボン製鉄を実現し、物質循環型社会構築を先導します。
原子力システムを長期間にわたり安全にオペレートするために必要な、信頼性の高い健全な金属材料に関する研究を行っています。核燃料被覆材・圧力容器や蒸気管など高温・高腐食性、
応力・放射線照射の環境下で長期に使用される金属材料の健全性を高めるため、組成・組織の最適制御を目指した創成プ
ロセス開発と特性評価を行っています。

過酷事故後の廃炉加速を目指した燃料デブリ取り出しアクセス性を評価するために必要な、燃料デブリと炉心下部構造物の反応による材料損傷状況評価を行っています。また、燃料・制御棒・構造材料からなる系の熱力学的性質を把握し、生成物挙動による炉内状況推測および燃料デブリの安全な取り出しおよび保管に必要な相安定性評価を行っています。

図�ゼロカーボン創製技術および原子力システム
安全を切り拓く金属工学の概念図

Fig. � Concept of metallurgy for the Zero Carbon
materials creation and safety nuclear
system.

25

図�Toward Zero Carbon society, it is essential to establish thematerial creation process with carbon neutral loop. We aretargeting the utilization of recycled steel, which is the basematerial for construction, transportation and energy supply, tosuppress inevitable CO� emission in iron oxide reduction
process and realize the Zero Carbon steelmaking process tolead the materials circulating society.

For the long-time operation of the reactor of next generation,
control and reduction of impurities are necessary and studied
to make ﬁssion fuel cladding and reactor pressure vessel
highly resistant to heat, pressure and irradiation. Best mix ofcomposition and microstructure are pursued by thedevelopment of creation and evaluation process.

To assess the access root to the fuel debris for its removal from
nuclear reactors after severe accident, damage and collapse
behavior of structural metals in the reactor core should be wellunderstood and studied through materials reaction
experiments. Phase stability of debris and formation behaviorof ﬁssion products are thermodynamically studied for safe
removal and storage of the debris and prediction of conditionof RPV during severe accident.

スクラップ鉄からのストリッ
プキャスティングによる薄板
創製

Fig. � Steel sheet creation fromsteel scrap by strip castingprocess.

図�

原子炉芯構造物とコールドクルーシブルによる燃料系デブリ模擬溶融試験

Fig. � Reactor core assembly and reaction experiment between
mock fuel-rod debris and stainless steel in a cold crucible
furnace.

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

加速器と量子ビーム技術により豊かで持続的な社会を創りますCreating a prosperous and sustainable society throughparticle accelerator and quantum beam technologies
教授 林﨑 規託nhayashi@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����Noriyosu HAYASHIZAKI, Professor

社会に役立つ加速器・量子ビーム技術の開発

量子ビーム（イオンビーム、電子ビーム、X 線、中性子線など）は、最先端の素粒子や物質の研究開発だけでなく、がん治療、画像診断、薬剤製造、滅菌、非破壊検査、半導体製造など、医療・産業・エネルギー分野でも幅広く利用されており、私たちの暮らしにおいて必要不可欠な技術です。当研究室では、使い途に応じて量子ビームを作り、必要なエネルギーまで加速する小型加速器をコアテーマとして、� 次元の CAD とマルチフィジク
スシミュレーションを連携駆使したデザイン、高い信頼性のための精密加工技術の探求、ビーム実験による検証について、教員と学生が協力して一貫的に取り組んでおり、大強度ビームを実現するマルチビーム線形加速器、橋梁非破壊検査用の小型加速器中性子源、医療用加速器の開発を進めています。

マルチビーム型高周波四重極線形加速器の研究

低エネルギー大強度重イオンビームの加速を目的としたマルチビーム型高周波四重極線形加速器の研究に取り組んでいます。
これまでに � ビームタイプでは ��� mA（�×�� mA）の炭素
イオンビームの大強度加速に成功し、現在は � ビームタイプの加速試験を進めています。

加速器駆動型中性子源の実用化開発

橋梁非破壊検査やホウ素中性子捕捉療法のためのコンパクトな加速器駆動型中性子源の実用化開発を進めています。

Practical development of particle accelerator andquantum beam technologies

Quantum beams (ion, electron, X-ray, neutron, etc.) are used int h e ﬁ e l d s o f c a n ce r t r e a t m e n t , m e d i c a l i m a g i n g ,pharmaceutical production, sterilization, nondestructive
inspection and semiconductor manufacturing in addition to
the frontiers of elementary particle physics and materialscience, and technologies based on quantum beams areindispensable for daily life. Our group develops compact
particle accelerators that create quantum beams, withproperties depending on the application, through a design
process that incorporates �D CAD modeling and multiphysics
simulation, followed by precise fabrication. This processdelivers high reliability and operability for collaborating faculty
and students. A multi-beam linear accelerator, a compact
accelerator-driven neutron source for nondestructive bridge
inspection and a medical accelerator are under developmentin our laboratory.

Study on a multi-beam type RFQ linear
accelerator

A prototype of a multi-beam type radio frequency quadrupole(RFQ) linear accelerator has been studied for high intensity
heavy ion acceleration in the low energy region. The two beam
type was able to successfully accelerate carbon ions with anintense beam of ��� mA (�ｘ�� mA/channel) and the four beam
type is under beam commissioning.

Practical development of a compact
accelerator-driven neutron source

A compact accelerator-driven neutron source is underdevelopment for nondestructive bridge inspection and boron
neutron capture therapy (BNCT).

図�

� ビーム型高周波四重極線形加速器の原理
実証機

Fig. � A prototype of a two beam RFQ linear
accelerator.

図�

理研小型中性子源システム � 号機（理化学研究所との共同開発）

Fig. � RIKEN accelerator driven compact neutron
source II. (Joint development with RIKEN)

図�

理研小型中性子源システム � 号機（理化学研究所との共同開発）

Fig. � RIKEN accelerator driven compact neutron
source III. (Joint development with RIKEN)

26

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

放射線から DNA を護るしくみ：分子生物学と医療・防護への応用Guarding DNA from Radiation: Molecular Biology andApplication
教授 松本 義久

Yoshihisa MATSUMOTO, Professor

��-����-����

放射線影響の鍵を握る DNA 損傷

DNA Damage: Key of Radiation Eﬀects

最先端の分子生物学で解明する

Elucidate by Cutting Edge Molecular Biology

放射線は不妊、奇形、がんなどの影響を及ぼす。このようなさまざまな放射線影響の原因は DNA 損傷であり、中でもDNA 二本鎖切断は最も重要と考えられている。私たちの細胞には、DNA 損傷を修復したり、細胞が自ら死に至ったりすることで、放射線の影響から細胞自身、個体、種を護るしくみが備わっている。
私たちは、DNA 損傷が生じたとき、細胞がいかにそれを認識し、DNA 修復をはじめとする生体防御反応を引き起こすかを解明することを目指し、バイオイメージング、次世代シーケンシング、
ゲノム編集など最先端の分子生物学、生化学的技術を駆使して挑んでいる。

次世代の放射線防護、がん治療へ

放射線影響の受けやすさ（放射線感受性）には遺伝的要因による個人差があることが明らかになりつつある。上記の研究の成果は、個人の放射線感受性の高精度の予測と制御を可能とし、次世代の個別化された放射線防護やがん治療に貢献することが期待される。

図�
図�

放射線影響のメカニズムと研究目標の概念図。

Fig. � A schema of the mechanisms of radiation eﬀects and theaim of our research.

27

yoshim@zc.iir.titech.ac.jp

Radiation induces a variety of biological eﬀects like infertility,
malformation and cancer. These eﬀects are thought to becaused by various types of DNA damage, among which DNA
double-strand break is considered the most critical. Our cells
protect cells themselves, individuals and species fromradiation eﬀects by repairing DNA damage and by dying
autonomously.
We seek to elucidate the molecular mechanisms how cells
recognize DNA damage and elicit bioprotective responses
including DNA repair. Toward this aim, we employ cutting edge
technologies in molecular biology and biochemistry, including
bioimaging, next-generation sequencing and genome editing.

Toward Next Radioprotection & Radiotherapy

There are considerable diﬀerences in susceptibility to radiationeﬀect (radiosensitivity) among individuals. The outcomes ofour research will enable precise prediction and control ofradiosensitivity and contribute to personalized radioprotection
and radiotherapy in the next generation.

分子・細胞生物学実験設備と研究の一端 左上：実験設備（クリーンベンチ、細胞培養装置、
高速液体クロマトグラフィー、蛍光顕微鏡、リアルタイム PCR）。右上：精製された DNA
二重鎖切断センサー、DNA-PK の電気泳動像と立体構造。左下：独自の XRCC� リン酸化
状態特異的抗体による放射線応答解析。右下：局所的 DNA 損傷生成と生細胞リアルタイ
ムイメージング技術で明らかにされた、DNA 損傷部位へ向かう DNA 修復タンパク質 APTXの秒単位でのダイナミクス。

Fig. � Instruments for molecular/cellular biological experiments and snapshots ofresearch. Top left: instruments (clean bench, culture cell incubator, highperformance liquid chromatography and real-time PCR). Top right:
electrophoretic image of puriﬁed DNA double-strand break sensor, DNA-PK, andits �D structure. Bottom left: analysis of radiation response using original
phosphorylation-speciﬁc antibodies for XRCC�. Bottom right: second-scale
dynamics of DNA repair protein APTX, accumulating to DNA damages, revealed by
localized DNA damage induction and real-time live-cell imaging.

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

プラズマエレクトロニクス～原子分子過程と分光計測
Plasma Electronics —Atomic/Molecular Processes andSpectroscopic Measurement
准教授 赤塚 洋

Hiroshi AKATSUKA, Associate Professor

各種プロセスプラズマの発光分光計測

各種の低温非平衡プラズマにつき、原子分子過程の基礎に則り、電子温度・密度・エネルギー分布関数、ガス温度・ラジカル密度の発光分光計測法開発を行っている。対象は多岐にわたり、半導体エッチングプロセスや医科歯科応用プラズマ源など、以下に示すような幅広い分野のプラズマ計測で、空間分解トモグラフィー計測まで含め実用応用を目指している。
［電子工学］ドライエッチングの減圧プロセスプラズマ、プラズ
マ太陽光素子用のシリコン薄膜作成［医用工学］審美歯科・う歯治療など歯科応用、止血・皮膚科など医学応用を目指した大気圧低温プラズマ［原子力工学］原子炉廃止措置向け水中アークプラズマ［核融合］核融合炉周辺領域のダイバータ模擬低温プラズマ［環境工学］大気環境模擬の窒素・酸素プラズマ、CO� 再利用のための炭酸ガスプラズマ［材料工学］光学素子反射防止コーティングのための非平衡プ
ラズマ、金属表面窒化のための窒素含有プラズマ［機械工学］自動車エンジン燃焼火炎プラズマ［航空宇宙］人工衛星電気推進スラスタープラズマ、等。

図�

hakatsuk@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����

Optical Emission Spectroscopic Measurement of
Various Processing Plasmas

Optical emission spectroscopic (OES) measurement methods
are being developed to monitor electron temperature,electron density, electron energy distribution function, gas
temperature and radical density of various low-temperature
non-equilibrium plasmas, based on atomic and molecular
processes in the plasmas. Our research covers a wide range ofengineering subjects, and aims for practical applications ofplasma measurement in various ﬁelds as listed below:[Electronics] Low-pressure reactive plasmas for dry etching ofsemiconductors and for Si-thin ﬁlm deposition of photovoltaic
devices.
[Medical and Dental Applications] Low-temperature atmosphericpressure plasma sources for aesthetic, cariology and operative
dentistry, and for hemostasis and dermatology applications,etc.
[Nuclear Engineering] Underwater arc plasma for decommissioning of nuclear reactors.
[Thermonuclear fusion] Low-temperature plasma at boundary
region like divertor.
[Environmental engineering] Nitrogen/oxygen plasma foratmospheric environment, carbon dioxide plasma for reuse or
recycle of CO�.
[Materials Engineering] Non-equilibrium plasma for antireﬂective coating of optical elements, or nitrogen-containing
plasmas for surface nitriding of metals.
[Mechanical Engineering] Combustion ﬂame plasma of
automobile engine.
[Astronautic engineering] Plasma thrusters for artiﬁcial
satellites.

非平衡プラズマの発光分光計測から、原子過程に基づき電子温度
Te, 電子密度 Ne を求める方法の概念図。

Fig. � A conceptual diagram of a method for obtaining electron
temperature Te and electron density Ne based on atomic
processes from OES measurement of non-equilibrium plasma.
2:("0;+,(9/""'3!<=>?@(5AB"
8+49-4#+44&

図�-,!"##$%&'($)'*+,'&&-,"./,*0(
10'+%/'&,("/1"
20#&,3("/1"!

C$4D0;
5/'#$6%7&44+'"0'3%7,01&#0,!"#$%&'()$*+,(!!!"#$%ICP プラズマ装置の模式図と、トモグラフィック計測による電子温度の２次元計測例（���� 年春季応用物理学会注目講演；アルバック先進技術協働研究拠点による共同成果）。

Fig. � Schematic diagram of the ICP plasma device
and an example of two-dimensional electron
temperature obtained by tomographic
measurement (One of the ��th JSAP Spring
Meeting ���� Highlighted Presentations;collaborative work at the ULVAC Advanced
Technology Collaborative Research Cluster).

図�

医科歯科応用向け大気圧非平衡プラズマの、連続スペクトル理論フィッティングによる電子温度・密度計測。

Fig. � Electron temperature and density measurement of
non-equilibrium atmospheric pressure plasma for
medical and dental applications by continuous spectrum
theoretical ﬁtting.

28

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

中性子原子核反応の研究 — 原子力、宇宙、そして医療Study on neutron nuclear reaction for nuclear energy,
astrophysics and medicine
准教授 片渕 竜也

buchi@zc.iir.titech.ac.jp
��-����-����

Tatsuya KATABUCHI, Associate Professor

中性子核反応の研究

原子力などの工学分野および宇宙物理などの基礎理学分野で必要とされる中性子核反応データの測定を行っている。核廃棄物中の長寿命核種の核変換処理や宇宙元素合成解明に必要な中性子捕獲断面積の高精度化研究を行っている。測定には本研 究 所のペレトロン加 速 器および大 強 度 陽 子 加 速 器 施 設（J-PARC）を用いている。

中性子捕捉療法のためのイメージングシステム開発

中性子核データ測定で培った技術を生かし、ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）のための線量イメージングシステムを開発している。今まで実測できなかった、治療中の吸収線量が個々の患者について測定可能となり、BNCT 照射条件の決定やBNCT 治療効果の評価精度向上に貢献できる。

図�J-PARC の中性子核反応測定装置 ANNRI

Study on neutron nuclear reaction

We measure neutron nuclear data, especially, neutron capture
cross sections, which are important for design of a nuclear
transmutation system and understanding of nucleosynthesis.
Measurements are performed in ZC and the Japan Proton
Accelerator Research Complex (J-PARC).

Development of an imaging system for online
dosimetry in neutron capture therapy

We are developing an imaging system for dosimetry during
treatment in boron neutron capture therapy. This systemallows for evaluating the absorbed dose of each patient online,
thereby improving determination of irradiation parametersand evaluation of treatment eﬃcacy.

Fig. � Accurate Neutron Nucleus Reaction Measurement Instrument (ANNRI) of J-PARC

29

図�

BNCT 用線量評価システムの概念図

Fig. � Conceptual design of online imaging system
for BNCT

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

原子力熱流動と廃炉・復興学ゼロカーボンエネルギー研究
Nuclear Thermal Hydraulics and Decommissioning /Fukushima Revitalizics Zero Carbon Energy Research
准教授 木倉 宏成

Hiroshige KIKURA, Associate Professor

原子炉の高度化と安全性向上を目指した
原子力熱流動研究

原子炉の高度化と安全性向上に資する研究を推進するとともに、超音波・レーザー・カメラ・電気特性等を利用した新たな原子炉内流動計測手法の開発を行い、近年では、小型モジュール原子炉等の次世代原子炉開発に関わる研究を行っています。

復興学によるゼロカーボン社会の実現に向けたトランスチャレンジ研究の基盤構築

東日本大震災・原子力災害の被災地に赴いて復興活動を行い、復興学によるゼロカーボン社会の実現に向けたトランスチャレ
ンジ研究の基盤構築を目指して、産業振興技術の開発や廃炉研究・ゼロカーボンエネルギー研究を推進しています。

図�kikura@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����

Research on Nuclear Thermal Hydraulics for
Safety Improvement and Advancement of Nuclear
Reactor

We are researching on the development of new ﬂow
measurement methods for nuclear reactors using ultrasound,laser, camera, and electrical characteristics, and on thedevelopment of next-generation reactors such as Small
Modular Reactors (SMR).

Establishment of Transchallenge Research
Infrastructure for Realization of Zero Carbon
Society by Revitalizics

We are visiting the areas damaged by the Great East Japan
Earthquake and the nuclear disaster to conduct Revitalizics
activities. In addition, we also promote the development ofindustrial promotion technologies, decommissioning research,and zero-carbon energy research.

原子力熱流動と廃炉・復興学ゼロカーボンエネルギー研究の概要

Fig. � Summary of Nuclear Thermal Hydraulics and Decommissioning / Fukushima Revitalizics Zero Carbon Energy Research

30

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

革新的動力源の液体金属冷却システムに関する研究

Research into Innovative Liquid-Metal Energy Conversion
Systems for Energy Power Plants
准教授 近藤 正聡

kondo.masatoshi@zc.iir.titech.ac.jp

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Masatoshi KONDO, Associate Professor

高性能液体合金の開発

Development of liquid-alloy coolants

液体金属を応用した様々な異分野融合研究

Interdisciplinary researches by innovative liquid
metal technologies

高 速 炉 や 核 融 合 炉、太 陽 熱 発 電 所 で は、Pb, Pb-Bi, Li,
Pb-��Li, Sn 等の液体金属が冷却材や燃料増殖材として使用されます。そこで優れた伝熱性能や化学的安定性を有する液体合金の開発を行っています。更に、合成した液体合金の様々な高温物性を調べています。
エネルギープラント分野を中心に応用されてきた液体金属や溶融塩などの高温融体を、土木建設分野の画期的なコンクリー
ト材料や天文学分野の低融点金属鏡（図１）などの技術開発に活かす様々な異分野融合研究として展開しています。

液体金属の材料共存性に関する研究

高温の流動液体金属による構造材料の腐食が重要な課題です。
化学的な腐食により誘起される機械的な損耗現象（コロージョ
ンエロージョン）の機構解明（図２）や、液体内化学制御による共存性改善に取り組んでいます。

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図
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液体金属技術を応用した低融点金属鏡.92804'/?!#;=<281

Fig. � Concave mirror with low-melting point
liquid metal

31     Various high-performance liquid-alloy coolants (Pb, Pb-Bi, Li,
Pb-��Li, Sn, etc.) are currently being researched in ourlaboratory for use in various nuclear reactors and solar thermal
power plants worldwide. Experimental investigations of thesynthesis and thermophysical properties of these materials
are underway.

Interdisciplinary researches are being performed by thecollaboration with various scientists in the world. Innovative
concrete materials and concave metal mirrors (Fig. �) havebeen developed based on liquid metal technologies.

Materials compatibility of liquid-metal coolants

Materials compatibility is important for the development ofl i q u i d - m eta l co o l a n t s y ste m s , a n d t h e k i n et i c s o f
corrosion‒erosion under ﬂowing conditions are being
investigated by our team (Fig. �). Materials compatibility was
improved by chemical control of non-metal impurities in liquid
metals.

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>%.928:$7"&),*+-(, *+-35
図 � 様々な液体金属中で生じるコロージョンエロージョン現象
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          

Fig. � Corrosion‒erosion of steels in various liquid metals under ﬂowing conditions

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

安全・セキュアでレジリエントな革新的原子力システムの追求
Pursuing Safe, Secure, and Resilient Nuclear Energy
System
准教授 相樂 洋

sagara@zc.iir.titech.ac.jp
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Hiroshi SAGARA, Associate Professor

柔軟な原子力利用を支える高安全・セキュリティ技術

Intensive Safety and Security Technology for
ﬂexible nuclear energy utilization

強い固有の安全性を有する中小型炉の活用は、原子力の出力可変や分散利用など柔軟性を大いに高めるが、一方で核テロなどの新たな脅威への対策強化を必要とする。未然防止に加え、例え事象が起こっても重大な進展を防ぐレジリエントな原子力
システム研究を行っている。事故耐性燃料、強い核拡散抵抗性を有する燃料及びシステムなど、設計による安全・セキュリ
ティ強化を追求している。

The utilization of small and medium nuclear reactor enhances
its ﬂexibility in variabilities of power and location. It, however,might requires enhanced measures against nuclear
proliferation threats such as terrorism. We are pursuing studies
on resilient nuclear energy system against threats to safety,
security and non-proliferation, especially by designing ofaccident tolerant fuel, proliferation resistant fuel and system.

核不拡散科学・技術の追究

Non-proliferation Science & Technology

核物質の兵器転用を防止するための科学・技術を研究している。核燃料物質から放出されるガンマ線・中性子線を用いた
簡便で高精度な断層撮影法の開発や、重篤に遮蔽された核物質への高エネルギー光子ビームによる問いかけ検知手法の開発等を行っている。これらの技術により、核燃料物質の不法移転を早期検知し、自由で柔軟な原子力利用のセキュリティに貢献する。

Non-destructive assay technology R&D are being performed to
identify the defects of nuclear fuel by simple but accuratepassive gamma/neutron tomography technology, and tointerrogate heavily shielded nuclear material by high energy
photon beam. These technologies contribute to early detect
the illegal transferred nuclear fuels, and ﬂexible nuclear energy
utilization by security enhancement.

!"#$%&'()*&'&+,

1. Flexibility to
install NPP
2. Reduction ofEnvironmental
Burden of HLW"/:&6;
51/./6$1/*"(*0(7&859:;$4(<$.3$=.&(7&4*3-%&!!!"#"$%&'!
!(&)!*+,-!"#$"%&'()*"+,-*./0&-$1/*"(2&$13-&4"./''0,&1#%.+"2/'&3#456+7/6&8+(&/2698"
図�!

!"#$%&'()*+",-./+01+"-,.023*$%&%&)

ケイ化物燃料を用いた高安全・核不拡散性を有する中小型軽水炉概念

Fig. � Small and medium scale Light Water Reactor with Enhanced Safety Non-proliferation features

!
𝑓𝑓𝑗𝑗�

Fuel
rod

60Co模擬燃料棒(7 mm,
8.9g/cm3)

𝐶𝐶𝑖𝑖𝑖𝑖𝑗𝑗

𝑗𝑗

𝐶𝐶𝑖𝑖𝑖𝑖

𝑔𝑔𝑖𝑖�
𝑖𝑖

⋯ 𝑁𝑁

Lead collimator

Fuel rods
Dummy rods

𝑖𝑖 = 1,2,3

Channel box

Pure water
Air

図�

Stainless canister

パッシブγ断層撮影法を用いた非破壊測定技術の燃料欠損検知への応用

Fig. � Passive Gamma Tomography for Non-destructive Assay Technology and its application for nuclear fuel partial defects detection

32

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

錯体化学・溶液化学に基づく核燃料サイクル先進基盤
研究

Fundamental Coordination and Solution Chemistry of Actinides
and Related Elements for Advanced Nuclear Fuel Cycle
准教授 鷹尾 康一朗

Koichiro TAKAO, Associate Professor

核燃料物質資源確保および原子力に限らない
ウラン有効活用法の開拓

今後ますます増加する世界のエネルギー需要を満たす上で、使用済み核燃料の再処理による核燃料リサイクルの実現が重要である。
我々が見出した N- アルキル -�-ピロリドン（NRP）等の環状アミド
化合物との錯形成により硝酸水溶液からアクチノイド � 価および �価が選択的に沈殿する現象に基づき、次世代型高汎用性簡易再処理プロセス基盤技術として核燃料物質選択的沈殿法（NUMAP法）を提案し、その基盤構築および強化を進めている。また、海水中に含まれるウランは濃度としてはごく微量（�.� μg/kg）ながら、総量は地上ウラン資源の約 ���� 倍に上る。ウランは枯渇性資源であるため、海水ウラン回収技術の開発がウラン資源の将来的なリソースオプションとして有望である。我々は溶液中での錯体化学に基づいたウランに対して特異的に配位し得るリガンドのデザイン
により、新規海水ウラン吸着材の開発を行っている。鉱山から採掘または再処理で回収されたウランのすべてが核燃料になるわけ
ではなく、その大部分は同位体組成から「核燃料にならないウラン」
であり、現状では廃棄物となっている。我々は酸化還元挙動や錯体化学的反応性など実用上同位体効果のほとんど見られないウランの化学的特性を応用することで、原子力以外の用途へのウラン
資源有効活用法を開拓している。

放射性廃棄物の処理・処分および資源化学への発展

原子力発電に伴って多種多様な核種からなる高レベル放射性廃棄物が発生する。廃棄物固化や寿命（～数万年）の観点から、いわゆる「ゴミの分別」が求められており、我々は難抽出性白金族の迅速溶媒抽出技術や将来的の核変換プロセスのためのガラス湿式処理技術の開発を進めている。これらの研究は原子力分野に限らず都市鉱山など資源化学への発展も期待される。

図�

NUMAP 再処理用に開発した架橋ピロリドン誘導体を含む硝酸ウラニル � 次元
配位高分子 .

Fig. � One-dimensional uranyl nitrate coordination polymer bearing doubleheaded �-pyrrolidone derivative developed for NUMAP reprocessing.

図�

可視光応答型酸素化光触媒としてのウラン錯体機能開拓 .

Fig. � Exploiting uranyl
complexes as a visible-light
responsive photocatalyst inoxygenation of oleﬁns.

33

ktakao@zc.iir.titech.ac.jp
��-����-����Securing Resource Options of Nuclear Fuel Materials
and Exploring Diversity of Sophisticated Use of
Uranium Resources

To meet the ever-increasing global energy demand, nuclear fuelrecycling by reprocessing spent nuclear fuel is one of promising
options. Based on selective and eﬃcient precipitation of hexaand tetravalent actinides from HNO�(aq) by addition of a cyclicamide compound such as N-alkyl-�-pyrrolidone (NRP), we haveproposed NUclear fuel MAterial selective Precipitation (NUMAP)
method as the basic technology of a simple and versatile process
for the spent fuel reprocessing. Concentration of uranium present
in seawater is very small (�.� μg / kg), but the total amount isabout ���� times greater than that on the ground. Since uranium
is a depleting resource, development of uranium recovery
technology from seawater is promising as a future resource optionof natural uranium. Based on our deep understanding on
coordination chemistry of UO � �+ , we are developing a newadsorbent, from molecular design of ligand to actual adsorbing
resin, in order to recover U from seawater. All U either from natural
resources or recovered from the spent nuclear fuels do not always
become actual nuclear fuels, but most of them are wasted during
the nuclear fuel fabrication due to isotopic composition. We areinvestigating various aspects of U coordination chemistry such asits characteristic redox behavior and speciﬁc reactivity to pioneer
sophisticated utilization of such “useless”, but already puriﬁed,excess U resources in the nuclear energy systems, because no
isotopic eﬀects are found in any of chemical aspects of U inpractice.

Proper Treatment and Disposal of Nuclear Wastes &Development into Resource Chemistry for
Sustainable Society

Nuclear power generation produces high-level radioactive waste(HLW) consisting of a wide variety of radionuclides. From theviewpoint of waste immobilization and lifetime (~��� years),so-called “wastes separation” is highly required. We aredeveloping rapid and eﬃcient solvent extraction technology fordiﬃcult-to-extract platinum group metals and wet chemical
recovery of HLW from its vitriﬁed form into borosilicate glass
matrix (i.e., nuclear waste glass) for future nuclear transmutation
processes. We expect that these studies lead to resolve problems
related to radioactive wastes in nuclear engineering ﬁeld and tofurther develop into resource chemistry such as recycling
precious metals from urban mining.
図�

将来的核変換のための放射性廃棄物ガラス固化体湿式処理技術開発 .

Fig. � Development of wet
chemical method toretrieve HLW from nuclear
waste glass for futuretransmutation.

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

強磁場の活用：核融合と超伝導磁気エネルギー貯蔵
Application of Strong Magnetic Field: Nuclear Fusion & SMES
准教授 筒井 広明

Hiroaki TSUTSUI, Associate Professor

htsutsui@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����

アルファ粒子のリップル共鳴拡散と有限ラーマー半径効果

Ripple Resonant Diﬀusion of α Particles and Finite
Larmor Radius Eﬀect

Virial 限界コイルを用いた超伝導磁気エネルギー貯蔵

Study of SMES with Virial-Limit Coils

DT 核融合反応で生じるα粒子のバナナ軌道はトロイダル方向に歳差運動し、それが磁場リップルと共鳴すると粒子拡散が増大する。図１(a) は、バナナチップ付近のα粒子軌道と、その旋回中心軌道、及び、旋回中心近似の軌道である。旋回中心近似で拡散係数を評価すると、軸対称磁場での共鳴エネルギーの両側で極大となることを見出した。ポアンカレ・マップ上の粒子位置の変化を調べて、次のような物理機構が明らかになった。図１(b) に示すように、共鳴エネルギーから少し離れたエネ
ルギーの粒子はセパラトリクスの外にあり、衝突により島の反対側（ピンクの領域）へ粒子が移り、平均位置が変化して拡散が増大する。他方、共鳴エネルギー付近の粒子はセパラトリ
クス内にあり、衝突によって拡がるものの平均位置はほとんど変化しないため、拡散係数が極大とはならない。現在、有限Larmor 半径効果が拡散係数へ及ぼす影響を解析中である。

超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）は電力負荷平準化の有力な候補である。超伝導電線の技術革新は目覚ましいが、エネルギー蓄積にともなう大きな電磁力が深刻な問題である。この問題に対処するために、我々は磁場と応力の関係を表す「Virial 定理」に基づくビリアル限界コイルの概念を提案し実証した。ビリアル限界コイルはトーラス形状のヘリカルコイルであり（図２）、エネルギー貯蔵効率を減少させる圧縮応力を排除し応力を平準化することで、最大応力を半減することができる。製作性向上を目指し、測地線軌道との比較も行っている。

図�(a) バナナチップ点付近の粒子軌道と、その旋回中心、及び、旋回中心近似軌道 (b) α粒子位置の位相空間上での時間変化

Fig. � (a) Trajectories of α particle and its guiding center, and a
trajectory by guiding center approximation near a banana tip.
(b) Time evolution of α particle positions in a Poincare map.

The resonance of toroidal precession of the banana orbits
shown in Fig. �(a) of DT-fusion α particles with toroidal ﬁeld
ripples enhances particle diﬀusion. The valuation of thediﬀusion coeﬃcient by guiding center approximation showedthat it has local maxima in both sides of resonant energies in
the axisymmetric conﬁguration. Investigation of the time
evolution of particle positions in Poincare maps revealed thefollowing physical mechanism. Particles with slightly diﬀerent
energies from resonance lie outside of the separatrix and thatparticle movements to the other side of an island, pink colored
region in Fig. �(b) shift the averaged positions and hence
enhance the particle diﬀusion. On the other hand, particles
with nearly resonant energies lie inside of the separatrix sothat the diﬀusion coeﬃcients do not increase so much since
the averaged positions are almost ﬁxed, though particles
spread with time. Finite Larmor radius eﬀects are also
investigated.
Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) is very
promising as an electric power storage system for a night and
day load leveling. However, the strong electromagnetic force
caused by high magnetic ﬁeld and large current is a serious
problem in SMES system. To cope with this problem, we
proposed and veriﬁed the concept of the Virial-Limit Coil (VLC),
which is optimized to create a strong magnetic ﬁeld based on
the virial theorem which is the relation of magnetic energy andstress. The VLC, which is a helically wounded coil with atoroidal conﬁguration (Fig. �), can level the stress distribution.
In order to improve its manufacture, a geodesic winding isinvestigated.

図�

ビリアル限界コイルと、その応力分布

Fig. � Distribution of stress in a Virial-Limit coil.

34

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

サイクル統合化と新しい原子力システム構築に向けて
Toward the establishment of the innovative Nuclear Energy
System
准教授 中瀬 正彦

Masahiko NAKASE, Associate Professor

革新的原子力エネルギーシステムに関する研究

カーボンニュートラル達成の鍵である原子力の多目的利用、例
えば熱源利用、SynFuel や水素合成、海水淡水化、負荷追従運転などが可能な原子炉にコンセプトに対し、再処理、廃棄物処分までのバックエンドまで含めた原子力システム研究を展開する。

核燃料サイクルサイクル統合化研究

炉心、再処理、廃棄物、処分の一連のサイクルの工程を結節し、ある べ き原 子 力 システム を探 査する。共 同 開 発している
Nuclear Material Balance (NMB) code の 機 能 強 化 により、
将来エネルギー利用シナリオ、革新炉導入効果、先進再処理、廃棄体化と処分の合理化を結節させる（図 �）。また、再処理技術は他分野と共通技術であり、都市鉱山からの有価金属回収や、工学適用のための抽出器やプロセス開発を行う。

福島復興・再生研究

福島第一原子力発電所で発生した多様な廃棄物の安定固化体
合成と物性評価、処分までを結節させた検討を行う。多様な
物質科学的手法を用い、廃棄体の健全性や長期安定性、工学
適用性向上に取り組む。ハイブリッド固化体、燃料デブリの廃棄体化法など、多様な廃棄コンセプトを提案する（図 �）。

アクチノイド化学研究

核燃料サイクルの鍵であるアクチノイドは、それ自身も多数の興味深い性質を有している。再処理における錯体化学、廃棄物中の固体化学、近年注目されている標的アルファ線療法で用いるアクチニウムの熱力学的性質の探査は、アクチノイドの本質的な理解が必要である。効率的なアクチノイド研究のために、機械学習の手法の適用も進めている。

図�

核燃料サイクルシミュレーターを用いたサイクル統合化研究

Fig. � Cycle integration study using nuclear fuel cycle simulator,
NMB �.�

35

図�

m.nakase@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����

Research on innovative nuclear energy systems

We explore the multipurpose utilization of nuclear energy,
including the nuclear reactors capable of heat utilization,
SynFuels syntheses such as NH� and H�, and load-following
operation, which is the key to achieving carbon neutrality.

Nuclear Fuel Cycle Integration and Rationalization

We explore the ideal nuclear energy system using an
integrated approach by the Nuclear Material Balance (NMB)
code. Future energy utilization scenarios, the importance ofinnovative reactors, advanced reprocessing, and therationalization of waste material and disposal are studied (Fig.
�). Reprocessing is a common technology in other ﬁelds, and
we also work for valuable metals from urban mines anddevelop extractors and processes for engineering applications.

Fukushima Reconstruction and Revitalization

A study is conducted on stable solidiﬁed bodies of various
wastes generated in the Fukushima-Daiichi Nuclear Power
Station (�F). Long-term stability against the radiation andunderground environment of the proposed wastes, such as
hybrid solidiﬁed wastes, are studied (Fig. �).

Actinide Chemistry ResearchActinides, the key to the nuclear fuel cycle, have numerous
exciting chemical and physical properties. Exploration of
coordination chemistry in reprocessing and solid-statechemistry of waste are implemented. The thermodynamic
properties of Actinium (Ac) for Targeted Alpha Therapy (TAT)
require an intrinsic understanding of actinides. The applicationof machine learning methods is also ongoing for eﬃcientactinide research.

福島第一原子力発電所事故由来の難固定核種の新規ハイブリッド固化

Fig. � Novel Hybrid-waste-solidiﬁcation of Mobile Nuclei Generated in �F Nuclear
Power Station and Establishment of Rational Disposal and its safety assessment

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

プラズマ・量子ビーム科学で未来社会を拓く

Pioneering future society with plasma and quantum beamscience
准教授 長谷川 純

Jun HASEGAWA, Associate Professor

核融合エネルギーのための高強度粒子ビーム発生技術

レーザーアブレーションで生成した高密度・高温プラズマから様々な高強度粒子ビームを生成する技術を開発し、未来の核融合炉や次世代のがん治療用加速器の実現に寄与することを目指している。慣性閉じ込め核融合炉のドライバー加速器の重要な要素技術として、磁気ノズルによりプラズマイオンの運動量を制御し高品質化する技術や、レーザー生成金属蒸気をヘ
リウムガスにより急冷し質量分散の小さいナノクラスタービームを生成する技術を開発している（図１）。また、重粒子がん治療加速器の小型化・低コスト化のために、高電離炭素イオンを効率的に供給可能な凝結気体標的を採用した長寿命レー
ザーイオン源の開発も行っている。

放電型コンパクト核融合中性子源の開発

放電で生成した重水素イオンを静電的に加速し互いに衝突させることで発生する核融合中性子を利用したコンパクト中性子源を開発している（図２）。爆発物の検知、トンネルや橋梁の健全性評価、地下資源探査、核物質の高感度検出、中性子捕捉療法など、社会の安全安心に関わる幅広い産業分野においてその利用が期待される。

図�

金属クラスタービーム生成装置と典型的なクラスター質量スペクトル．

Fig. � Metallic cluster beam generator and typical mass spectrum of clusters.

jhasegawa@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����Generation of high-intensity particle beams forinertial fusion energy

We aim to develop technologies to generate various
high-intensity particle beams from dense, high-temperatureplasmas generated by laser ablation, and to contribute to therealization of future fusion reactors and next-generation
carbon-ion radiotherapy accelerators. As underlying
technologies for driver accelerators of inertial conﬁnement
fusion reactors, we pursue basic researches on controlling
plasma ion momentum with a magnetic nozzle to createhigh-brightness beams and creating nanoclusters with small
mass dispersion by rapidly cooling laser-generated metal
vapor with helium gas (Fig. �). We are also developing along-life laser ion source employing a condensed gas target
that can eﬃciently supply highly ionized carbon ions to reduce
the size and cost of cancer therapy accelerators.

Development of discharge-type compact fusion
neutron sources

We are developing a compact neutron source using fusion
reactions between high-speed particles electrostaticallyconﬁned in a potential well (Fig. �). The neutron source is
expected to be used for various industrial applications related
to safety and security of society: explosive detection,
non-destructive inspection of infrastructure，undergroundresource exploration，high sensitivity detection of nuclear
materials, boron neutron capture therapy, and so on.

図�

慣性静電閉じ込め核融合を用いた小型中性子源と装置内の核融合プラズマ．

Fig. � Compact fusion neutron source using inertial electrostatic fusion andfusion plasma inside the device.

36

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

苛酷環境に耐える高性能セラミックス材料の創製
Development of high-performance severe environment
resistant ceramics
准教授 吉田 克己

k-yoshida@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����

Katsumi YOSHIDA, Associate Professor

高信頼性先進セラミックス基複合材料の開発

セラミックスを部材としての適用を考えた場合、脆性という材料としての信頼性の低さに問題がある。そのため、セラミック
繊維を複合化し、信頼性の向上を目指した繊維強化セラミック
ス基複合材料が次世代高信頼性耐熱材料として注目されており、原子力・核融合炉、高温ガスタービンや宇宙航空産業等の苛酷環境下での適用が期待されている。本研究では、繊維強化セラミックス基複合材料の新規作製プロセスの開発及びその特性評価や様々な機能・特性の付与を目指した特異な構造を有する先進セラミックス基複合材料の研究を行っている（図１）。

カーボンニュートラルへの貢献を目指した先進セラ
ミックスの開発

セラミックスは、金属や高分子材料等と並んで様々な分野の産業を支える重要な材料であり、政府が掲げているグリーン成長戦略においてもセラミックスの果たす役割は極めて大きい。そのため、カーボンニュートラルに貢献するセラミックスの開発を目指し、航空・宇宙、次世代原子力・核融合炉等への適用を目指した高信頼性耐熱材料、サーマルマネジメント材料（図 �）、
低摩擦・耐摩耗材料、半導体製造装置用耐プラズマ材料等の開発を行っている。また、セラミックスのグリーンプロセスの開拓も行っている。

耐苛酷環境性セラミックスの開発

高温、高熱勾配、腐食性・酸化雰囲気、放射線・粒子線照射等の苛酷環境下に曝された材料の特性・微構造変化を明らかにし、得られた結果をもとに苛酷環境に耐えるセラミック材料の開発を行っている。例えば、原子力・核融合炉分野での適用を目指した材料開発として、微構造制御による軽水炉および高温ガス炉用事故耐性燃料への適用を目指した新規セラ
ミック材料の開発や高速炉用革新的セラミック制御材の開発を行っている。

図�

炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素基（SiCf/SiC）複合材
料の微構造 SEM 写真

Fig. � SEM micrograph of silicon carbide ﬁber-reinforced
silicon carbide matrix (SiCf/SiC) composites

37

Development of Highly Reliable Advanced
Ceramic-Based Composites

Generally, ceramics show brittle fracture behavior, resulting in
low reliability as structural parts. In order to improve theirreliability, ceramics reinforced with continuous ceramic ﬁbers,
i.e. continuous ceramic ﬁber-reinforced ceramic matrix
composites (CMC) have been paid attention as next-generation
highly reliable heat-resistant materials. CMC have been
expected to be used as the components for nuclear and fusion
power applications, high temperature gas turbines andaerospace industries. Novel fabrication process of CMCs, theirproperties, and advanced ceramic-based composites withunique morphology have been also studied (Fig. �).

Development of Advanced Ceramics Contributing to
Carbon Neutral Society

Ceramics have been recognized as an important materials that
support industries in various ﬁelds along with metals andpolymers, and they play a very important role in the green
growth strategy formulated by Japanese government. We aim
to develop ceramics which will contribute to carbon neutral
society, and are developing highly reliable heat-resistantmaterials for aerospace industries, next generation nuclear
and fusion reactors etc., thermal management materials(Fig.�), low-friction and wear-resistant materials, andplasma-resistant materials for semiconductor production etc.
In addition, we are also exploring green processes forceramics.

Development of severe environment resistant ceramics

Changes in properties and microstructure of ceramics exposed
under severe environment such as high temperatures, highthermal gradient, corrosive and oxidizing atmosphere,radiation and particles irradiation have been studied, and wehave been developing severe environment resistant ceramics.
As examples of nuclear and fusion applications, novel
ceramics for accident tolerant fuels for light water reactors andhigh temperature gas-cooled reactors, and high-performanceneutron absorbing ceramic pellets for fast reactors, based on
microstructure control, have been studied.

図�

その場粒成長炭化ケイ素（SiC）多孔体の微構造
SEM 写真Fig. � SEM micrograph of porous silicon carbide(SiC) ceramics with in-situ grain growth原子力工学部門 Nuclear Energy Division

負荷追従機能を有する再エネ共生型 SMR の開発

Development of a Renewable Energy Symbiotic SMR with a
Load Follow Function
特任教授 奈良林 直

tnaraba@zc.iir.titech.ac.jp

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Tadashi NARABAYASHI, Specially Appointed Professor

概要

GX BWR と名付けた負荷追従可能で長期サイクル運転可能な再エネ共生型の SMR の開発を行っています。自然循環可能な原子炉の下部に原子炉内蔵型再春館型ポンプ（RIP）を取り付け、炉心流量の変化により電気出力を ���MWe から ���MWe まで可変として負荷追従運転を可能としました。船殻構造の原子炉建屋に格納容器冷却系と免震ゴムを取り付け、立地要件の地震や耐震評価を不要とし、
現地工事期間を大幅に短縮しました。IAEA の SMR テクニカル会議で講演するとともに、東工大発ベンチャー GX ENERGY 社を創業し、複数の欧米の企業とNDA 契約を締結開始しています。

Outline

The purpose of this study is development of new GX BWR (Load-following and Long
operating symbiotic BWR for renewable energy), which uses a reactor internal recirculation
pump (RIP) to load follow from ���MWe to ���MWe with ﬂuctuating renewable energy andenhance facilitates for stable grid control.
By using ship hull structure cooling system seismic isolation rubber for reactor building, it
is possible to fabricate modules containing RPV and PCV components and parts of thebuilding at a shop at the same time, and reduced construction period dramatically. In
addition to giving a lecture at the IAEA SMR Technical Conference, he founded Tokyo Tech's
venture GX ENERGY, and has started to conclude NDA contracts with multiple European andAmerican companies.

図�

GX BWR の原子炉概念

図�

東工大発ベンチャー称号授与式

Fig. � Reactor Concept of GX BWR

Fig. � Tokyo Tech's Venture Award
Ceremony with President Masu

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

固有の安全性により制御棒不要の溶融塩高速小型モジュラー炉システム
Molten salt fast SMR system without control rods due toinherent safety features
特任教授 望月 弘保

Hiroyasu MOCHIZUKI, Specially Appointed Professor

mochizuki.h@zc.iir.titech.ac.jp
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研究概要

研究している溶融塩高速炉システムは、温度とボイドの反応度係数が大きな負であり、種々の外乱に対して、固有の力で安全状態に移行する特性を有していることが、二相流 CFD 解析の結果明確になって来た。従って、従来の原子炉が不安全な状態にならないよう複雑な安全保護系で抑え込んで安全性を担保している方法とは本質的に異なっており、制御棒は不必要である。Puを含む TRU の燃焼特性も良好である。また、核反応度で生じる核分裂生成ガスを除去するために炉心に微小量注入するヘリウムによって、原子炉の起動・制御が可能であり、液体燃料流量を変化させた日負荷追従運転が簡便に行える特性も有している。

Outline of research

The results of two-phase ﬂow CFD analysis have clariﬁed that the studied molten salt fast
reactor system has the characteristics that the temperature and void reactivity coeﬃcients arelarge negative, and that the system transitions to the safe condition with inherent safety
against various types of disturbances. Therefore, control rods are unnecessary, which isessentially diﬀerent from the conventional method of ensuring safety by restraining thereactor with a complex safety protection system to prevent it from entering an unsafe state.
The combustion characteristics of Pu-containing TRUs are also favorable. The reactor can bestarted up and controlled by injecting a small amount of helium into the core to removeﬁssion product gases produced by the nuclear reaction, and it also has the characteristic thatdaily load-following operation with varying liquid fuel ﬂow rates can be performed easily.

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溶融塩高速炉 MCSFMR の炉心概要

Fig. � Outline of MCSFMR system

図�

定格出力時
Rated condition

炉心内ボイド率分布変化

崩壊熱出力時Decay heat condition

Fig. � Change of void fraction distribution in core38

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

シビアアクシデント・カタストロフィック現象のマルチスケールモデリング
Multiscale modelling of catastrophic material interaction
during severe accident of nuclear reactor
特任准教授 伊藤 あゆみ

Ayumi ITOH, Specially Appointed Associate Professor

itoh.a.ae@zc.iir.titech.ac.jp

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概要

原子炉の設計事象を超えて炉心溶融に至る状況（過酷事故）における、炉内材
料の溶融・移行・デブリ形成に至るメカニズムを明らかにし、原子炉の安全性を評価するシミュレーションコードを高度化するための要素モデル開発を行っています。高温、腐食性・酸化雰囲気における炉心材料（核燃料、中性子吸収材、被覆管）
および構造材料（ステンレス鋼、ニッケル合金）の溶融反応における相安定性（平衡熱力学）
・速度論（物質移動論）
・化学反応障壁（量子化学）を明らかにし、
プラントシミュレーションプログラムに組み込むための手法を開発しています。

OutlineModelling of materials interaction leading to “catastrophic degradation”(liquefaction of reactor core, its relocation and fuel debris formation) in the
beyond design-basis accident (severe accident) and introducing the model
into the accident analysis code to assess the nuclear reactor safety is the
purpose of this study. Analytical and experimental studies have been
performed to understand reactions between core materials (fuel rod andabsorber rod) and structural materials (stainless steel and Ni alloy) under thesevere accident condition (high temperature, corrosive and oxidizing
atmosphere) to investigate phase stability (thermodynamics), reaction kinetics(transport phenomena) and activation energy of reaction (quantum
chemistry).

助教 石塚 知香子

図�

プラントシミュレーションのマルチスケールモデリング概念図

Fig. � Multiscale modelling concept of materials interaction
during severe accident

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

Chikako ISHIZUKA, Assistant Professor

核分裂機構の解明とその応用

chikako@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����

ウランをはじめとするアクチノイドの核分裂機構は原子力システムの根幹をなすにも関わらず、未だ解決されない部分が残されています。そのため実験の困難な領域に対して予言力のある理論を用いた評価が欠かせません。そこで我々は最新の物理に基づく核反応理論モデルを開発しながら、核分裂機構の解明および核データの精度向上に取組んでいます。また得られた高精度核データを利用して核変換や廃止措置における不確かさ研究や、核分裂の起きるもう一つの場所である天体現象に応用した研究に取組んでいます。

Investigation of nuclear ﬁssion mechanism and its applications

Nuclear ﬁssion of actinides is the most fundamental phenomenon for the nuclear energy system.
However, there are still some open questions on ﬁssion mechanisms. Then we have developed
theoretical models to predict ﬁssion products as accurately as possible to improve nuclear ﬁssion
data. We also apply our results to the uncertainty study on nuclear decommissioning and nuclear
transmutations, and the astronomical study because nuclear ﬁssion occurs in astronomical objects.

図�

図は � 次元ランジュバン模型を用いて得られる U��� の熱中性子入
射核分裂でのポテンシャル曲面上の核分裂軌道の様子。

Fig. � The ﬁgure shows a trajectory ofthermal-neutron- induced
ﬁssions of U��� on thepotential surface obtained by
our four-dimensional Langevinmodel.

39

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

助教 井戸田 直和

Naokazu IDOTA, Assistant Professor
idota@zc.iir.titech.ac.jp

有機 - 無機ハイブリッドによる機能性材料の開発

��-����-����

放射性核種をはじめとする無機物質の分離回収や有効利用において、有機物質との複合化は優れた手段と言えます。このようなハイブリッドの機能は有機 - 無機成分の界面において発現するため、少ない有機成分でその機能を効果的に発揮できる無機基材の表面改質は低炭素社会の実現において重要となります。我々は表面修飾技術を利用して、外部環境の変化によって機能を変化させる核種吸着剤や放射医療用ナノキャリア、ポリマー固体電解質、自己修復材料、等の機能性材料の開発を進めています。

Development of Functional Materials Based on Organic/Inorganic Hybrids

Hybridization of inorganic compounds involving radionuclides with organic compounds is a useful
method for their separation and eﬀective utilization. Since the functionalities often appear at theinterfaces between organic and inorganic components, surface modiﬁcation of inorganic materials
with organic molecules is important for realization of a low-carbon society. We have developed
functional adsorbents, nanocarriers for radiation therapy, polymer solid electrolytes, self-healingmaterials in respond to external environments by surface modiﬁcation techniques.

図�

ポリマー修飾無機ナノシートの顕微
鏡像Fig. � Microscopic image of polymergrafted inorganic nanosheets.

助教 グバレビッチ アンナAnna GUBAREVICH, Assistant Professor
gubarevich.anna@zc.iir.titech.ac.jp

低環境負荷に貢献するセラミック材料のデザイン、合成及びプロセッシング��-����-����

MAX 相のような新しいセラミック材料の研究を行っている。例えば、誘導加熱と熱力学的な計算を合わせて駆使し、化学反応を精密に制御することで、革新的な高速・高効率合成プロセスを開発している。
短時間・低温での合成を達成することでエネルギー効率の高い、低環境負荷技術の実現を目指している。

ナノカーボン構造制御技術の開発

固体潤滑剤や電磁波遮蔽材料などに効果的な軽量材料として、ナノダイヤモンド（ND）やオニオンライ
クカーボン（OLC）始め様々な炭素ナノ材料の研究に取り組んでいる。

Novel Ceramic Materials Design, Synthesis and Processing Methods with
Reduced Environmental Footprint

図�

ZrTi�AlC�MAX 相の微構造

Fig. � Microstructure of ZrTi�AlC� MAX
Phase

Novel ceramic materials such as MAX phases and other ternary carbides are investigated. We develop new fast and eﬀective synthesis
and processing methods, based on precise kinetic control of chemical reactions through combined application of theoretical
calculations and induction heating technique. Our methods drastically reduce time, temperature and energy necessary for thesynthesis and sintering of ceramic materials, and as a result contribute to environmentally-friendly and energy-eﬃcient technologies.

R&D on Nanocarbon Structures Design and Their Formation

Formation and characteristics of various carbon nanostructures have been studied; especially, related to nanodiamonds (ND) andonion-like carbon (OLC) for applying in solid lubrication, electromagnetic radiation shielding, etc.

40

原子力工学部門 Nuclear Energy Division

助教 島田 幹男

Mikio SHIMADA, Assistant Professor

哺乳類細胞におけるゲノム安定性維持分子機構の研究

mshimada@zc.iir.titech.ac.jp

��-����-����

細胞内のゲノム DNA は遺伝情報の継承に重要であり、その維持機構は非常に厳密に制御されています。
これらの制御の破綻は遺伝性疾患、発がん、神経異常など様々な疾患の原因となります。我々は特に放射線などの外部刺激に対して DNA を安定的に保持する分子機構の解明を目指しています。これらの研究成果は細胞の放射線応答機構の知見が得られるのみならず、抗癌剤の開発や新しい医療手法の開発にも貢献することが期待されます。

Study of molecular mechanisms of genome stability in mammalian cells

Genome stability is maintained by many molecular mechanisms such as DNA repair, cell cycle
checkpoint, centrosome maintenance and apoptosis. Defect of these mechanisms cause radiationhigh sensitivity, developmental failure and cancer development. We are studying molecularmechanisms of radiation high sensitivity inherited diseases. Our goal is to elucidate the relationshipbetween disease and molecular mechanisms.

助教 安井 伸太郎

Shintaro YASUI, Assistant Professor
yasui@zc.iir.titech.ac.jp

高出力性・高耐久性・高速充放電性・安全性を備えたエネルギー貯蔵材料の開発

��-����-����

安全安心に使用できる高出力・高耐久・高速充放電特性を有するエネルギー貯蔵材料の開発が求められている。Li イオン電池は優れた特性を有していることから様々な場面で使用されている。しかし、充電
時間が長い、充電回数が限られているなどの問題点が挙げられる。本研究室は材料科学の視点からこれら問題点を解決する新しい材料提案を行っている。電池性能は活物質周りの副反応にて劣化することが知られているが、それを根本的に制御することによって圧倒的な特性向上を見出すことが可能となる。

Development of energy storage materials with high-power, tough, fast-chargeable
and safe properties

Development of energy storage materials with high-power, tough, fast-chargeable and safe properties
is highly demanded. Li-ion batteries are used in various situations because they have extremely
excellent characteristics. However, there are problems such as a long charging time and a limited
cyclability. Our laboratory proposes new materials to solve these problems from the viewpoint ofmaterials science. It is well known that battery performance deteriorates due to side reactions around
active materials, but it is possible to ﬁnd overwhelming improvement in characteristics byfundamentally controlling interface structure.

41

図 � RF スパッタリング法による高品質薄膜の作製
Fig. � Preparation of high-quality
thin ﬁlms by RF sputteringアクセス
AccessNarita International Airport

ShibuyaJiyugaoka
Ookayama

SuzukakedaiCampusOokayama
CampusTokyo

大岡山キャンパス

MeguroOokayama Campus

東急大井町線・目黒線（大岡山駅下車 徒歩１分）

Shinagawa

The Ookayama campus isa one-minute walkfrom Ookayama Station.

TamachiCampusOimachiYokohama

Haneda International Airport

緑が丘地区

Midorigaoka Area

至 溝の口

to Mizonokuchi St.

ゼロカーボンエネルギー研究所
Laboratory for Zero-Carbon Energy

西門West Gate

Midorigaoka St. 緑が丘駅

至 日吉

to Hiyoshi St.

大岡山北地区

Ookayama North Area
徒歩でのルート（大岡山）

大岡山西地区

on foot (Ookayama)

Ookayama West Area

徒歩でのルート（緑が丘）
on foot (Midorigaoka)

車でのルート（工事中）

by car (Under Construction)

蔵前会館を通る

石川台地区
南門 大岡山南地区

正門

Tokyo Tech Front (TTF)

Main Gate

大岡山東地区

Ookayama East Area

大岡山駅 Ookayama St.

至 大井町

to Oimachi St.

至 目黒

to Meguro St.

国立大学法人東京工業大学
科学技術創成研究院
ゼロカーボンエネルギー研究所

Laboratory for Zero-Carbon Energy (ZC)
Institute of Innovative Research
Tokyo Institute of Technology

東京都目黒区大岡山2-12-1 N1-16

Tokyo 152-8550 JAPANTEL：03-5734-3052

TEL:+81-3-5734-3052〒152-8550

FAX：03-5734-3749

N1-16, 2-12-1, Ookayama, Meguro-ku

URL http://www.zc.iir.titech.ac.jp/

FAX:+81-3-5734-3749