第１章

第１章

アークプラズマに関わる
当研究所の取り組みと現状

1-1

アークプラズマに関わる当研究所の取り組み ……… 6

1-2

アークプラズマ応用技術の現状 ……………………… 7

1-2-1

アークプラズマとその発生方法

1-2-2

アークプラズマ応用技術の発展

1-2-3

アークプラズマ応用技術の特長

第１章
1-1 アークプラズマに関わる当研究所の取り組み化・再資源化を実証した。この成果は３章にまとめた。
これらの研究開発では、超高温を容易に発生できるという特長を活かし、廃棄物を全て溶融している。
これに対し、加熱対象を部分的に溶融する応用として、当研究所が蓄積してきたアークプラズマに関わる技術
体系は図 1-1 の通りで、技術の実用化のための課題の解

放射性の金属廃棄物の乾式表面除染技術と熱伝導率の高決などを通して、社会や電気事業へ貢献することを目的

いセラミックスの超微粒子を創製する技術を開発した。とした応用研究、応用研究に先立ち共通的な課題を先取

アークが電極と接する電極点は、特にエネルギー密度がりして進めてきた基礎研究、さらに、研究を深化拡大し高く、さらに、減圧下では陰極上の電極点が、金属より成果の質を向上するため不可欠な基盤研究に分類できる。

酸化皮膜に形成されやすいというユニークな特長を有しまた、研究の年度展開は図 1-2 の通りである。ている。この特長を活かして、金属の表面だけを溶融除応用研究では、低レベル放射性廃棄物の処分コストの去する乾式表面除染技術を確立した。この成果は４章に低減を目指し、プラズマ加熱技術がその溶融・減容処理まとめた。また、セラミックの合成では、超微粒子の合へ適応できることを示した。さらに、技術の水平展開を成やミクロンサイズのセラミックス表面に超微粒子を付図り超ウラン元素を含む放射性廃棄物へ処理対象を拡大着させたナノ構造複合粒子の創製に成功し、これを充填できることを示した。これらの成果を２章にまとめた。

したエポキシ樹脂の熱的・電気的特性も明らかにした。

次に、溶融技術を活用して、アスベスト廃棄物の無害ナノ構造複合粒子の創製では、原材料の表面のみを溶融実用化／現場支援応用研究廃棄物処理

プラズマ加熱技術の向上

・放射性雑固体廃棄物の減容・アスベスト廃棄物の無害化・再資源化
・乾式表面除染技術

安定化技術
基礎研究

直流/交流
・タングステン電極の損耗現象
・被加熱物への伝熱現象
・アークプラズマの不安定現象
・黒鉛トーチの電極損耗現象

再利用・
資源化技術

・高融点廃棄物・高温場の熱分解・スラグの有効利用
・溶融スラグの直接骨材化

基盤研究

溶湯内反応解析・蒸発速度評価

・AℓN超微粒子の創製
・AℓN複合ナノ構造粒子の創製

コスト低減技術
プラズマの効率的な発生・制御技術

・・核種閉じ込め性
・核種挙動・物理形態の変換
・化学形態の変換減容技術

材料創製への展開

プラズマシミュレーション
・電界－電流特性
・電磁流体解析・高温気体の熱力学・輸送特性
・高温気体の放射吸収係数
・電流零点アークモデル

冷却制御技術・凝縮粒子の成長現象

ミキシング・
加熱技術
・プラズマ内の粒子挙動・注入法の最適化
・粉体加熱現象

プラズマ診断技術
・プラズマ内粒子挙動
・プラズマの温度および流速の計測
・電子密度および原子密度の計測
・プラズマ切断時の被切断面の温度計測

図1-1 当研究所のアークプラズマ応用研究の技術体系

6第１章～1985～1990～ 1995

～ 2000～ 2005～ 2010

低レベル放射性雑固体廃棄物の溶融処理
TRU・廃棄物の溶融処理
アスベスト廃棄物の無害化・再資源化
スラグのリサイクル

応用研究

乾式表面除染技術
AℓN超微粒子・ナノ構造複合粒子の材料創製

基礎研究
プラズマの効率的な発生・制御技術の開発

図1-2

当研究所のアークプラズマ研究の展開蒸発させている。本成果については、５章にまとめた。
これらの応用研究に先立ち、あるいは、並行して、アークプラズマの効率的な発生・制御技術の開発に関わる基礎研究を推進した。これらの成果は６章にまとめた。

1-2 アークプラズマ応用技術の現状
1-2-1

3m

アークプラズマとその発生方法（a）フリーアーク⑴

アークプラズマとはアーク放電は、金属の切断や溶接、スクラップ鉄の溶プラズマ
トーチ

るつぼ

融など、高温の必要な金属・冶金の分野において古くから産業的に利用されている。また、アーク放電は輝度が高いため、既に 19 世紀にはアーク灯が街路灯として用溶湯いられ、現在では、自動車のヘッドランプにも用いられアークプラズマている。

20cm

アークプラズマは、アーク放電で発生させたプラズマであるが、本レビューでは、アーク放電をノズルやガス流で拘束し、熱ピンチ効果によって一層の高温と高い指向性をもったものをアークプラズマと限定的に定義して（b）プラズマトーチから噴出するアークプラズマ

図1-3

ガス流による拘束のないアークプラズマ（フリーアーク）と拘束されたアークプラズマいる。アーク放電には、自身が作る磁場による電磁力や浮力が作用する。このため、ノズルやガス流による拘束による拘束のないアークプラズマ（フリーアーク）とガがない場合には、これらの力によりアーク放電は移動しス流に拘束されたアークプラズマの写真を示す。また、複雑な形状となる。これに対し、ノズルやガス流で拘束数 10Pa ～数 kPa の減圧下で発生させたアーク放電（以したアークプラズマは、真っ直ぐに延び、加熱など工学下、減圧アーク）を用いた乾式除染技術に関する研究成的応用において取り扱いが容易である。図 1-3 にガス流果についても紹介する。

電中研レビュー No.54 ● 7

第１章⑵

アークプラズマの発生方法

1-2-2

アークプラズマ応用技術の発展

アークプラズマをノズルやガス流で拘束する装置をプラズマトーチと呼ぶ。プラズマトーチは、運転形態にプラズマトーチを産業規模での加熱に利用したものでよって、非移行形と移行形に分類できる。非移行形は、最も古いと思われるものは、黒鉛電極の代替として用い電流をプラズマトーチの電極とノズル間に流し、高温のたスクラップ鉄の溶解（1）、あるいはアセチレンの合プラズマガス流を利用する運転形態であり、移行形は、成（2）であろう。文献（1）によれば、黒鉛電極とスクラッ

プラズマトーチ内の電極と被加熱物の間に通電する運転

プ鉄の接触を繰り返しながらアークを発生させ溶融する形態である。また、プラズマトーチは、電極材料とそのアーク炉に比べて、アークプラズマの高い指向性によっ形状によっても分類される。円柱状のタングステン系のて、電圧と電流が安定するため入力エネルギーを容易に合金や黒鉛を電極とするものをロッド形、中空の銅を電制御できること、電極の損耗が少ないため品質の高い製極とするものをホロー形と呼んでいる。ロッド形では、品ができることなどの利点が指摘されている。その後、電極の先端に電極点が形成され、ホロー形では電極の内1980 年代に入り、超高温を活かして、金属・冶金の分面に電極点が形成される点に違いがある。なお、黒鉛電野での産業応用に関する研究開発が多数実施された（2）。

極のトーチでは、電極の内部に穴が設けられ、そこからこれらの研究開発の中から、プロセスの技術的・経済的プラズマガスを噴出しているものもある。また、ホローな成立性の評価を経て成功裡な商業運転へと発展した事形の場合では、円筒形の電極の内面に接するアーク（電例がある。さらに、1990 年代に入ってからは、環境問極点）を磁場やガス流によって駆動し、電極内面を均一題への関心の高まりとともに、廃棄物処理の分野での産に損耗させることによって、電極の寿命を延ばす工夫が業応用が拡大してきた。我が国においては、連続鋳造プされている。さらに、電極やノズルの冷却が必要であり、ロセスにおける溶融鉄の温度制御や都市ごみ焼却灰の溶これはエネルギーの損失となる。特に、非移行形の場合、融処理など（3）へ応用されている。

ノズルにも電極点を形成するため、ノズルの冷却損失もまた、アーク放電の照明への応用では、アーク灯が大きくなる。しかし、溶融炉などに用いる場合には、炉1800 年代後半に街路灯に利用されて以降、1900 年代中底に電極を設ける必要がないため、設備が簡素化できる。

頃には水銀灯が開発されている。その後、メタルハライ

また、電流経路がプラズマトーチの内部にあるため、外ドランプ、高圧ナトリウムランプなどの HID（High In-部からの擾乱を受けにくい安定なアークプラズマを発生tensity Discharge）ランプが開発され普及している。HIDできる。

ランプでは、発光管の管壁負荷（発光管の内表面積あたプラズマトーチは、直流を用いるものと交流を用いるりのランプの入力電力）が 3W/cm2 以上に達している。

ものがある。直流を用いる場合には、電源に整流装置がその後、単体のアークランプで大きな光束を発生させ必要であるが、アークプラズマを安定に発生させやすい。

るために電極や発光管を強制冷却するなどの改良を加え、交流を用いる場合には、電流が零となるところでアーク従来と比べ輝度や光出力が格段に大きい大容量・高輝度プラズマを消弧させないための工夫が必要である。例えアークランプが市販された。その連続光出力は一般の光ば、電流零点での電流の時間変化率を大きくする電源装

源 や 工 業 用 レ ー ザ ー に 比 べ て 10 ～ 100 倍 程 度 高 い置が開発されている。当研究所は、電流零点にパルスを120kW で、電気から光への変換効率は約 40％が達成さ重畳することにより、安定に交流のアークプラズマを発れ て い る。 こ の と き の 放 射 照 度 は 2kW/cm2 に 達 し、生する技術を開発した。交流プラズマトーチの利点とし15mm × 100mm 以上の領域を、数秒以上連続的に照射て、例えば、複数のプラズマトーチを用いることにより、する能力を有している。

炉底電極を省略することが可能となり、既存の溶融炉へ取り付けることが容易になることが挙げられる。

8第１章

1-2-3

アークプラズマ応用技術の特長するため、燃焼時のエネルギーの発生が不安定になる。
これに対し、電気加熱は、加熱エネルギーを電力で供

アークプラズマ加熱技術の産業応用への事例から、以給するため、加熱エネルギーが場で進行する化学反応の下に示すようなアークプラズマ加熱技術が有する特長と、影響を受けにくい。この特長によって、加熱対象物の物それらによってもたらされるプロセス上の利点をまとめ理・化学的性質に左右されにくい安定な加熱が達成できることができる。

る。また、加熱場の雰囲気を酸化性、不活性、あるいは①超高温を容易に発生できる。

還元性とプロセスの要求に応じて自由に選択できる。

燃焼加熱で達成できる温度は、3,000K 程度までである。これに対し、アークプラズマを用いれば、5,000K④排ガスが少ない。
この特長は、以下のプロセス上の利点につながる。

を超える超高温を容易に発生させることができる。この・ 排ガス処理設備をコンパクトにできる。

ため、以下のプロセス上の利点が得られる。

・ 加熱の場の流速が小さいため、ダストのような粉体や・ 被加熱物への伝熱を促進でき速い処理速度を達成できる、言い換えれば、プラントを小型化できる。
・ 融点の高い物質も加熱対象となり得る。
・ 吸熱量の大きな化学反応や活性化エネルギーの大きな化学反応を促進することができる。
②エネルギー密度が高い。
アークプラズマ加熱では、加熱対象物への熱流束が非金属加工で発生する切り粉のような微細なものも処理できる。
⑤加熱エネルギーの管理と制御が容易である。
この特長によって、加熱処理の状況や廃棄物の性状に応じた最適な加熱条件の設定などの運転管理が容易になる。
⑥クリーンな加熱ができる。

常に高い。例えば、金属の切断用のプラズマトーチでは、この特長によって、不純物の濃度を抑制する必要があ

アークプラズマの中心軸上の熱流束は、300A の電流でる材料開発、金属の精錬のように材料製造の最終工程に50kW/cm にも達する近いところへも適用できる。

2。このため、局所的な領域に（4）大きなエネルギーを与えることができる。しかし、加熱

一方、アーク放電の照明への利用では、高輝度、太陽が局所的になるために、炉全体を効率よく加熱する場合光と色温度が近い、などの特長がある。近年では、放電には、プラズマトーチを旋回する、あるいは、炉を回転管に封入する発光物質に工夫がなされ、商業施設や舞台する、複数本のプラズマトーチを用いるなどの工夫が必などの照明用のランプだけでなく、光化学反応などに利要になる。

用する紫外線ランプ、赤外域の波長を利用した加熱用ラアークプラズマ加熱も電気加熱の一種であり、その一ンプなども普及している。

般的な特長を以降に示す。
③加熱エネルギーが、加熱の場で進行する化学反応に影響されにくい。
燃焼加熱のように化学反応を利用する場合では、加熱は反応熱によって供給される。したがって、反応熱を供給する化学反応を阻害する要因があれば、加熱エネルギーを安定に供給することが難しくなる。一例として、
塩化ビニルのようにハロゲンを含む有機材料の燃焼処理が挙げられる。塩素などハロゲン系の元素は燃焼を阻害

参考文献（1） R. J. Mcculough: Plasmarc furnace, a new concept inmelting metals, J. Metals, vol. 14, p907（1962）（2） UIE Plasma Processes WG: Arc plasma processes - A
maturing technology in industry -, UIE（1988）（3）（社）日本鉄鋼協会 熱プラズマプロセシング研究部会：
熱プラズマ材料プロセシングの基礎と応用、信山社サイテック（1996）（4）（社）日本溶接協会：プラズマ切断の基礎と実際、廣済堂産報出版、p16（1983）

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