原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

先進複合材コンパクト中間熱交換器の技術開発

１．研究開発の背景とねらい

　本事業では、先進セラミック複合材を用いて、900℃超域まで使用可能なコンパクト中間熱交換器を開発することを目的としている。革新的な原子力技術においては従来の軽水炉を上回る高効率の発電を目標としており、高温ガス炉では900℃以上の高温の熱を一次冷却材として取り出すことができる。この高温の熱を一般工業技術を用いて安価かつ安全に発電に利用するためには、原子炉環境から切り離し、放射能汚染の恐れの少ない熱媒体を得ることが必要である。原子炉一次冷却材は、炉心燃料から透過してくる核分裂生成物、特にトリチウムにより汚染するため、中間熱交換器を用いて、タービンを駆動するなどの機能をもつ二次冷却材を汚染せずに熱を移す。この熱交換器は小さな容積で大きな熱移送量を持つと同時に、それぞれの媒体間の圧力差に耐える強度を持ち、高い機密性を持つことが必要である。７００℃を超える温度領域に使用できる原子力用熱交換器は、現在存在しない。既存材料、たとえばステンレス鋼の使用温度範囲ではなく、ニッケル基耐熱合金で製造しても、一次冷却材に含まれる放射性のトリチウムの透過の防止は困難であり、また二次側との間の大きな圧力差に耐える高温強度、特に耐クリープ性は材料本来の問題であり、解決はきわめて困難である。このため従来の高温ガス炉発電は、原子炉の冷却に用いた高圧のヘリウムガスを直接用いてタービンを駆動する形式以外はほとんど考えられていない。
　本事業では先進セラミック複合材を用いてコンパクト熱交換器を開発する。SiCセラミックは高温強度に優れ、トリチウム透過性にも優れるため、金属材料では困難な900℃超の高温域で使用できる。さらに先進複合材技術を用いて、セラミック素子の持つ欠点を克服し、複雑形状をもち比較的小さな寸法で大きな熱交換面積を持ち、高気密、高耐圧のコンパクト熱交換器の製造と性能試験に成功した。図1に、本事業で開発した熱交換器を用いた、一次系と二次系の独立性の高い革新的原子力システムである、高温ガス炉間接サイクル発電システムを示す。二次ヘリウムはタービンを駆動し、さらに廃熱を環境に排出するが、ここが原子炉環境でなく放射性汚染の危険が少なければ、システム全体の安全性が向上し、また安価で比較的品質管理の容易な一般工業技術が利用可能となる。ＳｉＣセラミック複合材は大きな耐食性をもつため、高温ヘリウムに含まれる酸素や水蒸気による腐食の問題が軽減され、さらに二次流体に液体金属、超臨界水、超臨界炭酸ガス等の異なる熱媒体の使用も考えられる。このため高温ガス炉に対しては、低トリチウム汚染で圧力的に独立した二次He系ばかりでなく超臨界水蒸気や超臨界炭酸ガスタービンなどの高熱効率システムの適用も可能となる。また耐食性が確認されれば、他の冷却材を使用する先進炉への適用も考えられる。このように本事業では高温ガス炉等革新的原子力システムの熱交換器として、安全性、経済性を著しく向上する共通基盤技術を創出することを目的としている。

２．研究開発成果

（１）研究開発の構成と進捗状況
　本事業は平成17年度から５年間の計画の４年目を完了して、予定された成果を計画通り達成できる見通しがほぼ得られている。プロジェクトのスケジュールと研究開発タスクの関係を図2に示す。このプロジェクトは先進セラミック複合材技術を用いて中間熱交換器の技術基盤を確立することを目標としている。そのために、小型のプロトタイプ器を試作し、その性能を評価するとともに製造技術、使用技術を確立する。
研究開発は、１）先進セラミック複合材による熱交換器の材料及び製作技術の開発と、供用中の健全性試験および小規模補修技術の開発、２）熱交換器の基本特性の評価として、熱的特性、気密度・トリチウム透過特性、冷却材との共存性などの測定と、総合機能実証試験、３）得られた特性から、原子力システムに本技術成果を適用したときの効果をシステム設計による評価、の3分野で展開している。これらの成果を相互に反映して、材料、熱交換器構造および原子炉システムのそれぞれを相互に整合し、高温用熱交換器としての総合的な技術基盤の確立を目指している。現在、計画の最終年度にあり、キロワット級の試作機を用いた熱交換試験を中心とした総合実証段階にあり、目的とする技術として、総合的に金属に遜色ない信頼性を持つことの期待される高温用熱交換器としての技術基盤の確立を目指している。

（２）製造技術開発とスケールモデル製作
　本事業で開発した熱交換器の主要材料は、SiC繊維でSiCセラミックを強化した複合材、いわゆるSiC/Siコンポジットである。特に、京都大学で開発されたNITE法(nano-infiltration and transient eutectic phase process)を用いた接合法により、高強度、高気密度で複雑形状を持つ熱交換器の製造が可能となった。平成19年度まで採用していた2段接合法は、母材の面の平滑度に依存する応力集中により、接合面の増大に伴い困難が発生する懸念が見出されたため、実用規模装置にスケーリングの期待できる製造法として、新たに高粘度スラリーシートを用いる接合法を開発した。
　図３に、この接合法を示す。高粘度SiCスラリーには、これまで使用していたと同じSiC超微粒子とAl₂O₃、Y₂O₃に溶媒エタノールの量を変えて用い、約500μmのシートを複合材料板材の上に接着し(b)、溝を掘った複合材料をセッティングし、ノンフレーム型ホットプレスを用いて接合を行った(c)。さらに、図４に示すはめ込み方式として、流路にスラリーが残存しないよう、接合部を浅い溝としてそこのみに高粘度スラリーを塗布して、多層構造のプレートフィン構造を形成する方法として確立した。図５に、本法により今年度製作した１０ｃｍ角のスケールモデルを示す。
　さらに、先進セラミック熱交換器を金属配管につなぐ部分は、実用化のためにも、本事業実施の上でも重要な課題であり、フランジ継ぎ手の開発を行っている。

（３）性能評価試験
　プレートフィン型熱交換器スケールモデルの伝熱性能評価の実験は、19年度に整備した液体―気体2重の試験ループによって実施した。このループは、一次側を高熱容量の液体金属として900℃以上の熱を供給し、2次側にヘリウムを循環して熱移送特性の評価を行う。図６に試験の状況を示す。真空にして対流による熱損失を防ぐ試験体収納容器内に、横向きにしたスケールモデルを設置し、高温では輻射による損失が顕著となるため輻射シールドを施し、各流体の入口出口温度が一定になり熱収支が取れたところで、流量、比熱より高温流体の失った熱量Q_hと低温流体の得た熱量Q_cを求め、この交換熱量より熱通過率Kと伝熱面積Aの積であるKA=Q/ΔT_mを評価した。
　実験では各流体の入口出口温度しか測定できないので、熱伝達特性の評価には数値シミュレーションが不可欠である。図７に示すようにスケールモデルの流路をモデル化し、熱交換器内部の温度分布を計算して、実測とあわせることで熱交換能力を評価する。結果の一例を図8に示す。熱通過率は主に二次側のヘリウムのレイノルズ数に依存する。熱交換容量は温度差に大きく依存するが、1キロワット以上がえられている。計算と実験はおおむね一致しており、この結果から、本事業による熱交換器が必要な性能に対して設計可能となる基礎データが得られたことを示している。
　一方、高温でセラミック複合材熱交換器を用いることの最も重要な利点の一つである水素透過性については、複合材特有の複雑な水素挙動が支配していることを新たに見出し、独立の実験によりそのメカニズムを明らかにした。複合材は、セラミックスを構成する粉末、粒界、繊維およびその被覆物質から構成されている。このうち、複合材バルクを構成する粉末および繊維について、個別に水素の拡散係数を測定した結果を図９にまとめる。図に見られるように、繊維、粉末は焼結体より小さな拡散係数を示す。粉末と焼結体の差は主に偏析した焼結助剤や粒界の寄与と考えられる。現在までに得られた複合材の水素透過挙動は材料履歴により大きな差が見られており、繊維被覆の影響も大きいと見られる。これらの結果から、複合材の水素透過を総合的に制御するための、焼結助剤と繊維被覆の最適化の指針が得られた。

(４）システム設計
　19年度概念設計を行った間接サイクル発電プラントをもとに、機器基数の低減等の合理化設計を行い、発電コストの再検討を行った。間接発電プラントと直接サイクル発電プラントの発電コストの差は、ほぼ資本費に依存しており、資本費は建設費によって定まる。また、運転維持費にも建設費が影響することから、間接発電プラントの発電コストを低減させるためには、建設費を低くすることが重要である。2次ヘリウム流速を上昇して物量を削減し、配置を合理化して、地下５階、地上４階の原子炉建屋と地下４階、地上３階のタービン建屋よりなる図１０のプラントを設計した。合理化プラントの発電コストを評価した結果、図１１ｎ示すように4.55円/kwhとなった。

３．今後の展望

　先進複合材を用いた高温用熱交換器の開発はほぼ終了して所期の目的を達成し、総合的に実用装置としての技術基盤が確立できた。今後は、スケールアップと実用化研究が計画される段階となる。

４．参考文献

　なし