福島第一原発の廃炉にむけた水素酸化触媒の研究開 発
著者 大野 瞳
URL http://hdl.handle.net/10236/00028856
2019 年度 修⼠論⽂要旨
福島第⼀原発の廃炉にむけた⽔素酸化触媒の研究開発
関⻄学院⼤学⼤学院理⼯学研究科 物理学専攻 ⽥中研究室 ⼤野瞳 [背景]
福島第⼀原発の廃炉における課題として放射性物質である燃料デブリの⻑期保管がある。保管容器内部では
⽔の放射線分解による⽔素の発⽣が考えられ、⽔素爆発を未然に防⽌する触媒の開発が求められている。
[課題]
保管容器という閉鎖空間で⻑期間機能する触媒には、ヒーターやブロワーなど外部からの電⼒供給なしに低 温かつ⾼湿度にて活性を維持することが求められる(Passive Autocatalytic Recombiner : PAR)。我々は軽量か つ量産性に優れた⾃動⾞触媒のメリットを活かし PAR として⽤いるため、ハニカムセル密度や厚み、親⽔・
疎⽔(撥⽔)性について検討した。
[実験]
➀⾃動⾞触媒の形状が⽔素酸化反応に与える影響を調査した。セル密度と厚みが異なる⾃動⾞触媒を⽤いて、
⼤型反応器(5,317 L)における⾃然対流と⽔素濃度の⽐較を⾏った。②⽔が触媒へ及ぼす影響を調査した。加 湿した反応ガス(Wet)と加湿しない反応ガス(Dry)を Pd/Al2O3 4.0wt%に流⼊し、in situ DXAFS 実験にて Pd- K 吸収端エネルギーの変化を⽐較した。③⽔の影響を軽減するため、⽔素酸化反応の持続性と低下率を調査し た。Wet ガスを親⽔・撥⽔性能を持った触媒に流⼊させ⽐較した。
[結果と考察]
➀⾃動⾞触媒のセル密度と厚みを⼩さくすることが通気抵抗 を軽減し⾃然対流を増⼤することが分かった。⽔素濃度の低減 度合を調査する実験では、セル密度を 900 cpsi から 30 cpsi に したことで、反応収束時間を 1/5 に、収束後の⽔素濃度を 1/2 以下まで低減することに成功した。さらにこの実験からは、触 媒温度が低下するに伴い表⾯に結露が発⽣することで、⽔素酸 化反応が停⽌するということが分かった[1](図 1)。(2 章)
②Wet の還元ガスを流⼊した際、吸収端エネルギーの低エネル ギー側へのシフトが⼩さいことから、触媒は⽔に濡れることで 還元され難くなり反応が阻害されることが分かった。(3 章)
③撥⽔性能をもった試料を触媒に混合することで、⽔素酸化反 応の持続性を向上することが分かった。また、混合する試料の 粒⼦サイズが⼤きいほど⽔が蓄積され難くなり、低下率は⼩さ くなることが分かった。(4 章)
[結論]
⾃動⾞触媒の形状を⼤幅に⾒直し、かつ撥⽔性を付与すること で、PAR として求められる性能を発揮することが確認できた。
[参考⽂献]
[1] H. Ono, et. al., “Research on hydrogen safety technology utilizing the automotive catalyst”, E-Journal of Advanced Maintenance, Vol. 11, No. 1 (2019)
本研究の成果は 2019 年 7 ⽉ 22 ⽇に新聞等のメディアへ向けたプレス・リリースにて発表した。
また、撥⽔性能の付与に関しては 2 件の特許を出願準備中である。
図 1. ⽔素濃度・触媒温度・容器湿度の変化
