沸騰を理解して原子力産業と宇宙ミッションを支援する

Jul 21, 2023

前の画像 次の画像

宇宙での拡張ミッションを開始するために、アメリカ航空宇宙局 (NASA) は原子力工学業界からのページを借用し、沸騰がどのように機能するかを理解しようとしています。

長期ミッションを計画するため、NASA は効率的な打ち上げのために可能な限り最小限の量の極低温燃料を詰める方法を研究しています。 考えられる解決策の 1 つは、地球低軌道に設置された燃料貯蔵所を使用して、宇宙でロケットに燃料を補給することです。 このようにして、宇宙船は、必要に応じて燃料を補給してミッションを完了するために地球低軌道に到達するのに十分な、最も軽い燃料を運ぶことができます。 しかし、宇宙で燃料を補給するには、極低温燃料についての十分な知識が必要です。

「私たちは、（宇宙で遭遇する）微小重力条件下で寒剤の沸騰がどのように挙動するかを理解する必要があります」と、原子力科学工学科（NSE）の博士課程6年生候補者フロリアン・シャヴァニャは言う。 結局のところ、宇宙で冷媒がどのように沸騰するかを理解することは、NASA の燃料管理戦略にとって重要です。 沸騰に関する研究の大部分は、高温で沸騰する流体を評価していますが、これは必ずしも寒剤には当てはまりません。 マテオ・ブッチとエミリオ・バリエットのアドバイスの下、シャヴァニャは、寒剤と、宇宙での浮力の欠如が沸騰にどのように影響するかについて、NASA の後援による研究に取り組んでいます。

いじくり回して過ごした子供時代

シャヴァニャは、パリ郊外のブッシー サン タントワーヌで、国営鉄道会社 SNCF で働いていた両親のもとで育ち、工学と物理現象に対する深い理解こそが培ったものでした。 シャヴァニャは、エンジニアの父親と電車やモーターの仕組みについて話し合ったり、バルサ材でさまざまな模型を組み立てたりしたことを覚えています。 彼の忘れられないプロジェクトの 1 つは、電動歯ブラシのモーターで推進するヨットでした。

10代になる頃には、シャヴァニャは金属旋盤を贈り物として受け取りました。 彼のいじくり回しは執着になった。 圧縮空気エンジンはお気に入りのプロジェクトでした。 両親が所有していた園芸用の小さな小屋がすぐに工場になったと、シャヴァニャは笑いながら思い出す。

数学と物理学への生涯にわたる愛情が、ノルマンディーのルーアンにある国立応用科学研究所への道を突き動かし、そこでシャヴァニャは 5 年間の工学プログラムの一環としてエネルギー学と推進力を研究しました。 シャヴァニャは最終年に、尊敬されるフランス代替エネルギー・原子力委員会（CEA）の一部であるINSTNパリ・サクレー校で原子力工学を学びました。

CEA での研究の最終年には 6 か月間のインターンシップが必要で、伝統的にこれが就職への道筋を決めるものでした。 Chavagnat さんは、将来の進路が不確実である可能性があることを承知して、代わりに MIT NSE でのインターンシップに応募することにしました。 「これまでの人生であまりリスクを冒さなかったが、今回は大きなリスクだった」とシャヴァニャは言う。 この賭けは功を奏し、シャヴァニャはチャールズ・フォルスベリとのインターンシップに勝ち取り、博士課程への入学への道が開かれました。 「MIT を選んだのは、MIT がずっと私の夢の学校だったからです」と Chavagnat さんは言います。 彼はまた、英語を話すスキルを向上させるために自分自身に挑戦するという考えを楽しみました。

物理学と熱伝達への愛

シャヴァニャは物理学が大好きで、「物理学でどんな問題でも研究できればうれしい」と彼は言いますが、それが彼を熱伝達、より具体的には沸騰熱伝達に取り組むきっかけにしました。 彼の初期の博士研究は原子炉内の過渡沸騰に焦点を当てており、その一部は International Journal of Heat and Mass Transfer に掲載されています。

シャヴァニャ氏の研究は、材料試験炉（MTR）と呼ばれる特定の種類の原子炉を対象としている。 原子力科学者は、MTR を使用して、プラントの運転で使用される材料が長期使用下でどのように動作するかを理解します。 高密度に充填された核燃料は、高出力で動作し、非常に強力な中性子束を使用して長期的な影響をシミュレートします。

故障を防ぐために、オペレーターは非常に冷たい水を高速で流して原子炉の温度を制限します。 原子炉の熱出力が制御不能に増加すると、配管された水が沸騰し始めます。 沸騰は中性子の減速を変え、燃料から熱を奪うことによりメルトダウンを防ぐ働きをします。 「[残念ながら]これは燃料被覆管で一定の熱流束に達するまでしか機能せず、その後は効率が完全に低下します」とシャヴァニャ氏は言う。 臨界熱流束に達すると、水蒸気が燃料要素を覆って断熱し始め、被覆管の温度が急速に上昇し、バーンアウトの可能性が生じます。

重要なのは、冷水、高流速、燃料要素間の狭い間隔などの日常的な MTR 条件下での最大沸騰熱流束の挙動を把握することです。

極低温沸騰の研究

シャヴァニャ氏が NASA のためにこの問題を追求する中、ボイリングは引き続き舞台の中心を占め続けている。 寒剤は非常に低い温度で沸騰するため、宇宙での日常的な運用による燃料の損失をどのように防ぐかという問題は、答える必要がある重要な問題です。

シャヴァニャ氏は、極低温ロケット燃料が宇宙で遭遇する条件である、浮力が減少したり存在しない状態で沸騰がどのように挙動するかを研究している。

地球上で宇宙のような状況を再現するには、宇宙に行かなくても浮力を変更できます。 シャヴァニャ氏は、沸騰した表面の傾きを操作しており、その例として、沸騰した表面を逆さまに置くことで、浮力が通常行う役割、つまり泡が表面から離れるのを助ける役割を果たさないようにしている。 彼はまた、国際宇宙ステーションで経験されるのと同様の、微小重力をシミュレートするために放物線飛行で沸騰実験を行っています。

Chavagnat は、最小限の変更で両方の方法を実行できる装置を設計および構築しました。 「2台の高速ビデオカメラを使って窒素を画像化することで、地球の表面で窒素が沸騰していることを観察しました」と彼は言う。 この実験は、無重力飛行を運航する会社であるゼロジーが運航するパラボラ飛行に参加することが承認された。 チームは2022年に4回の放物線飛行に成功した。

「航空機に乗って実験を行い、微小重力の中で実験を操作するのは、信じられないほどの経験ですが、やりがいがあります」とシャヴァニャ氏は言います。「実験の詳細を知ることは必須ですが、他のスキルも非常に役に立ちます。特に、チームとして作業すること、高いストレスレベルに対処できること、乗り物酔いをしながらも仕事ができることです。」 もう 1 つの課題は、航空機のパイロットが放物線飛行 (それぞれ 17 秒間続く) をほぼ連続して実行するため、問題の大部分は一度搭乗すると解決できないことです。

MIT での研究を通じて、シャヴァニャは沸騰のような単純な現象が実際にはどれほど複雑であるかに魅了されてきました。 「子供の頃には、肉眼で見ることができる比較的ゆっくりとした泡が沸騰する様子についてある程度のイメージを持っています。しかし、実際に自分の目で見るまでは、その複雑さには気づきません。」と彼は言います。

まれな余暇には、シャヴァニャは NSE のチーム、アトム スマッシャーズでサッカーをしています。 ほとんどの時間を研究室で過ごしているチャヴァニャ氏は、グループの会合は学期に 5 回しか開かないため、控えめな取り組みだと語る。 「MIT では主に実験を行っています。15 歳のときに小屋で学んだスキルが、ここでも実際に非常に役に立っていることがわかりました」と彼は笑います。

前の項目 次の項目