Development of separation-coefficient estimation method using numerical simulation for the behavior of ions

イオン挙動のための数値シミュレーションを用いた分離係数の推定手法の開発

堀口 直樹   ; 吉田 啓之  ; 北辻 章浩  ; 福森 麻衣*; 長谷川 信*; 岸本 忠史*

Horiguchi, Naoki; Yoshida, Hiroyuki; Kitatsuji, Yoshihiro; Fukumori, Mai*; Hasegawa, Makoto*; Kishimoto, Tadafumi*

PWRの水質管理には、Li-7が濃縮されたpH調整剤が不可欠である。ここで必要なLi-7濃縮技術として、マルチチャンネル向流電気泳動(MCCCE)法を開発している。MCCCE法によるLi-7濃縮は、溶液中を移動するLi-7とLi-6イオンに対して電場と流れ場を介して異なる速度を与えて分離させるものである。この開発の一環として、イオン挙動を把握するためにイオン挙動の数値シミュレーション手法を開発している。本数値解析手法では、電場と流れ場をそれぞれ有限体積法で解き、イオンを質点粒子で模擬してその運動を解くことで、イオンの挙動を再現する。この数値シミュレーションの妥当性確認には試験との比較を必要とするが、試験的に個々のイオンを追跡してこれらの挙動を評価することは不可能である。そこで、試験で評価される分離係数に着目した。本発表では、模擬流路内のイオン挙動に本手法を適用し、分離係数を推定して数値シミュレーションの妥当性を確認した。分離係数は一般にLi-7とLi-6の濃度比を用いて推定されるが、我々は濃度比と同じになるイオン数の比を用いて分離係数を推定した。そして、印加電圧に対する分離係数の感度解析を行い、試験における分離係数の変化傾向を再現した。

A Li-7 enriched pH adjuster is essential for water quality control on PWRs. As the required Li-7 enrichment technology, we have developed the multi-channel counter-current electrophoresis (MCCCE) method. Here, Li-7 enrichment using the MCCCE method is to separate Li-7 and Li-6 ions moving in an aqueous solution by different velocities through electric and flow fields. As a part of the development, we have developed a numerical simulation method to understand the behavior of ions. In the numerical method, we calculate electric and flow fields using finite volume methods and the movement of an ion as a mass particle to reproduce the behavior of Li ions. Comparison of the numerical simulation with the experiment is required to validate the numerical simulation, but it is impossible to track ions individually and evaluate their behavior in the experiment. Then, we focused on separation coefficient estimated in the experiments. In this work, we applied the numerical method to the behavior of ions in a simulated channel and estimated the separation coefficient for validation. The separation coefficient is generally estimated using concentration ratios of Li-7 and Li-6, but we estimated the separation coefficient using the ratios of the numbers of ions, which equal to the concentration ratios. Then, we conducted a sensitivity analysis of the separation coefficient by changing the applied voltage and reproduced the change trend of the experiment.