研究の一例｜Aコース（E&E）環境・エネルギーシステム

Aコース（E&E）環境・エネルギーシステム研究の⼀例

Aコース（E&E）環境・エネルギーシステム教員の研究の⼀例をご紹介いたします。

宇宙とラボをつなぐ
プラズマ物理

吉田善章教授

プラズマ中に自己組織化される構造を解明し、高性能の核融合プラズマ閉じ込めや反物質プラズマ生成に応用する研究を行っています。プラズマ実験装置RT-1では、自然界でおこるプラズマの「磁場閉じ込め」である磁気圏プラズマの生成メカニズムを研究しています。これによって、様々なプラズマ閉じ込め方式に共通する一般的な原理を解明します。理論的には、プラズマが棲む位相空間の幾何学が研究テーマです。磁場がある空間ではプラズマの運動を支配するトポロジー束縛が生じ、それによってプラズマが自然に閉じ込められることが説明されます。このような時空理論の研究を通して数理科学とくに非線形数理の前線を切り開いています。

宇宙とラボをつなぐ プラズマ物理

エネルギーインフラの
安全設計と先進材料

川畑友弥教授

エネルギーインフラ構造物のほぼ全ては鋼材で製作されています。地震などの外力に対して安全性を確保することが至上命題です。ひとたび脆性（ぜいせい）破壊といわれる不安定現象を引き起こすと1000m/sを超えるき裂のスピードで一瞬にして全体崩壊してしまいます。事故防止のため、これまで多くの理論研究・工学研究がなされてきましたが、未解明領域が多く残されているのも事実です。金属組織学・連続体力学・数値解析技術など複数の技術領域の知識を結集し、理解深化のブレークスルーにより新たな材料・構造設計の開拓を目指します。

エネルギーインフラの 安全設計と先進材料

エネルギーセキュリティを考える

小宮山涼一准教授

エネルギー資源の枯渇や供給途絶、太陽光や風力発電の出力変動などのリスクの下で、エネルギーセキュリティの確保は、経済・社会活動を維持する上で重要な課題です。とくに東日本大震災や再エネ大量導入をうけ、その重要性が再認識されています。当研究室では、エネルギー問題の本質を工学的、社会科学的視点から学際的に理解した上で、様々な数理的手法(数理計画法、計量経済分析等)を用いて計算機上にエネルギーモデルを構築し、その数値シミュレーション分析を通じて、エネルギー・環境技術の最適導入戦略や、エネルギー政策の分析に従事しております。

エネルギーセキュリティを考える

シビアアクシデントを
解明する

岡本孝司教授

福島第一原子力発電所では、燃料が溶け落ちる「シビアアクシデント」が発生しました。溶融凝固、化学反応、物質移行など、非線形性が極めて強い現象で、世界中で研究がなされています。シビアアクシデント研究では世界トップクラスの研究を進めています。
シビアアクシデントの全体をシミュレーションしたり、重要な素過程を実験や計算で評価しています。1200℃で制御棒が溶ける現象を可視化したり、溶け落ちた燃料がコンクリートにめり込むMCCI現象を解析したりといった研究です。図は溶けた燃料が、まだ水の残る下部プレナムに落ちるときの挙動を模擬した実験です。福島第一で何が起きたかを解明しようとしています。

シビアアクシデントを 解明する

資源再生工学：「社会システムと資源利用の最適化」

ドドビバジョルジ准教授

資源リサイクルシステムの要素技術の開発、プロセスの効率化、およびLCAなどの全体的評価を通じて社会システムと資源利用の最適化などに関する実際的な研究を行っています。資源回収技術とリサイクル技術処理法に関する研究分野のうち、浮遊選別・金属の浸出による有価金属の回収、金属と誘電体の静電・帯電選別、磁化率を利用した磁力選別、さらに各種の廃水処理方法の研究を進めています。各種選別等の異なるリサイクル手法、吸着剤を用いた異なる廃水処理法に対してLCAによる環境評価を行っています。

資源再生工学：「社会システムと資源利用の最適化」

深海フロンティア資源の開発を目指して

安川和孝講師

近年、レアメタルを高濃度で含む海底鉱物資源が注目されています。当研究室では、実際に深海底から採取された地質試料を用いて化学分析や実験を行うと共に、多変量統計解析や数理モデリングも組み合わせることで、自然界で有用元素の濃集体が生まれるメカニズムの解明を目指しています。さらに、得られた知見と現在・過去の海洋環境や気候変動の記録を照合することで、広大な海洋に眠るフロンティア資源に対する理論的かつ効率的な探査指針の構築に取り組んでいます。

深海フロンティア資源の開発を目指して

CO2ハイドレート
成長シミュレーション

佐藤徹教授

温暖化対策として、CO2を海底下の砂層内にガスハイドレート化して貯留する手法を研究しています。そのために、マイクロスケール（砂粒スケール）において、砂粒の表面や孔隙にCO2ハイドレートが成長していく過程を再現するシミュレーション法を開発しました。この数値解析法を用いて、CO2ハイドレート生成後の浸透率変化や温度変化などを予測することで、CO2を固体として海底下の安全に貯留する各種条件を求めることが可能となります。

CO2ハイドレート 成長シミュレーション

触媒技術に基づくエネルギー資源の創製

西林仁昭教授

現代の人類は、地球規模でのエネルギー問題に直面しています。在来型化石燃料や地下資源等のエネルギーに主に依存している現状から脱却する方法の一つとして、人工光合成に代表されるような新しいエネルギー”資源”の創成が模索されています (エネルギー資源のパラダイムシフト)。現実的な方法の一つは、太陽光、風力、潮力、地熱発電等の再生可能エネルギーを利用することです。
しかし、この再生可能エネルギーを効率的に利用するためには、そのエネルギーを物質エネルギーへと変換し、社会で広く利用可能な新しいエネルギー”資源”を創成する必要があります。
当研究室では、この新しいエネルギー”資源”の創成とそれを利用した革新的な社会システムの構築に挑戦します。

触媒技術に基づくエネルギー資源の創製

海洋のポテンシャルを利用した持続可能社会構築

鈴木英之教授

持続可能社会の構築への貢献を目指して、地球環境問題や資源・エネルギー問題の観点から、海洋再生可能エネルギー利用、海洋資源開発、地球温暖化対策の技術開発に取り組んでいる。
洋上に人工施設・設備を展開する技術を基盤として、問題解決のためのシステムやプロジェクト提案など、ニーズを指向した取り組みを行っている。具体的例としては、浮体式洋上風車による洋上風力エネルギー利用システム、海洋資源開発システム、地球温暖化対策のためのCO2海洋隔離、メガフロート（超大型浮体）を用いた海洋空間利用などである。また、これらを支える基礎技術について流力弾性現象、制御などシーズを指向した基礎的な研究に取り組んでいる。

海洋のポテンシャルを利用した持続可能社会構築

深部地下環境における
フィールド研究

斉藤拓巳准教授

深部の地下環境は岩石と地下水に満たされた、深海や宇宙と並ぶ、フロンティアと言えます。斉藤研究室では、日本原子力研究開発機構の協力の下、地下数百mの超深部の地下環境をフィールドに、放射性廃棄物処分のためのフィールド研究を展開しています。例えば、レーザーやX線、中性子などをプローブとした最新の分析手法を用いて、地下水中の有害元素の動態を調べたり、地下水や岩石中に含まれる有機物を調査しています。

深部地下環境における フィールド研究

微生物を用いたCO2
変換・技術

小林肇准教授

バイオカソードによるCO2変換・有効利用の研究を行っています。バイオカソードとは、電気化学的な還元反応の触媒に微生物を利用した電極（カソード）。電極の表面に定着している微生物（画像）が、電極から供される電子を利用し、還元反応による化合物の合成を触媒します。微生物の優れた代謝能により、バイオカソードは電気エネルギーを高い効率で利用し、CO2から有機物（燃料，原料などの有用化合物）を合成します。

微生物を用いたCO2 変換・技術

福島第一原子力発電所の
廃炉研究

岡本孝司教授

福島第一原子力発電所は、極めて危険な燃料デブリが溶け落ちた状態です。人はアクセスできません。大量の放射性物質を環境に出さないという大前提のもとに、危険なデブリを取り出す作業は、宇宙空間や深海からの資源回収よりも、もっと大変な作業です。今まで誰もやったことのないチャレンジングな研究を、新しいアイディアで進めています。
例えば、燃料デブリをジオポリマーで閉じ込めた後回収する栗羊羹方式の提案や、デブリを切るときに発生する危険な微粒子の評価など、世界最先端の技術開発で、福島の復興に力を入れています。

福島第一原子力発電所の 廃炉研究

黒潮エネルギーを掴む
水中浮遊式海流発電

高木健教授

四周を海洋に囲まれた我が国は海流・潮流や波力等の膨大な海洋エネルギーを有しています。中でも黒潮は、我が国のEEZの大きな特徴であり大きく且つ安定した海洋エネルギーです。しかし、海外で実用化が進む潮流発電で想定されている流速に較べると海流エネルギーは低流速を想定しなければなりません。また、黒潮流域では水深200m以上を想定しなければなりません。このような困難な条件の下で発電コスト20円／ｋＷｈ以下を実現するために、NEDO、IHIとともに、海底に設置するための余計な支持構造物をともなわず、かつ設置やメンテナンスの容易な、水中浮遊式海流発電装置の研究開発を行っています。

黒潮エネルギーを掴む 水中浮遊式海流発電

沿岸漁業から日本の将来を考える

多部田茂教授

我が国の沿岸漁業は国土の保全と食料供給、さらには地域社会の特徴を形成する上で重要な役割を担ってきましたが、海洋環境の劣化や社会経済情勢の変化により、生産量や就業者の減少など非常に厳しい状況にあります。日本の将来的な課題が顕在化しているとも言える沿岸漁業の現状を打開し、環境面でも経済面でも持続可能な沿岸漁業のあり方を検討するために、環境・資源・操業・流通販売等を統合的に扱うシミュレータおよび情報共有システムを開発しています。これまでは漁業者の経験に頼る部分が多かった操業や販売の方法を、より合理的に検討するためのシステムを構築することによって、持続可能な沿岸漁業と地域社会の活性化を目指しています。

沿岸漁業から日本の将来を考える

海洋開発の実現に向けて不規則現象に挑む

和田良太講師

海洋開発と陸上開発の最大の違いは波・風・流れといった自然の猛威に晒される環境だと考えています。このため、不規則な自然現象を理解し、システム設計へと繋げる工学的センスが求められます。例えば洋上風力発電を実現する上で、持たせるべき強度の合理的な設計を考えるには、通過する最大の台風に関する確率分布が必要になります。では、許容する破損確率はどの程度か。風車が様々な海域に分散して設置されていたら考え方はどう変わるのか。まだ正解の姿が描かれていない海洋開発を実現するために、海洋分野の知見を土台に極値統計解析、ベイズ推論、深層学習などのデータ科学を駆使して、こうした問題に挑んでいます。

海洋開発の実現に向けて不規則現象に挑む