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研究内容

Research Overview

海底鉱物資源開発等に係る基盤技術の構築に関する研究

海底鉱物資源開発にむけた取り組み

日本の排他的経済水域には海底熱水鉱床※1やコバルトリッチクラスト、マンガン団塊など多くの鉱物資源が賦存していることが知られており、その開発のための採鉱システムの研究開発が国家的なプロジェクトとして実施されています。採鉱システムの開発・運用にあたっては、解決しなければならない技術的な課題が数多く残っています。
深海技術研究グループ（以下、当グループ）では海底鉱物資源の開発に資することを目的として、以下の4つのテーマの研究を行っています。

  • 海底鉱物資源の掘削に関する要素技術の研究
  • 海底鉱物資源の揚鉱※2に関する要素技術の研究
  • 海底鉱物資源の海底での処理に関する研究
  • 海底鉱物資源開発に係る稼働性・安全性・経済性に関する研究

ここではこれら要素技術の研究のうち、揚鉱管※3内の評価及び移送管※4挙動に関する研究についてご紹介します。

• エアリフト方式の揚鉱管内部流の評価について

海底鉱物資源を揚鉱する方式の１つに、鉱石と海水をスラリー※5状にしたエアリフトポンプ方式があります。エアリフトポンプ方式では、揚鉱管の内部が固気液三相流（鉱物、空気、海水）になるため、固気液三相流の移送評価は、エアリフトポンプ方式のシステムを設計・運用するにあたり重要となります。当グループでは、内部流評価モデルを構築するために必要なデータを取得する実験（図１）（図２）を実施するとともに、内部流の移送シミュレーションを実施してきました。実験の結果より、固気液三相流中の気体や固体の流速を表すモデル式を提案するとともに、それらのモデルを用いたシミュレーションの結果を実験結果と比較することで、シミュレーションの妥当性を検証（図３）しております。

  1. 海底深部に浸透した海水がマグマ等により熱せられ、地殻に含まれている元素を抽出しながら熱水として海底から海中に噴出し、それが冷却される過程で、熱水中の銅、鉛、亜鉛、金、銀等の重金属を含む鉱物が沈殿したもの
  2. 海底で掘削した鉱石を海上まで移送すること
  3. 海底で掘削した鉱石を海上へ移送する際に用いるパイプ
  4. 海底の鉱石を掘削する機械と海上の母船から吊り下げられたポンプを接続するための管
  5. 液体中に固形物が混ざった混合物

図1 試験装置概要

図2 実験結果の例（混合のみかけ流速と気体流速の関係）

図3 内部流シミュレーション結果と実験結果の比較例（液体流量の比較）

発表文献

  • Takano, S. and Masanobu, S., Effect of internal diameter of pipe on velocity distribution for gas?liquid?solid three-phase pipe flows, Proceedings of the ASME 2025 44th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2025, June 22-27, 2025, Vancouver Columbia, Canada.
  • Takano, S. and Masanobu, S., Numerical simulation on gas–liquid–solid three–phase flow by gas–lift pumping system for deep sea mining, Proceedings of the ASME 2023 42nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2023, June 11-16, 2023, Melbourne, Australia.
  • Takano, S., et al., Experimental study on void fractions and pressure drops in three-phase flow for deep sea mining, Proceedings of the ASME 2021 40th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2021, June 21-30, 2021, Virtual, Online.

• 移送管挙動について

海底鉱物資源開発では、海底で鉱物資源を掘削するユニットと水中でスラリーポンプを用いて海上に移送（揚鉱）するユニットをつなげたシステムが検討されています。フレキシブルな移送管の水中での形状変化や挙動を評価することは、システムの設計や安全な運用に重要となります。当グループでは、移送管内を鉱石がスラリー状で移送される場合の形状変化や挙動を推定するための手法を開発することを目的に、模型実験（図４）を実施しました。模型実験の結果から、管内部における固体濃度の増加に伴って模型形状が変化することが確認されました（図５）。また、移送管の形状変化及び挙動を計算するプログラムを開発しており、内部流の密度分布を考慮する場合と考慮しない場合のシミュレーションを実施したところ、密度分布を考慮した方が運動モードを正しく表現することができることが確認されました（図６）。

深海水槽の紹介動画：

図4 模型試験模式図

図5 模型形状の比較

図6 模型の運動計算の結果例

発表文献

  • Takano, S. and Masanobu, S., Effect of axial density distribution in liquid–solid flow in pipes on the jumper for deep sea mining, Proceedings of the ASME 2024 43rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2024, June 9-14, 2024, Singapore EXPO, Singapore.
  • Yamamoto, M., et al., Numerical simulation of a jumper conveying slurry for deep-sea mining, Proceedings of the ASME 2021 40th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2021, June 21-30, 2021, Virtual, Online.
  • Yamamoto, M., et al., The effects of solid-liquid internal flow on the dynamic behavior of a reduced scale jumper for deep-sea mining, Proceedings of the ASME 2020 39th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2020, June 28-July 3, 2020, Fort Lauderdale, FL USA.