核の量子性を考慮したトリチウム化学反応過程の理論的研究

• Project Area: Tritium Science and Technology for Fusion Reactor
• Project/Area Number: 22017002
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 高柳 敏幸 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (90354894)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,600,000); Fiscal Year 2011: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2010: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: トリチウム化学 / 反応動力学 / 同位体効果 / 水素原子拡散 / 表面反応 / 量子効果

Research Abstract

本研究では、Fe材料とトリチウム水(HTO)の相互作用により起こるトリチウムの透過現象について、三段階の同位体化学反応過程として捉え、理論化学計算を用いてその反応機構の解明を試みた。
まずFe(100)表面にHTOが接近して起こる吸着・解離反応について、HTOはOT+HとOH+Tの二つの解離反応過程の存在が予想される。そこでゼロ点振動補正されたエネルギー準位をみると、活性化エネルギーは後者よりも0.05eV低く、系としてOT+Hに解離しやすいことが分かった。この結果は、トリチウムの化学反応機構には核の量子化に伴う同位体効果の影響を受けることを意味する。また、解離したT(H)のFe格子中への溶解反応においても、H溶解する際の活性化エネルギーはTの場合に比べ0.03eV低く、HよりもTはFe材料に侵入しやすいことが分かった。
次に、Fe格子中の軽水素、トリチウム原子の拡散反応について、量子動力学計算手法であるセントロイド分子動力学法とリングポリマー分子動力学法を用いることにより、自己拡散係数と自由エネルギーを算出した。その結果、軽水素原子については、2つの量子動力学計算により求まった拡散係数は、実験値と非常に良く一致した。また、古典動力学と比較すると、高温側では一致しているのに対し、200K程度以下の低温側ではトンネル効果のため、大きくずれていることが分かった。本研究で、トリチウム原子の拡散係数を定量的に見積もることができることを示すことができた。
以上、理論計算によって、実験では難しいトリチウムの関わる化学現象の物理量を算出する目途がついたと結論した。

Research Products

• [Journal Article] Quantum tautomerization in porphycene and its isotopomers : Path-integral molecular dynamics simulations (2012)
  • Author(s): T.Yoshikawa, S.Sugawara, T.Takayanagi, M.Shiga, M.Tachikawa
  • Journal Title: Chemical Physics Volume: 394 Pages: 46-51
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum proton transfer in hydrated sulfuric acid clusters : A perspective from semiempirical path integral simulations (2011)
  • Author(s): S.Sugawara, T.Yoshikawa, T.Takayanagi, M.Shiga, M.Tachikawa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A Volume: 115 Pages: 11486-11494
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic structure computational study of H and Mu addition to C=S double bonds (2011)
  • Author(s): T.Kobayashi, K.Seki, T.Tanaka, T.Takayanagi
  • Journal Title: Computational and Theoretical Chemistry Volume: 963 Pages: 256-262
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Roaming dynamics in the MgH + H -> Mg + H_2 reaction : Quantum dynamics calculations (2011)
  • Author(s): T.Takayanagi, T.Tanaka
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 504 Pages: 130-135
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum reactive scattering calculations of H + F_2 and Mu + F_2 reactions on a new ab initio potential energy surface (2010)
  • Author(s): T.Tanaka, T.Takayanagi
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 496 Pages: 248-253
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 経路積分計算によるプロトン移動反応の量子描像 (2011)
  • Author(s): 高柳敏幸
  • Organizer: 化学反応経路探索のニューフロンティア2011
  • Place of Presentation: 札幌(北海道大学)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-24
• [Presentation] Theoretical study on the mechanism of double proton transfer and isotope effect in porphycene by path-integral molecular dynamics simulations (2011)
  • Author(s): 吉川武宏、菅原修一、高柳敏幸、志賀基之、立川仁典
  • Organizer: 第27回化学反応討論会
  • Place of Presentation: 東京(東京工業大学)
  • Year and Date: 2011-06-08
• [Presentation] ポルフィセンの二重プロトン移動に関する理論的研究 (2010)
  • Author(s): 吉川武宏, 菅原修一, 高柳敏幸, 志賀基之, 立川仁典
  • Organizer: 第4回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-09-17
• [Remarks]
  • URL: http://www.chem.saitama-u.ac.jp/takayanagi-lab/index.html