2017 Fiscal Year Research-status Report
大型計算機を用いた核燃料熱物性の第一原理計算による評価手法の開発
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16K06964
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
中村 博樹 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究副主幹 (40350483)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 核燃料 / 第一原理計算 / 熱伝導 / MOX燃料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、第一原理計算手法を用いて核燃料の主要成分である二酸化アクチニドの熱物性値の評価を行った。本年度の成果は以下の２つである。
１．二酸化トリウムと二酸化プルトニウムの混合酸化物（MOX）に対して、Special Quasirandom Structure法（SQS）を用いて、第一原理計算による物性値評価を行った。このMOXのようにトリウムとプルトニウムがランダムに配置されている物質に対して原子シミュレーションを行なう場合、通常は原子数が数千個から数万個の大きな系を用意して、実際にランダムな配置を作成して計算するが、第一原理計算では計算コストが大きすぎて困難である。そこでSQSを用いて数百個程度の系に対して第一原理計算を行い、格子定数や弾性率などを求めた結果、測定値をよく再現した。この方法を応用することによって、MOX燃料の熱伝導率や比熱の精密評価を行なうことが可能となる。この成果は原子力学会（2018年春の年会）で発表した。
２．二酸化プルトニウムに対して、第一原理計算を用いて欠陥の生成エネルギー及び移動エネルギーの計算を行った。高温においては酸素欠陥の拡散が大きく熱物性に影響を与えるため、欠陥の生成エネルギーや移動エネルギーの精度の高い評価が必要とされる。これに対して、欠陥の電荷を考慮に入れて、系統的に欠陥エネルギーの詳細な評価を行なった。これによって得られたフレンケル欠陥の生成エネルギーや酸素の拡散係数は実験結果を十分な精度で再現するものであった。今後、欠陥による熱物性値への影響について評価を進めていく予定である。この成果は国際会議ACTINIDES2017や原子力学会（2017年秋の大会）で発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
燃料物質の物性評価には欠かせない酸素欠陥やMOX燃料の評価に対して、その基礎的な手法を確立した。これらの成果は計画通りであり、順調に研究が進捗しているといえる。一方、第一原理分子動力学を用いた熱物性評価に関しては、継続して続けており、全体としてはおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
第一原理分子動力学については、今後は熱伝導率などの動的な物性値の評価に取り組んでいく。特にこの計算は計算コストが大きいため、より効率的な方法を開発する予定である。一方、熱伝導率計算については、磁気秩序と熱伝導率の相関を明らかにしていき、より精密な熱伝導率評価を目指す。
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| Causes of Carryover |
予定していた国際会議が日本国内での開催となり、旅費が予想より安くなった。また、当該助成金は研究発表用のノートPCの購入とデータバックアップ用のディスク購入にあてる予定である。
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