2020 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum chemical optimization of nano-particle constituent elements eliciting a self-extinction to the ignitible liquid metal and evaluation of its flowability
| Project/Area Number |
19H02382
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
鈴木 愛 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (40463781)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三浦 隆治 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (00570897)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | ナトリウム / 水 / 遷移金属 / 水素 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
液体ナトリウムは冷却材料として有用な材料であるが、水蒸気と反応を起こすと激しい反応を起こす。ナトリウム-水蒸気反応は速く複雑なため、理論的観点からの解析が必要である。一方、液体ナトリウムが、遷移金属であるチタンをナノ粒子として含む場合、この激しい反応が抑制される事が実証されている。この、ナトリウム-水蒸気反応と、遷移金属チタン層上のナトリウム-水蒸気反応の差異については、第一原理計算による、ナトリウム数原子とチタン安定面との界面の電子状態の解析が行われた例があるものの、水分子を含めた反応性の差異を量子化学的に解析した例が無かった。ナトリウム-水反応は、遷移金属チタンの有無によって異なると考えられ、さらに、遷移金属が存在しない場合であっても、ナトリウムと水の接触界面では気相と液相が混ざり合う反応があり、反応後には固体のナトリウム酸化物も生成するなど混相状態である。このような混相条件をモデル化し、高温ナトリウムと水の反応が遷移金属チタンの有無によって反応過程に如何なる差異があるか、量子化学的な解析を行った。これまでに高速化量子分子動力学計算をナトリウム-水反応と、金属チタン上のナトリウム-水反応を解析する事に適用し、反応過程を比較した。ナトリウム相へ水分子が近づく際、水分子は、水素原子をナトリウム表面側に配向し吸着する様子が見られた。さらに水分子が衝突した後、水素原子がナトリウム表面に留まり、負に帯電した吸着水素となった。化学吸着した負電荷に帯電した水素原子対の共有結合エネルギーは、水素分子の共有結合エネルギーの実験値より小さくエネルギー的に不十分な吸着水素が存在する様子が見られ、実験で水素分子が低減する背景には、分子未満ともいえる吸着水素が存在するためではないかと考えられる。上述の反応により発生する水素分子の遷移金属の有無によって示す挙動をそれぞれ比較した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
時間スケールや計算対象とするサイズの規模から考えて、密度汎関数法や、電子の授受を考慮しない分子動力学法では難しい、気固混相領域における化学反応挙動に高速化量子分子動力学法を適用して解析したところ、気相ナトリウム上では水分子から水素分子が生成し、ナトリウム表面上から脱離した。一方、チタン金属表面上の気相ナトリウムと水分子との反応においてはナトリウム表面上に水素化ナトリウムを生成した。既往の研究でも、水素化ナトリウムを遷移状態として水素発生にいたる化学反応機構の解析などが行われている。このように、生成する水素を水素分子として飛散させずにナトリウム表面もしくは内部に留めることが、爆発的なナトリウム-水反応の抑止に効果があると考えられる。ナトリウム-水反応によって生成する、水素分子について、高温・高圧下(1273K、100 atom)において、チタン金属を含まないナトリウム内にある場合の水素分子と、チタン金属上にある場合の水素分子のダイナミクスを比較した。チタン金属を含まないナトリウム内では拡散し続ける一方、チタン金属を含むナトリウム内では拡散が抑制され、水素分子の速度はチタン表面に近づくにつれ減速し、金属表面上か内部で原子に解離する様子が見られた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
ナノ粒子含有液体ナトリウムの実用化には、ナノ粒子の分散性が長時間耐久できる事が不可欠である. チタンナノ粒子周囲に形成される電気二重層外殻の正に帯電したナトリウム同士の静電反発(Ｎａ+…Ｎａ+)によって、液体ナトリウム中のチタンナノ粒子は、外側の最表面チタン原子が安定なNa-Ti 層を形成してブラウン運動しながら、凝集が起こらない観測事実を量子化学的に説明できる。このナノ粒子分散性を決める静電反発の大きさをチタンを例として、チタン1 原子当たりのナトリウムとの電子授受量との相対比較により、3d～5d族中の候補遷移金属種ごとに形成電場から見積もる。また、ナノ流体のナトリウム中のナノ粒子の拡散係数を見積もりStokes-Einstein 式からナノ流体全体の粘度を算定し、μm 領域のメソ粒子モデルに反映し実時間軸を考慮した3次元キネティックモンテカルロ法により粒径分布などの経時分散特性をチタンナノ粒子/液体ナトリウムの組み合わせの時と比較する。
液体ナトリウムの安定化エネルギーが実験的には表面張力の増加として現れる為Stefan 式からナノ流体の表面張力の増加分を算出し流動性解析に反映する。実際の高速増殖炉の冷却システムの配管条件を設定し、上述の通り出した拡散係数、表面張力、粘度、分散度、最適粒径を固液混相流であるナノ流体のマクロ特性に入力情報として反映させた流れ解析を行い、ナノ粒子を含むナノ流体の流動性を候補元素種ごとに評価する。具体的には、ナノ粒子浮遊ナトリウム液流中の粒子同士の衝突頻度を定量比較する事で、凝集、堆積・凝固、相分離に起因する極端な乱流を誘発するような危険因子を検証し、実測値と比較・検証しつつナノ流体の安全・安定な流れの設計指針となる最適解を得る。
|
