2016 Fiscal Year Research-status Report
爆発抑止力をもつナノ金属流体の設計指針に基づく経時的流動性評価の確立
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16K01280
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| Research Institution | Tohoku University |
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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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
Bonnaud Patrick 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (00757693) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 液体ナトリウム / ナノ微粒子 / エンタルピー / 気液界面 / 高速化量子分子動力学法 / 爆発反応 / 冷却剤 / 大規模モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体ナトリウムは主に核燃料の冷却材に用いられているが,酸素や水に対する反応性が高く安全性の向上が急務である. 金属ナノ微粒子を含む液体ナトリウムは爆発の低下が実験的に確認されているがそのメカニズムは未解明であり新冷却素材の評価実験自体を安全に遂行する事が課題となっている. 爆発低減に効果がある元素を実験データが豊富なチタン元素を元に、原子レベルのミクロな領域で起こる爆発反応エンタルピーを定量的に比較する検討を行った. 液体ナトリウムは自由電子が豊富に存在するが、遷移金属ナノ粒子が浮遊するナノ流体ではナトリウムは遷移金属に電子を奪われ自由電子が欠乏する. 欠乏した自由電子を求めて液体ナトリウムは安定化する事が予備的研究により判明しつつあるが安定化の度合は元素種に依存するため,ナノ粒体中のナトリウムの安定化エネルギーを定量評価する. 3d, 4d, 5d族の候補元素の中からナトリウムナノ流体の安定化に寄与した金属元素を相対評価した. ナノ流体中のナトリウムはナノ粒子の無いナトリウムとは異なる電子状態であるため水との爆発:Na＋H2O → Na+ ＋1/2H2も同等の爆発には至らない. このナノ流体のナトリウム-水爆発反応のナノ流体の爆発抑止力を反応の活性化障壁を、ナノ微粒子を含む液体密度を再現でき、気-液界面を含む原子を扱える大規模な量子計算が可能な高速化量子分子動力学法を適用して評価する.
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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
液体ナトリウムは自由電子が豊富に存在するが、遷移金属微粒子が混合したナトリウムナノ流体では、遷移金属に電子を奪われ自由電子は欠乏する事が高速化量子計算の結果から判明した. この固体-液体界面間に起こる電子移行、電気的勾配は候補元素種ごとに異なる特徴を呈する. ナノ微粒子をモデリングし、密度汎関数法と同等の精度を保ちつつ第一原理手法と比較して高速な高速化量子化学計算により現実に即した固-液界面を含む大規模なモデリングにより実稼働プラントの温度域で、ナトリウム-遷移金属間の電子の授受を定量評価し原子間結合強度を調べる事で液体ナトリウムとの親和性を評価した.また、学会や有識者へも得られた知見を提示した所、同様の評価手法で、ナノ微粒子が水素を吸収している可能性とその評価モデルについて提案された為、今後は水素とナノ微粒子との関係も量子化学的に調べていく.
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノ微粒子が水素を吸収している可能性を調べる事が可能なモデル化を行う. ナノ粒子を含まない液体ナトリウムに比べ液体ナトリウムがどの程度安定化するかをエネルギー的に定量評価する. 液体ナトリウム-水蒸気反応:Na + H2O (水または水蒸気)→ Na+(ナトリウム陽イオン) + 1/2H2 に対しナノ流体がどの程度爆発抑止力があるかを、活性化障壁を算出する事で元素ごとに序列して相対評価まで行う.
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| Causes of Carryover |
H28年度に浮遊ナノ微粒子の拡散挙動の詳細を解析する予定であったが、水蒸気-ナトリウムの反応解析の進捗が良好であったく事から、計画を変更し、学会でも提案されたナノ粒子の水素吸蔵のモデル化を行い解析を合わせて行うこととしたため、未使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
このため、ナノ微粒子の分散度予測を次年度に行うこととし、未使用額はその経費に充てる予定である。
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