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分子動力学法による乾式再処理電解浴中の金属イオン環境シミュレーション

Molecular dynamics simulation study on behavior of metallic ion in molten salt mixture bath

岡本 芳浩; 鶴岡 卓哉*; 矢板 毅; Madden, P. A.*

Okamoto, Yoshihiro; Tsuruoka, Takuya*; Yaita, Tsuyoshi; Madden, P. A.*

使用済核燃料の乾式再処理の中心的プロセスである溶融塩電解においては、電解浴中に金属イオンが微量溶け込んだ環境の把握が重要となる。本研究では、電解浴としてLiCl-KCl共晶塩を、研究対象塩化物として代表的な希土類元素塩化物であるLaCl$$_3$$を選び、分子動力学計算を実施した。LaCl$$_3$$は、単独塩融体の状態において最近接La$$^{3+}$$-Cl$$^-$$対の配位数がおよそ8であることが知られている。アルカリ塩化物との混合によって、LaCl$$_3$$は最近接相関距離が短くなり、また配位数を減らして、6配位八面体構造を形成して安定化していくことがわかった。これは、もともと6配位構造をとり、アルカリ塩化物との混合によってそれが安定化するだけのYCl$$_3$$系の混合挙動とは異なる。また、混合の相手がLiClとKClでは混合挙動が異なる結果が得られた。KClは6配位構造を安定化させるのに対して、LiClでは配位数は7以下にはならず6配位構造にはならないことを確認した。これは、LaCl$$_3$$とLiClではCl$$^-$$イオンの数密度にほとんど差はないため、さらに小さなLi$$^+$$イオンがLa$$^{3+}$$イオンに接近して、そのクーロン力で配位構造の形成や安定化を阻害するためと考えられる。

Behavior of very small amount of metallic ion in molten alkali chloride mixture melt is very important information in pyrochemical reprocessing of spent nuclear fuels. In the present work, mixing behavior of molten LaCl$$_3$$ in LiCl-KCl eutectic melt was simulated by molecular dynamics simulations. It has been reported that molten pure LaCl$$_3$$ has an 8-fold (LaCl$$_8$$)$$^{5-}$$ structure. The coordination number decreases by mixing with LiCl-KCl eutectic mixture melt and indicates a value close to 6 less than 31%LaCl$$_3$$ composition. It suggests that molten LaCl$$_3$$ has an octahedral coordination structure in the mixture, as shown in molten YCl$$_3$$ systems. In the MD simulation, the mixing effect was different between LiCl and KCl. It is due to high number density of Cl$$^-$$ ion in molten LiCl comparable to molten LaCl$$^3$$ and strong Coulomb force introduced by a small Li$$^+$$ ion.

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