Reaction path analysis of sodium-water reaction phenomena in support of chemical reaction model development

化学反応モデルの構築に資するナトリウム-水反応現象の反応経路解析

菊地 晋  ; 大島 宏之; 橋本 健朗*

Kikuchi, Shin; Ohshima, Hiroyuki; Hashimoto, Kenro*

ナトリウム冷却型高速炉では、炉心から発電に必要な蒸気発生器へのエネルギーの伝達のために冷却材としてナトリウムが使用されている。万が一、この蒸気発生器が損傷すると、高圧の水蒸気が液体ナトリウム側に噴出し、ナトリウム-水反応が発生する。このナトリウム-水反応により形成された高温の反応ジェットが隣接する蒸気発生器伝熱管表面に熱的及び化学的な影響を及ぼす。そのため、蒸気発生器の安全評価上、ナトリウム-水反応現象を解明することが重要となる。本報では、第一原理計算によりナトリウム-水反応の表面反応について研究した。ここでは、液体ナトリウム表面における水分子の連続的な水酸基開裂について着目した。また、可能性のある反応経路及び障壁高さ等の相対エネルギーについて報告するとともに、水酸基開裂に関する反応速度定数についても検討した。

In a sodium-cooled fast reactor (SFR), liquid sodium is used as heat transfer fluid to carry the energy from the reactor core to the steam generation (SG) system for power generation. If the heat transfer tube in the SG is failed, high pressurized water vapor blows into the liquid sodium and the sodium-water reaction (SWR) takes place. The extremely high temperature reaction jet formed by the SWR causes damage to the surface of the neighboring heat transfer tubes by thermal and chemical effects. Therefore, it is important to clearly understand the SWR for safety assessment of SG. In this work, we studied the surface reaction in the SWR by using ab initio calculations. The successive OH cleavages of a water molecule at the liquid sodium surface were focused. The possible reaction path and the related energies including the barrier heights were reported. The relative rates of the OH cleavages were also discussed.