液体ナトリウム表面における水分子の反応性

Reactivity of a water molecule at the liquid sodium surface

菊地 晋  ; 栗原 成計 ; 大島 宏之; 橋本 健朗*

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

ナトリウム冷却高速炉では蒸気発生器伝熱管が破損すると、水蒸気と液体ナトリウムが直接接触するナトリウム-水反応が発生し、高温の反応ジェットが形成される。この反応ジェットが隣接する伝熱管表面に熱的及び化学的な影響を与える。それゆえ、蒸気発生器の安全性評価の観点から、ナトリウム-水反応現象をよく理解することは重要である。化学的な影響については、今までに反応形態としては気相反応と表面反応モデルが考えられている。表面反応は液体ナトリウムと水蒸気の界面で発生することを想定し、気相反応は反応により生じた熱により液体ナトリウムが蒸発し、気体のナトリウムと水蒸気が反応することを想定したものである。しかしながら、表面反応は反応自体が極めて速いため、今までに得られている知見は非常に限られたものとなっている。そこで、本研究では、第一原理計算によりナトリウム-水反応の表面反応で起こりうる反応経路を評価した。解析の結果、液体ナトリウム表面において水が解離する反応経路を得た。また、液体ナトリウムにおける水素生成メカニズムを確認した。

A breach of the heat transfer tube in a steam generator (SG) of a sodium-cooled fast reactor results in sodium-water reaction (SWR) by direct contact between liquid sodium and water vapor, which generates high temperature reaction jet. This reaction jet causes damage to the surface of neighboring heat transfer tubes by thermal and chemical effects. Therefore, it is important to clearly understand the SWR for safety assessment of SG. Regarding chemical effect, the surface and gas-phase reaction model are considered. As for the surface reaction, the water vapor encounters the liquid sodium, and the reaction occurs at their interface. Subsequently, the chemical reaction heating vaporizes the liquid sodium, causing the gas-phase reaction. However, there is limited knowledge on surface reaction because of extremely rapid-reaction. Therefore, in this study, ab-initio calculation was performed to evaluate the reaction path on surface reaction in SWR. The reaction path on dissociation of a water molecule at the liquid sodium surface was obtained. In addition, we also confirmed the generation mechanism of hydrogen in the liquid sodium.