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Comparative molecular simulation studies of oxidation reactions and hydrogen release for zirconium metals and silicon carbide under severe accident conditions

シビアアクシデント時におけるジルコニウム金属及びシリコンカーバイドに対する酸化反応と水素放出に関する比較シミュレーション研究

町田 昌彦 ; 中村 博樹 ; Srinivasan, S. G.*; Van Duin, A. C. T.*

Machida, Masahiko; Nakamura, Hiroki; Srinivasan, S. G.*; Van Duin, A. C. T.*

ジルコニウムは燃料被覆管として広く用いられ、その機械的及び熱的性質は様々な実験によって調べられてきた。特に、過酷事故時の高温高圧時におけるジルコニウムの酸化反応は重要な課題であり、酸化により生じる水素発生の問題は、福島原発事故に見られるように水素爆発を誘発するため、極めて重要な材料学上の課題として認識されている。したがって、最近では耐酸化材量として水素発生量が少ないシリコンカーバイド等の代替材料が研究されている。そこで、本研究では、原子・分子レベルのシミュレーションによって、これらの材料の高温高圧下での酸化反応を追跡し、界面にてどのような反応ダイナミクスが起こるかを化学反応分子動力学法を用いて調べた。その結果として、両者が同じ高温高圧条件下でどのような反応を示すか、その特徴が分かり、その反応進展過程と水素発生量とを比較解析することができた。本発表では、それらのシミュレーション比較結果を示し、酸化被膜が原子・分子レベルでどのように変化し、水素がどのような過程の下発生するかを明らかにする。

Zircalloy has been widely employed as an excellent material covering the fuel rod. The mechanical and thermal properties have been explored by various experiments. In terms of its use as the fuel cladding, its response to oxidation reactions is an important topic when it is exposed to high temperature and high pressure steam during severe accidents. Especially, the hydrogen production accompanied by the oxidation is critical because it can lead to the crisis of the hydrogen explosion, as observed in the Fukushima Nuclear Power Plant accidents. Silicon carbide (SiC) has been considered as an alternative cladding material owing to an advantage that hydrogen production is much suppressed in the equivalent condition compared to Zircalloy. Therefore, we simulate the oxidation reaction for both materials, i.e. Zirconium metal and SiC in atomistic level by using the ReaxFF reactive force field method to simulate the chemical reaction molecular dynamics. Through such comparative studies between Zirconium and SiC in the same condition, we clarify how the temperature and the steam pressure accelerates the oxidation reaction and the resultant hydrogen production in both materials at typical severe accident conditions. The advantage using ReaxFF is that it allows us to directly trace the oxygen diffusion inside the Zirconium metal and SiC depending on the temperature and vapor pressure together with the oxidation reaction. We can compare the reaction processes in both materials. Especially, we paid attention to the rate of hydrogen production in both materials.

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