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論文

Wettability of pure metals with liquid sodium and liquid tin

斉藤 淳一; 小林 洋平*; 澁谷 秀雄*

Materials Transactions, 62(10), p.1524 - 1532, 2021/10

高速炉の冷却材である液体ナトリウムの新規技術の創出の一環として、液体ナトリウムの濡れ性制御の研究開発を実施しており、本発表はその基礎的研究として、純金属の液体ナトリウムと液体錫の濡れ性を接触角により評価した。また、界面の原子間相互作用を界面クラスターモデルを用いて分子軌道法により理論計算した。その結果、界面の原子間結合力と濡れ性には相関があることが明らかになった。この知見は今後、ナトリウム濡れ性を制御するうえで、重要な情報となる。

論文

液体ナトリウム及び液体錫による純金属の濡れ性

斉藤 淳一; 小林 洋平*; 澁谷 秀雄*

日本金属学会誌, 85(3), p.110 - 119, 2021/03

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Metallurgy & Metallurgical Engineering)

Wettability of pure transition metals with liquid sodium or liquid tin has been evaluated using a contact angle droplet method. Titanium, iron, nickel, copper and molybdenum pure metals were selected as specimens in this experiment. All experiments were carried out in high purity argon gas and extremely low moisture to avoid influence of oxygen to liquid metal. Measurement temperature was set just above the melting temperature of each liquid metal. As a result, for both liquid sodium and liquid tin, the measured contact angle changed depending on the atomic number of substrate metals. An electronic structure of the interface between liquid metal and substrate metal was calculated by the molecular orbital method. Simple cluster models of the interface between liquid metal and substrate transition metals were used in this calculation. It was found that the calculation results well express an electronic state of interface. The atomic bonding between liquid metal atom and substrate metal atom changed depending on the kind of substrate metal. Also, the atomic bonding between substrate metal atoms changed similarly. It became clear that there was a reasonable relationship between an atomic bonding ratio and the contact angle. It clearly suggested the atomic bonding affected wettability between liquid metal and substrate metal. The atomic bonding was obtained as one of indications to reveal the wettability by transition metals with liquid metals.

論文

Study on optical properties of metallic sodium by vacuum ultra violet in UVSOR, 2

河口 宗道; 斉藤 淳一; 大道 博行*; 末元 徹*

UVSOR-47, P. 85, 2020/08

本研究は、真空紫外光が金属ナトリウムを透過する現象を理論的に解明するために、UVSORを利用して正確なスペクトルを取得するのが目的である。CaF$$_2$$窓の透過率を測定することでUVSORによる光学特性の測定結果の妥当性を確認した。しかしながら真空紫外光によるナトリウムの透過現象は確認できていないので今後ナトリウム試料を改良して測定を行う。

論文

Study on optical properties of metallic sodium by vacuum ultra violet in UVSOR

河口 宗道; 斉藤 淳一; 大道 博行*; 末元 徹*

UVSOR-46, P. 89, 2019/08

本研究は、真空紫外光が金属ナトリウムを透過する現象を理論的に解明するために、UVSORを利用して正確なスペクトルを取得するのが目的である。特別な容器を設計製作することにより、ナトリウム試料は測定時においても金属光沢を維持していることを確認した。UVSORの測定の結果から、MgF$$_2$$窓に真空紫外光を透過しにくい層が出来てしまった可能性が示されたので、今後解決して再測定を行う計画である。

論文

Dry cleaning process test for fuel assembly of fast reactor plant system, 1; Pilot scale test for fuel pin bundle

工藤 秀行*; 大谷 雄一*; 原 正秀*; 加藤 篤志; 石川 信行; 大高 雅彦; 永井 桂一; 斉藤 淳一; 荒 邦章; 井手 章博*

Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 10 Pages, 2019/05

次世代ナトリウム冷却炉では、プラント経済性向上の観点から、使用済燃料の洗浄プロセスとして革新的な乾式洗浄プロセスを採用している。本論文は、グローブボックス内において、燃料ピンバンドルを模擬した試験体を用いた、ナトリウムを試験体の共存性、残存ナトリウム量に係る基礎試験の結果を報告するものである。

論文

Dry cleaning process test for fuel assembly of fast reactor plant system, 2; Laboratory scale test for fuel assembly and evaluation of the amount of residual sodium

井手 章博*; 工藤 秀行*; 犬塚 泰輔*; 原 正秀*; 加藤 篤志; 石川 信行; 大高 雅彦; 永井 桂一; 斉藤 淳一; 荒 邦章

Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 10 Pages, 2019/05

次世代ナトリウム冷却炉では経済性向上のために革新的な使用済み燃料の乾式洗浄プロセスを採用しており、本稿はナトリウムループを使った燃料バンドル規模の試験の結果を報告する。

論文

Estimation of mitigation effects of sodium nanofluid for SGTR accidents in SFR

市川 健太*; 神田 大徳; 吉岡 直樹*; 荒 邦章; 斉藤 淳一; 永井 桂一

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 6 Pages, 2018/07

ナトリウム自身の反応抑制の研究は、液体ナトリウム(ナトリウムナノ流体)中へのナノ粒子分散の概念に基づいてなされた。ナトリウムナノ流体の実験結果から、ナノ流体の水反応の反応速度と反応熱量はナトリウムのそれらより低いことが明らかになった。ナトリウムナノ流体-水反応ジェットのピークの温度の解析モデルは、われわれによって前述の抑制効果を考慮して開発された。本論文では反応ジェットのピークの温度予測に、この解析モデルを適用し蒸気発生器伝熱管断裂(SGTR)事故の隣接した伝熱管損傷の緩和効果の予測方法を準備した。ナトリウムナノ流体がナトリウム高速炉の2次系冷却材のために使われるとして、設計基準事故事象の緩和効果とSGTRの設計拡張状態をこの方法を用いて推定した。その結果、2次系冷却材でナトリウムナノ流体を用いて損傷を受けた伝熱管の数を減らし、SGTR事故によって発生する圧力を抑制する可能性が得られた。

論文

塩化カルシウムを用いた金属ナトリウムの消火/処理方法の開発

阿部 雄太; 永井 桂一; 真家 光良*; 中野 菜都子*; 川島 裕一*; 武末 尚久*; 斉藤 淳一

第23回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(USB Flash Drive), 5 Pages, 2018/06

ナトリウム火災ではナトレックスで窒息消火させるが、消火能力の向上や純ナトリウムの安定化を目指した消火手法を考案した。もんじゅ等の高速炉やナトリウム施設の廃止では大量ナトリウム処理でのアルカリ廃液及び水素管理が課題となる。ナトリウムは電気陰性度が他の金属より小さいため高い化学的活性度である。Na$$^{+}$$を塩化カルシウムのCl$$^{-}$$とイオン結合させ、中性かつ安定な塩化ナトリウムを生成する消火/処理方法を考案した。基礎的特性(熱分析, 元素分析等)と小規模試験から、適用が期待できる結果を得た。

論文

「高速炉冷却材液体金属ナトリウムの化学的活性度抑制技術」の紹介

斉藤 淳一

日本機械学会動力エネルギーシステム部門ニュースレター, (56), p.2 - 3, 2017/09

液体金属ナトリウムは伝熱流動性、構造材との良好な共存性などの多くの冷却媒体として優れた特性を有していることから、高速炉の冷却材として使用されている。一方で酸素や水と反応しやすく、その際の反応熱量が大きく、反応速度が速いという化学的活性度が高い。そこで、ナトリウム自身の化学的活性度を抑制するというアイデアを創出し、その研究開発を進めてきた。その結果、ナノ粒子分散ナトリウムの化学的活性度の抑制が確認され、プラントの安全性が向上し、通常運転を超える厳しい条件での事故時にも裕度を持って対応が可能となる見通しが得られている。これまでに取得したナノ流体の主な反応抑制よりプラントへの効果について述べる。

論文

The Promising features of new nano liquid metals; Liquid sodium containing titanium nanoparticles (LSnanop)

伊丹 俊夫*; 斉藤 淳一; 荒 邦章

Metals, 5(3), p.1212 - 1240, 2015/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:7.14(Materials Science, Multidisciplinary)

新しい種類の分散液体は、電子顕微鏡観察により決めたチタンナノ粒子(10nm)を液状ナトリウム中に分散することによって開発された。体積分率は、分析されたチタン濃度(2%)からチタンとナトリウムの密度の0.0088であると見積もられた。この分散液体(チタンナノ粒子を含む液体ナトリウム)の多くの顕著な特徴は、少量のチタンナノ粒子にもかかわらず、原子量のための理想溶液からの3.9%の負の偏差、17%の表面張力の増加、11%の水との反応熱量の減少、そして、水と酸素との化学的反応性の抑制である。水への反応熱の低下はLSnanopの過剰な凝集エネルギーの存在に起因すると思われる。過剰な凝集エネルギーは遮蔽効果に特に重点を置いて、簡単な理論的な分析に基づいて議論した。反応の抑制は、水に対する反応熱の低下や過剰な凝集エネルギー、表面張力、チタン酸化物のプラグとしての役割、LSnanopの表面の負の吸着及び浸透に関連して議論された。

論文

The Preparation, physicochemical properties, and the cohesive energy of liquid sodium containing titanium nanoparticles

斉藤 淳一; 伊丹 俊夫; 荒 邦章

Journal of Nanoparticle Research, 14(12), p.1298_1 - 1298_17, 2012/12

 被引用回数:4 パーセンタイル:21.66(Chemistry, Multidisciplinary)

Liquid sodium containing titanium nanoparticles (LSnanop) of 10 nm diameter was prepared by dispersing titanium nanoparticles (2 at.% Ti) into liquid sodium with the addition of stirring and ultrasonic sound wave. The titanium nanoparticles themselves were prepared by the vapor deposition method. This new liquid metal, LSnanop, shows a remarkable stability due to the Brownian motion of nanoparticles in liquid sodium medium. In addition, the difference of measured heat of reaction to water between this LSnanop and liquid sodium indicates the existence of cohesive energy between the liquid sodium medium and dispersed titanium nanoparticles. The origin of the cohesive energy, which serves to stabilize this new liquid metal, was explained by the model of screened nanoparticles in liquid sodium. In this model negatively charged nanoparticles with transferred electrons from liquid sodium are surrounded by the positively charged screening shell, which may inhibit the gathering of nanoparticles by the "Coulombic repulsion coating". The atomic volume of LSnanop shows the shrinkage from the linear law, which also suggests the existence of cohesive energy. The viscosity of LSnanop is almost same as that of liquid sodium. This behavior was explained by the Einstein equation. The surface tension of LSnanop is 17% larger than that of liquid sodium. The cohesive energy and the negative adsorption may be responsible to this increase. Titanium nanoparticles in liquid sodium seem to be free from the Coulomb fission. This new liquid metal containing nanoparticles suggests the possibility to prepare various stable suspensions with new properties.

論文

Chemical reactivity suppression of liquid sodium by suspended nanoparticles

斉藤 淳一; 荒 邦章

Transactions of the American Nuclear Society, 107(1), p.433 - 436, 2012/11

高速炉の冷却材として使われている液体ナトリウムは優れた冷却材特性を有しているが、一方で酸素や水との化学的反応が活性であるという欠点を有している。本研究では、液体ナトリウムにナノメートルサイズの超微粒子を分散させ、分散したナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用を利用して、ナトリウム自身の化学的活性度を抑制することを目的としている。ナノ粒子とナトリウムの理論計算により相互作用が大きくなることを明らかにするとともに、原子間相互作用に起因して物性が変化することを明らかにした。さらに、物性の変化により、化学的特性も変化することを実験により確認した。

論文

The Sodium oxidation reaction and suppression effect of sodium with suspended nanoparticles; Growth behavior of dendritic oxide during oxidation

西村 正弘; 永井 桂一; 小野島 貴光; 斉藤 淳一; 荒 邦章; 杉山 憲一郎*

Journal of Nuclear Science and Technology, 49(1), p.71 - 77, 2012/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:36.63(Nuclear Science & Technology)

ナトリウム燃焼の初めのステージの酸化は、反応の継続性の観点から重要である。この研究では、さらなる高速炉の安全性向上のためのナトリウム反応の知見に適用するために、詳細にナトリウムの反応を理解することを目的としている。

論文

A Study of atomic interaction between suspended nanoparticles and sodium atoms in liquid sodium

斉藤 淳一; 荒 邦章

Nuclear Engineering and Design, 240(10), p.2664 - 2673, 2010/10

 被引用回数:9 パーセンタイル:57.13(Nuclear Science & Technology)

ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用を利用してナトリウム自身の化学的活性度を抑制の可能性を探る研究を行っている。ナトリウムと電気陰性度の差が大きい遷移金属をナノ粒子することにより、ナノ粒子とナトリウムの原子間相互作用が大きくなると予測し、理論計算を行った。ナトリウム原子とナノ粒子原子の原子間結合は、ナトリウム原子どうしのそれよりも大きく、ナトリウム原子からナノ粒子原子へ電荷移行が生じることがわかった。原子間結合を検証するために、ナノ粒子が分散したナトリウムを用いて、原子間結合と相関のある基礎物性を調査した。ナトリウムと比べて、ナノ粒子分散ナトリウムの表面張力は増大し、蒸発速度は低減した。このことからナノ粒子とナトリウムの原子間結合の存在を確認した。

論文

Study on chemical reactivity control of liquid sodium; Development of nano-fluid and its property and applicability to FBR plant

斉藤 淳一; 荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 中野 晴之*; 緒方 寛*; 吉岡 直樹*

Proceedings of 16th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-16) (CD-ROM), 4 Pages, 2008/05

液体ナトリウムは熱伝導率などの特性に優れていることから高速炉の冷却材として使用されている。しかしながら、ナトリウムの水や酸素との反応性は非常に高い。そこで、ナトリウム自身の化学的活性度を抑制する革新的な研究が望まれている。本研究の目的は液体ナトリウム中にナノメートルサイズの金属微粒子を分散させることにより、ナトリウムの化学的活性度を抑制することである。本研究のサブテーマとして、ナノ粒子の製造技術の開発,ナノ流体の反応抑制効果の評価及びナノ流体のFBRプラントへの適用性評価を挙げている。本論文ではそれぞれのサブテーマの進捗状況について述べる。

論文

Study on chemical reactivity control of liquid sodium; Research program

斉藤 淳一; 荒 邦章; 杉山 憲一郎*; 北川 宏*; 岡 伸樹*; 吉岡 直樹*

Proceedings of 15th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-15) (CD-ROM), 5 Pages, 2007/04

液体ナトリウムは熱伝導率や液体温度範囲が広いことから高速炉の冷却材として使われている。しかしながら、ナトリウムの水や酸素との反応性は非常に高い。そこで、ナトリウムの化学的活性度を抑制する革新的な技術の開発が望まれている。本研究の目的は液体ナトリウム中にナノメートルサイズの金属微粒子を分散させることにより、ナトリウムの化学的活性度を抑制することである。本研究のサブテーマはナノ粒子の製造,反応抑制効果の評価と高速炉への適用性評価である。本発表では研究計画について述べる。

論文

Reaction, transport and settling behavior of lead-bismuth eutectic in flowing liquid sodium

宮原 信哉; 大野 修司; 山本 信弘; 斉藤 淳一; 平林 勝

Proceedings of 14th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-14) (CD-ROM), 7 Pages, 2006/07

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器伝熱管破損事故によるナトリウム-水反応を防止するため、ナトリウムと水との間に液体鉛ビスマス(LBE)を熱媒体として用いる中間熱交換器(AIHX)の概念がある。しかし、AIHXにおけるナトリウム-LBE間の伝熱管が破損した場合には、LBEがナトリウム系に漏えいすることが考えられる。そこで本研究では、400$$^{circ}$$Cの流動するナトリウム中に同温度のLBEを漏えいさせ、その反応挙動及び反応生成物の移行と沈降挙動を実験的に調べた。その結果、漏えいしたLBEは流動するナトリウムと発熱反応することによりBiNa$$_{3}$$を主成分とする固体粒子状の反応生成物が生じること,これら粒子は凝集してナトリウムループ底部に沈降し濃度は徐々に減衰すること,超音波を利用したLBEの漏えい検出は熱電対による温度上昇測定と同様に有効な漏えい検出器となりうること等を明らかにした。

論文

Reaction behavior of lead-bismuth eutectic with liquid sodium

斉藤 淳一

Proceedings of 13th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-13), 0 Pages, 2005/05

ナトリウムと鉛ビスマス(LBE)の反応試験は反応挙動を明らかにするために、試験温度とLBEの量をパラメタとして変化させて実施した。試験結果から液体ナトリウムの温度は、LBEを落とすことによって、直ぐに上昇することが明らかになった。これはLBEと液体ナトリウムの発熱反応に起因すると考えられる。反応による温度上昇が大きいほどナトリウム中での鉛とビスマスの溶解の量は増加する。反応の温度によって、それらは大きく変化する。多くの微細な反応生成物がナトリウムで観察された。反応生成物の量は落下するLBEの量に依存する。主な反応生成物はナトリウム-ビスマス2元系化合物の一つであるBiNa$$_{3}$$である。液体ナトリウムの温度上昇から計算された反応熱はBiNa$$_{3}$$の標準のエンタルピによって見積もられた反応熱と同様である。ナトリウムとLBEの反応挙動はこれらの試験より明らかになった。

報告書

鉛ビスマスのナトリウム中移行挙動予備試験; 反応挙動に及ぼす試験温度と鉛ビスマス量の影響

斉藤 淳一; 佐川 憲彦; 大野 修司; 浜田 広次; 宮原 信哉

JNC TN9400 2004-059, 133 Pages, 2004/09

JNC-TN9400-2004-059.pdf:6.05MB

高速炉実用化戦略調査研究(フェーズI)では、鉛ビスマスを中間熱媒体として利用する二次系簡素化概念が一つの候補として選定されている。本研究では実用化戦略調査研究(フェーズII)で鉛ビスマスのナトリウム中移行挙動を実験により明らかにすることを目的としている。液体ナトリウム中に液体鉛ビスマスを滴下する試験を試験温度と鉛ビスマス量を変えて実施した。その結果より、試験温度と鉛ビスマス滴下量がナトリウムと鉛ビスマスの反応挙動に及ぼす影響を明らかにした。試験により得られた結果を以下に示す。(1)試験温度が低い方が、ナトリウムと鉛ビスマスが反応し発熱するまでに時間を要する。このことは試験温度がナトリウムと鉛ビスマスの反応挙動に影響していることを示している。(2)鉛ビスマス滴下量はナトリウムと鉛ビスマスの反応により生成する反応生成物の量と種類に影響している。(3)ナトリウムと鉛ビスマスの反応による発熱量は、主に生成しているBiNa$$_{3}$$の生成エンタルピーから算出した生成熱とおおむね一致している。

報告書

鉛ビスマス共晶合金とナトリウムとの反応基礎実験; 反応生成物の同定と反応挙動の検討

斉藤 淳一; 平川 康

JNC TN9400 2003-078, 75 Pages, 2003/09

JNC-TN9400-2003-078.pdf:3.06MB

高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究では鉛ビスマスを中間熱媒体として利用することが一つの候補として選定されている。本研究ではナトリウムと鉛ビスマスの反応挙動を明らかにすることを目的に、ナトリウムと鉛ビスマスの反応試験を行った。反応試験において生成する反応生成物を同定しその反応生成過程を解明するために、反応生成物のサンプリングを実施し、それらのX線回折による解析を行った。 その結果、以下のことが明らかになった。(1)}ナトリウムと鉛ビスマスの3成分系の試験の主な反応生成物はBiNa3およびPb4Na15の2つの金属間化合物である。これらの反応生成物は試料の初期成分、サンプリング温度に関係することなく検出された。(2)}反応生成物の中からPb3Naを同定することができた。この化合物は初めて同定することができた。(3)}ナトリウムとビスマスの2成分系の試験の主な反応生成物はBiNa3である。(4)}ナトリウムと鉛の2成分系の試験の反応生成物は複数のナトリウム-鉛系金属間化合物により構成されてていた。単相のナトリウム-鉛系金属間化合物は得られなかった。 さらに、X線回折結果より反応生成物の生成と溶解挙動のモデルを提案した。

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