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論文

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

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

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 4 Pages, 2015/05

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。

論文

ITER test blanket module error field simulation experiments at DIII-D

Schaffer, M. J.*; Snipes, J. A.*; Gohil, P.*; de Vries, P.*; Evans, T. E.*; Fenstermacher, M. E.*; Gao, X.*; Garofalo, A. M.*; Gates, D. A.*; Greenfield, C. M.*; et al.

Nuclear Fusion, 51(10), p.103028_1 - 103028_11, 2011/10

 被引用回数:32 パーセンタイル:82.21(Physics, Fluids & Plasmas)

ITERのテストブランケットモジュールが作ると思われる誤差磁場の影響を調べる実験をDIII-Dにおいて実施した。プラズマ回転とモードロッキング,閉じ込め,LH遷移,ELM安定化,ELMとHモードペデスタル特性,高エネルギー粒子損失等を調べた。実験では、ITERの1つの赤道面ポートを模擬する3つ組のコイルを1セット使用した。その結果、ITERのTBMが作る誤差磁場のためにITERの運転が妨げられるような結果は得られなかった。一番大きな変化はプラズマ回転を減速させるものであり、非共鳴ブレーキング効果によってプラズマ全体の回転が50%程度減少した。密度や閉じ込めへの影響は、回転の影響の1/3程度である。これらの影響は、プラズマ圧力の高いプラズマや回転の低いプラズマで顕著である。それ以外の影響は軽微であった。

口頭

Results of ITER test blanket module mock-up experiments on DIII-D

Snipes, J. A.*; Schaffer, M. J.*; Gohil, P.*; de Vries, P.*; Fenstermacher, M. E.*; Evans, T. E.*; Gao, X. M.*; Garofalo, A.*; Gates, D. A.*; Greenfield, C. M.*; et al.

no journal, , 

磁性体で作られているITERのテストブランケットモジュール(TBM)が作る誤差磁場がプラズマ運転と性能へ与える影響を調べる実験をDIII-Dで実施した。ポロイダル磁場とトロイダル磁場を作る一組のコイルをプラズマ近傍の水平ポートに設置した。TBMコイルは、トロイダル磁場リップルとの総和で5.7%という局所磁場リップルを作り出すことが可能で、この値は1.3トンのITER用TBMが作る局所磁場リップルの4倍に相当する。実験では、トロイダル回転の減少はリップルに敏感であるが、閉じ込め性能への影響では、3%以上の局所磁場リップルで15-18%の減少、1.7%以下では影響はほとんど見られないことがわかった。

口頭

分子動力学法による高温高圧下でのジルコニウム酸化過程の解析

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

no journal, , 

燃料被覆管のジルコニウム合金が高温高圧条件でどのような振る舞いを示すかについて、原子・分子レベルでの理解を進めるため、分子動力学法を用いて、水分子とジルコニウム表面との化学反応ダイナミクスをシミュレーションした。その際、古典分子動力学法では、酸化反応の進行過程を追跡することができないため、化学反応を模擬できる反応分子動力学法(ReaxFF)を用いた。講演では、ジルコニウム酸化過程と水素の発生過程について論じ、シミュレーションによって得られる反応の温度や圧力依存性等についても報告する。

口頭

Molecular dynamics studies for oxidation reaction of Zr metals in high-temperature and high-pressure steam condition

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

no journal, , 

ジルカロイは、優れた燃料被覆管材料として広く用いられてきた。その機械的かつ熱的性質については、様々な実験により探索されてきた一方、燃料被覆管として見た場合、過酷事故等での高温・高圧の水蒸気にさらされたとき、どのように酸化反応が起こるかという点は重要な研究課題である。特に、酸化反応と共に水素の生成が起こりうるという事実は、福島第一原子力発電所での事故に関連して極めて重要な課題となっており詳細な研究が必要である。そこで、本発表では、酸化反応を直接、原子分子レベルでの反応過程を含む分子動力学計算法を用いることで原子・分子レベルの挙動から調べ、確かに高温・高圧にて酸化反応が加速し、系全体に拡がることが計算された。また、シミュレーションでは、酸素がある温度以上で表面からの拡散が加速され、それと共に生成された水素が大量に表面外に出ること等が高温で次々と起こりえること等が確かめられた。

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