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浪江 将成; 斉藤 淳一
Computational Materials Science, 239, p.112963_1 - 112963_7, 2024/04
Atomic interactions at the interface involving iron, iron fluorides (iron (II) fluoride and iron (III) fluoride), and sodium were investigated using first-principles calculations. The wettability with liquid sodium was subsequently examined, focusing on the calculated atomic interactions. From a covalent bonding perspective, iron (II) fluoride exhibited weaker bonds between neighboring atoms in the substrate material than iron (III) fluoride. However, it exhibited relatively strong bonds between the substrate material and sodium atoms. In contrast, iron (III) fluoride had stronger bonds between neighboring atoms in the substrate material, with weaker bonds between the substrate material and sodium atoms. Additionally, in terms of ionic bonding, the contact of the sodium atom with the substrate material increased the charge transfer of the substrate material atom, correlating with the oxidation number of iron. Iron (III) fluoride exhibited the most substantial charge transfer among the substrate materials. The charge transfer from the sodium atom to the atom in contact with it was approximately 2.5 times that of iron. This result underscores the change in electronic states induced by the iron or iron fluoride interface, potentially influencing the wettability between the material surface and liquid sodium.
斉藤 淳一; Monbernier, M.*
Surfaces and Interfaces (Internet), 41, p.103248_1 - 103248_8, 2023/10
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Chemistry, Physical)Contact angle is an indicator of the wettability between liquid Na and pure metals. This has been evaluated using the atomic interactions obtained from the calculations of the electronic structure of the interface. This study aims to investigate the applicability of the atomic interactions of the interface to the alloys. An interface model between Cu and Na with an alloying element was constructed, and the electronic states of the interface were calculated by the molecular orbital calculation. The bond order, which indicates the strength of the covalent bonding at the interface, and ionicity, which indicates the amount of charge transfer, were obtained as theoretical parameters from the calculation. The contact angles between the Cu or Cu alloys and liquid Na were measured using a droplet of liquid Na at 423 K in a high-purity Ar atmosphere. The contact angles of the Cu alloys were evaluated using these theoretical parameters. As a result, a correlation was obtained between the ratio of the bond order between the substrate metal atoms to the bond order between the Na atom and the substrate metal atoms and the contact angle, which is consistent with previous studies. Furthermore, for the first time, the correlation between the ionicity or difference in the ionicity and contact angle was clarified. The difference in ionicity is the difference between the ionicity of Na atoms and that of the alloying element, indicating the strength of the ionic bonding. It was suggested that Cu and Cu alloys should consider covalent and ionic bonding when evaluating wettability, because Cu has an intermediate electronic state between transition and nontransition metals. Further, it became clear that the evaluation of the contact angle using the atomic interactions at the interface are applicable not only to pure metals but also to alloys.
斉藤 淳一; 小林 洋平*; 澁谷 秀雄*
Materials Transactions, 62(10), p.1524 - 1532, 2021/10
被引用回数：5 パーセンタイル：41.35(Materials Science, Multidisciplinary)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。
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：1 パーセンタイル：8.06(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.
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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：4.14(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。
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：19.69(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.
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。
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：31.96(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。
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：52.91(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。
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。
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。
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
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
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。
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。
