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浪江 将成; 斉藤 淳一; 岡 涼太郎*; Kim, J.-H.*
Vacuum, 234, p.114038_1 - 114038_9, 2025/04
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Materials Science, Multidisciplinary)Wettability of titanium (Ti) and surface-modified (Oxidized or Fluorinated) Ti with liquid sodium (Na) were investigated via experiments and theoretical calculations. From the experimental results, a sliding angle of Na droplet on oxidized Ti was smaller than that on untreated Ti, indicating the worsening of wettability by oxidation. In contrast, the sliding angle of Na droplet on fluoridated Ti was larger than that on untreated Ti, indicating an improvement in wettability by fluorination. Additionally, the cluster models for the interface between Na droplets and treated or untreated Ti were constructed for theoretical calculations of electronic states at the interface, covalent and ionic bonds at the interface were evaluated from the calculation results. The sliding angles obtained in the wettability tests and the strength of covalent bonding at the interface showed no correlation, but good correlation was observed between the sliding angles and ionic bonding at the interface. Thus, the wettability of surface-modified Ti with liquid Na can be theoretically understood based on the atomic interactions at the interface.
O
medium岡田 敬志*; 斉藤 淳一; 浪江 将成; 西村 文宏*
Materials Today Communications (Internet), 42, p.111244_1 - 111244_6, 2025/01
Ca(OH)存在下、500
Cの溶融KOH-BO媒体中で希酸可溶性白金化合物を合成した。酸可溶性白金化合物は、熱処理中に生成したCaCOの表面に形成された。白金化合物は白金-O結合、二ホウ酸基、AlO
からなり、これらの成分のネットワーク構造はKイオンとCaイオンを取り込むことができる。化合物は1M塩酸(aq)で抽出され、Pt抽出効率は83%であった。白金化合物の形態は、反応容器の表面条件によって変化した。液体ナトリウムで表面を改質したアルミナプレート上で化合物を合成した場合、繊維状の白金化合物が生成し、その結晶化度は未処理のアルミナプレート上で得られたものより高かった。
浪江 将成; 斉藤 淳一; 池田 明日香; 岡 涼太郎*; Kim, J.-H.*
Surfaces (Internet), 7(3), p.550 - 559, 2024/09
The iron (Fe) specimens selected as the substrate metal for this study were surface-treated using fluorine gas, and their wettability with liquid sodium (Na) was evaluated using the sliding angle. Additionally, the surface morphology and binding state were analyzed, and the applicability of wettability control with liquid sodium by fluorination was discussed using the analysis results. Fluorination formed a fluoride layer comprising FeF and FeF bonds on the iron surface. The composition of the fluoride layer varied, depending on the treatment conditions. The surface of the specimen that contains a lot of FeF bonds had a small sliding angle for the liquid sodium droplet and was harder to wet than the untreated specimen. In contrast, the surface of the specimen that contains a lot of FeF bonds had a large sliding angle for the liquid sodium droplet and was easier to wet than the untreated specimen. These results indicate that fluorination is an effective surface modification technique that can be applied to control the wettability of iron with liquid sodium.
浪江 将成; 斉藤 淳一
Computational Materials Science, 239, p.112963_1 - 112963_7, 2024/04
被引用回数：1 パーセンタイル：14.17(Materials Science, Multidisciplinary)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; 浪江 将成*; Kim, J.-H.*; 米沢 晋*
no journal, ,
高速炉の冷却材として液体ナトリウムが利用されている。高速炉の機器には鋼材とナトリウムが濡れてほしい部位と濡れてほしくない部位がある。構造材料と液体ナトリウムの濡れ性を制御することにより、ナトリウム機器、高速炉の安全性向上、効率化向上が期待できる。本研究ではフッ素ガスを用いてステンレスおよびその構成材料である鉄、ニッケル材料表面を直接フッ素化し、各種金属材料の表面自由エネルギーの操作を行うことで、液体ナトリウムの濡れ性の制御を検討した。
浪江 将成; 斉藤 淳一
no journal, ,
次世代原子炉の一つである高速炉は冷却材として液体ナトリウムを使用している。液体ナトリウムの特性で重要である濡れ性を考慮した機器の設計ができれば、高速炉の安全性や運転効率が一層向上する。本研究では液体ナトリウムとの濡れ性制御を目標として、その基盤知見となる金属基板と水の濡れ性を理解するために金属表面と水との電子状態を計算した。界面での基板金属原子とナトリウム原子の間の原子間結合、電荷移行や電子密度の原子間相互作用が基板金属種に依存して変化していることを理解した。
岡 涼太郎*; 浪江 将成; Kim, J.-H.*; 米沢 晋*; 斉藤 淳一
no journal, ,
液体ナトリウムは高速中性子を減速・吸収し難く、液体である温度範囲が広い等の理由から、高速増殖炉の冷却材として利用されている。高速増殖炉の構造材料として、液体ナトリウムの輸送や熱伝達にステンレス鋼が使用されている。液体ナトリウムは反応性の高い物質であるため、輸送配管の材料には高温の液体ナトリウムに対する高い耐食性と耐熱性が求められるほか、熱交換器ならば熱伝導率を高めるために液体ナトリウムに対する濡れ性が高い方が良く、仕切弁や弁部品の残留液体ナトリウムを減らすためには、液体ナトリウムとの濡れ性は低い方が良いなど、同じ構造材料でも部品によって液体ナトリウムとの異なる濡れ性が求められている。本研究では、フッ素ガスを用いてステンレスの構成材料である鉄の材料表面を直接フッ素化し、材料の表面 自由エネルギーの制御を試みながら、液体ナトリウムとの濡れ性の制御について検討した。
岡 涼太郎*; 浪江 将成; 池田 明日香; Kim, J.-H.*; 米沢 晋*; 斉藤 淳一
no journal, ,
液体ナトリウムは優れた伝熱流動性を有することから、熱媒体技術への実用化を目指した研究開発が長年行われている。特に液体ナトリウム冷却高速炉の冷却材として利用している。高速炉には超音波を利用したナトリウム中可視化装置や流量計やナトリウム中水素計など計測装置があり、そのセンサー表面でのナトリウムとの濡れ性が計測性能に影響する場合がある。そのため高速炉の機器開発の性能向上を目指すうえでも濡れ性は重要な因子である。本研究では、精密フッ素化処理技術を用いた金属および合金材料の表面改質を行い、表面上に存在する酸化皮膜の破壊挙動とフッ化物表面層の形成に伴う液体ナトリウムとの反応メカニズムを解明することで、濡れ性制御に関する課題解決を試みた。その結果、フッ素ガスを用いた鉄金属表面層の形状や粗さが制御できることと、それに伴い液体ナトリウムとの濡れ性が制御できることを見出した。
浪江 将成; 斉藤 淳一; 増野 雄真*; Kim, J.-H.*
no journal, ,
Liquid metals are used such as accelerator target materials and fast reactor coolants. In fast reactor plants, it is important to understand the corrosion resistance of structural materials to liquid metals and heat transfer coefficient between structural materials and liquid metals to utilize liquid metals efficiently and safely. These features are closely related to the contact state (wettability) between materials and liquid metal. In this study, the authors evaluated the wettability to liquid sodium (Na) of an intermetallic compound (TiAl) and its component metals (Ti, Al), and investigated the effect of unique crystal structure and electronic state of intermetallic compounds on wettability. Four types of metal plates (Ti, Al, TiAl, TiAl) were used as specimens. The wettability of each specimen with liquid Na was evaluated by static contact angle measurement method and sliding angle measurement method. The contact angles of TiAl and TiAl are smaller than those of component metals (Ti, Al), therefore TiAl are more easily wet for liquid Na. Furthermore, the adhesion energy was calculated from the sliding angle and droplet diameter obtained from the sliding angle measurement that the adhesion energy between the liquid Na and the specimens. The adhesion energy of TiAl and TiAl is approximately the same as that of Al. TiAl is not simply an intermediate wettability between Ti and Al, but had higher wettability with liquid Na than the component metals. From the results, the wettability of intermetallic compound was likely to caused not only by characteristics of component metals but also the crystal structure and electronic state. In this presentation, the authors will discuss the effect of surface fluorination on the wettability of each specimen and the wettability based on the results of first-principles calculations in the electronic states at interfaces. This work was supported by JSPS KAKENHI Grant Number JP24K17633.
浪江 将成; 岡 涼太郎*; Kim, J.-H.*; 米沢 晋*; 斉藤 淳一
no journal, ,
液体Naは核分裂により発生した中性子を減速・吸収しづらい、液体である温度範囲が広い、熱伝導率が高いために効率的に熱輸送が可能である等の理由から、高速炉の冷却材として利用されている。現在、高速炉の主要な構造材料として液体Naに対する耐食性の良いSUS304等の鉄系合金が使用されている。液体Naと接触する材料表面は熱交換器における熱伝達効率の向上や超音波による計測技術の性能向上のための親液的な濡れ性が要求される部位と、配管やバルブ中の液体Naを残留させないための疎液的な濡れ性が要求される部位がある。しかしながら、現状は要求に応える濡れ性(表面状態)にはなっていない。本研究ではフッ素ガスを用いた直接フッ素化により材料の表面自由エネルギーを操作し、材料の液体Naに対する濡れ性を制御することを検討した。フッ素ガスは材料の形状に影響を受けずに材料表面と均一に反応するため、追加処理のみで寸法を変化させること無く表面改質が可能である。
浪江 将成; 斉藤 淳一; 岡 涼太郎*; Kim, J.-H.*
no journal, ,
The compatibility (wettability) of component materials with liquid sodium is one of the most important characteristics for efficient and safe utilization of liquid sodium in plants such as sodium-cooled fast reactor (SFR). In this study, atomic interactions at the interface between substrate materials (Titanium, Titanium oxide, or Titanium fluoride) and liquid sodium was investigated using the DV-X
cluster method, one of the molecular orbital methods. And the difference in wettability was discussed from the calculation results. Although stainless steel is mainly used for the SFR, in this study, titanium materials are selected on substrate materials as fundamental research. Interface models between substrate materials and sodium were constructed as shown in Fig. 1(a). Bond order obtained from calculation is an indicator for strength of covalent bond at the interface. It has been found in previous our studies that the bond order ratio to the ratio of bond order between substrate material atoms and sodium atoms and between the substrate material atoms is correlated with contact angle which is indicator of wettability. The larger the bond order ratio, the better the wettability. Figure 1 (b) shows the bond order ratio of each interface model. The bond order ratio for TiF is the biggest among them, and decreases in the order of TiO and titanium metal. It is 2.4 times larger than that of metallic titanium. From that reason, it can be speculated that TiF has better sodium wettability than metallic titanium. It is identified from this study that the atomic interaction at the interface with sodium changes significantly depending on the substrate material. It is also found that the wettability of the substrate material and liquid sodium can be inferred in viewpoint of the atomic interaction at the interface.
増野 雄真*; 浪江 将成; 斉藤 淳一; Kim, J.-H.*; 米沢 晋*
no journal, ,
液体Na(ナトリウム)を冷却材として利用するナトリウム冷却高速炉において、構造材料などの金属材料と液体Naとの濡れ性は重要な基礎的因子である。例えば液体Naに対して濡れやすい金属材料は、伝熱性能の向上を目的として熱交換器材料や、超音波導通量の増加による検出性能向上を目的とした流量計やUSV(under sodium viewer)のセンサ先端材料として有用である。また、液体Naに対して濡れにくい金属材料は、ドレン時における液体Naの付着・残留低減や詰まりの抑制を目的として配管やバルブ材料として有用である。しかし、実際の原子力プランドでは、金属材料の強度や利用可能温度範囲、液体Naに対する耐食性等が注目されており、材料と液体Naの濡れ性を考慮したプラント設計は十分になされていない。そこで我々は、フッ素ガスを用いた直接フッ素化処理により材料表面のみを改質し、材料の熱的および機械的性質は変化させずに液体Na濡れ性を制御する手法を提案する。本研究では、直接フッ素化処理を用いて高速炉に用いられる代表的な材料であるSUS304鋼およびその成分金属であるFeおよびNiの表面改質を行い、酸化皮膜の除去とフッ化物表面層の形成が金属材料の液体Na濡れ性に与える影響を評価した。各種試験体(SUS304,Ni,Fe板)をNi製の反応容器内に設置し、反応容器内を真空にした後、Fガスを容器中に導入してフッ素処理を行った。反応条件は、反応時間が24時間、フッ素ガス圧力を760Torr、反応温度を25C
200Cとした。各試料の表面状態は、電界放射型走査型電子顕微鏡(FE-SEM)、原子間力顕微鏡(AFM)、X線光電子分光(XPS)を用いて測定した。試験体の液体Na濡れ性は、液体Naを用いた濡れ性試験により評価した。XPS分析結果(Fig.1)とAFM測定結果(Fig.2)より、フッ素処理条件によって試料表面に形成するフッ化物表面層の構造と表面粗さが異なっており、液体Naとの濡れ性に大きい影響を与えている。特にフッ素処理温度によって液体Naとの濡れ性制御が可能であることを確認した。本発表では、各金属試料に対する液体Naの濡れ性評価結果とその反応メカニズムについて考察する。
