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論文

Development of the ReaxFF methodology for electrolyte-water systems

Fedkin, M. V.*; Shin, Y. K.*; Dasgupta, N.*; Yeon, J.*; Zhang, W.*; van Duin, D.*; Van Duin, A. C. T.*; 森 健人*; 藤原 敦志*; 町田 昌彦; et al.

Journal of Physical Chemistry A, 123(10), p.2125 - 2141, 2019/03

 被引用回数:15 パーセンタイル:89.91(Chemistry, Physical)

Li$$^{+}$$, Na$$^{+}$$, K$$^{+}$$, Cs$$^{+}$$, F$$^{-}$$, Cl$$^{-}$$, I$$^{-}$$などの水-電解質系を記述する新しいReaxFF反応力場を開発した。反力場パラメータは、水結合エネルギー, 水和エネルギーおよびプロトン移動のエネルギーに関連した量子力学的計算に対してトレーニングされている。水中での様々な電解質のイオン化について、分子動力学シミュレーションの結果と実験結果及び熱力学との比較によって力場の検証を行った。その結果、大部分の原子対(水分子の酸素および水素を含むカチオンまたはアニオン)について、得られた動径分布関数はDFT計算の結果と良く一致することがわかった。また、この力場を用いて、アルカリ金属水酸化物と塩化物塩溶液における水分子および電解質イオンの拡散定数が組成および電解質濃度の関数として得られた。

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。

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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