Behavior Estimation Focusing on the Existing Form of Hydrogen in Sodium in Sodium-Cooled Fast Reactors

Abstract

In the cooling system of sodium-cooled fast reactors, it is required to identify and rapidly detect hydrogen explosively produced by the sodium-water reaction when a water leak occurs due to damage of a heat exchanger tube in a steam generator (SG), in contrast to low-concentration background hydrogen permeating through SG tubes during normal operation. In the present study, we focus on the difference between the background hydrogen and the hydrogen generated by the sodium-water reaction, and theoretically estimate the hydrogen behavior in liquid sodium by using computational chemistry methods. We find that dissolved H or NaH, rather than H₂, is the predominant form of the background hydrogen in liquid sodium, and that hydrogen produced in large amounts by the sodium-water reaction can exist stably as fine bubbles with a NaH layer on their surface.

Translated Abstract

In the cooling system of sodium-cooled fast reactors, it is required to identify and rapidly detect hydrogen explosively produced by the sodium-water reaction when a water leak occurs due to damage of a heat exchanger tube in a steam generator (SG), in contrast to low-concentration background hydrogen permeating through SG tubes during normal operation. In the present study, we focus on the difference between the background hydrogen and the hydrogen generated by the sodium-water reaction, and theoretically estimate the hydrogen behavior in liquid sodium by using computational chemistry methods. We find that dissolved H or NaH, rather than H₂, is the predominant form of the background hydrogen in liquid sodium, and that hydrogen produced in large amounts by the sodium-water reaction can exist stably as fine bubbles with a NaH layer on their surface.

1 研究目的

Na冷却高速炉では，通常運転時でも蒸気発生器(Steam generator; SG)伝熱管内の水腐食により微量な水素が発生し，Na冷却系に透過移行して低濃度のバックグラウンド水素として検出される．一方，Figure 1に示すような，SG伝熱管の破損により高圧水蒸気がNa液体中に噴出する水リーク発生時には，Na水反応に伴い大量の水素が生成されるため，これをバックグラウンド水素と識別し，かつ迅速に検出することが求められている [1]．本研究では，バックグラウンド水素とNa水反応による水素の存在形態の違いに着目し，計算化学手法を用いて，Na液体中の水素挙動の理論推定を行った．

Figure 1.

 Schematics of hydrogen generation due to sodium-water reaction from a water leak in the steam generator of the sodium-cooled fast reactor.

2 方法

大規模Na液体モデル中の水素解離反応を高温条件下で計算可能な，独自開発の超高速化量子分子動力学法(Ultra-accelerated quantum chemical molecular dynamics; UA-QCMD) [2]に基づいて，解析を行った．また，Na液体中に溶存するH₂と解離したHの実時間における反応を評価するために，連続体レベルの時間発展偏微分方程式系を有限差分法で解く，移流拡散化学反応シミュレーション [2]を行った．

3 結果と考察

バックグラウンド水素の存在形態を理論推定するために，Na液体中にH₂が1分子存在するバルクモデルを構築し(Figure 2)，H-H距離を固定したUA-QCMD緩和計算を行って，各H-H距離に対するエネルギープロファイルを求めた．H近傍のNaのみを緩和計算の対象とし，寄与の小さな遠方Naの座標を固定することで，計算の揺らぎを抑えている．その結果，活性化エネルギーは解離(H₂→2H)が75 kJ/mol，再結合(2H→H₂)が230 kJ/molと見積もられた．これらの数値に基づいた，実験条件と同じ335 ℃，0.7 MPa，流速4.5 m/s，水素発生部から計測部までの配管長10 mの移流拡散化学反応シミュレーションによって，解離平衡の状態でNa中のH濃度がH₂濃度より11桁程大きいことが示された．Na液体中では，溶存H₂ではなく溶解HあるいはNaHが，水素の主な存在形態であることが明らかとなった(準弾性中性子散乱の実験でも示唆されている [3])．

Figure 2.

 A computational model for dissociation energy analysis of a hydrogen molecule dissolved in liquid sodium.

一方，水リーク発生時にNa水反応により大量に生成されたH₂は，気泡の状態で冷却系を移流する．実験によって，その寿命が著しく長いことが明らかとなっている．これは，特に浮力の影響の小さな極微小な水素気泡について，気液界面にNaH層が形成されて [4]，気泡内H₂が周囲のNaにさらに解離･拡散することを妨げていることに依ると推定された．Na液体中のNaH層を伴う微小水素気泡をモデル化して(Figure 3)，これが安定的に存在できることを650 ℃のMD緩和計算により確認した．

Figure 3.

 A computational model of a stable hydrogen bubble in liquid sodium.

謝辞

本研究は，経済産業省からの受託事業である「令和2年度高速炉に係る共通基盤のための技術開発事業」の一環として実施した成果である．

参考文献

• [1]Sodium Technology Education Committee, Sodium Technology Handbook，JNC TN9410 2005–011 (2005). (in Japanese)
• [2]A. Miyamoto, et al., SAE Tech. Pap., 2016–32–0067 (2016). DOI: doi:10.4271/2016-32-0067
• [3]   N. M. Blagoveshchenskii, A. G. Novikov, A. V. Puchkov, V. V. Savostin, M. S. Shamaev, I. I. Zasorin, JETP Lett., 98, 834 (2014). doi:10.1134/S002136401325005X
• [4]   A. San-Martin, F. D. Manchester, Bull. Alloy Phase Diagr., 11, 287 (1990). doi:10.1007/BF03029300