非平衡相変化現象の分子動力学法シミュレーション

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鉛ビスマス冷却高速炉と鉛ビスマスをターゲットとする加速器駆動核変換炉では、高温の鉛ビスマス流れにより炉心・構造材料やターゲット窓材の材料腐食防止が課題である。また、鉛ビスマスを中間熱輸送媒体とするナトリウム冷却高速炉では2次冷却系鉛ビスマスが1次冷却材であるナトリウム中に漏洩する場合の混合・拡散現象を把握する必要がある。これらの問題では、液体重金属(鉛ビスマス)と固体金属または異種液体金属(ナトリウム)の動的相互作用を分子レベルで解明する手法の開発が重要である。このように高密度エネルギー発生機器やエネルギーシステムで生ずる非平衡相変化現象の機構を理論的に解明するため、分子動力学法シミュレーションにより重金属の固体面からの溶解・拡散、液-液相互拡散現象を解析的に調べた。本年度は、液-液系、固-液系及び蒸気-液系の分子動力学シミュレーションプログラムを開発し、重金属系鉛ビスマス中における純金属の溶解・拡散現象を計算機シミュレーションした。このプログラム開発において、分子動力学シミュレーションに用いる原子間ポテンシャルを分子軌道法により数値計算し、その妥当性を評価した。さらに、金属原子と共存する自由電子の効果を考慮可能な分子動力学シミュレーションプログラムの開発手法を検討した。具体的内容は以下の通りである。1)液体金属の原子間ポテンシャルに関する研究3元系液体金属Na-Pb-Biの拡散計算における原子間ポテンシャルについてGAUSSIANを用いて検討した。2)第一原理分子動力学シミュレーション研究鉄と鉛ビスマスの擬ポテンシャルを作成し、プログラムPHASEを用いて鉄及び鉛ビスマスの電子状態を計算し、これらの相互作用の分子動力学計算を行った。以上の研究成果を国内の学会で公表した。以上により、分子動力学シミュレーションを非平衡相変化・混合拡散現象に適用するための基盤が確立された。