１．研究開発の背景とねらい

　次世代の原子炉システムとして、ナトリウム冷却型高速増殖炉の実用化研究開発が進められている。冷却材である液体金属ナトリウムは、伝熱特性、材料との共存性に優れ、核的性質も良好であるといった利点を有する一方で、化学的に活性であるため、空気雰囲気への漏えいや蒸気発生器の伝熱管破損時における水や蒸気との接触により、「急激な化学反応」を生じ、プラントの安全性及び補修性に影響を及ぼす可能性があるという欠点を有している。現在は、これらナトリウムの化学的活性度に起因する弱点を回避するために「急激な化学反応」の存在を前提にして、安全対策設備や冷却系機器の設計を工夫するなどの対応により実用性のあるプラント概念を構築している。このような状況を考えると、新たな技術によってナトリウム固有の高い化学的活性度を抑制制御することができれば、懸念される水反応や漏えい火災などに対する設計上の制約が緩和され、より高い安全性と経済性を実現しうる革新概念の提案が可能となる。この観点において、近年、ナノテクノロジを応用した新たな概念として、ナノスケール領域で生じる原子間相互作用に着目した流体の機能制御に関する研究が進められ、ナトリウム自身の化学的活性度の抑制の可能性が示されてきた¹⁾。本事業では、高速増殖炉技術とナノテクノロジとの融合により、ナトリウム冷却高速増殖炉における水反応などに起因するナトリウム冷却材の潜在的危険性を低減させることを狙いとしている。

２．研究開発成果

　事業は５ケ年の実施を計画しており、事業開始より２年を経過した現時点の成果と進捗を報告する。本題に入る前に、提案する技術の概念を簡単に紹介する。提案する概念は、液体ナトリウム中にナノメートルサイズの金属超微細粒子(ナノ粒子)を分散させることを基本としており(報告者らは、これを「ナノ流体」と呼ぶ)、ナノ粒子の表層原子とナトリウム原子との相互作用により粒子周囲のナトリウムを捕捉するクラスター状態となり、水などとの反応の際には自由に反応に寄与するナトリウムが存在する一方、粒子に捕捉されたナトリウムの存在によりその挙動に差異を生じるものと考えられ、本事業開始前までに、概念の基本的な成立要件の確認が行われている²⁾。ナノ粒子はナトリウムとのクラスター形成、原子炉でナトリウムと共存実績のある材料成分などを考慮して遷移金属を中心に候補を選定している。また、この概念は、ナトリウムと接するナノ粒子の表面積の大きさが重要となり、これは粒子の量ではなく粒子の微細化によって達成されるのでナトリウムが有する良好な流動特性を損なわないことが特徴である。
　本事業では、ナノ流体の冷却材への適用の見通しを得ること目標として、①液体金属ナトリウムに適合するナノ粒子の製造技術の開発、②ナノ流体の反応抑制効果の評価およびその機構の把握、並びに③原子炉への適用性および効果の評価の主要な３つのサブテーマを設定して研究を進めている³⁾。
　これまでの研究により、提案するナノ流体の概念の成立性が実験および理論検討の両面から明らかになりつつある。理論研究により、チタンなどの遷移金属ナノ粒子は、液体金属中でナトリウム原子と比較的強い結合を形成し、同時に粒子表層で電荷の偏りを生じることにより、粒子間の静電的斥力による凝集抑制や水反応の際の活性化エネルギーの増加に寄与することがわかってきた。これらの推定は、並行して実施中の実験研究により、ナトリウム中での粒子の分散挙動や水反応時の反応抑制効果として確認、検証が進んでいる。

２．１ 液体金属ナトリウムに適合するナノ粒子の製造技術⁴⁾
　ナトリウムに適合する粒子は、小粒径および表層酸化抑制が条件となる。報告者らが進めてきたフラッシュ蒸発法による粒子製造技術を開発している。これは、原料粒子を急速に加熱して瞬時に蒸発させ、その後、粒子を加熱領域から移動させて冷却することにより微細粒子を生成する手法である。本提案の概念においては、前述のように、ナトリウム原子と接するナノ粒子の表面積の大きさが重要であり、これは粒子の総量ではなく粒子の微細化(比表面積増加)によって達成されるため、ナノ流体実現のための基盤技術として、粒子の微細化を主に技術開発を進めている。
　これまでの研究により、粒子の微細化の支配因子が加熱条件(蒸発挙動に寄与)および雰囲気ガス条件(冷却による核生成、凝縮に寄与)であることを抽出するとともに、それらの制御により、一次粒子径10nm〜20nm(事業事業開始前20-50nm)を実現している。また、粒子の生成メカニズムの把握が進んだことにより、金属蒸発後の急冷によって粒子の成長抑制が可能であることを明らかにし、目標である粒子径10nm以下の実現に見通しを得た。図１に試作粒子の拡大写真を示す。粒子製造と並行してナノ粒子のナトリウム中への分散技術の開発を進めている。ナノ粒子の調製因子(温度などの環境因子、凝集解砕など)の影響評価を行いつつ、高温の液体金属ナトリウム中における微細構造観察技術を開発してナノ粒子の状態の把握を進めている。その結果、従来では困難であった電子顕微鏡観察やX線回折によるナノ粒子の構造や性状の把握が可能となった。高温ナトリウム中のナノ粒子は、懸念された粒子径の成長もなく、ナトリウムへの調製前と同様の性状で分散していることを確認した。これは、理論検討(ナノ粒子とナトリウム原子の相互作用を密度汎関数法により評価)から求めた結合力の推定結果(チタンなどの遷移金属原子は同種のナトリウム原子よりも、より強くナトリウム原子を束縛する)ならびに界面バンド計算結果(界面で電荷の偏りが生じ、粒子間に静電的斥力が存在する)と整合するものである。
２．２ 反応抑制効果の評価⁵⁾
　試作したナノ流体を用いた反応抑制効果の評価研究は、①ナノ粒子とナトリウムの相互作用に起因、相関すると推測される蒸発挙動や表面張力など特性や物性に差異が生じる可能性に着目してナノ流体の成立概念の実証の裏付け、②水や空気との反応影響の緩和効果を確認するために反応熱や反応速度の変化に着目した現象評価とその改良、③実炉での冷却材条件への適合性を確認するための状態変化 (相、温度、流動等の変化) 時の安定性や材料との共存性に関する検証評価などを計画している。研究期間の前半で、小規模(グラムオーダー)の試作ナノ流体試料を用いた現象の把握、評価を行って基本概念の成立性を示し、後半で適正化した条件のナノ流体試料を試作して反応抑制効果および原子炉への適用性を明らかにする計画である。これまでに、研究前半で実施予定のナノ流体の特性把握、反応抑制効果の確認および基礎的な物性測定を開始して、データの蓄積を進めている。
　これまでの研究により、ナトリウムとの比較において、ナノ流体の水との反応および空気(酸素)との(燃焼)反応における反応熱量の低下が確認されている。また、反応挙動の変化を把握するために、反応速度の早い水との反応現象を対象とした試験を実施した結果、反応挙動の時間変化として、明らかな緩和傾向が確認されている。図２および図３に、ナノ流体試料の反応抑制効果の結果の例を示す。これらの事実を踏まえて、現象の理解を進めるために静止液滴による反応実験を計画し、熱と物質の移行挙動に着目した現象解明を進めている。図４に例示するように、ナノ流体ではナトリウムに比較して反応の進展挙動に差異（緩和)が認められ、さらに液滴からのナトリウム蒸発挙動の変化や反応速度の変化の兆候が得られており、現象の変化の把握および反応抑制メカニズムの推定のためのデータの蓄積を図っている。現象把握のための試験研究と並行して、ナノ粒子表層で生じるナトリウム原子との相互作用について理論的アプローチからの検討を行っている。粒子表層でナトリウムと結合を生じる際に界面で電荷の偏りを生じることは前述のとおりであるが、この電荷の偏りによる反応への影響を評価するために、分子軌道法により反応Na＋H₂O→NaOH＋Hの反応プロファイルと活性化エネルギーを求めた。その結果、電荷の偏りのないときの(反応の中間体Na+H₂Oからの)活性化エネルギーに対して、電荷の偏りを大きくすると、反応物（及び、中間体）のエネルギーはほとんど変化しないのに対し、遷移状態(化学反応の過程で原系から生成系に変換するときに通る最もエネルギーの高い状態)及び生成物のエネルギーが増加すること、すなわち、電荷の偏りにより活性化エネルギーが増大することになり、反応抑制の可能性が示されている。また、基礎的な物性測定を開始して、ナノ粒子とナトリウム原子の相互作用の解明および冷却材への適用性評価に備えている。これまでの研究により、ナノ粒子とナトリウムの結合力に起因する効果の裏づけとして、表面張力の増大や蒸発速度の低下傾向を把握している。何れも反応抑制に寄与する要因である。一方、粒子は比較的低分散量(想定で5at%以下、粒子総量ではなく粒子微細化による比表面積の増大を狙う)でよいというナノ流体の条件においては、粘性、密度および比熱などの変化は数%以内であり、ナトリウムが有する優れた伝熱・流動特性が維持されることが確認されている。
２．３ 原子炉への適用性評価⁶⁾
　ナノ流体を原子炉の冷却材への適用に際しては、反応抑制というメリットだけでなく、悪影響が懸念される項目を抽出して早い段階から適用性を検討することが重要である。この観点から、原子炉の設計、運転・制御等の広範な切り口で考慮すべき事項を整理して検討を行っている。図６に評価項目と現状の検討状況を示す。何れの項目も今後、試験研究により検証を行う計画であるが、これまでの検討により、例えば、ナノ流体の安定性について評価した結果では、ナノ粒子の表面原子とナトリウム原子の界面の結合エネルギーはナトリウム原子間の結合エネルギーの約2倍で、運動、熱エネルギーより1桁以上大きいため、ナノ粒子は安定で周囲のナトリウムと一体で流動し懸念されるナノ粒子の構造材への付着やエロージョンなどの影響はないと予測される他、 構造材料との共存性についてもナノ粒子はプラント構成材料と同種の遷移金属を採用しており、特段の影響は無いものと予測されるなど、現状においてはナノ流体の適用を否定する事項は認められない。また、ナノ流体のプラントでの反応抑制効果を評価するために、ナノ流体の特性や物性を組み入れた水反応や燃焼反応の影響評価手法の整備を進めており、プラントでの適用効果の予測に備えている。今後、ナノ流体の特性を活かしたプラント概念の検討および提案を行う予定であるが、これまでの研究により、目標とすべき反応低減率(25%程度)を明らかにするとともに、蒸気発生器の伝熱管破損によりナトリウム−水反応事故を例題とした抑制効果の予備的検討を行い、現状で取得された反応熱量の低減データから評価すると、目標の伝熱管の高温ラプチャの回避が予測されるとともに、今後、粒子の微細化や分散濃度の制御により最終目標である伝熱管のウエステージによる破損伝播回避の可能性が期待される。また、ナトリウム−水反応に加えて、ナトリウムの漏洩火災事故に対しても、ナノ流体による高い適用効果の予測が得られている。このように、ナノ流体の特性を活かした、従来にない新しい概念の提案の可能性が明らかになってきた。

３．今後の展望

　これまでに、ナノ粒子製造技術に関する研究を行い、ナトリウムに適合する粒子の製造技術に見通しが得られつつある。また、開発したナノ粒子を供試した反応抑制効果の評価試験を開始し、反応熱量の低減や反応挙動の緩和の確認が進んでいる。ナノ流体の特性や反応現象の把握を進めながら、ナノ粒子とナトリウム原子との相互作用の理論検討を行うことにより、ナノスケール領域で生じる界面の原子間相互作用やその結果として生じる反応抑制のメカニズムなどの理解が大きく進展した。今後、ナノ粒子技術などの基盤技術の整備を進めながら、反応抑制メカニズムの解明を含めた提案概念の実証を図っていく予定である。また、ナノ流体の特性を活かした原子炉プラント概念の検討を行い、より高い安全性と経済性を実現し得る革新的なナトリウム冷却型高速増殖炉システムの実用化概念を提示する。これにより、高速増殖炉システムのより高い社会的受容性を生み出し、我が国が進める高速増殖炉サイクル技術の確立に大きく貢献できる。

４．参考文献