答えを見つけました。保存するものがある場合にのみセッションを作成することで、Railsが効率的にしようとしているようです。したがって、何かを保存せずにsession.idにアクセスしても、一貫した結果は返されません。
何かを保存して、セッションを強制的に作成する必要があります。
TLDR：セッションIDにアクセスする前に、これをどこかに追加してください。
session[:foo] = "bar"
ソース ： http://www.gani.com.au/2013/08/force-session-creation-in-rails/