2017 Fiscal Year Research-status Report
放射性セシウムの存在形態の解明～FDNPP近郊から採取された微粒子の場合～
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17K00545
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| Research Institution | Fukushima University |
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Principal Investigator |
高瀬 つぎ子 福島大学, 環境放射能研究所, 特任准教授 (10466641)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 放射性セシウム / 吸着状態 / 粘土鉱物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
◎放射性Csの存在状態および微視的局所解析手法の開発
環境中に存在している微粒子中での放射性Csの存在形態（微視的局所構造)をモデル化するためには，解析の基礎になる土壌粒子や原子炉材料のマクロな結晶構造・化学組成を明らかにしておくことが必要である．そこで，阿武隈山地（浪江町津島地区）の土壌から，粘土鉱物微粒子（風化黒雲母粒子）の選択的に採取し，イメージングプレートを用いて放射性Csを含む粒子を単離した．これらの微粒子の化学組成を蛍光X線分析およびX線単結晶構造解析・走査型透過電子顕微鏡を用いて解析し，放射性Csを含まない標準品の黒雲母微粒子と比較した．その結果，風化黒雲母では，黒雲母の層間に存在するKイオンが減少したために層間の相互作用が弱くなり，層間距離が長くなっていることが明らかになった．このような観察結果を検証するために，Gaussian16を用いた量子化学シミュレーションを行い，SiO2クラスター（黒雲母のSiO2層をモデル化したもの）間の距離と層間の相互作用エネルギーの関係を推計した．その結果，SiO2クラスター間にK(+)やCs(+)などのアルカリ金属イオンが存在する場合，SiO2クラスター間の相互作用が大きくなり，安定化することが明らかになった．つまり，このシミュレーションの結果からも，「Kイオンが脱離した風化雲母の層間にCsイオンが取り込まれることにより，層間構造の安定化が起こる」という放射性Csの吸着モデルが支持された．
◎地表に存在する微粒子中の放射性Csの直接観察
高濃度汚染地域で採取した放射性Csを含む微粒子をイメージングプレートを用いて単離した．この微粒子（1～2Bq/個，直径 50μm程度）をXPS装置（X線のビーム径20μm）を用いて分析し，750eV付近にCsに起因するピークを検出することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
◎放射性Csの存在状態および微視的局所解析手法の開発
放射性Csを含む粘土鉱物のモデルとして，阿武隈山地の土壌中に多量に存在する風化黒雲母に注目し，走査型透過電子顕微鏡（STEM）による微視的構造解析の手法を用いることで，風化黒雲母の微視的構造（heterogeneousな構造）の特徴を明らかにすることができた，また，この過程で，ソフトな土壌試料をSTEM観察試料として用いる場合の重要な課題である，「試料ダメージの少ない」イオンビーム加工機（FIB）での加工条件を確立することができた．一方，モデル化された局所構造に基づいた量子化学的シミュレーションに関しては，これまで申請者が行ってきた，有機金属錯体の量子化学シミュレーションの手法を粘土鉱物に応用することで，粘土鉱物中でのCsイオンの安定構造を推計するための予備検討を行うことができた．
◎地表に存在する微粒子中の放射性Csの直接観察
高濃度汚染地域で採取した放射性Csを含む微粒子をXPS装置（X線のビーム径20μm）を用いて分析することにより，750eV付近にCsに起因するピークを直接検出することができた．また，XPS装置に装着されている電子線ビームを利用して，微粒子の電子顕微鏡（SEM）による微視的観察を試みている．なお，土壌中からの放射性Csを含む微粒子の収集に関しては，微粒子の効率をより向上させるため，放射性Csを含む微粒子の単離手法についての検討を行っている．
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| Strategy for Future Research Activity |
土壌中からの放射性Csを含む微粒子の収集効率をより向上させるため，放射性Csを含む微粒子の単離手法を確立するとともに，平成29年度の成果である『放射性Csを含む粒子の局所構造解析手法とCsの直接観察手法』を汚染地域から採取された土壌粒子だけでなく，放射性Csを含む不溶性の微粒子に適用し，STEMによる微視的局所構造解析（格子像/EDX，電線回折像，放射性Cs吸着サイトの直接的観察）を行い，マクロな結晶構造解析結果との比較検討を行うことにより，放射性Csを含む不溶性微粒子中でのCs吸着サイトの局所構造のモデル化を行う．また，モデル化された局所構造に基づいて，量子化学的シミュレーションを用いて，粒子内部でのCs吸着サイトの安定構造とその自由エネルギーを推計することにより，土壌粒子中での放射性Csの吸着の平衡定数を評価する．その結果を「土壌粒子上でのCsの吸着・脱離モデル」にフィードバックさせることにより，環境実態に対大生した放射性Csの吸脱着モデルを構築する．
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