2018 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．土壌から選択的に採取した放射性Csを含む不溶性の微粒子の局所構造を解析する場合，前処理の段階での試料ダメージが問題になる．そこで，昨年度から開発している「試料ダメージの少ない」イオンビーム加工機（FIB）の加工条件を風化黒雲母だけでなく，不溶性粒子（鉄を含むケイ酸塩化合物など）の前処理にも適用し，STEMによる局所構造の評価を行った．その結果，断面加工の場合，最表面から0.3μｍの範囲でのみ加工ダメージが見られ，それより深い領域ではダメージが起こらないことが明らかになった．また，風化黒雲母では，加工ダメージのない領域でも明らかな層間距離の拡大がみられ，前処理に依存せずに層間距離の拡大が発生することが明らかになった．これらの観察結果に基づいて，「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」というモデルを検証するために，Gaussian16を用いて量子化学シミュレーションを行った．「黒雲母のSiO2層間にアルカリ金属の吸着サイトが存在する」と仮定して，層間に存在するアルカリ金属が，Kイオン，プロトン，Csイオンの場合の最適構造および自由エネルギーを計算し，Kイオンの脱離およびCsイオンの吸着の平衡定数を推定することにより，Csイオン吸着相が準安定状態になりうることを明らかにした．
◎地表に存在する微粒子中の放射性Csの直接観察
高濃度汚染地域外で採取された放射性Csを含む不溶性微粒子の場合も，XPS表面分析によって，750eV付近にCsに起因するピークを確認することができた．
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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
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．昨年度開発した「試料ダメージの少ない」イオンビーム加工機（FIB）での加工条件を用いて，粘土鉱物だけでなく土壌中の不溶性粒子の前処理加工が可能になり，最表面の加工ダメージを0.3μm以下の領域に限定することができた．この手法を用いることで，前処理加工のダメージの影響を受けないSTEM観察が可能になると考えられる．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，黒雲母のSiO2層間にアルカリ金属の吸着サイトが存在すると仮定して，層間に存在するアルカリ金属が，Kイオン，プロトン，Csイオンの場合の最適構造および自由エネルギーを計算し，Kイオンの脱離およびCsイオンの吸着の平衡定数を推定し，Csイオン吸着相が準安定状態になりうることを明らかにした．この際，プロトンの水和エネルギーに実測値を使用し，自由エネルギーの計算精度を向上させることができた．
◎地表に存在する微粒子中の放射性Csの直接観察
XPS表面分析装置を用いて微粒子中の放射性Csの直接観察を試みた．高濃度汚染地域で採取した放射性Csを含む微粒子だけでなく，汚染状況の低い地域で採取した放射性Csを含む不溶性の微粒子でも750eV付近にCsに起因する光電子ピークを検出することができた．また，土壌中から放射性Csを含む不溶性の粒子を単離する場合，バックグランドレベルが低い土壌（低濃度汚染地域）の方が，放射性Csを含む微粒子を効率よく単離できることが明らかになった．
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| Strategy for Future Research Activity |
汚染地域から採取された粘土鉱物粒子（層状化合物）だけでなく，放射性Csを含む不溶性の微粒子の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を比較することにより，不溶性粒子の起源（原子炉材料との関連性）を明らかにすると共に，Cs吸着サイトの特徴（粘土鉱物の場合との相違点など）を明らかにし，モデル計算の精度を向上させる．
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，粘土鉱物および不溶性粒子のCs吸着サイトの最適化構造や自由エネルギーを推計し，粘土微粒子と不溶性微粒子のCs吸着機構の相違について検討する．これらのシミュレーション結果を「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，環境実態に対応した放射性Csの吸脱着モデルを構築する．
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