2021 Fiscal Year Annual Research Report
燃料デブリからの核種溶出に及ぼす有機酸・炭酸影響評価
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20H02665
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐々木 隆之 京都大学, 工学研究科, 教授 (60314291)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桐島 陽 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (00400424)
秋山 大輔 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (80746751)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 燃料デブリ / 溶解挙動 / 有機物 / 炭酸 / 錯生成反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ウラン鉄酸化物（UFeO4）固相を有機配位子を含まない液に浸漬したとき、U濃度は中性pHからpHの低下に伴い増加し、浸漬後1か月で定常状態に至った。この条件下では、固相中の5価Uと3価Feの間で酸化還元反応が起き、6価Uと2価Feとして溶解することが示唆された。浸漬前後の粉末XRD測定では、相状態に顕著な変化は見られなかったものの、熱力学的な解析から、6価U固相のMetaschoepiteが溶解度制限固相であると推察された。一方、高pH域においても中性条件よりU濃度が増加した。大気由来の溶存炭酸イオンがウラニルイオンと強く錯生成したためと考えられた。またU濃度にフィルタの孔径依存性はみられずコロイドの顕著な生成は確認されなかった。次に、ジカルボン酸であるマロン酸を含む液に固相を浸漬したところ、有機配位子を含まない場合と比して、Uの溶解が促進された。マロン酸濃度の増加（0.001M～0.01M）に伴ってU濃度が単調に増加し、ウラニルイオンとマロン酸との強い錯生成が示唆された。さらに、UO2にステンレス材およびZr金属を混合し、模擬燃料デブリをAr雰囲気下の1600℃で加熱合成した試料に対して浸漬実験を行った。ウラン鉄化合物と同様に、マロン酸の添加によりUの溶解が促進されることが分かった。なお、有機酸を添加した浸漬実験ではU濃度は時間（最長1か月）とともに増加傾向を示したことから、今後固相表面でのマロン酸とウランの錯生成反応機構について、更なる検討が必要である。
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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
本格的な燃料デブリの分析が開始される段階にある福島第一原発において、その後の取出し作業など廃炉完遂に向けて前進するには、最終処分に対するまだ見えない処分安全評価基準をクリアする必要がある。諸外国や我が国での使用済燃料直接処分の検討に照らして、過度に保守的な前処理を施すことなく、できる限り現実的なデブリ処分方法を模索するためには、まず未処理の燃料デブリが有機酸や炭酸を含む水に対しどのように化学的劣化を引き起こすかを理解することが重要である。昨年度に引き続き、本年度は事故進展での格納容器内を想定した雰囲気条件で生成したと想定される燃料デブリの一つとしてウラン鉄酸化物（模擬燃料デブリ）に着目した。精製調製後のUFeO4模擬デブリについて、粉末X線回折等により相関係を評価し、化合物内のウランおよび鉄がそれぞれ5価および2価であることを確認した。これを踏まえ、大気雰囲気による炭酸が溶存した水、および、錯生成能が高いジカルボン酸配位子としてマロン酸を最大0.1M添加した水に、当初の計画通り同化合物を浸漬した。炭酸や有機酸による濃度上昇は顕著であり、その影響を熱力学的に解釈できる見通しを得ている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、デブリの化学的劣化に及ぼす有機酸・炭酸の寄与明らかにするため、使用済燃料が格納容器内材料と高温反応した際に生じる種々のデブリを想定した模擬デブリを調製し、有機酸および炭酸存在下でのデブリからの核種溶出実験、および分光法による固相表面や溶存種の状態分析を行ない、デブリ溶解反応の総合的理解を目指している。これまでの検討で、模擬燃料デブリであるウラン鉄酸化物からのUの見かけの溶解度が炭酸および有機酸濃度によって変化し、その挙動が熱力学的に解釈可能であることの見通しを得ている。今後は、浸漬後のUFeO4固相のXRD測定評価やXAFS測定を行うとともに、液相条件依存性のより詳細な検討を進め、溶解挙動の熱力学的な解釈を進める予定である。
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