2022 Fiscal Year Annual Research Report
High-precision thermal property measurements of glass for solidification of radioactive waste -Aiming to construct a thermophysical property prediction system
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21H01854
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
西 剛史 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (70518331)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
助永 壮平 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (20432859)
鈴木 茂 東北大学, マイクロシステム融合研究開発センター, 教授 (40143028)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ケイ酸塩融体 / 熱浸透率 / 表面加熱・表面検出レーザフラッシュ法 / 密度 / セシルドロップ法 / 比熱 / 示差走査熱量計 / 熱伝導率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高レベル放射性廃棄物処理において、固化用ガラス作製時に安定した溶融炉の操業が困難なことが最も懸念されている。こうした溶融炉の正確な制御あるいはガラス作製時のトラブルを防ぐため、ガラス融体の熱伝導率と電気伝導率を操業前に把握する技術が求められている。より具体的には、ガラス融体の熱伝導率、電気伝導率を実測により高精度に評価し、NMR等を用いて推定したガラス融体のネットワーク構造から熱伝導のメカニズムを明らかにすることで、実操業におけるホウケイ酸塩融体の物性を把握できるデータベースを構築することが求められている。そこで、本研究では、従来測定が困難とされてきたケイ酸塩融体の比熱、密度、熱浸透率、電気伝導率を高精度に実測することを目指してきた。
これまで、アルカリケイ酸塩およびアルカリアルミノケイ酸塩融体の熱浸透率を表面加熱・表面検出レーザフラッシュ法にて測定し、密度と比熱の値を用いて熱伝導率を評価した。3回以上の測定を行い、熱伝導率に再現性があること、Li系はNa系、K系よりも熱伝導率が大きいことが明らかとなった。また、セシルドロップ法にてアルカリケイ酸塩およびアルカリアルミノケイ酸塩融体の密度を測定し、再現性のある値で密度を算出することが可能となった。さらに、温度変調DSCを用いてホウケイ酸塩融体の比熱測定も実施しており、想定されるケイ酸塩融体の比熱の値および温度依存性が得られている。一方、電気伝導率測定装置の開発においては、昨年度設計した電気伝導率測定装置の整備に着手したが、加熱をする際の制御機構に改良する余地が残されており、ケイ酸塩融体の電気伝導率測定には至っていない。
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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
本研究のミッションはケイ酸塩融体の熱浸透率、密度、比熱を測定し、高精度な熱伝導率を算出すること、電気伝導率を測定し、熱伝導メカニズムを検討することである。進捗状況について以下の①～④に示す。
①ケイ酸塩融体の熱浸透率測定 アルカリケイ酸塩およびアルカリアルミノケイ酸塩融体の熱浸透率を表面加熱・表面検出レーザフラッシュ法により測定し、密度と比熱の値を用いて熱伝導率を算出した。3回以上の測定を行い、熱伝導率に再現性があること、Li系はNa系、K系よりも熱伝導率が大きいことが明らかとなった。Liのイオン半径はNaおよびKのイオン半径よりも小さいことが熱伝導に寄与していると推測される。
②ケイ酸塩融体の密度測定 セシルドロップ法にてアルカリケイ酸塩およびアルカリアルミノケイ酸塩融体の密度を測定した。昨年度までは写真から輪郭を取り出す作業に不備があったため、アルカリケイ酸塩融体で文献値と測定値に大きな差が存在していたが、輪郭部分の取り出しを改良したことで、再現性のある値で密度を算出することが可能となった。これにより系統的に密度を算出できるようになることが期待できる。
③ケイ酸塩融体の比熱測定 温度変調DSCを用いて実組成に近いホウケイ酸塩の比熱を測定した。繰り返し測定することを想定し、アルミナパンを用いて測定したが、温度依存性を含め再現性に難点があった。そこで、白金パンを用いて測定したところ、想定されるケイ酸塩融体の比熱の値および温度依存性を得ることに成功した。白金パンもアルカリフュージョンにより再利用することも可能であるため、今後は白金パンによる比熱測定を実施していく。
④電気伝導率測定装置の開発 昨年度設計した電気伝導率測定装置の整備を開始したが、加熱をする際の制御機構に改良する余地が残されており、ケイ酸塩融体の電気伝導率測定には現段階では至っていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策を以下の①～⑤に示す。
①ケイ酸塩融体の熱浸透率測定 アルカリケイ酸塩およびアルカリアルミノケイ酸塩融体の熱浸透率を表面加熱・表面検出レーザフラッシュ法により引き続き系統的に測定すると共に、ホウケイ酸塩融体の熱浸透率測定についても着手する。
②ケイ酸塩融体の密度測定 セシルドロップ法によりアルカリケイ酸塩、アルカリアルミノケイ酸塩、そしてホウケイ酸塩融体の密度を系統的に測定する。
③ケイ酸塩融体の比熱測定 温度変調DSCを用いてアルカリケイ酸塩、アルカリアルミノケイ酸塩、そしてホウケイ酸塩融体の比熱を系統的に測定する。
④ケイ酸塩融体の熱伝導率評価 これまでは表面加熱・表面検出レーザフラッシュ法により熱浸透率を測定し、密度と比熱の文献値を用いて比熱と密度の文献値を用いて熱伝導率を算出してきたが、セシルドロップ法による密度測定、および温度変調DSCによる比熱測定に目途が立ってきたため、オール実測値による熱伝導率評価に着手していきたいと考えている。
⑤電気伝導率測定装置の開発 昨年度設計した電気伝導率測定装置の整備を開始したが、加熱をする際の制御機構を改良する必要があるため、まずはケイ酸塩融体の電気伝導率を測定するための装置の整備を完成させたいと考えている。
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