2022 Fiscal Year Annual Research Report
Multiphoton Excitation Phenomena for Trans-Plutonium Elements and Challenge to Separation for Waste Zero-Emission
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22H02012
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
矢板 毅 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主席 (40370481)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 晶平 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 博士研究員 (00824591) [Withdrawn]
下条 晃司郎 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (50414587)
横山 啓一 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究嘱託 (60354990)
小林 徹 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究職 (40552302)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | アメリシウム / 多光子励起 / 酸化還元 / ｆ電子系イオン / XAFS / 時間分解測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超プルトニウム元素(主にAm等)やランタノイド等、その化学的挙動が互いに類似したf電子系元素が多種混在している溶液中に存在する特定元素に対し、短パルスレーザー照射することにより生ずる多光子励起現象の解明に資する基礎研究を行う。また、励起後引き続き起こる酸化還元反応のメカニズムを解明するため、放射光を用いる高速XAFSシステムを立ち上げ、その場観察による多光子励起現象および酸化還元反応のダイナミクスに関する研究も行う。これらの知見を基に、多光子励起による量子制御と化学反応を組み合わせた、先端的分離システム概念を構築することを本研究の究極の目的とする。本研究では、特に原子力発電における高レベル廃液中で問題となるAm(III)やEu(III)などをターゲット元素とする。本年度は、ホットラボにおいてAm(III)に対するレーザー照射実験を行う。この実験において酸化還元が確認された場合、光に対する反応効率を確認するため、レーザー強度と反応生成物量との関係におけるスロープ解析を実施し、多光子励起反応に由来する酸化還元反応かを解明する。また、Am(III)とほぼイオン半径が近く、同じ三価イオンであり、酸素ドナーとの化学的性質がほぼ同じであるNd(III)を用いる放射光XAFSスペクトルを取得する。この結果から、水溶液中での硝酸イオンのNd(III)に対する配位特性を解明し、Am(III)の酸化還元反応との関係を推定する予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
f軌道が化学的に不活性な軌道であるため、そのf-f遷移は、原子軌道の様にシャープなバンドを示す。しかしながらf-f遷移は、双極子禁制遷移でありその遷移確率は小さい。そこで本研究では、このシャープなバンドにレーザー照射し、一段階目にf-f遷移を引き起こし、基底状態に戻る前に連続的に適当な波長のレーザーを再度照射し、許容遷移であるd軌道に電子励起を行い、マクロの反応に結びつける多光子励起現象を、元素選択性な分離技術概念としての確立を目指すものである。
令和4年度は、本研究のフィジビリティースタディとして、Am(III)の513nm周辺のエネルギーを短パルスレーザーにより照射する多光子励起照射実験を実施し、Am(III)の酸化現象発現の有無を720nmのAm(V)の生成をもって確認した。513nmの照射による反応率とのスロープアナリシスの結果、傾きがおおよそ2程度の値を示したことから、513nmの照射に基づく2光子の吸収による多光子励起であることが分かった。また、励起後引き続き生じている酸化反応は、反応と同時に亜硝酸のピークが出現したことから、励起後引き起こる酸化還元反応は、硝酸イオンとの酸化還元反応であることがわかった。この溶液中の硝酸濃度と反応効率との関係を放射光XAFSおよび反応効率の濃度依存性の関係から、硝酸イオンが約1分子との反応であることも推定された。原子価が同じで、ほぼイオン半径の等しいNdによるXAFS実験の結果から硝酸イオンは、１から６M程度で約1分子の硝酸イオンが配位することが明らかとなり、酸化還元反応がより効率的な形となっている。また、密度汎関数法を用いる反応解析でもAmイオン：配位子の比率が１：１での反応を支持する結果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
多光子励起反応による研究成果は、Am(III)の酸化が確認された事から予定より早く進捗した。一方、先行研究であるEu(III)の酸化還元反応は、Eu(II)への還元反応である。この照射励起後の酸化か還元かの選択則は、本技術を実用化する上で極めて重要である。よってこの選択則のメカニズムを解明し、イオンの存在する場の制御などを通じて反応制御の可能性の有無を判断する必要がある。そのため、これら一連の高速反応をその場観察するため、放射光高速XAFSシステムの構築を速やかに進める。R4年度は、秒オーダーの反応速度解析を試みたが、励起反応との関連が十分観察することが出来なかった。よって、計測にかかる時間分解能の向上がこの現象の解明に不可欠であることが分かった。来年度以降、新たに高速スケーラー等の購入をすることで時間分解能を高め、この反応の全容を解明する事を目指す必要がある。
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