| 研究課題/領域番号 |
16H02437
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
下山 巌 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 物質科学研究センター, 研究主幹 (10425572)
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| 研究分担者 |
本田 充紀 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 物質科学研究センター, 任期付研究員 (10435597)
奥村 雅彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究副主幹 (20386600)
小暮 敏博 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50282728)
町田 昌彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主席 (60360434)
岡本 芳浩 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 物質科学研究センター, 研究主幹 (70370369)
馬場 祐治 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 福島研究開発部門 福島事業管理部, 嘱託 (90360403)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | セシウム / 汚染土壌 / 熱処理 / 除染 |
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| 研究実績の概要 |
H28年度において実施した研究の実績概要は以下の通りである。
１．高温低圧環境高速X線回折（XRD）装置及び蛍光X線分析装置（XRF）の導入：複数の候補からリガク製XRD装置SmartLab3を選定し、低圧加熱実験可能な電気炉と2θに対して10°以上の範囲の同時測定可能な高速2次元検出器を併用することで、加熱時及び冷却時の構造変化をその場観察できる装置を導入した。また、XRF装置も導入した。
２．アルカリ塩化物試薬におけるカチオン依存性の解明：非放射性Csを収着させた風化黒雲母（WB）をモデル土壌とし、CaCl2とKCl単塩をそれぞれ添加した際のXRD、XRF測定を行った。CaCl2添加により700℃低圧加熱で100％のCs除去率を確認した。一方、KCl添加では約50％のCs除去率となった。また、CaCl2添加時はXRDパターンが大きく変化したのに対し、KCl添加ではWBの構造がほぼ保たれた。これらの結果から同じ塩化物でも1価と2価のカチオンではWBからのCs脱離過程が異なることを明らかにした。また、昇温脱離法（TDS）を用いた分析でもCaCl2添加時にCs脱離が促進されることを確認した。X線吸収分光法（XAFS）を用いた加熱中のその場観察の研究ではNaCl-CaCl2混合塩へのCs溶出が観察された。それと共に、600℃付近より高温側と低温側でCs脱離過程が異なる可能性を見いだした。以上の知見に関しては欧文誌に論文発表すると共に、国内外の学会において報告を行った。
３．福島汚染土壌による実証試験：福島の帰還困難区域から粘土質汚染土壌を採取し、加熱処理による放射能変化をNaI検出器により調べた。その結果、KCl、MgCl2試薬では低圧加熱の方が大気加熱よりも高い放射能減衰率が得られたがCaCl2試薬では両者で大きな差が見られず750℃大気加熱で約97％の放射能減衰が得られた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
現在の実施中の研究は2つに大別されそれぞれの進捗状況は以下の通りである。
１．モデル土壌を用いた研究
非放射性Csを収着させたWBをモデル土壌とし、塩化物試薬依存性についての系統的なデータ取得を最重要課題の一つとして取り組んでいる。既にLiCl, NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2等の試薬に対し、20, 100, 500 μmol / WB 10 mgの添加量依存性と500, 600, 700℃の温度依存性について検討するためそれぞれの条件での加熱処理による試料作製を行っており、これらについてXRDとXRFによる分析を順次実施中である。また、WBと塩を粉末同士で混合した試料と、塩添加時に水を加えた試料とではCs除去率に差が生じることを見いだしており、水の効果についても検討している。これらの試料についてはKEK-PF及びSPring-8の放射光ビームラインを用いた分析も進めており、既にClの化学状態が試薬、添加量、加熱温度に依存して大きく異なることを見いだしている。これらの塩化物試薬依存性についてはTDSを用いてCs脱離効率の系統的データ取得を進めており、現時点ではCaCl2とKClについての分析が概ね完了している。
２．福島汚染土壌を用いた研究
福島帰還困難区域の汚染土壌に対しCaCl2とKCl試薬を同重量比で添加して大気及び低圧加熱処理を行い、処理前後の134Csと137Cs由来のγ線強度変化をNaI検出器で調べている。既にCaCl2添加試料に対して750℃で97％、KCl添加試料に対して750℃で83％の放射能減衰を確認しており、さらにMgCl2試薬についても検討中である。特筆すべきは同じ試薬、処理温度条件でも大気・低圧加熱では処理後の外観が全く異なり、異なる生成物の形成を示唆する結果が得られた。現在これらの試料についてXRDとXRFによる分析を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の推進方向は3つに大別されそれぞれ以下の通りである。
１．モデル土壌を用いた研究：非放射性Cs収着WBをモデル土壌とした塩化物試薬依存性の研究を継続する。既にKCl, CaCl2添加試料の組成分析は完了しているが、XRDによる構造解析は一部を除いて未達であるため、これを進める。またLiCl, NaCl, MgCl2, FeCl3等の塩化物試薬について20, 100, 500 μmol / WB 10 mgの添加量依存性と500, 600, 700℃の温度依存性について検討する。作製した試料に関してはXRFによる組成分析、XRDによる結晶構造解析を順次進める。XRDによる構造解析が複数成分の混在により困難である場合、東大の透過型電子顕微鏡（TEM）による解析を平行して行う。Clは反応温度低下に寄与する重要な役割を持つ元素であるため、放射光X線による化学状態分析を行う。加熱処理時のCs化学状態のその場分析についても放射光X線分析を実施する予定である。TDSによる分析ではフッ化物試薬について検討を開始する。
２．福島汚染土壌を用いた研究：福島帰還困難区域の汚染土壌に対しCaCl2とKCl試薬を添加して加熱処理を行った試料についてXRDとXRFによる分析を進める。またLiCl, NaCl, MgCl2, FeCl3等の塩化物試薬について放射能変化の温度依存性の系統的データを取得する。特に、大気・低圧加熱で生じた生成物の違いについて明らかにする。
３．熱力学計算による研究：セシウムフリー鉱物生成反応のメカニズム解明と生成効率向上を目指して、熱力学計算を行う。反応物の組み合わせごとの熱力学相平衡図の完成を目指すが、セシウムを含む鉱物の熱力学的データはほぼ存在しないため、生成物の候補を鉱物構造データベースからピックアップし、密度汎関数法で自由エネルギーを評価して相図を構成する。
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