| 研究課題/領域番号 |
16H02447
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
佐々木 隆之 京都大学, 工学研究科, 教授 (60314291)
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| 研究分担者 |
佐藤 修彰 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70154078)
桐島 陽 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (00400424)
小林 大志 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80630269)
秋山 大輔 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (80746751)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 燃料デブリ / アクチノイド / 核種溶出 / 放射性廃棄物処分 / 処理プロセス |
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| 研究実績の概要 |
福島原発事故で発生したアクチノイドを含むMCCI(Molten Core Concrete Interaction)デブリの合理的な最終処分の提案に向けた基盤研究として模擬燃料デブリを調製し、模擬デブリ固相の性状と核種の溶出性の関連を明らかにするとともに、発生したデブリの安定化処理を提案することを目的としている。デブリの耐酸化性、耐腐食性を向上させる固溶体安定化剤を添加した模擬廃棄体を、酸素雰囲気や加熱温度を制御することにより種々調製し、デブリ中アクチノイドや核分裂生成物の地下水に対する耐溶出性を評価することで、処理の妥当性や必要性を検討する。本年度は、MCCIデブリの高温における反応挙動について、異なる雰囲気（酸化的および還元的）や加熱温度（1200-1500℃）に対する燃料成分とホウ素化合物等（UO2:ZrO2:B4C=1:1:1やUO2:ZrO2=n:1-nなど）との反応をXRDによる相関係解析やSEM-EDXによる形態および組成評価により調べた。また、研究用原子炉における熱中性子照射により生成したMAおよびFPトレーサを含む種々の模擬デブリ試料を調製し、水溶液への溶出試験を行い、水溶液中の各元素のICP-MSによる定量分析によりそれらの固体性状が核種溶出率に及ぼす影響を評価した。また、MCCI模擬デブリをガラス化した試料を熱中性子照射し、核分裂生成物の溶解性を評価した。さらに、燃料デブリに含まれると考えられるジルコニウム合金が水腐食し、ジルコニウム水酸化物となることを想定し、同表面におけるウランの化学状態を、真空型多重反射フーリエ変換赤外分光(ATR-FTIR)装置を用いて評価した。
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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
MCCI模擬デブリとして、U酸化物とホウ素化合物成分の固溶体を種々の条件（Ar+2% O2およびAr+10% H2）で調製した。得られたデブリ試料の相関係を評価するためX線回折測定(XRD)を行った。還元/1200-1500℃におけるウラン化合物は概ねUO2相が安定であった。ジルコニウムは酸化/1200℃では単斜晶のZrO2として存在していたが、1300-1500℃では正方晶のZrO2及びZrB2相が確認された。酸化/1200-1500℃においても、UO2相は酸化されることなく安定に存在していた。これはB4Cが分解した際に生じる一酸化炭素(CO)が還元剤として働き、酸化を抑制したためと考えられる。また、ジルコニウムは酸化雰囲気/1200℃では単斜晶のZrO2として存在していたが、酸化雰囲気/1300-1400℃ではホウ素と反応しZrB2が生成した。また、酸化雰囲気/1500℃では正方晶のZrO2が確認された。また、U/Zr酸化物の組成比を11段階で変えた固溶体を還元/1600℃で調製した。高U比で立方晶の固溶体が確認され、格子定数はZrの増加とともに減少し、87%Uで一定となった。また高Zr比で正方晶および単斜晶のZr酸化物固溶体が共存した。
大気雰囲気でガラス化したMCCI模擬デブリ（CayU1-yO2+xおよびCaUO4）中に熱中性子照射法により核種を導入して浸出試験を行った。CaU酸化物のUの溶解性はU3O8と同等で、UO2よりも高い。同酸化物とガラスの混合粉末の加熱によりガラス化は進行し、FP溶出が抑制された。大気起源の炭酸イオンおよびウラニルイオンのピークの正負および位置情報をもとに、それらの化学種および収脱着挙動を解釈した。ATR-FTIR測定により、Ca/Si化合物とSi化合物が調和的に溶出すると推測されたが、デブリ表面のウランの溶出は観測できなかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまで調製した試料について浸漬実験および固相分析を継続し、その知見・成果をもとに新たな条件での模擬燃料デブリを調製し、より安定なデブリ固相の生成条件や生成方法を模索することで、MCCIデブリの処理法提案を目指す。次年度は、ウランジルコニウム系化合物と中性子吸収効果のあるホウ素等との高温反応により調製した模擬MCCIデブリを引き続き対象とし、その相関係を明らかにするため、画像解析による粒径評価や、各種分光法（XRD、SEM-EDX等）およびTG-DTA法を用いて結晶構造や粒界毎の元素組成、安定性を評価する。特に酸化ホウ素を含むガラス成分等を用いた固相からの溶出性について検証する。浸漬実験で得る核種溶出率はウラン溶出率で規格化し、その時間依存性、液性依存性（pHやEh、Ca濃度の変化等）を評価する。本研究課題における最終年度のため、以下の観点から本研究成果を総括し、今後の安全研究の方向性を導く。例えば、固溶体の高温特性と冷温停止後の相安定性、FPおよびMA核種と燃料成分との化合物生成と浸出特性、ウランマトリクスの構造および組成制御と分配挙動、安定化処理による性状評価および長期影響について論じる。
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