• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2023 年度 実施状況報告書

放射性核種の超長期安定固定材料:超構造を有するムラタイトの合成と構造解析

研究課題

研究課題/領域番号 21K14707
研究機関岡山理科大学

研究代表者

牧 涼介  岡山理科大学, 工学部, 助教 (30881693)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2026-03-31
キーワードセラミックス / 岩石固化体 / シンロック / 蛍石型構造 / 高レベル放射性廃液(HLW) / 福島第一原子力発電所事故 / 燃料デブリ
研究実績の概要

多種類の放射性核種が含まれる高レベル廃棄物の安全かつ低コスト保管法の確立は日本における重要な課題となっている。岩石固化技術(シンロック)は放射性廃棄物の長期保管方法の一種であり、固化体の候補の一つであるムラタイトはチタン酸塩鉱物の一種で、多くの元素を長期間安定に閉じ込めることが可能な次世代のセラミック固化体として期待されている。本研究は、高レベル放射性廃液(HLW)や福島第一原子力発電所事故で発生した燃料デブリに含まれる放射性核種を高密度に含有可能なムラタイト基シンロックの合成法を開発することを目的としている。
福島第一原子力発電所事故で発生した燃料デブリには主に核燃料物質(UO2)、被覆管材料および構造材が含まれ、被覆管材料および構造材由来のZrおよびFeを豊富に固溶可能なチタン酸塩鉱物結晶が形成されるように、最適な化学組成や固化条件を模索する必要がある。UO2(あるいはCeO2)、SUS304およびZr粉末を1:1:1(mol)の組成比で混合し、1600℃で3h熱処理し、模擬燃料デブリを合成した。得られた模擬燃料デブリと種々の酸化物試薬を所定の組成比で混合し、1200-1450℃で3-6h焼成した。その結果、模擬燃料デブリの含有量が5.4wt%では化学組成がCa3.2Mn2.1Zr2.34U0.26Ti7.53Fe6.13Cr0.05Ni0.02Al3.9O42のムラタイト単相のシンロックが得られることが分かった。模擬燃料デブリの含有量が10.7wt%および20.9wt%では、固化体の主相はいずれもムラタイトであったが、擬ブルッカイトおよびペロブスカイト相も生成した。模擬燃料デブリを5.4wt%含有した固化体を用い、MCC-1法に準拠して静的浸出試験を実施した結果、28日時点の浸出率の合計は3.2×10-4 g/m2・dであった。

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

計画通り、おおむね順調に進展している。2023年度は、福島第一原子力発電所事故で発生した燃料デブリの処分に対するムラタイト基シンロックの工学適用性について検討した。最適な化学組成および固化条件を模索し、廃棄物負荷量20.9wt%まではムラタイトを主要構成相とする固化体が得られることが分かった。
模擬燃料デブリを5.4wt%含有した固化体を用い、静的浸出試験を実施した結果、28日時点の浸出率の合計は3.2×10-4 g/m2・dであった。これは、HLWのガラス固化体(従来技術)と比べて数桁低い。この結果から、本実施形態に係る燃料デブリの固化方法により形成された固化体は、地層処分において燃料デブリ由来の放射性核種を長期に渡り安定に閉じ込められることが示唆された。
以上のことから、2023年度の目的はおおむね達成できたと判断した。

今後の研究の推進方策

今年度までに得られた固化体について、詳細な微構造評価および浸出試験を行い、微構造と固化体性能の関係性を明らかにする。また、福島第一原子力発電所事故で発生した燃料デブリの化学成分は非常に複雑であることが予想されるため、実装に向けた実規模での実験について検討する。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2024 2023

すべて 学会発表 (21件) (うち国際学会 7件) 産業財産権 (1件)

  • [学会発表] Synthesis and High Temperature Properties of Monophasic Al3BC3 Ceramics2023

    • 著者名/発表者名
      R. Maki, Y. Kusano, E. Takahashi, A. Hayashi, S. Maruyama, T. Nishimura, S. Matsumura, T. Maeda, H. Taira
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Helium Gas Release Behavior of Highly Microstructure-Controlled B4C-Based Ceramics with Tubal Pores Irradiated with Helium Ion Beam2023

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshida, R. Maki, J. Maletaskic, A. Gubarevich, T. Katabuchi, T. S. Suzuki, T. Uchikoshi
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis and High Temperature Properties of Dense Al3BC3Ceramics2023

    • 著者名/発表者名
      R. Maki, Y. Kusano, E. Takahashi, A. Hayashi, S. Maruyama, T. Nishimura, S. Matsumura, T. Maeda, H. Taira
    • 学会等名
      International Conference on Powder and Powder Metallurgy (JSPMIC2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of needlelike α-Fe2O3 particles2023

    • 著者名/発表者名
      N. Arinobu, R. Maki, Y. Kusano
    • 学会等名
      The 2023 Annual SPACC Meeting and The 3rd International OUS Frontier Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Microstructure and formation mechanism of Goma on Bizen stoneware2023

    • 著者名/発表者名
      S. Naka, R. Maki, Y. Kusano
    • 学会等名
      The 2023 Annual SPACC Meeting and The 3rd International OUS Frontier Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of Highly Microstructure-Controlled Boron Carbide-Based Ceramics and Their Properties2023

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshida, R. Maki, J. Maletaskic, A. Gubarevich, S. Azuma, T. S. Suzuki, T. Uchikoshi
    • 学会等名
      International Symposium on Inorganic and Environmental Materials (ISIEM2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Further immobilization of stabilized ALPS sediment phosphate waste with composite waste form by powder metallurgy hot isostatic pressing for Fukushima decommissioning2023

    • 著者名/発表者名
      T. Sakuragi, R. Hamada, M. Harigai, H. Asano, M. Nakase, R. Maki, H. Kikunaga, S. Watanabe, T. Kobayashi
    • 学会等名
      The 30th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE30)
    • 国際学会
  • [学会発表] ポルトランドセメントの微構造2023

    • 著者名/発表者名
      藤井雅貴・牧涼介・草野圭弘・福原実
    • 学会等名
      第29回(2023年)ヤングセラミスト・ミーティングin中四国
  • [学会発表] 青色ガラスの微細構造と呈色メカニズム2023

    • 著者名/発表者名
      村瀬正・神永朱美・牧涼介・草野圭弘・藤井達生・高野幹夫
    • 学会等名
      第29回(2023年)ヤングセラミスト・ミーティングin中四国
  • [学会発表] 福島原子力発電所事故由来の難固定核種の新規ハイブリッド固化への挑戦と合理的な処分概念の構築・安全評価(11)プロジェクト進捗と、ハイブリット固化マトリクス材料選定について2023

    • 著者名/発表者名
      中瀬正彦,牧涼介,桜木智史,朝野英一,針貝美樹,菊永英寿,小林徹,丸山恵史
    • 学会等名
      日本原子力学会2023年秋の大会
  • [学会発表] 福島原子力発電所事故由来の難固定核種の新規ハイブリッド固化への挑戦と合理的な処分概念の構築・安全評価(12)ハイブリッド固化体の合成および包括的評価2023

    • 著者名/発表者名
      牧涼介,中瀬正彦,菊永英寿,小林徹,桜木智史,針貝美樹,田中慎吾,朝野英一,丸山恵史
    • 学会等名
      日本原子力学会2023年秋の大会
  • [学会発表] 福島原子力発電所事故由来の難固定核種の新規ハイブリッド固化への挑戦と合理的な処分概念の構築・安全評価(13)ハイブリッド固化体の溶出特性を考慮した安全評価2023

    • 著者名/発表者名
      針貝美樹,田中慎吾,桜木智史,朝野英一,中瀬正彦,牧涼介,菊永英寿,小林徹
    • 学会等名
      日本原子力学会2023年秋の大会
  • [学会発表] 金属マトリクスによる放射性ヨウ素固化技術の開発2023

    • 著者名/発表者名
      桜木智史,牧涼介, 中瀬正彦,針貝美樹,浜田涼,田中慎吾,朝野英一
    • 学会等名
      日本原子力学会2023年秋の大会
  • [学会発表] 福島第一原子力発電所由来廃棄物のハイブリッド固化体の顕微XAFS分析2023

    • 著者名/発表者名
      中瀬正彦,牧涼介,桜木智史,針貝美樹,田中慎吾,朝野英一,菊永英寿,谷田肇,小林徹
    • 学会等名
      第26回XAFS討論会
  • [学会発表] ムラタイト基シンロック固化体による放射性核種の超長期安定固化2023

    • 著者名/発表者名
      牧涼介,草野圭弘,中瀬正彦,竹下健二,菊永英寿,小林徹,桜木智史,針貝美樹,田中慎吾,朝野英一,丸山恵史
    • 学会等名
      第12回環境放射能除染研究発表会
  • [学会発表] 福島第一原子力発電所由来の難固定化核種のハイブリッド固化と安全性評価に関する研究(5)各種放射線の照射挙動と短寿命RIを用いた検討2023

    • 著者名/発表者名
      中瀬正彦,牧涼介,丸山恵史, 桜木智史,針貝美樹, 田中慎吾,朝野英一,菊永英寿,池田隼人,伊藤正俊,小林徹,竹下健二
    • 学会等名
      第12回環境放射能除染研究発表会
  • [学会発表] 福島第一原子力発電所由来の難固定化核種のハイブリッド固化と安全性評価に関する研究(6)固化体合成に関わる新展開2023

    • 著者名/発表者名
      牧涼介,中瀬正彦,竹下健二,菊永英寿,小林徹,桜木智史,針貝美樹,田中慎吾,朝野英一,丸山恵史
    • 学会等名
      第12回環境放射能除染研究発表会
  • [学会発表] 福島第一原子力発電所由来の難固定化核種のハイブリッド固化と安全性評価に関する研究(7)粉末冶金法によるALPSヨウ素吸着材の固化2023

    • 著者名/発表者名
      桜木智史,牧涼介,浜田涼,針貝美樹,田中慎吾,朝野英一,中瀬正彦,渡邊真太,菊永英寿,小林徹,竹下健二
    • 学会等名
      第12回環境放射能除染研究発表会
  • [学会発表] 福島第一原子力発電所由来の難固定化核種のハイブリッド固化と安全性評価に関する研究(8)マトリクスの溶出特性を考慮したハイブリッド固化体の安全評価2023

    • 著者名/発表者名
      針貝美樹, 田中慎吾,桜木智史,朝野英一,中瀬正彦,牧涼介,菊永英寿,小林徹
    • 学会等名
      第12回環境放射能除染研究発表会
  • [学会発表] マイクロビームXAFSを用いた福島第一原子力発電所由来廃棄物のハイブリッド固化体の分析2023

    • 著者名/発表者名
      中瀬正彦,渡邊真太,牧涼介,桜木智史,浜田涼,針貝美樹,朝野英一,菊永英寿,小林徹
    • 学会等名
      第83回分析化学討論会
  • [学会発表] Al3BC3セラミックスの合成と物性評価2023

    • 著者名/発表者名
      牧涼介,松村峻汰,草野圭弘,前田朋之,平初雄
    • 学会等名
      第35回耐火物技術協会年次学術講演会
  • [産業財産権] 燃料デブリの固化方法および固化体2024

    • 発明者名
      中瀬正彦、牧涼介、丸山恵史、白崎謙次、秋山大輔、櫻木智史
    • 権利者名
      中瀬正彦、牧涼介、丸山恵史、白崎謙次、秋山大輔、櫻木智史
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      23T178

URL: 

公開日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi