炭素鋼の腐食に伴う硝酸イオンの化学的変遷のモデル化

A Modeling study for the chemical evolution of nitrate accompanied with the corrosion of carbon steel

本田 明; 増田 薫*; 加藤 修*; 西村 務*; 建石 剛*; 今北 毅*

Honda, Akira; Masuda, Kaoru*; Kato, Osamu*; Nishimura, Tsutomu*; Tateishi, Tsuyoshi*; Imakita, Tsuyoshi*

現在、再処理法としては国際的にPUREX法が主流であり、わが国においてもPUREX法が採用されている。このPUREX法によるプロセス廃液には、硝酸イオン(NO)が含まれているため、特別な処理工程を設けないかぎり放射性廃棄物の処分施設にも、NOがナトリウム塩等の易溶性の塩の形で持ち込まれる可能性がある。NOは酸化性の化学種であり、金属等の還元性の物質と反応して還元され、亜硝酸イオン(NO)やアンモニア/アンモニウムイオン(NH/NH NO)に化学形態が変化する可能性がある。TRU核種を含む廃棄物の処分の安全性を評価するためには、この硝酸塩及び硝酸塩を起源とする化学物質の処分システムに及ぼす影響について評価する必要がある。特にNHは放射性の金属元素とアンミン錯体を形成することで、当該放射性金属元素の溶解度やバリア材への収着性に影響を与える可能性があり重要である。これらの評価を行うためには、基礎情報としてNOの処分環境下における化学形態の変化を定量的に評価する必要がある。そこで、金属腐食及び微生物活動によるNOの化学的変遷の様子をモデル計算により評価した。本章では、このモデルのうち、金属腐食によるNOの化学的変遷に関する部分について示す。金属腐食によるNOの化学的変遷過程のモデル化に当たっては、NOの金属による還元反応による化学形態の変化について、実験的に反応機構及び反応速度を検討した。反応機構及び反応速度の検討は、ガラス密封容器(アンプル)による浸漬試験及びカソード動電位分極試験により行い、この検討結果に基づきNOの化学形態の変化をモデル化した。さらにカソード動電位分極試験、カソード定電位保持試験及び硝酸塩を含まない条件で実施したアンプル試験によりモデルパラメータを決定した。このモデル及びパラメータを用いて硝酸塩を含む水溶液を用いて実施したアンプル型浸漬試験の結果を解析し、モデル及びパラメータの妥当性を確認した。

Uranium and Plutonium are planed to be recovered from spent fuel by the reprocessing in Japan. PUREX method is internationally dominant among the commercial reprocessing plants. PUREX method has been also employed in Japan. The low level liquid waste from PUREX process would contain NO3- as forms of soluble salts, if the special process for decomposing NO3- were not adopted. The nitrate is possibly brought within the repository for TRU waste. The specie of NO3- is an oxidizing agent which can be reduced to NO2- and NH3/NH4+ by the coexistence of reducing materials such as metals.In order to estimate the safety of the repository for TRU waste, the impacts of nitrate on the disposal system for TRU waste have to be estimated. Especially, NH3 can elevate the solubility and reduce Rd value through the formation of ammine complexes. The quantitative information of chemical evolution of nitrate is necessary for evaluating the impact of nitrate and the chemical species arising from nitrate on the safety of the repository of TRU waste. The evolution of chemical form of NO3- by the reducing reaction accompanied with metal corrosion was experimentally examined. The reduction of NO3- was considered to be a serial reaction, that is, NO3- - NO2- - NH3. The rate equations of cathodic reactions (water reduction and reduction of nitrate and nitrite) were experimentally determined through the electrochemical measurements. The rate equation of metal dissolution (anodic reaction) which must be balanced to the cathodic reactions in charge transfer is determined from the results of immersion tests without nitrate. The combination of the rate equations forms an assessment model of chemical evolution of NO3-. The model provided the interpretation of the results of immersion tests with nitrate.