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模擬廃棄物ホウケイ酸ガラス試料のXAFS測定(共同研究)

XAFS measurement of simulated waste borosilicate glass samples (Joint research)

永井 崇之; 小林 秀和; 捧 賢一; 菖蒲 康夫; 岡本 芳浩; 塩飽 秀啓; 山中 恵介*; 太田 俊明*

Nagai, Takayuki; Kobayashi, Hidekazu; Sasage, Kenichi; Ayame, Yasuo; Okamoto, Yoshihiro; Shiwaku, Hideaki; Yamanaka, Keisuke*; Ota, Toshiaki*

ガラス固化プロセスで製造されるガラス固化体中のホウ素(B)や廃棄物成分の局所構造は、固化体に含まれる廃棄物成分による影響を受ける。本研究は、模擬廃棄物ガラス試料を作製し、放射光XAFS測定によるガラス試料中のB及び廃棄物成分の局所構造を評価した。BのK吸収端XAFS測定において、薄板状の試料を用いて良好なXANESスペクトルが得られることを確認し、原料ガラスに廃棄物成分を添加するとB-Oの3配位sp$$^{2}$$構造(BO$$_{3}$$)割合が減少して4配位sp$$^{3}$$構造(BO$$_{4}$$)割合が増加することを明らかにした。また、組成のSiO$$_{2}$$/B$$_{2}$$O$$_{3}$$比の低下又は(SiO$$_{2}$$+B$$_{2}$$O$$_{3}$$)/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$比の上昇によって、BO$$_{3}$$割合が増加しBO$$_{4}$$割合が減少すること、P$$_{2}$$O$$_{5}$$の添加によって、BO$$_{3}$$割合が減少しBO$$_{4}$$割合が増加することを明らかにした。廃棄物成分のXAFS測定において、B$$_{2}$$O$$_{3}$$含有率が高い組成ほどセリウム(Ce)原子価が還元されること、原料ガラスへP$$_{2}$$O$$_{5}$$を添加するとCe原子価が還元されることを確認した。またイメージング測定により、ガラス中に析出するRu化合物の状況は組成のB$$_{2}$$O$$_{3}$$含有率を変えても変わらなかった。本研究は、資源エネルギー庁より日本原子力研究開発機構が受託した次世代再処理ガラス固化技術基盤研究事業の実施項目「高レベル廃液ガラス固化の高度化」の一つとして実施した。

Addition of radioactive waste to a borosilicate frit affects the local structures of boron (B) and waste elements in a waste glass. Synchrotron XAFS measurement was applied to investigate the local structural changes by using simulated waste borosilicate glass samples. Following results were obtained by the B K-edge XAFS analysis. It was confirmed that B K-edge XAFS analysis enables us to discriminate sp$$^{2}$$ type boron (BO$$_{3}$$) from sp$$^{3}$$ type boron (BO$$_{4}$$). Addition of waste elements to a glass frit increases the percentage of BO$$_{3}$$ and decreases that of BO$$_{4}$$. By decreasing the SiO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ ratio or increasing the (SiO$$_{2}$$+B$$_{2}$$O$$_{3}$$)/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ ratio in the glass composition, the BO$$_{3}$$ percentage increases and the BO$$_{4}$$ percentage decreases. Addition of P$$_{2}$$O$$_{5}$$ decreases the BO$$_{3}$$ percentage and increases the BO$$_{4}$$ percentage. Following results were obtained from XAFS measurement of the waste elements. Cerium (Ce) valence is more reduced with the increase of the B$$_{2}$$O$$_{3}$$ content. Addition of P$$_{2}$$O$$_{5}$$ has a tendency to reduce the Ce valence and to enhance deposition of Zr oxide. Deposition of ruthenium compounds separated from glass phase can not be improved by changing the B$$_{2}$$O$$_{3}$$ content. This study was performed as a part of the project, "Improvement of vitrification process of high-level radioactive liquid wastes" on the foundation business of the Agency for Natural Resources and Energy.

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