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Reaction of hydrogen peroxide with uranium zirconium oxide solid solution; Zirconium hinders oxidative uranium dissolution

過酸化水素とウラン・ジルコニウム酸化物固溶体との反応; ジルコニウムによるウラン溶出抑制効果

熊谷 友多; 高野 公秀 ; 渡邉 雅之

Kumagai, Yuta; Takano, Masahide; Watanabe, Masayuki

ウラン・ジルコニウム酸化物固溶体[(U,Zr)O$$_{2}$$]のH$$_{2}$$O$$_{2}$$との反応についての理解は、(U,Zr)O$$_{2}$$組成を持つ溶融燃料の放射線環境下での劣化を評価するためには不可欠である。そこで、(U,Zr)O$$_{2}$$粉末試料を用いて、H$$_{2}$$O$$_{2}$$によるUの溶出を調べた。H$$_{2}$$O$$_{2}$$反応量に対するU溶出の収率を測定した結果、(U,Zr)O$$_{2}$$のU溶出収率はUO$$_{2}$$と比べて著しく低いことが明らかになった。そのメカニズムを調べるため、H$$_{2}$$O$$_{2}$$の反応によるO$$_{2}$$の発生を測定したところ、O$$_{2}$$発生量とH$$_{2}$$O$$_{2}$$消費量は1:2の比であり、H$$_{2}$$O$$_{2}$$の不均化反応の化学量論と一致した。この結果から、(U,Zr)O$$_{2}$$のH$$_{2}$$O$$_{2}$$による酸化的溶解が抑制された理由は、不均化反応への触媒活性と考えられる。さらに、同時に行った(U,Zr)O$$_{2}$$のラマン分光分析の結果も触媒的不均化反応を支持しており、これらの結果から、H$$_{2}$$O$$_{2}$$による酸化的溶解反応に対して、(U,Zr)O$$_{2}$$はUO$$_{2}$$よりもはるかに安定であることが明らかになった。

We studied oxidative dissolution of uranium and zirconium oxide [(U,Zr)O$$_{2}$$] in aqueous H$$_{2}$$O$$_{2}$$ solution. The interfacial reaction is essential for anticipating how a (U,Zr)O$$_{2}$$-based molten fuel may chemically degrade after a severe accident under influence of ionizing radiation. We conducted our experiments with (U,Zr)O$$_{2}$$ powder and quantitated the H$$_{2}$$O$$_{2}$$ reaction via dissolved U and H$$_{2}$$O$$_{2}$$ concentrations. The dissolution yield relative to H$$_{2}$$O$$_{2}$$ consumption was far less for (U,Zr)O$$_{2}$$ compared to that of UO$$_{2}$$. The reaction kinetics indicates that most of the H$$_{2}$$O$$_{2}$$ catalytically decomposed to O$$_{2}$$ at the surface of (U,Zr)O$$_{2}$$. We confirmed the H$$_{2}$$O$$_{2}$$ catalytic decomposition via O$$_{2}$$ production (quantitative stoichiometric agreement). In addition, post-reaction Raman scattering spectra of the undissolved (U,Zr)O$$_{2}$$ showed no additional peaks (indicating a lack of secondary phase formation). The (U,Zr)O$$_{2}$$ matrix is much more stable than UO$$_{2}$$ against H$$_{2}$$O$$_{2}$$-induced oxidative dissolution.

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パーセンタイル:64.68

分野:Materials Science, Multidisciplinary

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