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

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.

発表言語	:	English
掲載資料名	:	Journal of Nuclear Materials
巻	:	497
号	:
ページ数	:	p.54 - 59
発行年月	:	2017/12
発表会議名	:
開催年月	:
開催都市	:
開催国	:
キーワード	:	ウラン酸化物; ジルコニウム; 過酸化水素

特許データ	:
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論文URL	:	https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.10.050
研究データの公開先DOI	:	本成果にかかわる研究データのリンクです。
使用施設	:	第4研究棟
広報プレスリリース	:	被覆材が混ざった核燃料は水に溶けにくくなる; 燃料デブリの炉内安定性に係る新たな知見
論文解説 (JAEA R&D Navigator)	:	被覆材が混ざった核燃料は水に溶けにくくなる; ジルコニウムによるウラン酸化物の溶出抑制を観測[/]
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Access	:	- Accesses
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InCites™	:	パーセンタイル：77.52 分野：Materials Science, Multidisciplinary
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登録番号 : AA20170224
抄録集掲載番号 : 46000130
論文投稿番号 : 19759

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