有機物を含有した核燃料物質の安定化処理

Stabilization treatment of Pu-bearing organic materials

森下 一喜; 佐藤 匠  ; 大西 貴士  ; 関 崇行*; 関根 伸一*; 興津 裕一*

Morishita, Kazuki; Sato, Takumi; Onishi, Takashi; Seki, Takayuki*; Sekine, Shinichi*; Okitsu, Yuichi*

有機物を含有したプルトニウムを含む核燃料物質(以下「有機物を含有した核燃料物質」という。)の場合、主にプルトニウムから放出される線が有機物を分解して水素ガス等を発生させることが知られている。このため、有機物を含有した核燃料物質を長期間、安全に保管するためには、有機物を除去しておく必要がある。また、炭化物及び窒化物燃料(以下「炭化物燃料等」という。)の場合は、空気中の酸素や水分と反応して発熱する可能性があることから、これらを保管する場合には安定な化学形である酸化物に転換する必要がある。有機物を除去するための処理条件に関して文献調査を行った結果、空気雰囲気中で950C(1223.15K)以上に加熱することで熱分解され、除去できることを確認した。また、炭化物燃料等の酸化物への転換について熱力学的検討を行った結果、950C以上での炭化物燃料等の酸化反応における平衡酸素分圧が空気中の酸素分圧2.110Pa(0.21atm)よりも低くなり、酸化反応が進行することを確認した。このことから有機物を含有した核燃料物質の安定化処理として、空気雰囲気中で950Cに加熱することにより、有機物を除去するとともに炭化物燃料等を酸化物に転換することとした。有機物の除去にあたっては、事前に有機物を模したエポキシ樹脂の薄板を空気雰囲気で加熱するモックアップ試験を実施し、加熱前後の外観の変化や重量の変化から、有機物が除去できることを確認した。その後実際の有機物を含有した核燃料物質等についても同様に安定化処理を実施した。

In the case of Plutonium (Pu)-bearing organic materials, organic materials are decomposed by alpha rays emitted mainly from Pu to generate hydrogen gas and other substances. Therefore, to safely store Pu-bearing organic materials for an extended period of time, organic materials must be eliminated. In addition, carbide and nitride fuels must be converted into oxides for safe storage in order to prevent the exothermal reaction of these fuels with oxygen/moisture in air. A survey of the literature on the stabilization treatment of Pu-bearing organic materials confirmed that organic materials can be decomposed and removed by heating at 950 C (1223.15 K) or greater in air. Furthermore, based on the calculated thermodynamic parameters of oxidation reaction of carbide and nitride fuels in air, it was estimated that these fuels would be oxidized in air at 950 C because the equilibrium oxygen partial pressure in the oxidation reaction at 950 C was lower than 2.110 Pa (oxygen partial pressure in air). Therefore, it was decided to stabilize Pu-bearing organic materials by heating at 950 C in air to remove the organic materials and oxidize the carbide and nitride fuels. As a mock-up test to remove the organic materials, thin sheets of epoxy resin were heated in air. The changes in appearance and weight before and after heating in air showed that organic materials can be removed. After the mock-up test, Pu-bearing organic materials were also stabilized by heating in the similar condition.