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Structure, stability, and actinide leaching of simulated nuclear fuel debris synthesized from UO$$_{2}$$, Zr, and stainless-steel

UO$$_{2}$$-Zr-ステンレス鋼から合成した模擬燃料デブリの構造,安定性およびアクチノイド核種の溶出に関する研究

桐島 陽*; 秋山 大輔*; 熊谷 友多   ; 日下 良二  ; 中田 正美  ; 渡邉 雅之   ; 佐々木 隆之*; 佐藤 修彰*

Kirishima, Akira*; Akiyama, Daisuke*; Kumagai, Yuta; Kusaka, Ryoji; Nakada, Masami; Watanabe, Masayuki; Sasaki, Takayuki*; Sato, Nobuaki*

福島第一原子力発電所事故では、UO$$_{2}$$やZr,ステンレス鋼(SUS)の高温反応により燃料デブリが形成されたとみられる。この燃料デブリの化学構造や安定性を理解するため、UO$$_{2}$$-Zr-SUS系模擬デブリ試料の合成と物性評価を行い、より単純な組成の試料と比較した。模擬デブリ試料の合成では、不活性雰囲気(Ar)もしくは酸化雰囲気(Ar + 2% O$$_{2}$$)において1600$$^{circ}$$Cで1時間から12時間の加熱処理を行った。$$^{237}$$Npおよび$$^{241}$$Amをトレーサーとして添加し、浸漬試験ではUに加えてこれらの核種の溶出を測定した。試料の物性評価は、XRD, SEM-EDX,ラマン分光法およびメスバウアー分光法により行った。その結果、模擬デブリの主なU含有相は、加熱処理時の雰囲気に依らず、Zr(IV)およびFe(II)が固溶したUO$$_{2}$$相であることが分かった。模擬デブリ試料の純水もしくは海水への浸漬試験では、1年以上の浸漬の後も主な固相の結晶構造には変化が観測されず、化学的に安定であることが示された。さらに、U, Np, Amの溶出率はいずれも0.08%以下と、溶出は極めて限定的であることが明らかとなった。

To understand the chemical structure and stability of nuclear fuel debris consisting of UO$$_{2}$$, Zr, and Stainless Steel (SUS) generated by the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident in Japan in 2011, simulated debris of the UO$$_{2}$$-SUS-Zr system and other fundamental component systems were synthesized and characterized. The simulated debris were synthesized by heat treatment for 1 to 12 h at 1600$$^{circ}$$C, in inert (Ar) or oxidative (Ar + 2% O$$_{2}$$) atmospheres. $$^{237}$$Np and $$^{241}$$Am tracers were doped for the leaching tests of these elements and U from the simulated debris. The characterization of the simulated debris was conducted by XRD, SEM-EDX, Raman spectroscopy, and M$"o$ssbauer spectroscopy, which provided the major uranium phase of the UO $$_{2}$$-SUS-Zr debris was the solid solution of U$$^{mathrm{IV}}$$O$$_{2}$$ (s.s.) with Zr(IV) and Fe(II) regardless of the treatment atmosphere. The long-term immersion test of the simulated debris in pure water and that in seawater revealed the macro scale crystal structure of the simulated debris was chemically very stable in the wet condition for a year or more. Furthermore, the leaching test results showed that the actinide leaching ratios of U, Np, Am from the UO$$_{2}$$-SUS-Zr debris were very limited and less than 0.08 % for all the experiments in this study.

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