燃料デブリの過酸化水素による酸化劣化に関する研究

A Study of HO-induced oxidative degradation of simulated fuel debris

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

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

東京電力福島第一原子力発電所(1F)事故では燃料や被覆管、構造材料等が高温で反応して燃料デブリが形成されたとみられている。1F炉内は注水や地下水の流入で湿潤な環境にあり、放射線による水の分解が継続していると考えられ、これが燃料デブリの化学的な性状に影響する可能性がある。1F燃料デブリの組成や形状については、いまだに十分な情報が得られていないが、炉内や周辺で採取された微粒子の分析結果では、様々な組成が観測されており、事故進展における温度履歴や物質移動の複雑さを反映していると考えられる。1Fサンプルのように複雑組成の混合物については、水の放射線分解が与える影響に関する知見が乏しい。そこで、水の放射線分解の影響として想定すべき燃料デブリの性状変化を明らかにするため、模擬デブリ試料を用いてHO水溶液への浸漬試験を行った。その結果、HOの反応により、模擬デブリ試料からウランが溶出し、過酸化ウラニルの形成が進むことが分かった。またUO相の固溶体形成によるHOに対する安定化が観測された。これらの酸化劣化の過程は、ウラン含有相の反応性や安定性に基づいて説明できることを明らかにした。

The severe accident at TEPCO's Fukushima Daiichi Nuclear Power Station resulted in generation of fuel debris. The fuel debris is in contact with water and the radiolysis of water can accelerate degradation of the debris. The analysis of particles sampled from inside or near the damaged reactors indicates the complicated compositions of the fuel debris. It is challenging to estimate the effect of water radiolysis on such a complicated material. Therefore, in this study, we investigated the potential degradation process by leaching experiments of simulated fuel debris in aqueous HO solution. The results show that the reaction of HO induced uranium dissolution from most of the samples and then formation of uranyl peroxides. In contrast, a sample that had U-Zr oxide solid solution as the major phase exhibited remarkable resistance to HO. These findings revealed that the degradation of the simulated debris reflects the reactivity and stability of the uranium phase in the matrices.