Potential bacterial alteration of nuclear fuel debris; A Preliminary study using simulants in powder and pellet forms

微生物による粉末及びペレット模擬燃料デブリの変質調査

Liu, J. ; 土津田 雄馬; 墨田 岳大   ; 北垣 徹  ; 大貫 敏彦; 香西 直文   

Liu, J.; Dotsuta, Yuma; Sumita, Takehiro; Kitagaki, Toru; Onuki, Toshihiko; Kozai, Naofumi

福島第一原子力発電所(FDNPP)における燃料デブリは10年以上微生物を含んでいる地下水に保存した。微生物による燃料デブリの変化が起こる可能性がある。本研究では、CeO, ZrO, Fe(0), SiOを用いて燃料デブリの模擬体を調製し、好気性条件下で金属元素酸化細菌として認識されていない2つの常在菌Pseudomonas fluorescens及びBacillus subtilisに曝露して、模擬体の物理的及び化学的変化を調べた。粉末模擬体を用いた実験では、Ce, Zr, Siはほとんど溶解せず、Feを溶解したままFe(II)とFe(III)として液相に存在し、一部溶解した鉄は鉄(水)酸化物のナノ粒子として析出した。ペレット模擬体を用いた実験では、バクテリアはFe(0)粒子表面に選択的に集まり、腐食ピットを作った。これらの結果は地下水中のバクテリアがFDNPPの燃料デブリ中の鉄を腐食し、燃料デブリを多孔質体に変え、ナノサイズの鉄(水)酸化物粒子を水中に放出することを示唆した。

Remnant nuclear fuel debris in the damaged nuclear reactors at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (FDNPP) has contacted the groundwater containing microorganisms for over ten years. Herein, we report the possibility of bacterial alteration of fuel debris. We investigated the physical and chemical changes of fuel debris simulants (FDS) in the powder and pellet forms via exposure to two ubiquitous bacteria, Pseudomonas fluorescens and Bacillus subtilis. In the experiments using FDS composed of the powders of Fe(0), solid solution of CeO and ZrO, and SiO, Ce, Zr, and Si were hardly dissolved, while Fe was dissolved, a fraction of the dissolved Fe was present in the liquid phase as Fe(II) and Fe(III), and the rest was precipitated as the nano-sized particles of iron (hydr)oxides. In the experiment using P. fluorescens and FDS pellet pieces prepared by melting the Fe(0) particles and solid solution of CeO and ZrO, the bacteria selectively gathered on the Fe(0) particle surface and made corrosion pits. These results suggest that bacteria in groundwater corrode the iron in fuel debris at FDNPP, change fuel debris into porous one, releasing the nano-sized iron (hydr)oxide particles into the water.