福島第一原子力発電所の廃止措置における放射性エアロゾル制御及び除染に関する研究(委託研究); 令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

Research on radioactive aerosol control and decontamination at Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Decommissioning (Contract research); FY2023 Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project

廃炉環境国際共同研究センター; 東京大学*

Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science; The University of Tokyo*

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という。)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和3年度に採択された研究課題のうち、「福島第一原子力発電所の廃止措置における放射性エアロゾル制御及び除染に関する研究」の令和3年度から令和5年度分の研究成果について取りまとめたものである。本研究では、英国研究者との協力の下、高度な粒子検出及び特性評価システムとエアロゾルの分散制御を同時に組み込んだ安全なレーザー除染システムの開発を目指している。エアロゾル分散制御については、単純な機械的封じ込めフードから光学レーザーシールドに至るまでの新しい封じ込め方法を共同で調査する。日本側は、レーザー切断及び除染用途での放射線リスクを低減するため、ウォーターミストとウォータースプレーの利用に基づく放射性分散制御方法を開発する。英国側から提供されたエアロゾル粒子のデータに基づき、エアロゾルスクラビングの効率を高める可能性を調査する。また、エアロゾル粒子とウォーターミスト粒子の間の引力向上させるための電荷付与の効果を確認する。英国側は、エアロゾルのレーザー閉じ込め法を開発しており、スプレースクラビングにおいてエアロゾル粒子とミストの凝縮を改善するための実験を行う。エアロゾル除去技術と戦略の開発は、包括的な実験と計算研究によって実行される。実験はUTARTS(東京大学エアロゾル除去試験施設)で行われ、レーザー除染や切断とスプレー操作の同時作業等を検証する。また、CFDモデルのより適切な検証を実行できる高空間分解能データを取得するためエアロゾル測定を実施する。検証済みのCFDモデルは、効果的で安全な除染及び廃炉計画を作成するために、様々なレーザー操作シナリオで確認する。最終年度においては、実スケールでの作業及び除染効果を検証するため、モックアップ試験を実施し、本研究により構築した除染システムを評価検証する。

The Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science (CLADS), Japan Atomic Energy Agency (JAEA), had been conducting the Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project (hereafter referred to "the Project") in FY2023. The Project aims to contribute to solving problems in the nuclear energy field represented by the decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, Tokyo Electric Power Company Holdings, Inc. (TEPCO). For this purpose, intelligence was collected from all over the world, and basic research and human resource development were promoted by closely integrating/collaborating knowledge and experiences in various fields beyond the barrier of conventional organizations and research fields. The sponsor of the Project was moved from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology to JAEA since the newly adopted proposals in FY2018. On this occasion, JAEA constructed a new research system where JAEA-academia collaboration is reinforced and medium-to-long term research/development and human resource development contributing to the decommissioning are stably and consecutively implemented. Among the adopted proposals in FY2021, this report summarizes the research results of the "Research on radioactive aerosol control and decontamination at Fukushima Daiichi Nuclear Power Station decommissioning" conducted from FY2021 to FY2023. The present study aims to develop a safe laser decontamination system that integrates advanced particle detection and characterization systems with aerosol dispersion control, in collaboration with UK researchers. For aerosol dispersion control, new containment methods ranging from simple mechanical containment hoods to optical laser shields are jointly investigated. The Japanese team will develop a radioactive dispersion control method based on the use of water mist and water spray to reduce radiation risks during laser cutting and decontamination applications. Based on data on aerosol particles provided by the UK team, the potential to enhance aerosol scrubbing efficiency will be explored. Additionally, the effect of charge enhancement will be evaluated. The UK team will develop laser-based aerosol containment methods and conducting experiments to improve the condensation of aerosol particles and mist in spray scrubbing. The development of aerosol removal technologies and strategies will be carried out through comprehensive experimental and computational studies. Experiments will be conducted at UTARTS facility to verify simultaneous operations such as laser decontamination, cutting, and spray operations. Aerosol measurements will also be performed to obtain high spatial resolution data that can better validate CFD models. In the final year, mock-up tests will be conducted to verify the system's operation and decontamination performance at full scale, evaluating the decontamination system developed through this research.