Interpretation of dissolution behavior at the surface of uranium-zirconium oxide solid solutions

ウラン-ジルコニウム酸化物固溶体の表面における溶解挙動の解釈

頓名 龍太郎*; 佐々木 隆之*; 岡本 芳浩  ; 小林 大志*

Tonna, Ryutaro*; Sasaki, Takayuki*; Okamoto, Yoshihiro; Kobayashi, Taishi*

福島第一原子力発電所事故による燃料デブリ中の主なウラン固相である(U,Zr)Oの溶解挙動を、大気条件下で熱力学的および速度論的に調べた。湿式化学法によりZrが均一に固溶した立方晶(U,Zr)Oサンプルを調製し、静的バッチ浸漬試験を実施した。UとZrの溶解度がそれぞれの濃度を超える強酸性条件では、両元素の一致した溶解が観察され、(U,Zr)OはUOと同じ速度で溶解した。Uの溶解度がその濃度よりも高く、Zrはより低い溶解度で定常状態に達する中酸性条件では、(U,Zr)OからのUの溶解速度はUOに比べて低下した。シュウ酸の存在下では、錯体形成によりZrの溶解度が上昇したが、(U,Zr)OからのUの溶解速度は低下しなかった。これは、(U,Zr)O中のZrが、Zrの溶解度が低い条件下で固体表面上に2次固相を形成し、Uの酸化溶解を抑制したことを示唆している。

The dissolution behavior of (U,Zr)O, the primary uranium solid phase in the fuel debris from the Fukushima Daiichi nuclear power plant accidents, was investigated thermodynamically and kinetically under atmospheric conditions. Cubic (U,Zr)O samples with a uniform solid solution of Zr were prepared using wet chemistry methods, and static batch immersion tests were conducted. In strongly acidic conditions, where the solubility of U and Zr exceeded their concentrations, congruent dissolution of both elements was observed with (U,Zr)O dissolving at the same rate as UO. In moderately acidic conditions, where the U solubility was higher than its concentration with Zr reaching a steady state at lower solubility, the U dissolution rate from (U,Zr)O decreased compared to UO. In the presence of oxalic acid, with increased Zr solubility due to the formation of complexes, the U dissolution rate from (U,Zr)O did not decrease. This indicates that Zr in (U,Zr)O formed a secondary solid phase on the solid surface under conditions of lower Zr solubility, which in turn suppressed the oxidative dissolution of U.