金属硝酸塩水溶液のマイクロ波加熱特性ならびに金属酸化物の粉末性状評価

瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典; 鈴木 政浩; 深澤 智典*; 福井 国博*

粉体工学会誌, 57(9), p.485 - 494, 2020/09

使用済燃料の再処理工程において、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液をマイクロ波加熱脱硝法により混合酸化物粉末に転換している。ラボスケールの基礎実験において研究開発された知見に基づき、工学規模への適用性の評価や金属硝酸塩水溶液の様々なマイクロ波加熱脱硝特性データを取得するため、硝酸セリウム,硝酸コバルト,硝酸銅水溶液を用いてマイクロ波加熱特性及び金属酸化物粉末特性の研究を行った。脱硝反応の進行速度は位置により差がみられ、周縁部の方が中心部に比べて脱硝反応が速く進行した。硝酸セリウム水溶液ではポーラスな硬い乾固体、硝酸コバルト水溶液では発泡乾固体、硝酸銅水溶液では粉末状生成物が得られることが分かった。生成物の脱硝率及び平均粒子径は、硝酸セリウム水溶液,硝酸コバルト水溶液,硝酸銅水溶液の順に大きくなることを確認した。数値シミュレーションにより、金属硝酸塩水溶液の底面周縁部はマイクロ波により加熱されやすく、脱硝反応が周縁部から開始する実験結果と一致することを明らかにした。

結晶質岩を対象とした長期岩盤挙動評価手法に関する研究,2(共同研究)

福井 勝則*; 羽柴 公博*; 松井 裕哉

JAEA-Research 2018-006, 57 Pages, 2018/10

JAEA-Research-2018-006.pdf:2.99MB

坑道周辺の岩盤は、長期的にはクリープや応力緩和などの力学的な時間依存性挙動を示すことが知られており、その挙動を把握・評価できる技術の構築が地層処分の技術的信頼性向上のための課題の一つとなっている。上記を踏まえ、岩盤の長期挙動を把握・評価できる技術の確立に資するため、年単位を超えるような岩石の長期クリープ試験や、高レベル放射性廃棄物の地層処分において想定される常温から100C程度の高温条件下での岩石の長期挙動を把握するための技術の開発等を実施し、想定される様々な条件下での岩石の長期挙動現象の特徴やその程度に関する実験的評価を行うことを目的とした研究を、共同研究として2016年度から開始した。2017年度は、田下凝灰岩のクリープ試験のこれまでの経緯をまとめるとともに、長期と短期のクリープ試験結果を比較し凝灰岩のクリープの現象論や機構について考察した。また、種々の含水状態のもとで、載荷速度と水飽和度が岩石の強度に与える影響について検討するとともに、圧縮応力下での岩石の変形・破壊および時間依存性挙動を再現できるコンプライアンス可変型モデルを一軸引張応力下へ適用するために改良した。

Mechanical and rheological characteristics of the siliceous mudstone at the Horonobe Underground Research Laboratory site

羽柴 公博*; 福井 勝則*; 杉田 裕; 青柳 和平

Proceedings of ITA-AITES World Tunnel Congress 2017 (WTC 2017) (USB Flash Drive), 8 Pages, 2017/06

珪藻質泥岩や珪質泥岩の岩盤の地下に構造物を建設するあるいはその長期安定性を評価するためには、これらの岩石の力学および粘性特性を理解することが重要である。本研究では、珪質泥岩である稚内層の岩石を対象にさまざまな試験(圧縮試験, クリープ試験, 応力緩和試験, 乾燥収縮試験, スレーキング試験)を行った。試験の結果から、本岩石の力学および粘性特性に対して水分が大きな影響を与えることが分かった。加えて、幌延の地下研の現場での水分計測結果との比較から、坑道の力学的安定性の考察を行った。

結晶質岩を対象とした長期岩盤挙動評価手法に関する研究(2014年度)(委託研究)

福井 勝則*; 羽柴 公博*; 佐藤 稔紀; 桑原 和道; 高山 裕介

JAEA-Research 2015-015, 61 Pages, 2015/11

JAEA-Research-2015-015.pdf:5.52MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、処分坑道の力学的安定性は、建設・操業時はもとより閉鎖後も千年程度にわたって要求される。一方、処分坑道をとりまく岩石や岩盤は、クリープや応力緩和などの力学的な時間依存性挙動を示すことが知られており、その挙動を把握することは処分坑道の安定性評価における課題となっている。この課題を受け、調査研究開発を進めてきた。試験は中断することなく、試験期間は17年を越えた。また、湿潤状態かつ常温から100C程度での、岩石の変形・破壊特性および時間依存性を調べるための試験方法について検討した。さらに、室内試験結果と地圧測定結果を用いて、三軸応力下での岩石の長期強度について検討した。

稚内層珪質泥岩の力学特性

羽柴 公博*; 福井 勝則*; 杉田 裕; 真田 昌慶*

原子力バックエンド研究(CD-ROM), 21(2), p.75 - 82, 2014/12

https://doi.org/10.3327/jnuce.21.75

珪藻土や、それが変成作用により岩石化した珪質岩は、北海道から秋田県、能登半島、隠岐諸島へかけて日本海側に広く分布しており、珪質岩の岩盤中に構造物を建設する際には、その力学特性を把握しておく必要がある。本研究では、北海道天塩郡幌延町の地下深部に分布する珪質岩である稚内層珪質泥岩を用いて、一軸圧縮試験、圧裂引張試験、乾燥収縮試験、時間依存性挙動と強度回復特性を調べる試験を行った。その結果、変形・破壊特性におよぼす水分の影響が大きく、試験室の標準的な環境下で乾燥させるだけで、最大で0.9%程度の軸方向の収縮歪が生じ、強度が2倍程度になることがわかった。時間依存性挙動と強度回復特性に関しては、岩石としては標準的な特性を持っていることがわかった。

結晶質岩を対象とした長期岩盤挙動評価手法に関する研究(2012年度)(委託研究)

福井 勝則*; 羽柴 公博*; 丹野 剛男; 引間 亮一; 真田 祐幸; 佐藤 稔紀

JAEA-Research 2013-031, 52 Pages, 2013/12

JAEA-Research-2013-031.pdf:4.06MB

長期に渡る岩石や岩盤の時間依存性挙動を把握することは、坑道の長期安定性を評価するうえで重要な課題である。そこで、岩石や岩盤の時間依存性挙動を、精密な試験や観察・計測から直接的に検討する手法(現象論的方法)で解明し、岩盤構造物の長期挙動予測評価手法を開発する研究を行ってきた。本報告書は、2012年度に実施した岩石や岩盤の時間依存性挙動に関する研究をまとめたものである。第1章では、これまでの研究内容とその背景を概括した。第2章では、1997年度から継続している田下凝灰岩のクリープ試験結果について報告した。第3章では、岩石の時間依存性挙動把握のため、載荷速度依存性に関するデータの整理と分析を行った。第4章では、原位置試験計画の策定のため、空洞の周辺岩盤に生じる応力が一本の円形坑道を掘削した際の周辺岩盤の応力状態よりも大きくなるような条件下での坑道の安定性について検討した。

結晶質岩を対象とした長期岩盤挙動評価のための現象論的研究(委託研究)

大久保 誠介*; 福井 勝則*; 羽柴 公博*; 引間 亮一; 丹野 剛男; 真田 祐幸; 松井 裕哉; 佐藤 稔紀

JAEA-Research 2011-040, 54 Pages, 2012/02

JAEA-Research-2011-040.pdf:2.85MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分時においては、建設時及び操業時は言うまでもなく、坑道埋め戻し後も千年程度の長期に渡る坑道の安定性の評価が要求される。そこで、岩石や岩盤の時間依存性挙動を、精密な試験や観察・計測から直接的に検討する手法(現象論的方法)で解明し、岩盤構造物の長期挙動予測評価手法を開発する研究を行ってきた。本報告書は、2010年度に実施した研究をまとめたものである。第1章では、研究内容とその背景を概括した。第2章では、1997年度から継続している田下凝灰岩のクリープ試験結果について報告した。第3章では、岩石の時間依存性の程度を表すnの値の意味をより明確に示すため、強度の載荷速度依存性とクリープ寿命の応力依存性との関係及び時間依存性,強度とクリープ寿命の分布特性,寸法効果の相互関係について論じた。さらに、既往の研究事例をレビューして、土岐花崗岩の力学特性や時間依存性について、今後実施すべき試験について検討した。第4章では岩盤の破壊基準の設定に関する検討として、十分長い時間をかけて岩石を壊したときの強度(長期強度)及び、いつまで経っても破壊に至らない応力条件について検討した。第5章では、周圧下でのnの値の変化及び岩盤強度のばらつきを考慮した二次元有限要素解析により、土岐花崗岩の長期挙動に関する予察的検討を行った。最後に、数値解析結果にもとづいて原位置試験計画に関する所見を述べた。

Physical properties and microwave dielectric properties of carbon nanotube-containing alumina composite ceramic material

瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典; 山田 雅晃*; 田丸 彩夏*; 長川 玄汰*; 深澤 智典*; 石神 徹*; 福井 国博*; 村上 広幸*

no journal, , 

マイクロ波加熱脱硝法による金属酸化物粉末の製造工程において、容器を通じた熱の散逸や中間生成物によるマイクロ波吸収の低下を補償するため、マイクロ波加熱により自己発熱する外部加熱源として比誘電損失の大きいカーボンナノチューブ(CNT)含有したアルミナ複合セラミック材料の開発を進めている。CNT含有アルミナ複合セラミック材料の走査型電子顕微鏡による観察を行い、アルミナの母材中にCNTが存在していることを観察した。また、CNT含有アルミナ複合セラミック材料の表面抵抗率はCNT含有率が0.2mass%から0.5mass%に増加すると顕著に低下し、0.5mass%から1.0mass%に増加しても大きな差は見られなかった。本結果は、CNT含有アルミナ複合セラミック材料のCNT含有率が0.2mass%から0.5mass%に増加すると、見掛けの誘電損失が増加するこれまでの見掛けの誘電損失に関する研究結果と整合する。

マイクロ波脱硝法による金属硝酸塩からの酸化物粒子の合成

佐伯 佑太*; 福井 国博*; 山本 徹也*; 吉田 英人*; 山本 琢磨*; 石井 克典; 鈴木 政浩

no journal, , 

現在、原子力発電におけるウラン資源の有効利用を図るために、高速増殖炉サイクルの実用化に向けた研究が進められている。軽水炉の使用済燃料を再処理して得られる硝酸プルトニウム溶液は硝酸ウラニル溶液と混合後、マイクロ波脱硝法により酸化物に転換され、原子力発電用燃料として再利用される。しかし、マイクロ波脱硝法では、生成する酸化物粒子の粒子径が小さいため流動性が悪く、燃料製造工程での酸化物粒子の取り扱いが難しいという問題がある。そこで、本研究では脱硝プロセスにおける加熱方法や加熱速度が生成酸化物粒子の粒子径に与える影響を比較することで、マイクロ波脱硝法による粒子径を増大させる手法を検討した。

Denitration characteristics of aqueous metal nitrate solution by microwave heating with carbon nanotube-containing alumina composite ceramic jacket

瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典; 長川 玄汰*; 田丸 彩夏*; 深澤 智典*; 石神 徹*; 福井 国博*

no journal, , 

マイクロ波加熱と外部加熱源を併用することにより、脱硝容器を通じた伝熱損失を補償し、粉末特性を改善できることが確認されている。しかしながら、マイクロ波照射場での外部加熱の使用は、加熱機器の劣化が懸念される。そのため、マイクロ波を吸収して発熱するカーボンナノチューブ(CNT)をアルミナに添加して作製した複合セラミックジャケットを外部加熱源として使用するハイブリッド加熱法を開発している。CNT含有アルミナ複合セラミックジャケット(CNTジャケット)の効果を評価するため、マイクロ波加熱脱硝試験を実施した。CNTジャケットを使用した場合、硝酸銅水溶液及び硝酸ニッケル水溶液のいずれにおいても、CNT無含有のアルミナ製ジャケットを使用した場合に比べて、最高温度到達までの時間が早くなることを確認した。さらに、硝酸ニッケル水溶液においては、CNTジャケットを使用した場合、最高温度到達後に温度を維持した一方、アルミナ製ジャケットを使用した場合は、約280Cに到達後、温度が低下する傾向を示した。CNTジャケットを用いたハイブリッド加熱法により、金属硝酸塩水溶液から最終生成物の金属酸化物を得ることが可能となることを確認できた。