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報告書

模擬廃棄物ガラス試料のXAFS測定研究(共同研究)

永井 崇之; 捧 賢一; 岡本 芳浩; 塩飽 秀啓; 山岸 弘奈*; 太田 俊明*; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*; 高橋 友恵*; et al.

JAEA-Research 2019-003, 94 Pages, 2019/09

JAEA-Research-2019-003.pdf:7.92MB

廃棄物ガラス中のガラス成分や廃棄物成分の局所構造は、固化体の化学組成によって変化する。本研究は、リン又はバナジウムを添加したホウケイ酸ガラスと模擬廃液から模擬廃棄物ガラス試料を作製し、廃棄物濃度によるガラス成分の軽元素や廃棄物成分の希土類元素等の化学状態及び局所構造をXAFS測定により評価した。

報告書

模擬廃棄物含有バナジウム添加ホウケイ酸ガラス試料の評価研究

永井 崇之; 岡本 芳浩; 塩飽 秀啓; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*; 廣野 和也*; 本間 将啓*; 小林 博美*; 高橋 友恵*; et al.

JAEA-Research 2018-007, 87 Pages, 2018/11

JAEA-Research-2018-007.pdf:61.21MB

本研究は、資源エネルギー庁の「放射性廃棄物の減容化に向けたガラス固化技術の基盤研究事業」における、高レベル放射性廃液の充填率を高められる原料ガラス組成の開発として実施した。候補組成であるバナジウム(V)添加ガラス原料カレットへ模擬高レベル放射性廃液を混合溶融して作製した模擬廃棄物ガラス試料を対象に、レーザアブレーション(LA)法ICP-AES分析, ラマン分光測定及び放射光XAFS測定により評価を実施した。

論文

放射光XAFSおよびイメージングXAFS法による模擬ガラス試料中のロジウム元素の化学状態分析

岡本 芳浩; 永井 崇之; 塩飽 秀啓; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*

日本原子力学会和文論文誌, 16(4), p.180 - 190, 2017/12

模擬ガラス中のロジウムの化学状態を調べるために、X線吸収微細構造(XAFS)およびイメージングXAFS分析を実施した。ガラス中のロジウムの化学形は、EXAFSデータの線形結合解析の結果から、84%がRhO$$_{2}$$、残り16%がRh金属と見積もられた。イメージングXAFS分析によると、ルテニウムと共存しているロジウムの化学形は、RhO$$_{2}$$であった。これは、模擬ガラス中に、安定な(Ru,Rh)O$$_{2}$$固溶体が存在することを示唆している。一方、ルテニウムと分布が一致しないロジウムの化学形は金属であった。ガラス中の金属ロジウムは、凝集体になる傾向があった。これらの結果から、ロジウムの化学状態は、ルテニウム元素の存在とその分布に強く影響を受けると結論付けられた。

口頭

ラマン分光測定によるアルカリ・希土類含有ホウケイ酸ガラスの評価

永井 崇之; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 西澤 代治; 大山 孝一; 小林 秀和; 山下 照雄; 天本 一平

no journal, , 

アルカリ酸化物や希土類酸化物を添加したホウケイ酸ガラスの凝固試料を対象にラマン分光測定を行い,添加した酸化物によるホウケイ酸ガラスのラマンスペクトルを比較評価した。

口頭

レーザアブレーション法ICP-AESによる模擬ガラス固化体の元素分析,1; YAG-5$$omega$$レーザ照射条件の最適化と元素分析例

西澤 代治; 猪瀬 毅彦*; 山川 敦*; 大山 孝一; 永井 崇之

no journal, , 

レーザアブレーション(LA)法により模擬ガラス固化体中の含有元素濃度を定量するため、CeO$$_{2}$$及びNd$$_{2}$$O$$_{3}$$を添加調製したガラス試料に照射条件を変えてYAG-5$$omega$$レーザ照射を行い、ICP-AESの測定を行った。今次大会では、LA法ICP-AESのYAG-5$$omega$$レーザ照射条件依存性、及びガラス試料の元素分析例等を報告する。

口頭

レーザアブレーション法ICP-AESによる模擬ガラス固化体の元素分析,2; LA法と溶液法の比較及び流下ガラスの元素分析への適用

猪瀬 毅彦*; 西澤 代治; 山川 敦*; 大山 孝一; 永井 崇之

no journal, , 

希土類酸化物のCeO$$_{2}$$, Nd$$_{2}$$O$$_{3}$$を添加調製したガラス試料を対象に、レーザアブレーション(LA)法ICP-AESによる模擬ガラス固化体含有元素の濃度測定を行い、溶液法ICP-AESによる測定結果と比較評価を行った。今次大会では、LA法と溶液法との比較、モックアップ溶融炉流下ガラスの元素分析への適用について報告する。

口頭

溶融ホウケイ酸ガラスのCV測定手法の検討

永井 崇之; 西澤 代治; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*; 関 克巳*; 大山 孝一; 狩野 茂

no journal, , 

模擬廃液固化体ガラス中に含まれる溶存種の酸化還元挙動を評価するため、溶融ホウケイ酸ガラスのCV測定手法を検討するとともに、模擬廃液固化体ガラスを対象に900$$^{circ}$$CでのCV測定を試みた結果について報告する。

口頭

ガラス固化プロセスにおけるルテニウム化合物の化学形態調査,1; 硝酸塩を用いたルテニウム酸ナトリウムの合成実験

永井 崇之; 捧 賢一; 大山 孝一; 佐藤 修彰*; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*

no journal, , 

ガラス固化処理プロセスにおいて、高レベル廃液中のRuはルテニウム酸ナトリウムを経てRuO$$_{2}$$針状結晶として析出すると考えられる。当該プロセス中のRu挙動を理解するには、ルテニウム酸ナトリウムの生成過程を把握する必要があり、本研究ではルテニウム酸ナトリウムの合成及び評価を行った。研究の結果、Ru化合物とNaNO$$_{3}$$を混合し、NaNO$$_{3}$$の熱分解温度以上に加熱するとNa$$_{2}$$RuO$$_{3}$$, Na$$_{2}$$RuO$$_{4}$$, Na$$_{3}$$RuO$$_{4}$$等のルテニウム酸ナトリウムを合成でき、生成したNa$$_{2}$$RuO$$_{3}$$は1000$$^{circ}$$C付近まで熱的に安定であることが分かった。

口頭

レーザアブレーション法ICP-AESによる模擬ガラス固化体の元素分析,3; ガラス固化体中の未溶解物検出及び異物溶解量測定

西澤 代治; 猪瀬 毅彦*; 大山 孝一; 永井 崇之

no journal, , 

ガラス固化技術開発に係るガラス試料の元素分析手法を迅速化・高度化を目指し、レーザアブレーション(LA)法ICP-AESの適用を検討している。本報では、LA法ICP-AESの特徴である局所的かつリアルタイムの測定性能を活用し、レンガ成分やYP等の異物(不純物)を含むガラス試料を対象に、試料中の未溶解物の検出性及びガラス中への異物溶解量の定量性を検討した。LA法ICP-AESによるガラス試料の元素分析の結果、試料中に析出したYPやレンガ成分の検出及びガラス中への溶解量の定量が迅速に行えることを明らかにした。

口頭

レーザアブレーション法ICP-AESによる模擬ガラス固化体の元素分析,4; ガラス固化体に含まれる元素の定量性

猪瀬 毅彦*; 西澤 代治; 大山 孝一; 宮内 厚志; 永井 崇之

no journal, , 

ガラス固化体の元素分析技術として、レーザアブレーション(LA)法ICP-AESの適用を目指した開発を進めている。今回、模擬ガラス固化体試料に含まれるアルカリ金属元素,希土類元素,白金族元素及び装置腐食生成物の遷移金属元素等の定量性を評価し、元素分析技術として適用できることを確認した。

口頭

溶融ホウケイ酸ガラス中のRuO$$_{2}$$粒子の酸化還元挙動

永井 崇之; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*; 関 克巳*

no journal, , 

使用済核燃料再処理プロセスで発生した高レベル放射性廃液は、ガラス溶融炉内でホウケイ酸ガラス原料と溶融混合し、化学的に安定なガラス固化体に処理する。ガラス溶融炉の加熱は交流通電によるジュール熱を利用するため、通電による酸化還元反応を示す化学種の存在が想定され、溶融ガラスに含まれる化学種を対象に酸化還元挙動の評価を進めている。本報では、溶融ガラス中の溶解度が低いRuO$$_{2}$$を対象に、Ru含有ホウケイ酸ガラスをCV測定しRuO$$_{2}$$の酸化還元挙動を評価した。

口頭

ガラス固化プロセスにおけるルテニウム化合物の化学形態調査,2; ルテニウム酸ナトリウムとSiO$$_{2}$$等ガラス固化原料の反応

永井 崇之; 捧 賢一; 大山 孝一; 佐藤 修彰*; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*

no journal, , 

ガラス固化体中のRuO$$_{2}$$針状結晶はルテニウム酸ナトリウムを経て生成すると考えられることから、Na$$_{2}$$RuO$$_{3}$$とガラス原料の主成分であるSiO$$_{2}$$の高温反応を観察し、900$$^{circ}$$C以上でRuO$$_{2}$$が生成することを確認した。

口頭

レーザアブレーション法ICP-AESによる模擬ガラス固化体の元素分析,5; ガラス溶融炉モックアップ試験への適用拡大

猪瀬 毅彦*; 西澤 代治*; 宮内 厚志; 大山 孝一; 山川 敦*; 永井 崇之

no journal, , 

ガラス溶融炉モックアップ試験への適用拡大を図るべく、レーザ照射条件及びエアロゾル輸送系他の改善を進め、ICP発光強度の繰り返し再現性を向上させた。モックアップ試験流下ガラスを用いて、元素濃度定量の向上を図った結果について報告する。

口頭

ガラス固化プロセスにおけるルテニウム化合物の化学形態調査,3; 廃液に含まれるランタニド硝酸塩とルテニウム硝酸塩の反応

永井 崇之; 捧 賢一; 大山 孝一; 佐藤 修彰*; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*

no journal, , 

ガラス固化プロセスでは、廃液が乾燥・脱硝を経てガラス原料と反応し、ルテニウム酸ナトリウムを生成すると想定される。また、廃液乾燥時に生成するランタニド硝酸塩も脱硝時に複合化合物の生成が予想され、ルテニウム硝酸塩を添加した反応実験の結果、ルテニウムを含む複合化合物が生成する可能性を見出した。

口頭

ガラス溶融炉模擬試験へのレーザアブレーションICP発光分析法の適用

大山 孝一; 猪瀬 毅彦*; 宮内 厚志; 西澤 代治*; 永井 崇之

no journal, , 

使用済燃料再処理の工程で発生する高レベル放射性廃液を化学的に安定なガラス固化体に加工するための技術開発を行っており、各種試験で分取したガラス試料を評価するためには試料中の元素濃度分析が必要である。元素濃度分析法としてICP発光分析法は精確に元素濃度を定量できるが、溶液試料を対象とするため、試料の溶液化処理が煩雑で長時間を要する。我々は、ガラス試料の元素濃度分析の迅速化及び高度化を目指して、試料の溶液化処理に代わる前処理としてレーザアブレーション法(LA法)の開発を進めている。本件では、模擬廃液を用いた実規模大のガラス溶融炉模擬試験(模擬試験)ガラス試料について短時間かつ精確な元素濃度定量の可能性を検討した。その結果、約3週間にわたる模擬試験で分取したガラス試料の1試料あたりの元素濃度定量を、LA法では1$$sim$$2時間程度、溶液法では1$$sim$$2日程度で対応でき、LA法では試験期間中にタイムリーに分析結果を報告することが可能であった。また、短時間で得られたLA法の定量値は試料の溶液化処理後に得られた定量値とおおむね一致することを確認した。よってLA法は、模擬試験におけるガラス試料の元素濃度定量に適用できると判断した。

口頭

レーザアブレーションICP発光分析法によるホウケイ酸ガラス中の元素分析

猪瀬 毅彦*; 大山 孝一; 宮内 厚志; 西澤 代治*; 永井 崇之

no journal, , 

使用済燃料再処理工程で発生する高レベル放射性廃液は、ホウケイ酸ガラス原料と混合溶融し化学的に安定なガラス固化体とする。実験試料のホウケイ酸ガラス試料を評価するために濃度分析が必要であり、分析作業軽減化の観点からレーザアブレーション(LA)法ICP-AESの適用を進めている。そこで我々は、適切なレーザ照射条件及び検量線用標準試料について検討した。その結果、高い発光強度と連続したアブレーションが得られる周波数20Hz、エアロゾル排出のタイムラグが小さいHeガス流量1000mL/minの条件で、相対標準偏差が小さく抑えられた。一方、レーザ強度6J/cm$$^{2}$$以上で相対標準偏差が大きくなる。以上から適切なレーザ照射条件として、Heガス流量1000mL/min、レーザ強度3$$sim$$5J/cm$$^{2}$$、周波数20Hzを選定した。検量線用標準試料は、測定試料のガラス組成に類似させることで検量線の相関係数0.999以上を担保可能であった。

口頭

溶融ホウケイ酸ガラス中のCe及びFeの酸化還元挙動

永井 崇之; 小林 秀和; 岡本 芳浩; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*; 関 克巳*

no journal, , 

使用済核燃料再処理プロセスで発生した高レベル放射性廃液は、ガラス溶融炉内でホウケイ酸ガラス原料と溶融混合し、化学的に安定なガラス固化体に処理する。溶融炉の加熱は交流通電によるジュール熱を利用しており、溶存化学種の酸化還元反応が想定されることから、廃液に含まれる化学種の酸化還元挙動評価を進めている。本報では、模擬ガラス固化体試料のXAFS測定で複数の原子価の存在が確認されたCe(III/IV)及びFe(II/III)を対象に、溶融ガラス中における酸化還元挙動を評価し、溶融ガラス中でCe(IV)+Fe(II)$$rightarrow$$Ce(III)+Fe(III)交換反応が進行することを確認した。

口頭

ガラス固化プロセスにおけるルテニウム化合物の化学形態調査,4; Ru-La-Na混合硝酸塩とガラス原料の反応によるRuO$$_{2}$$生成

永井 崇之; 小林 秀和; 岡本 芳浩; 佐藤 修彰*; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*; 関 克巳*

no journal, , 

ガラス固化プロセスでは、廃液から生成したRu化合物がガラス原料と反応し、RuO$$_{2}$$結晶が成長すると推定されることから、Ru-La-Na混合硝酸塩とガラス原料を添加して加熱し、RuO$$_{2}$$の生成状況を確認した。

口頭

放射光イメージングXAFS法による模擬ガラス試料中のロジウム元素の化学状態分析

岡本 芳浩; 永井 崇之; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 塩飽 秀啓

no journal, , 

簡素化した模擬廃液成分を添加したホウケイ酸ガラス試料について、RuおよびRh元素のイメージングXAFS測定を行い、両元素の分布、化学形を特定し、さらに両元素間の化学的な相関を解析することを試みた。解析の結果、Rhが凝集している領域の化学形はRh金属で、それ以外の領域ではRhO$$_2$$の化学形をとることが分かった。両元素の空間的な分布の相関を調べた結果、Ruが多く分布する領域で、Rhの化学形がRhO$$_2$$を取ることが分かった。

口頭

溶融NaNO$$_{3}$$中におけるRuの酸化還元挙動

永井 崇之; 岡本 芳浩; 猪瀬 毅彦*; 秋山 大輔*; 佐藤 修彰*

no journal, , 

ガラス溶融炉へ供給された高レベル放射性廃液が脱水後に混合硝酸塩を形成することから、本研究は、廃液の主成分であるNaNO$$_{3}$$を溶媒としてRu含有NaNO$$_{3}$$試料を調製し、溶融NaNO$$_{3}$$中におけるRuの酸化還元挙動をサイクリックボルタンメトリで測定するとともに、凝固塩に含まれるRuの原子価を放射光XAFS測定等により評価した。

口頭

放射性廃棄物の減容化に向けたガラス固化技術の基盤研究,71; 模擬廃棄物含有リン添加ホウケイ酸ガラスの作製及び特性評価

永井 崇之; 捧 賢一; 猪瀬 毅彦*; 佐藤 誠一*; 畠山 清司*

no journal, , 

P添加ガラス原料に模擬廃液を混合溶融して模擬廃棄物ガラスを作製し、浸出試験による長期化学的安定性を評価した結果、Mo溶出を抑える効果があることを確認した。また、ガラス徐冷時の結晶化挙動等を評価した結果、P添加ガラスの結晶化挙動は現行ガラス組成と同等であることを確認した。

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