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報告書

軟X線領域のXAFS測定によるホウケイ酸ガラスの構造評価,4(共同研究)

永井崇之; 岡本芳浩; 柴田大輔*; 小島一男*; 長谷川毅彦*; 佐藤誠一*; 深谷茜音*; 畠山清司*

JAEA-Research 2024-014, 54 Pages, 2025/02

JAEA-Research-2024-014.pdf:7.02MB

軟X線領域におけるXAFS測定は、X線の透過率が低くなるため、測定試料の表層を対象とした化学状態の評価に適している。本研究では、模擬廃棄物ガラスの凝固した表層とガラス内部の差異を確認することを目的に、ガラス構成元素であるホウ素(B)、酸素(O)、ナトリウム(Na)及びケイ素(Si)のK吸収端と、廃棄物成分のセリウム(Ce)のL $_{3}$ 吸収端のXANESスペクトルを測定した。その結果、BのK吸収端XANESスペクトルから、凝固したガラス表層でのB-Oの4配位sp $^{3}$ 構造(BO $_{4}$ )の割合がガラス内部の切断面と比べて高く、凝固表層の耐水性が向上することが期待される。一方、OのK吸収端XANESスペクトルから、凝固したガラス表層のO存在量がガラス内部の切断面より低く、凝固表層にアルカリ金属元素が集中する可能性が予想された。しかしながら、凝固表層と切断面のNaのK吸収端スペクトルに差は認められず、SiのK吸収端XANESスペクトルも凝固表層とガラス内部で違いはなかった。また、CeのL $_{3}$ 吸収端XANESスペクトルから、凝固したガラス表層のCe原子価がガラス内部と比較して酸化していることを確認した。

論文

Dissolution behavior of U $_{3}$ O $_{8}$ , FeUO $_{4}$ , and UO $_{2}$ -Zr-stainless steel system samples generated in an oxidative atmosphere in the presence of malonic acid

頓名龍太郎*; 佐々木隆之*; 岡本芳浩; 小林大志*

Journal of Nuclear Materials, 605, p.155561_1 - 155561_9, 2025/02

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2024.155561

被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Materials Science, Multidisciplinary)

The dissolution behavior of UO $_{2}$ -Zr-SS samples heated under oxidative conditions, along with the single uranium phases formed in the samples (U $_{3}$ O $_{8}$ and FeUO $_{4}$ ), was investigated through static leaching tests using malonic acid. Malonic acid promoted the dissolution of both U $_{3}$ O $_{8}$ and FeUO $_{4}$ solid phases owing to complex formation. The uranium concentrations of U $_{3}$ O $_{8}$ and FeUO $_{4}$ increased with malonic acid concentration and matched at steady state. In the absence of malonic acid, the U concentration of FeUO $_{4}$ was less than its solubility because of uranium adsorption on an iron hydrolysis solid phase. The uranium concentration after long immersion of the UO $_{2}$ -Zr-SS system samples could be explained by the behavior of U $_{3}$ O $_{8}$ and FeUO $_{4}$ . In the absence of malonic acid, U concentration decreased owing to adsorption onto the iron solid phase, similar to the behavior of FeUO $_{4}$ . In contrast, in the presence of malonic acid, U concentration was consistent with that observed for U $_{3}$ O $_{8}$ and FeUO $_{4}$ .

論文

Dissolution behavior of calcium uranate under oxidizing and reducing conditions

加藤雄斗*; 佐々木隆之*; 頓名龍太郎*; 小林大志*; 岡本芳浩

Applied Geochemistry, 175, p.106196_1 - 106196_9, 2024/11

https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2024.106196

被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Geochemistry & Geophysics)

To assess the chemical stability of CaUO $_{4}$ in different aqueous environments, static immersion tests were performed under various redox conditions and carbonate ion concentrations. The dissolution mechanism of CaUO $_{4}$ was examined using data from solid and liquid analyses, along with chemical thermodynamic calculations. Under reducing conditions and without carbonate, U(VI) in CaUO $_{4}$ was reduced to U(V) and the mineral was converted into non-stoichiometric CaUO $_{4-x}$ . The dissolved uranium was then further reduced to U(IV) in the aqueous media, forming UO $_{2}$ (am), which controlled the U solubility. Under oxidizing conditions and in the absence of carbonate, dissolved uranium formed metaschoepite ((UO $_{3}$ )2H $_{2}$ O(cr)) at pH 7 and sodium diuranate (Na $_{2}$ U $_{2}$ O $_{7}$ H $_{2}$ O(cr)) at pH 7, which controlled uranium solubility. In oxidizing conditions with carbonate present, the apparent solubility of U was lower than predicted by the solid-phase solubility calculations. The concentration of U was constrained to levels similar to that of calcium when the calcium concentration reached saturation with CaCO $_{3}$ . Additionally, the dissolution of calcium from CaUO $_{4}$ influenced uranium dissolution.

論文

ウラン含有模擬廃棄物ガラスの評価研究

勝岡菜々子; 秋山大輔*; 桐島陽*; 永井崇之; 岡本芳浩; 佐藤修彰*

2023年度「物質・デバイス領域共同研究拠点」研究成果・活動報告書(インターネット), 1 Pages, 2024/07

ガラス原料へウラン(U)化合物を添加し、雰囲気を変えてU含有ガラスを作製した。作製条件でガラス色調が変化し、色斑を呈するガラスも見られたことから、この色斑の原因をX線透過画像により観察した。

論文

Crystal-like atomic arrangement and optical properties of 25La $_{2}$ O $_{3}$ -75MoO $_{3}$ binary glasses composed of isolated MoO $_{4}$ $^{2-}$

増野敦信*; 棟方咲衣*; 岡本芳浩; 家路豊成*; 小杉佳久*; 島川祐一*

Inorganic Chemistry, 63(12), p.5701 - 5708, 2024/03

https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.4c00176

被引用回数：2 パーセンタイル：54.65(Chemistry, Inorganic & Nuclear)

浮遊法を用い、透明で褐色のLa $_{2}$ O $_{3}$ -MoO $_{3}$ 二元系ガラスをバルク状に調製した。ガラス形成範囲は限定されており、主な組成は約25mol%のLa $_{2}$ O $_{3}$ であった。このガラスは、546 $^{circ}$ Cで明確な結晶化を示した一方で、ガラス転移温度の決定は困難であった。注目すべきことに、アモルファスであるにもかかわらず、このガラスは結晶性のLa $_{2}$ Mo $_{3}$ O $_{12}$ に匹敵する密度と充填密度を有することが分かった。X線吸収微細構造解析とラマン散乱解析により、ガラス構造は孤立したMoO $_{4}$ $^{2-}$ ユニットの存在により、La $_{2}$ Mo $_{3}$ O $_{12}$ に酷似していることが明らかになったが、La原子周辺の原子配列は無秩序であることが確認された。このガラスは378から5500nmの透明性を示し、1.0mでの屈折率は2.0と見積もられた。光学バンドギャップエネルギーは3.46eVで、La $_{2}$ Mo $_{3}$ O $_{12}$ よりわずかに小さかった。さらに、このガラスは6.58.0mの透明領域を示した。この現象は、MoO $_{n}$ ユニットの多様性が減少し、Mo-O-Moの連結性が低下した結果、マルチフォノン吸収の重なりが減少したことに起因する。このガラス形成は、従来のガラス形成規則から逸脱しており、結晶のような原子配列を持つ特徴的なガラスとなっている。

論文

Dissolution behavior and aging of iron-uranium oxide

頓名龍太郎*; 佐々木隆之*; 岡本芳浩; 小林大志*; 秋山大輔*; 桐島陽*; 佐藤修彰*

Journal of Nuclear Materials, 589, p.154862_1 - 154862_10, 2024/02

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154862

被引用回数：2 パーセンタイル：51.90(Materials Science, Multidisciplinary)

原子炉構造材料のステンレス鋼成分である鉄とUO $_{2}$ の高温反応により生成したFeUO $_{4}$ 化合物の溶解挙動を大気条件下で調べた。化合物はU $_{3}$ O $_{8}$ とFe $_{3}$ O $_{4}$ を出発原料として電気炉で調製し、X線回折、走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光法、X線吸収微細構造分光法を用いて固体状態を分析した。FeUO $_{4}$ 化合物の浸出試験を最長3か月行い、水中に溶存する核種の濃度を調べた。FeUO $_{4}$ の溶解の初期段階で3価のFeイオンと5価のUイオンの間で酸化還元反応が起こることが提案された。還元された2価のFeイオンは、溶存酸素の存在下で最終的に3価のイオンに酸化され、水酸化鉄がFeの溶解度を制限することが熱力学的に推論された。一方、6価のU(すなわちウラニルイオン)の濃度は、メタショエパイトやウラン酸ナトリウムなどの二次鉱物の存在によって制限され、その後、Fe酸化物などへの収着によって減少したと考えられる。RuやCeなどの核分裂生成物の多価イオン濃度も減少したが、これは上記の理由によるものと考えられる。一方、可溶性Csイオンの濃度は減少しなかった。この解釈の妥当性は、参照試料(Feを含まないU $_{3}$ O $_{8}$ )の溶解挙動と比較することで裏付けられた。

論文

模擬廃棄物ガラス凝固表面の放射光分析

永井崇之; 勝岡菜々子; 岡本芳浩; 馬場祐治*; 秋山大輔*

Photon Factory Activity Report 2023 (インターネット), 3 Pages, 2024/00

https://pfwww.kek.jp/acr/2023pdf/u_reports/pf23b0063.pdf

本研究は、ガラス組成や溶融条件によってCe原子価が変化することに着目し、廃液成分を単純化した模擬ガラス固化体試料を作製して、凝固ガラス表層とガラス内部のCe原子価状態の差異を確認するため、模擬ガラス固化体試料を放射光XAFS測定した。

報告書

軟X線領域のXAFS測定によるホウケイ酸ガラスの構造評価,3(共同研究)

永井崇之; 岡本芳浩; 山岸弘奈*; 柴田大輔*; 小島一男*; 長谷川毅彦*; 佐藤誠一*; 深谷茜音*; 畠山清司*

JAEA-Research 2023-004, 45 Pages, 2023/09

JAEA-Research-2023-004.pdf:6.07MB

ホウケイ酸ガラス中のガラス成分や廃棄物成分の局所構造は、その化学組成によって変化する。本研究は、ガラス固化体を模擬したガラス(以下、模擬廃棄物ガラス)を対象に軟X線領域のXAFS測定を実施し、原料ガラス成分のホウ素(B)やケイ素(Si)、廃棄物成分の鉄(Fe)やセシウム(Cs)の化学的状態等を評価した。模擬廃棄物ガラスの化学的安定性を把握するため、浸出試験に供したガラス表面を対象に、BのK吸収端、FeのL $_{3}$ 、L $_{2}$ 吸収端及びCsのM $_{5}$ 、M $_{4}$ 吸収端のXANESスペクトル測定を行った。その結果、浸出液に曝露されたガラス表面は変化し、明瞭なXANESスペクトルが得にくくなることが分かった。BのK吸収端XANESスペクトルから、浸出試験後の試料表面は未浸漬の試料表面と比較してB-Oの3配位構造(BO $_{3}$ )が増加し、4配位構造(BO $_{4}$ )が減少する傾向を確認した。FeのL $_{3}$ 、L $_{2}$ 吸収端及びCsのM $_{5}$ 、M $_{4}$ 吸収端のXANESスペクトルから、浸漬時間が長くなるに従って、ガラス表面に存在するCsが浸出液中へ溶出することを確認した。未浸漬の模擬廃棄物ガラスを対象に、SiのK吸収端XANESスペクトルを測定した結果、Na $_{2}$ O濃度によるXANESスペクトルの変化が廃棄物成分濃度による変化より大きいことを確認した。

論文

ウラン含有模擬廃棄物ガラスの評価研究

永井崇之; 秋山大輔*; 桐島陽*; 勝岡菜々子; 岡本芳浩; 佐藤修彰*

2022年度「物質・デバイス領域共同研究拠点」研究成果・活動報告書(インターネット), 1 Pages, 2023/09

https://five-star.sanken.osaka-u.ac.jp/report-file/2022/report_20221047.pdf

異なる組成のホウケイ酸ガラス粉末へウラン(U)化合物を添加し、溶融雰囲気等の作製条件を変えてU含有ガラスを作製した。これらU含有ガラス中のU化学状態をXAFS測定により評価した。

論文

Local structure analysis of DyN-ZrN solid solutions

米田安宏; 辻卓也; 松村大樹; 岡本芳浩; 高木聖也; 高野公秀

Physica B; Condensed Matter, 663, p.414960_1 - 414960_9, 2023/08

https://doi.org/10.1016/j.physb.2023.414960

被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Condensed Matter)

DyN-ZrN固溶体の局所構造と平均構造を抽出するために、放射光X線を用いた種々の測定を行った。X線吸収微細構造(XAFS)と高エネルギーX線回折を組み合わせてナノスケールの構造解析を行い、DyN-ZrN固溶体の構造不安定性を議論した。DyN-ZrN固溶体は岩塩型立方晶の結晶構造を持ち、金属サイトの化学秩序や窒素サイトの結合長分布などの不安定性があり、相分離や構造不連続の原因となっていることがわかった。

論文

Neutron resonance absorption imaging of simulated high-level radioactive waste in borosilicate glass

大場洋次郎; 元川竜平; 金子耕士; 永井崇之; 土川雄介; 篠原武尚; Parker, J. D.*; 岡本芳浩

Scientific Reports (Internet), 13, p.10071_1 - 10071_8, 2023/06

https://doi.org/10.1038/s41598-023-37157-2

被引用回数：2 パーセンタイル：51.90(Multidisciplinary Sciences)

The spatial distribution of constituent elements in borosilicate glasses containing simulated high-level radioactive liquid waste (HLLW) was investigated using neutron resonance absorption imaging. The resonance absorption dips of Rh, Pd, Na, Gd, Cs, and Sm were detected in the neutron transmission spectra of the glass samples. The neutron transmission images at the resonance energies of these elements provided the spatial distributions within the glass samples. Rh and Pd led sedimentation, while Gd, Sm, and Cs were uniformly dispersed. These results clearly show the potential of neutron resonance absorption imaging for characterizing borosilicate glasses.

論文

Dry synthesis of brannerite (UTi $_{2}$ O $_{6}$ ) by mechanochemical treatment

秋山大輔*; 三島大輝*; 岡本芳浩; 桐島陽*

High Temperature Materials and Processes, 42(1), p.20220268_1 - 20220268_9, 2023/04

https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/htmp-2022-0268/html

UO $_{2}$ とTiO $_{2}$ の混合粉末を、タングステンカーバイドバイアルとボールを粉砕媒体として、Ar雰囲気下、遊星ボールミルで1時間メカノケミカル処理した。このようなメカノケミカル(MC)処理により、UO $_{2}$ とTiO $_{2}$ の結晶性が低下した。メカノケミカル処理した混合粉末をAr雰囲気下、973-1573Kで6時間加熱し、X線回折分析、走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光分析、X線吸収微細構造分析を行った。1373K以下ではMC処理なしではUTi $_{2}$ O $_{6}$ は生成せず、出発物質のみが観測された。1473Kと1573Kでは、それぞれ少量のUTi $_{2}$ O $_{6}$ と同量のUTi $_{2}$ O $_{6}$ とUO $_{2}$ が生成した。メカノケミカル処理した試料は、1173K以上で6時間加熱すると、少量のUO $_{2}$ 不純物を含むほぼ純粋なUTi $_{2}$ O $_{6}$ が生成した。

論文

ホウ素同位体組成を変えた模擬廃棄物ガラスの放射光分析

永井崇之; 刀根雅也; 勝岡菜々子; 岡本芳浩; 馬場祐治*; 秋山大輔*

Photon Factory Activity Report 2022 (インターネット), 3 Pages, 2023/00

https://pfwww.kek.jp/acr/2022pdf/u_reports/pf22b0056.pdf

単純組成ガラス原料に測定元素のみを添加したガラスを作製し、B同位体組成による影響を確認した。その結果、複数の原子価が存在するCeやUはその影響がほとんど認められず、ガラス原料であるSiも僅かな差に留まった。これらのことから、B同位体組成による含有元素の局所構造への影響はかなり小さいと判断する。

論文

Structural change by phosphorus addition to borosilicate glass containing simulated waste components

岡本芳浩; 塩飽秀啓; 嶋村圭介*; 小林秀和; 永井崇之; 猪瀬毅彦*; 佐藤誠一*; 畠山清司*

Journal of Nuclear Materials, 570, p.153962_1 - 153962_13, 2022/11

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.153962

モリブデンの溶解度を高める効果があるリンを含む模擬核廃棄物ガラス試料を作製し、放射光X線吸収微細構造(XAFS)分析によりいくつかの構成元素を、ラマン分光分析によりその配位構造を分析した。分析では、リンの添加量や廃棄物積載率の違いによる局所構造および化学状態の変化を系統的に調べた。その結果、最大廃棄物量30wt%(MoO 1.87mol%に相当)においても、モリブデン酸塩化合物による結晶相は観察されなかった。廃棄物充填率を上げると酸化が進行し、リンを添加すると還元が進行した。さらに、それらの酸化と還元の効果が相殺されるケースもみられた。特定元素の周辺局所構造は、主に廃棄物充填率の影響を受けるZn、廃棄物充填率とリン添加の両方の影響を受けるCe、どちらの影響も受けないZr元素に分類された。Moと他の元素の分析結果の比較から、添加したリンは遊離されたPO構造単位として存在し、モリブデン酸イオンに配位するアルカリ金属を奪い取っている可能性があると考えられた。

報告書

軟X線領域のXAFS測定によるホウケイ酸ガラスの構造評価,2(共同研究)

永井崇之; 岡本芳浩; 山岸弘奈*; 小島一男*; 猪瀬毅彦*; 佐藤誠一*; 畠山清司*

JAEA-Research 2022-008, 37 Pages, 2022/10

JAEA-Research-2022-008.pdf:5.27MB

ホウケイ酸ガラス中のガラス成分や廃棄物成分の局所構造は、その化学組成によって変化する。本研究は、原料ガラスや模擬廃棄物ガラスを対象に軟X線領域のXAFS測定を実施し、原料ガラス成分のホウ素(B)やケイ素(Si)、廃棄物成分の鉄(Fe)やセシウム(Cs)の化学的状態等を評価した。模擬廃棄物ガラスの化学的安定性を把握するため、浸出試験に供した模擬廃棄物ガラス表面を対象に、FeのL $_{3}$ 、L $_{2}$ 吸収端及びCsのM $_{5}$ 、M $_{4}$ 吸収端XANESスペクトルを測定した。その結果、浸出時間の経過とともにガラス試料重量の減少や浸出液中の溶出元素濃度の増加が確認された状況と同様、CsのM $_{5}$ 、M $_{4}$ 吸収端XANESスペクトルが消失し、FeのL $_{3}$ 、L $_{2}$ 吸収端スペクトル形状が変化することを確認した。また、浸出試験後の模擬廃棄物ガラスは、ラマン分光測定でも観察されたように表面に化合物層を形成するため、明瞭なBのK吸収端XANESスペクトルは得られないことが分かった。Na $_{2}$ O濃度によるSi局所構造への影響を確認するため、Na $_{2}$ O濃度が異なる原料ガラスを対象に、全電子収量法(PEY)でSiのK吸収端XANESスペクトルを測定した。その結果、Na $_{2}$ O濃度が高くなるとSiのK吸収端ピークエネルギーは低下し、7wt%Na $_{2}$ O前後でピーク強度が高くなることを確認した。

論文

Structure and magnetic properties of Fe nanoparticles in amorphous silica implanted with Fe ions and effect of subsequent energetic heavy ion irradiation

岩瀬彰宏*; 福田健吾*; 斎藤勇一*; 岡本芳浩; 千星聡*; 雨倉宏*; 松井利之*

Journal of Applied Physics, 132(16), p.163902_1 - 163902_10, 2022/10

https://doi.org/10.1063/5.0102438

被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Applied)

アモルファスSiO $_{2}$ 試料に380keVのFeイオンを室温で注入した。注入後、一部の試料に16MeVのAuイオンを照射した。SQUID磁束計を用いて磁気特性を調べ、透過型電子顕微鏡とX線吸収分光法(EXAFSとXANES)を用いてFe注入SiO $_{2}$ 試料のモルフォロジーを調べたところ、Feナノ粒子のサイズが大きくなっていることがわかった。Feナノ粒子の大きさは、Feの注入量の増加とともに大きくなった。Feナノ粒子の一部はFe酸化物からなり、Fe注入量の増加に伴い、Fe原子の価数や構造が金属-Feに近くなった。Feを注入したSiO $_{2}$ 試料では、室温での磁性が観測された。少量のFeを注入した試料の磁化-磁場曲線はLangevinの式で再現され、Feナノ粒子が超常磁性的な振る舞いをすることが示唆された。また、Feを多量に注入した場合、磁化-磁場曲線は強磁性状態を示している。このような磁気特性の結果は、X線吸収の結果と一致する。その後の16MeVのAu照射により、Feナノ粒子は破砕され、その結果、磁化は減少した。

論文

Study on the relation between the crystal structure and thermal stability of FeUO $_{4}$ and CrUO $_{4}$

秋山大輔*; 日下良二; 熊谷友多; 中田正美; 渡邉雅之; 岡本芳浩; 永井崇之; 佐藤修彰*; 桐島陽*

Journal of Nuclear Materials, 568, p.153847_1 - 153847_10, 2022/09

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.153847

被引用回数：4 パーセンタイル：56.38(Materials Science, Multidisciplinary)

ウラン酸鉄,ウラン酸クロム、およびその固溶体を合成し、これらのウラン酸塩が異なる熱的安定性を示すメカニズムを研究した。熱的安定性を評価するため、ウラン酸塩試料の熱重量分析を実施した結果、ウラン酸クロムの分解温度(約1250 $^{circ}$ C)に対してウラン酸鉄は低温(約800 $^{circ}$ C)で分解するが、クロムを含む固溶体では熱分解に対する安定性が高まることが分かった。この熱的安定性と結晶構造との関係性を調べるため、エックス線結晶構造解析,エックス線吸収微細構造測定,メスバウアー分光測定,ラマン分光分析による詳細な結晶構造と物性の評価を行ったが、本研究で用いたウラン酸塩試料の間に明瞭な差異は観測されなかった。そのため、熱的安定性の違いは結晶構造に起因するものではなく、鉄とクロムとの酸化還元特性の違いによるものと推定した。クロムは3価が極めて安定であるのに対して、鉄の原子価は2価と3価を取ることができる。このため、ウラン酸鉄の場合には結晶中でウランと鉄との酸化還元反応が起こり、低温での分解反応を誘起したものと考えられる。

論文

Deep groundwater physicochemical components affecting actinide migration

桐島陽*; 寺崎万里子*; 宮川和也; 岡本芳浩; 秋山大輔*

Chemosphere, 289, p.133181_1 - 133181_12, 2022/04

https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.133181

被引用回数：1 パーセンタイル：3.75(Environmental Sciences)

令和2年度以降の幌延深地層研究計画において原子力機構が取り組んでいる課題の1つである「実際の地質環境における人工バリアの適用性確認」では、坑道周辺の掘削損傷領域において物質移行に関するデータの取得が必要である。これに資することが期待される基礎的知見として、深部地下水中のアクチニドの移行挙動をより良く理解するために、水質の異なる2種類の地下水試料にトレーサーを添加し、地下水中の溶存成分との相互作用を調べた。地下水試料は、幌延深地層研究センターの地下施設の250mおよび350m調査坑道のボーリング孔および、瑞浪超深地層研究所の地下施設の300mおよび500m坑道のボーリング孔から採取した。得られた地下水試料に対して、トレーサーとしてLa, Sm, Ho, Uを濃度10ppbまたは100ppbになるように添加した。その後、地下水試料を0.2mフィルターと10kDaフィルターで順次濾過し、ろ液中のトレーサー濃度をICP-MSで分析し、ろ紙に捕獲されたトレーサー濃度をTOF-SIMSで分析し、化学形態をXAFSにより分析した。その結果、幌延の地下水中では、ランタニドの移行はリン酸塩により支配されていることが分かった。このことから、高レベル放射性廃棄物から海成堆積層の地下水中に溶出するマイナーアクチニドの溶解度は、リン酸塩により規定されることが示唆された。一方、瑞浪の地下水のように塩濃度が低くリン酸イオン濃度の低い地下水では、マイナーアクチニドの一部は水酸化物もしくはヒドロオキシ炭酸塩を形成することが示唆された。

論文

Nanoscopic structure of borosilicate glass with additives for nuclear waste vitrification

元川竜平; 金子耕士; 大場洋次郎; 永井崇之; 岡本芳浩; 小林大志*; 熊田高之; Heller, W. T.*

Journal of Non-Crystalline Solids, 578, p.121352_1 - 121352_7, 2022/02

https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121352

被引用回数：4 パーセンタイル：20.77(Materials Science, Ceramics)

We investigated the nanoscopic structure of borosilicate glasses as a host for high-level radioactive liquid waste (HLLW) in the presence of the additives Na $_{2}$ O and CaO/ZnO with and without Li $_{2}$ O. These additives have been practically used to lower the glass melting point, suppress the macroscopic phase separation, and increase the chemical durability of glasses. Small-angle neutron scattering was used to elucidate the effect of the additives on the nanoscopic structure along with macro- and atomic-scale observations obtained using neutron imaging and X-ray diffraction, respectively. The borosilicate glass formed a microphase-separated structure of SiO $_{2}$ - and B $_{2}$ O $_{3}$ -rich domains approximately 100 nm in size in the absence of Na $_{2}$ O, even in a structure homogeneous on a millimeter scale, and the domain spacing decreased with increasing Na $_{2}$ O content rate. The CaO/ZnO additives induced inhomogeneities, such as void structures several nanometers in size, although the inhomogeneity was suppressed by the coaddition of Li $_{2}$ O. These results provide insights into the performance of host glasses for HLLW vitrification; incorporating HLLW into glasses is likely to cause changes in the nanoscopic structure of host glasses similar to those revealed here.

報告書

軟X線領域のXAFS測定によるホウケイ酸ガラスの構造評価(共同研究)

永井崇之; 岡本芳浩; 山岸弘奈*; 太田俊明*; 小島一男*; 猪瀬毅彦*; 佐藤誠一*; 畠山清司*

JAEA-Research 2021-010, 62 Pages, 2022/01

JAEA-Research-2021-010.pdf:6.05MB

ホウケイ酸ガラス中のガラス成分や廃棄物成分の局所構造は、その化学組成によって変化する。本研究は、原料ガラスや模擬廃棄物ガラス試料を対象に軟X線領域のXAFS測定を実施し、ホウ素(B),酸素(O)やケイ素(Si)及び廃棄物成分の鉄(Fe)やセシウム(Cs)の化学的状態及び局所構造を評価した。化学組成や原料ガラス形態が異なるガラス試料をXAFS測定し、B及びOのK吸収端XANESスペクトルを比較すると、Na $_{2}$ O濃度がB-Oの配位構造へ与える影響は廃棄物成分濃度による影響よりも大きく、OのK吸収端前に出現するプリエッジの高さはガラス試料に含まれるFe等の第一遷移金属元素の濃度に依存することが分かった。長期化学的耐久性を評価した浸出試験前後のガラス試料表面をXAFS測定し、OのK吸収端XANESスペクトルから、浸出試験後試料表面に新たな化合物相が形成した可能性があり、ラマン分光測定結果からも浸出試験後の試料表面状態に変化が観察された。またCsのM吸収端のXANESスペクトルから、浸出試験後試料表面のCsの消失が確認でき、Csは浸出液へ溶出し易いと考えられる。Na $_{2}$ O濃度が異なる原料ガラスと希土類酸化物を添加したガラス試料を対象に、SiのK吸収端XANESスペクトルを測定した結果、Na $_{2}$ O濃度が高くなるに従いSiのK吸収端ピークが低エネルギー側にシフトし、また希土類酸化物の種類によってSi周辺構造への影響が異なることを確認した。