Leaching behavior of multiphase solidified melt prepared from stainless steel and Zircaloy

池内 宏知

Journal of Nuclear Science and Technology, 59(6), p.768 - 780, 2022/06

https://doi.org/10.1080/00223131.2021.2009390

Formation of metallic fuel debris is highly probable in the damaged core of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. Estimating the number of radionuclides released from the fuel debris to an aqueous solution is indispensable for proper handling of fuel debris and waste management. In the present study, a simple approach is introduced to roughly evaluate the mass of elements leached from complex multiphase surfaces considering the surface-area-weighted-average of the contributions of individual phases. Static leaching tests were performed under the acidic and the alkaline conditions to investigate the gap between the simplified assumption and the actual dissolution behavior. Alloy samples of a stainless steel-Zircaloy (SUS-Zry) solidified melt and two single-phase samples (Fe,Cr)Zr- and Zr(Fe,Ni)-type phases, which comprised the surface of the SUS-Zry alloy) were used in the static leaching tests. The masses of the Fe, Cr, Ni, and Zr leached from the SUS-Zry alloy fitted with those evaluated by the surface-area-weighted approach by 1 to 2 orders of magnitude of precision.

Sorption properties of aluminum hexacyanoferrate for platinum group elements

三島 理愛; 稲葉 優介*; 立岡 壮太郎*; 針貝 美樹*; 渡邊 真太*; 尾上 順*; 中瀬 正彦*; 松村 達郎; 竹下 健二*

Chemistry Letters, 49(1), p.83 - 86, 2020/01

https://doi.org/10.1246/cl.190741

使用済燃料の再処理で生じる高レベル放射性廃液を最終処分するにあたり質の良いガラス固化体に成型するためには、白金族元素(PGM)を分離することが重要である。新たな収着材としてフェロシアン化アルミニウム(AlHCF)を合成し、濃硝酸中におけるPGM収着挙動を調べた。その結果、硝酸によりAlHCFが顕著な溶出をすることがわかった。同様にPGMであるRhの単成分溶液においてもAlHCFが溶出しRh収着が確認されなかった。しかしPd単成分溶液においてはPd収着が確認でき、AlHCFは大きく溶出せず構造が安定化した。そこでPdとRhが共在する二成分系溶液での収着試験を行ったところPd収着によりAlHCFの構造が保たれRhは収着された。また、Pd収着量とAlとFeの溶出量について、AlとFeの溶出比はAlHCF中の元素比と一致しなかったがその理由としてFeの再収着が考えられ新しい構造の形成が示唆された。AlHCFによるPGMの収着メカニズムは、単純なイオン交換だけでなく酸化還元反応と収着速度論も重要な法則である。この収着と溶出の挙動を理解することがAlHCFのPGM収着性能向上に役立つ。

Evaluation of physicochemical properties of radioactive cesium in municipal solid waste incineration fly ash by particle size classification and leaching tests

藤井 健悟*; 越智 康太郎; 大渕 敦司*; 小池 裕也*

Journal of Environmental Management, 217, p.157 - 163, 2018/07

https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.03.028

福島第一原子力発電所事故後、高濃度の放射性セシウムにより汚染された大量の都市ごみ焼却飛灰は、環境回復の観点から大きな問題となっている。本研究では、福島県で採取した都市ごみ焼却飛灰中放射性セシウムの物理化学的特性を、粒形分別と環境省告示第13号試験により評価した。結果から、都市ごみ焼却飛灰中放射性セシウムの放射能濃度とシルバイトなどの共存物質含有量は、都市ごみ焼却飛灰の粒形に応じて変化することが分かった。粉末X線回折分析の結果、水溶性の放射性セシウムはCsClとして存在し、難溶性の放射性セシウムは非晶質物質の内部に結合していることが分かった。

雑固体廃棄物をプラズマ溶融して製作した溶融固化体の化学的安定性

亀尾 裕; 原賀 智子; 中塩 信行; 星 亜紀子; 中島 幹雄

日本原子力学会和文論文誌, 3(4), p.354 - 362, 2004/12

https://doi.org/10.3327/taesj2002.3.354

低レベル放射性廃棄物をプラズマ溶融して製作した溶融固化体の化学的安定性を調べるため、MCC-3S試験法に準拠した溶出試験を行い、溶融固化体の主要成分(Na, Al, Si, Ca, Fe)と放射性核種(Co, Cs, Eu)の溶出率(NL)を測定した。溶融固化体の化学組成がNLに与える影響について調べた結果、溶融固化体のNLに対するFeO濃度の影響はあまり大きくなく、CaOとSiOの重量比で表される塩基度に大きく依存することがわかった。塩基度が0.8以下溶融固化体の場合、logNLは塩基度と直線関係にあるため、溶融固化体の化学組成を調べることによりNLを推定することが可能であると考えられる。

セメント系材料の浸出液の地質媒体への影響評価-大型カラム試験設備を用いた高pHプルームの岩盤への影響試験-

加藤 大生*; 佐藤 光吉*; 大和田 仁*; 三原 守弘; 大井 貴夫

JNC TN8430 2000-008, 53 Pages, 2000/05

JNC-TN8430-2000-008.pdf:4.8MB

TRU廃棄物の処分システムには多量のセメント系材料の使用が検討されており、セメント系材料からの高アルカリ性の浸出液の拡がりによって処分場周辺岩盤が溶出し、二次鉱物が析出すると考えられている。この浸出液の拡がりは高pHプルームと呼ばれている。高pHプルームは地下水の流れに沿って徐々に拡がることから、二次鉱物を含む岩石の性状や地下水の成分は時間的あるいは空間的に変遷することが予想される。しかし、これまで二次鉱物及び地下水成分の時間的、空間的変遷についての知見は得られていない。このため、本研究では二次鉱物及び地下水成分の変遷に関する知見を得ることを目的としたカラム試験を実施した。総延長4m、内径3.7cmの大型カラムに粉砕した花崗閃緑岩を充填し、80の恒温槽中においてpH13.3の模擬セメント浸出液(Na:0.1mol/l、K:0.1mol/l、Ca:0.002mol/l)を流量0.1ml/minで7ヶ月間通水した結果、カラムの上流においてカルサイト及びC-S-H系化合物、中流から下流にかけてはC-S-H系化合物が岩石の表面に二次鉱物として析出し、4m先まで高pHプルームの影響が及んでいることを確認した。また、Na、Kが支配的な模擬セメント浸出液では、岩石との反応によるpHの低下がみられなかった。本研究により、高pHプルームの流れに沿った二次鉱物及び地下水成分の変遷に関する基礎的な知見が得られた。

鉛冷却炉における炉心材料の腐食に関する調査・検討

皆藤 威二

JNC TN9400 2000-039, 19 Pages, 2000/03

JNC-TN9400-2000-039.pdf:0.66MB

高速増殖炉(以下FBRという。)の実用化戦略調査研究の一環として、冷却材として鉛を用いた場合の炉心材料の腐食について調査を行い、次のような知見が得られた。1.鉛-リチウム環境下でのステンレス鋼の腐食はNiの溶出が主要因であるため、Ni量の多い高Ni鋼ではとくに腐食が大きく、つぎにオーステナイト鋼、そしてフェライト鋼と順に耐食性がよくなる。2.オーステナイト鋼の溶出速度Da(mg/mの2乗/h)、およびフェライト鋼の溶出速度Dfはそれぞれ「log10Da=10.7873-6459.3/T」「log10Df=7.6185-4848.4/T」として表される(T:温度(K))。これら各材料の溶出速度Dに基づき、「C=(Dt)/10のマイナス3乗」として腐食量C(m)を評価することができる(t:時間(hr)、:各材料の密度(g/cmの3乗))。3.上記評価式を用いてオーステナイト鋼およびフェライト鋼の腐食量を推定した結果、フェライト鋼に対しオーステナイト鋼の腐食は非常に大きく、400で約6倍、600以上になると20倍以上の腐食量となった。鉛-リチウム環境下での現実的な使用温度は、オーステナイト鋼で400(30000hrで約60mの腐食量)以下、フェライト鋼でも500(30000hrで約80mの腐食量)以下と考えられる。

Nb基およびMo基超耐熱合金のLi腐食挙動

斉藤 淳一; 森永 正彦*; 加納 茂機

PNC TN9410 98-072, 97 Pages, 1998/07

PNC-TN9410-98-072.pdf:7.03MB

高温アルカリ金属のフロンティア領域を開拓するために、高温液体Liの過酷な環境下で使用できる構造材料の研究開発を推進してきている。その条件下で使用される材料としてNbおよびMoの高融点金属を基とした超耐熱合金に着目した。液体リチウム中の腐食特性、クリープおよび引張強度等の高温での機械的特性は最も重要な特性の一つであり、高温(1473K)でのリチウム耐食性と機械的特性の多くの実験や解析により、NbおよびMo基合金の設計開発を進めてきた。本報告書は、これまで実施してきたNb基およびMo基超耐熱合金のLi腐食試験結果を系統的にまとめ、解析結果より腐食機構を提案するとともに、表面の腐食生成物の生成機構とNb基合金の表面クラックの生成機構を解明したものである。主な結果は下記のとおりである。(1)腐食生成物の生成機構は、溶出金属とLi中の窒素の間で最初に反応が起こり、腐食生成物(窒化物)が表面に析出し、その後、溶出金属どうしの反応が生じ腐食生成物(金属間化合物)が表面に析出する。これらの生成機構により、腐食生成物の成分を予測できることがわかった。(2)クラック生成メカニズムでは、化学ポテンシャル図を用いることによりクラック発生の原因となる3元系酸化物の形成を理解することができた。その結果、合金中の固溶酸素だけでなく試験中に表面から侵入してくるLiの濃度も3元系酸化物の形成に重要であることが明らかになった。

チェルノブィル周辺環境中長半減期放射性核種の動態

天野 光; 松永 武; 上野 隆; 長尾 誠也; 渡辺 美紀*; 半澤 有希子*; 小沼 義一*

KURRI-KR-18, p.201 - 212, 1997/00

原研では、汚染環境下における放射線影響の評価・解析のため、チェルノブイル国際研究科学技術センターと研究協定を締結し、総合テーマ名「環境放射線影響に関する評価・解析及び評価システムの検証に関する研究」として研究を行っている。本報告はチェルノブイル事故炉周辺環境におけるCs-137,Sr-90及びPu同位体やAm等の超ウラン元素等の長半減期放射性核種に関して、土壌中深さ分布及び存在形態の特徴、河川へ表層土壌から溶出する成分の特徴等につき得られた結果を報告する。本研究の目的は原子力事故後に地表面環境に放出され蓄積する放射性核種について、長期にわたる移行挙動実態の把握、河川等を経由しての移行の実態を明らかにすることである。放射性核種の大部分は依然として土壌表層数cmに留まっているが、浸透しつつある成分も存在している。存在形態について化学的分画手法を用いて結果では、Sr-90は主に移動性成分として存在し、超ウラン元素は腐植物質との結合成分が存在し、Cs-137は不溶性成分が多いことがわかった。河川への流出に関し表層土壌から溶出している成分は、超ウラン元素は分子量1万以上の成分に多く存在する。

コンクリートの変質挙動に関する実験的研究 成果概要

入矢 桂史郎*; 玉野 達*

PNC TJ1201 94-005, 56 Pages, 1994/03

PNC-TJ1201-94-005.pdf:1.23MB

コンクリート(セメント系材料の総称としてコンクリートと称す)は、放射性廃棄物処分場において、固化体、緩衝材、支保工等の人工バリアへの利用が検討されている。コンクリートは、任意の形状に加工でき、施工性に優れており、ベントナイトに比べて高強度であるなど物理的にも優れている。さらに、化学的には、pH13程度の高アルカリを示すため、核種の放出を抑制する雰囲気を作る効果がある。しかし、コンクリートは石灰石を主原料として焼成した人造材料で、発明され、実用化されてから現在まで200年程度しか経過しておらず、処分場の性能評価で要求される長期の変化・変質については、十分解明されていない部分が多い。本研究は、コンクリートを変質させる要因として、塩素イオン、硫酸イオン、炭酸イオンを取り上げ、劣化解析に資する変質挙動のデータを取得するとの観点から、各溶液の濃度を一定とし、温度を促進条件として、バッチ法、カラム法の2種類の方法により、変質挙動の調査を行った。また、コンクリートの劣化モデルの調査として、物質のコンクリート中の拡散に着目して、コンクリート工学の分野でどの程度研究が進んでいるかを調査した。その結果、バッチ法の試験から次のことがわかった。1)NaCl溶液中でフリーデル氏塩が、Na/SUB2/SO/SUB4溶液中ではエトリンガイドが生成される典型的な変質パターンが認められた。生成割合の経時変化をみると溶液に漬して、約2ヵ月後にその最高値を示し、以下横ばいの状態となった。2)いずれの溶液においても 固相では水酸化カルシウムが減少し、炭酸カルシウムが生成される炭酸化が進行している。その生成量は3ヵ月までが多く、それ以後漸減し、1年に到っている。3)C-S-Hゲルの割合も溶液浸漬後2ヵ月で若干減少しているが、その後、変化が見られない。4)溶液の分析結果では、いずれの溶液もカルシウムの溶出により、溶液中のカルシウム濃度が上昇している。その溶出量は浸漬後2ヵ月が最も多く、以下漸減している。Caの溶出量は、NaCl溶液が最も多い。カラム法による促進実験の結果をEPMAで分析し、カルシウム、シリカ等の分布を調査した結果、1)いずれの溶液でも表面のカルシウム量の低下が認められた。その低下する範囲は、1年浸漬で表面から5mm程度であった。2)シリカについては、ほとんど変化がなかった。

電子合金理論に基づく超耐熱構造材料の材料設計(II) 材料設計及び特性評価

湯川 夏夫*; 森永 正彦*; 斉藤 淳一*; 加藤 直人*; 一色 泰志*

PNC TJ9623 92-001, 81 Pages, 1991/07

PNC-TJ9623-92-001.pdf:6.46MB

(目的)開発中の高温Li用材料であるNb基合金及びMo基合金について、簡便な方法で高温引張強度の類推が可能な方法を開発すると共に、液体金属中での耐食性等を明らかにする。(実験方法) 高温引張強度については、始めに実用合金に関する文献で室温高温の硬さと引張強度を調べ、次に新たに溶製した合金を用いて1200度Cまでの硬さを測定した。 液体金属中での耐食性については、昨年度の設計合金に対する650度CでのNa浸漬試験を行い、試験前後の重量変化、組織変化、成分変化ならびに文献からの合金元素の酸化物とナトリウムの酸化物との生成自由エネルギーなどから、腐食量、Na浸漬中の溶出元素等を調べ、また初めての試みとして、Li、K、Naなど液体金属中の原子状の溶出元素の電子構造、イオン性などの解析をd電子論に基づいて行った。(結果) 実用合金の調査から、室温1200度Cで硬さと引張強度の間には良好な直接関係があることをまず明らかにし、次にこの関係を利用して測定で得た硬さから高温時の引張強度の簡易的予測が可能な式を導出した。 液体金属中の耐食性については、Na中ではNb基合金はその合金元素であるNbとTaが酸化されるために腐食され易いが、Mo基合金はその合金元素の酸化が起こらないために腐食され難く優れた耐食性を示した。d電子論に基づく解析からは、Li、K、Naの各液体金属の中ではLiが溶出した原子状の元素と最も強く結合するなどの新たな知見を得た。 これらの他に、合金の硬さは母金属と添加元素の原子半径差またはヤング率差に依存すること、合金の密度は添加元素の純金属の密度で整理が可能なこと、昨年の設計合金は1200度Cで良好な相安定性を示すこと、などを明らかにした。