Impact of stoichiometry on the mechanism and kinetics of oxidative dissolution of UO induced by HO and -irradiation

熊谷 友多; Fidalgo, A. B.*; Jonsson, M.*

Journal of Physical Chemistry C, 123(15), p.9919 - 9925, 2019/04

https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b00862

ウランの酸化還元による化学的な変化は環境中のウランの動態を支配する重要な反応であり、特に4価の二酸化ウランが6価のウラニルイオンに酸化され水に溶けだす反応は使用済燃料等の環境中における化学的な安定性を評価する上で重要な反応である。この酸化による二酸化ウランの水への溶出について、二酸化ウランの過定比性の影響を調べるため、過酸化水素および線照射による反応を調べ、定比のUOと過定比のUOとの間で反応挙動を比較した。その結果、定比のUOは酸化還元反応に高い活性を示し、表面の酸化反応は速やかに進み、酸化反応の進展とともに徐々にウランの溶出が加速されることが観測された。一方で、過定比のUOは反応性は低いものの、酸化反応が生じると速やかにウランが溶出することが分かった。また、過酸化水素による反応と線照射による反応を比較した結果、ウランの溶出ダイナミクスは酸化剤の濃度に依存して変化することが分かった。そのため、使用済燃料等で想定される放射線による酸化反応を検討する場合、高濃度の酸化剤を用いた試験では、ウランの溶出反応を過小評価する可能性があることを明らかにした。

Reaction of hydrogen peroxide with uranium zirconium oxide solid solution; Zirconium hinders oxidative uranium dissolution

熊谷 友多; 高野 公秀; 渡邉 雅之

Journal of Nuclear Materials, 497, p.54 - 59, 2017/12

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.10.050

ウラン・ジルコニウム酸化物固溶体[(U,Zr)O]のHOとの反応についての理解は、(U,Zr)O組成を持つ溶融燃料の放射線環境下での劣化を評価するためには不可欠である。そこで、(U,Zr)O粉末試料を用いて、HOによるUの溶出を調べた。HO反応量に対するU溶出の収率を測定した結果、(U,Zr)OのU溶出収率はUOと比べて著しく低いことが明らかになった。そのメカニズムを調べるため、HOの反応によるOの発生を測定したところ、O発生量とHO消費量は1:2の比であり、HOの不均化反応の化学量論と一致した。この結果から、(U,Zr)OのHOによる酸化的溶解が抑制された理由は、不均化反応への触媒活性と考えられる。さらに、同時に行った(U,Zr)Oのラマン分光分析の結果も触媒的不均化反応を支持しており、これらの結果から、HOによる酸化的溶解反応に対して、(U,Zr)OはUOよりもはるかに安定であることが明らかになった。

電気化学インピーダンス法を用いた支持電解質添加のない高温・高圧水中における腐食環境評価

佐藤 智徳; 山本 正弘; 塚田 隆; 加藤 千明

材料と環境, 64(3), p.91 - 97, 2015/03

https://doi.org/10.3323/jcorr.64.91

沸騰水型軽水炉(BWR)一次冷却系の冷却水は、水質管理により高純度な水質が維持される。さらに、水の放射線分解により生成される過酸化水素が酸化剤種として存在している。そこで、このような高温水中でのステンレス鋼のさらされている腐食環境を評価するため、支持電解質を添加せず、過酸化水素のみを添加した高温純水中に浸漬させたステンレス鋼の電気化学インピーダンス測定を実施した。過酸化水素の濃度条件を変えて測定した結果、測定された電気化学インピーダンスに顕著な変化が確認された。取得した結果の等価回路解析により、溶液抵抗、分極抵抗を同定した。同定された溶液抵抗をもとに、作用極と対極間の電流線分布に関して3次元有限要素法による解析を実施し、セル定数の補正を実施した結果、導電率として4.410S/cmが取得された。過酸化水素濃度を変化させた時の分極抵抗の変化から、分極抵抗の逆数が過酸化水素濃度の一次関数となることが示された。これは、ステンレス鋼表面の腐食電流が過酸化水素の拡散限界電流により決定されていることを示している。過酸化水素の高温水中での拡散係数の同定を実施した結果、1.510cm/sが取得された。これは沸騰水型軽水炉条件における過酸化水素の拡散係数として従来用いられた酸素の高温水中での拡散係数の約2倍となった。

Consideration of radiolytic behavior in diluted and concentrated systems of seawater for computational simulation of hydrogen generation

永石 隆二; 井上 将男; 日野 竜太郎; 小川 徹

Proceedings of 2014 Nuclear Plant Chemistry Conference (NPC 2014) (USB Flash Drive), 9 Pages, 2014/10

福島第一原子力発電所事故では破損した原子炉施設の冷却のために海水を使ったため、スリーマイル島原子力発電所の冷却水喪失事故とは異なり、事故後に発生した汚染水に海水成分が含まれた。これに伴い、腐食や水素発生と密接に関係する、海水の放射線分解の反応計算がいくつかのグループによって行われたが、それらは1次収量や放射線誘起反応の塩濃度依存性(塩効果)を考慮していないため、広範囲の塩濃度に対して適用できない。そこで、本研究では、1次収量の塩効果を示す定常照射実験の結果、並びに反応の塩効果を示すパルス照射実験(パルスラジオリシス)の結果をもとに、海水の希釈及び濃厚系での放射線分解挙動に関する考察を試みた。

無配管化を目指した湿式再処理プロセスの合理化検討

半沢 正利*; 森岡 信男*; 麓 弘道*; 西村 建二*; 近沢 孝弘*

JNC-TJ9400 2000-001, 112 Pages, 2000/02

JNC-TJ9400-2000-001.pdf:6.67MB

本研究は、革新的技術アイデアにより経済性の高い高速炉燃料(MOX燃料)再処理プロセスを構築することを目標に、配管施工に係わるコストを大幅に削減できるパイプレスプラントの概念を導入し、且つ溶媒抽出法以外の湿式分離法も考慮した新しいプロセスの可能性を探ることを目的としている。そのため、まず、沈殿法、晶析法、イオン交換法及びパイプレスプラントについて文献調査を行い、これを基に、以下の湿式分離法を採用したプロセス要件に適合するプロセスフロー案の検討を実施した。(1)晶析+過酸化水素沈殿法プロセス(2)シュウ酸沈殿法プロセス(3)マイルドな条件の再処理法プロセス(晶析+沈殿法)(4)晶析+イオン交換法プロセス(5)晶析+溶媒抽出法プロセス上記検討プロセス及び従来プロセスについて、パイプレスプラントへの適合性、安全性、経済性、資源の有効利用性、核不拡散性及び運転・保守・補修性の観点から得失評価を行い、最も合理的なプロセスとして(1)晶析+過酸化水素沈殿法プロセスを選定した。選定プロセスについて、臨界安全評価を行うとともに物質収支図、プロセスフローダイアグラム、主要機器リスト及び移動槽・ステーションの配置概念図を作成することにより、主要物質の物流/物量、主要機器の概念/大きさ及び数量等を明らかにした。

Laser-induced photochemical reaction of maleic acid solutions in the presence of hydrogen peroxide

清水 雄一; 杉本 俊一*; 河西 俊一; 鈴木 伸武

Laser Chem., 17, p.97 - 108, 1997/00

過酸化水素存在下でのマレイン酸溶液の光化学反応をエキシマレーザーを用いて研究した。レーザー光の波長効果の研究から、オキシ酸の生成にはXeF光(351nm)が有利であることがわかった。XeF光による水溶液中の反応では、グリコール酸が主生成物であり、酒石酸生成の選択率は非常に小さかった。しかし、水に1,4-ジオキサンを添加すると、その選択率は急激に増大し、ジオキサン溶液中では、約80%の選択率が得られた。このように、少量の過酸化水素を含むマレイン酸の1,4-ジオキサン溶液を室温でXeFレーザー光照射すると、酒石酸が選択的に直接合成できることを見出した。一方、メタノール、N,N´-ジメチルホルムアミド、アセトニトリルおよびテトラヒドロフラン溶液中の反応では、酒石酸の選択率は水溶液中の反応に比べてほとんど増大しなかった。これらの結果に基づいて、酒石酸の選択的生成の反応機構を考察する。

石油アスファルトの液相酸化基礎試験

牧野 鉄也; 福本 雅弘; 宮本 陽一; 中西 芳雄

PNC-TN8410 94-218, 188 Pages, 1994/01

PNC-TN8410-94-218.pdf:1.3MB

再処理施設から発生するアスファルト固化体を減容・無機化して、貯蔵・処分の合理化を図ることの可能性を確認するため、石油アスファルトの液相酸化基礎試験を実施した。アスファルト固化体のマトリックスである石油アスファルトのみ、およびアスファルト固化が高硝酸塩濃度溶液を固化対象とするため、硝酸ナトリウムを50wt%含む石油アスファルトを、過酸化水素-酸化銅触媒にて48時間液相酸化した。その結果、赤外分光分析(FT-IR)スペクトルからは酸化劣化を示す指標であるカルボニル基の吸収ピーク(1700cmー1)が認められ、微少量の石油アスファルトの酸化分解を示したが、重量変化および溶液中の無機・有機成分の分析では顕著な変化がみられなかった。また、硝酸ナトリウムの添加は液相酸化反応には、ほとんど影響しなかった。

Laser-induced organic transformation: Direct and selective synthesis of diols from methanol,ethanol,and their mixture in the presence of hydrogen peroxide

清水 雄一; 杉本 俊一; 河西 俊一; 鈴木 伸武

Bulletin of the Chemical Society of Japan, 64, p.3607 - 3612, 1991/12

http://dx.doi.org/10.1246/bcsj.64.3607

レーザー光を利用して過酸化水素の存在下でメタノール、エタノールおよびメタノール-エタノール混合溶液の物質変換の研究を行った。窒素飽和したメタノールを室温でKrFレーザー光照射すると、エチレングリコールが高量子収率(=0.94)で高選択的に生成することを見出した。過酸化水素の添加速度が3.2ml/hの場合、エチレングリコール生成の選択率は94%であった。エタノールからはブタンジオールとアセトアルデヒドが直接、選択的に生成することを見出した。過酸化水素の添加速度が3.4ml/hの場合、ブタンジオールとアセトアルデヒド生成の量子収率はそれぞれの0.42および0.29であり、この時の合計の選択率は97%であった。また、メタノール-エタノール混合溶液からプロパンジオールが直接生成することを見出した。1,2-プロパンジオールの生成量はメタノール濃度が64mol%付近で最大になった。これらのジオールの生成機構を考察した。

Laser-induced direct synthesis of butanediol and acetaldehyde from ethanol in the presence of hydrogen peroxide

清水 雄一; 杉本 俊一; 河西 俊一; 鈴木 伸武

Chemistry Letters, 1991, p.35 - 36, 1991/00

窒素飽和したエタノールを過酸化水素の存在下でKrFレーザー光照射すると、ブタンジオールとアセトアルデヒドが選択的にしかも短時間で容易に直接合成できることを見出した。ブタンジオール生成の量子収率は過酸化水素水の添加速度の増加と共に減少した。一方、アセトアルデヒドの量子収率は逆に増加した。過酸化水素水の添加速度が3.4mlhのときの2,3-、1,3-、1,4-ブタンジオールとアセトアルデヒドの生成の量子収率はそれぞれ0.31、0.09、0.02および0.29であり、このときの選択率はそれぞれ42、12、4および40%であった。また、ブタンジオールとアセトアルデヒドの生成の量子収率の合計は過酸化水素水の添加速度が3.4-14.7mlhでおよそ0.71であり、選択率の合計は92-98%であった。過酸化水素のレーザー光照射によって高密度に生成したOHラジカルを開始種とするブタンジオールおよびアセトアルデヒドの生成機構を考察した。

Photoinduced organic transformation, selective synthesis of ethylene glycol or formic acid and methyl formate from methanol in the presence of hydrogen peroxide

清水 雄一; 杉本 俊一; 河西 俊一; 鈴木 伸武

Bulletin of the Chemical Society of Japan, 63(1), p.97 - 101, 1990/01

http://dx.doi.org/10.1246/bcsj.63.97

窒素飽和下で過酸化水素の存在下においてメタノールを紫外光照射すると、エチレングリコールが選択的に生成し、その選択率は過酸化水素の添加速度が3mlh以下では85~94%であった。エチレングリコールの生成量は5mlhで最大になり、その時の量子収率は0.73であった。エチレングリコールは過酸化水素の光分解で生成したヒドロキシルラジカルのメタノールからの水素引抜きによって生成したヒドロキシメチルラジカルの二量化によって生成すると考えられる。一方、酸素通気下でメタノール溶液を紫外光照射すると、ギ酸およびギ酸メチルが選択的に生成し、[ギ酸+ギ酸メチル]の生成の選択率は1~8mlhで約99%であった。ギ酸およびギ酸メチルの生成量は5mlhで最大になり、その時の量子収率はそれぞれ1.36および0.69であった。また、ギ酸およびギ酸メチルの生成機構を考察した。