• 小
    • 中
    • 大

研究者紹介

燃料デブリ溶出挙動評価に向けた

U-Zr酸化物固溶体の放射線誘起水溶化反応の研究

原子力基礎工学研究センター 放射化学研究グループ
熊谷 友多

核燃料の主成分である酸化ウラン(IV)(UO2)は放射線環境下では徐々に腐食され、水に溶出することが知られています。この反応の仕組みを模式的に示したのが図-1です。まず、水が放射線により分解され、過酸化水素(H2O2)が生成します。H2O2はUO2の表面で反応し、ウランを4価から水に溶けやすい6価に酸化します。さらに、炭酸イオン(CO32−)のように6価のウランをより水に溶けやすい錯体の状態にする成分が水の中に含まれていると、ウランの溶出は促進されます。

東京電力福島第一原子力発電所の原子炉の中では、核燃料は溶融し、水と直接接触していると予想されています。溶融した燃料はそれ自体が強い放射線を発しているのに加えて、原子炉の中には地下水が流入し続けていると考えられています。地下水は地域によって濃度は異なりますが、一般的に炭酸イオンが含まれています。そのため、溶融した燃料の表面でウランが溶出する反応が進んでいるのではないかと懸念しました。 そこで、溶融燃料を模擬した物質で、H2O2の表面反応とウランの溶出について調べました。模擬溶融物にはウランとジルコニウムの酸化物固溶体((U,Zr)O2)を使いました。(U,Zr)O2はスリーマイル島原子力発電所事故での溶融燃料の主成分です。

まず、H2O2の反応によるウランの溶出量を明らかにするため、(U,Zr)O2およびUO2をH2O2と炭酸塩を含む水溶液に浸し、反応時間を追って溶出するウランの濃度を測定しました(図-2)。UO2の場合には、反応によってH2O2の濃度が減少し、それと対応してウランの濃度が増加しました。一方で(U,Zr)O2では、H2O2の濃度は減少し、反応は生じているにもかかわらず、ウランがほとんど溶出してこないことが分かりました。

そこで、(U,Zr)O2ではウランの溶出が抑制されるメカニズムを調べるため、反応生成物の分析を行いました。その結果、(U,Zr)O2とH2O2との反応では、酸素(O2)が生成していることが分かりました。さらに、生成したO2を定量したところ、反応したH2O2の1/2量のO2が生成していることが分かりました。この結果は、(U,Zr)O2の表面で、H2O2が触媒的に分解したことを意味します。 さらに、H2O2との反応後の(U,Zr)O2の状態をラマン散乱分光という手法を用いて調べました。その結果、H2O2との反応の前後で(U,Zr)O2の表面の状態には観測できる変化は生じていないことが分かりました。この結果もH2O2の分解反応が触媒的であることを支持します。

これらの結果から、模擬燃料溶融物、(U,Zr)O2ではH2O2と炭酸塩を含む水の中でもウランはほとんど溶出しないこと、そのメカニズムはH2O2の触媒的な分解反応が進むためであることを明らかにすることができました。

今後も、過酷事故後の複雑な環境での燃料の化学挙動を予測するための基礎基盤の構築を目指して、放射線環境下でのウラン化合物表面の化学反応の研究を進めて行きたいと考えています。本研究の成果をもとに1年間のスウェーデン留学の機会を得ることができました。この機会も最大限に活用して、研究に取り組んで参ります。

Copyright(C) Japan Atomic Energy Agency. All Right Reserved.