多核種高除染性空気浄化システム開発による作業被曝低減化研究(受託者)国立大学法人 北海道大学(研究代表者)奈良林直 大学院工学研究院(再委託先)国立大学法人 東北大学
(研究期間)平成２７年度～２９年度

１．研究の背景とねらい
福島第一原子力発電所のデブリ取り出し等、廃炉作業においては多核種の放射性物質を含むさまざまな形態の粉塵等が雰囲気中に放出され、作業被曝低減化や環境への飛散を防止するために、フレキシブルに対応できる空気浄化システムが必要である。
本 研 究 で は 、 多核種高除染性空気浄化システムの開発に必要な基礎研究を実施する。特に、多核種の濾過・吸着技術の高性能化を目的に、湿式フィルターや乾式のメタルファイバーフィルター、銀ゼオライトなどの各種フィルターのフィルター分離メカニズムの解明や多様な組み合わせによるフィルターの総合性能の向上を目指す。また、濾過・吸着したフ ィ ル タ ー エ レ メ ン トやゼオライトにトラップされた多核種の放射性 物 質 の 放 射 能 評 価 の 基 礎 研 究 と し て 、多 核 種解析評価プログラムを整備する。
２．これまでの研究成果(1) 高除染線性フィルターによる被曝低減技術① 被曝低減技術の基本コンセプトの立案

図1

メタルファイバーフィルター

図2

メタルファイバー試験装置

北海道大学にて開発した「ゼオライトを用いたヨウ素・セシウム高除染性フィルターベントシステム」の湿式フィルターと、メタルファイバーフィルター、高除染線性銀ゼオライト AgX などを組み合わせた格納容器内の空気浄化システムについて検討した。
特に、最も除染係数（DF: Decontamination Factor）を上げることが困難とされる、ヒューム（プラズマカッターやレーザ切断装置などで発生するナノサイズエアロゾル）に対する対策として、スクラビングノズルを改良した湿式フィルターを蒸気注入により表面凝縮式させるフィルターなどの吸着特性等についての基礎実験を実施した。乾式のメタルファイバーフィルターについては、メタルファイバーの線径と充填率がキーパラメータであることが明らかとなった。図 1 は、メタルファイバーフィルターに捕捉された硫酸バリウム粒子群の電子顕微鏡写真である。
最小粒子径は約 60nm であるが、除染係数 DF は約5000 を達成した。

② 実験装置の仕様検討と実験装置の準備①にて実施したコンセプト検討に基づき実験装置の仕様の検討と実験装置の設計製作を実施した図 2 は完成した実験装置である。湿式フィルターについてはスクラビングノズルの形状パラメータを、
また メタルファイバーフィルターについてはファイバー径やファイバーの充填率を変えることが可能な装置とし、フィルター機能の多様な組み合わせによる総合試験と基本的な機能が備わっていることを予備実験および据え付けられた実験装置の調整運転により確認した。このような構成の多核種高除染性空気浄化システムは世界初である。
(2) 銀ゼオライトの吸着剤設計法の構築と希ガス分離メカニズム評価に関する基盤研究① 異なる結晶サイズを有するゼオライト結晶の合成
ゼオライト細孔内へ迅速に拡散物質を吸着させる上で、結晶サイズをナノレベルで合成する必要があるため、北海道大学にて開発した「逆ミセルを利用したゼオライト合成法」を応用して、銀ゼオライトの担体となるゼオライト合成を実施した。図 3 に各種のゼオライトの分子サイズを示す。図 4 は合成したゼオライトの FE-SEM 像を示す。O-15 とシクロヘキサン混合溶液に対する水溶液量を増加させることで、100nm、300nm と異なる結晶サイズのゼオライトを合成できた。また、O-15、シクロヘキサンを含まない合成溶液を用いることで、マイクロオーダーの結晶サイズを有するゼオライトが合成された。X 線の回折パターよりいずれも MFI 型であることが判別できた（図 5）。
参照MFI型ゼオライト

図3Intensity [-]試料３

各種ゼオライトと分子サイズ

試料２

試料１100 nm

図4100 nm合成した MFI 型ゼオライト

1 μm

51015202530352θ [degree]

404550

図 5 MFI 型ゼオライト粉末の X 線回折分析② FAU 型ゼオライト（X 型、Y 型）
FAU 型ゼオライトの合成は、コロイダルシリカ（Si 源）、アルミン酸ナトリウム（Al 源）、NaOHおよび NaBr を混合した水溶液を調整し、388K、24 時間の水熱条件で合成した。得られた白色粉末は蒸留水で洗浄、乾燥した後、空気中 823K で焼成した。以上により得られた粉末の結晶構造は粉末 X 線回折、細孔特性については窒素吸着、形態については電子顕微鏡により確認した。

③ 銀ゼオライトの細孔内の炭化水素分子の拡散係数の測定
試料部以外の系内に 100％のヨウ化メチル蒸気を所定の圧力まで導入した後、試料部を開放し、試料への吸着に伴い系内の全圧が低下するため、圧力の経時変化から吸着量の経時変化を得ることができる。図 6 に、測定により得られたヨウ化メチル吸着量の経時変化の一例を示す。
既有の拡散係数測定装置を用いて、定容法により希ガス、C1 から C3 炭化水素およびヨウ化メチルの拡散係数を実測した。ゼオライトとして、A 型、Ag/A 型に加えて他の候補ゼオライトである MFI などの試料を対象とした。ゼオライト細孔内を拡散する分子 1 つの移動度と、ゼオライト
細孔内とゼオライトが接する気相中の濃度比を測定することで、細孔内拡散の機構を解明した。
1.0Mt /Me [-]0.8
拡散物質 : ヨウ化メチル
吸着剤 : silicalite-1
温度 : 473K
D=7×10-16 ［m2 s-1］
実験値
計算値

0.60.40.2001000

2000

time on stream [s]30004000

図 6 ヨウ化メチル吸着量経時変化

図7放射性ヨウ化メチルバッチ式吸着実験装置(3) 銀ゼオライトを用いた放射性核種吸着脱離に関する研究（東北大学）① バッチ式吸着実験装置の製作
銀ゼオライト吸着剤を用いる高除染性空気浄化システムは一年を通していろいろな環境の下で使用されるため、銀ゼオライトの放射性核種吸着能を評価するには、流量、温度、湿度等の幅広い条件下において吸着実験を行う必要があり、図 7 に示す、流量、温度、湿度が調整可能な実験装置を製作した。
② 125I トレーサーを添加したヨウ化メチルの調製と放射能の計測
本実験では主要な放射性核種として 125I を用い、Na125I と CH 3 I を所定時間撹拌し、同位体交換反応により放射性ヨウ化メチルを調製した。シンチレーションカウンターを用いて測定した図 835.5keV 線に示すγ線のスペクトルから、CH 3 125I の調整が可能であることを確認した。
100000105Counts (cps/ml)

10000
104

Na125ICounts (cps/ml)

1000
103
100
102

CH3125I 1.5h

10110CH3125I 28h

1010
0.1-1100.0110-2

図8

BG00

2040204035.5keV γ線

60608080

Energy (keV)
Energy[keV]

100100120
120

140
140

Na¹²⁵I
BG
CH₃¹²⁵I 1.5h
CH₃¹²⁵I 28h
CH 3 125I の同位体交換反応とγ線スペクトル図9

ウラン 235 の崩壊熱の精度比較

(4)汚染されたフィルターエレメントの多核種放射能減衰評価に関する基礎研究
多核種高除染性空気浄化システムのフィルターエレメントにトラップされた多核種の放射性物質の放射能の評価解析プログラム開発とフィルターの保管・処分方法についての検討を行った。
平成 27 年度は特にフィルターエレメントにトラップされた多核種放射性物質の放射能の評価解析プログラムの基本構想と解析システムのハードウエアを検討した。なお、フィルターエレメン
トの保管・処分については、ウクライナのチェルノブイリ原子力発電所 4 号炉の廃棄物処分の調査結果を踏まえて、崩壊熱評価など、基礎的な検討を実施した（図 9）。
福島第一原子力発電所では、溶融デブリが圧力容器下部を溶融貫通して、格納容器下部のペデスタル部分に落下したと推定されている。そこで、溶融燃料が原子炉の下部に溶融して原子炉建屋下部に流下したチェルノブイリ原子力発電所 4 号機の溶融燃料の調査結果をもとに、空気浄化システムとしての基本コンセプトの検討を行った。核種や化学的な形態などについての調査結果が得られている。表 1 は、事故前の炉内の燃料に蓄積されていた主な核種のウラン 1 グラムあたりの放射能の一覧である。セシウム Cs やセリウム Ce、ロジウム Rh が放射能としては多いことが分かる。さらに、チェルノブイリ原子力発電所の近隣にある放射性廃棄物の最終処分施設「ブリャコフカ」の調査を行った。放射性廃棄物処分施設は図 10 に示すように、放射性廃棄物を埋設するトレンチ一つのサイズは、長さ 155.2 m 、幅 88.0 m、高さ 9.7 m であり、上部に厚さ 1.5 mの粘土遮水層を、また下部に厚さ 1.0 m の粘土ライナーを設けている。トレンチ一つあたりの設計容量は、20,000～25,000 m3である。
表1

チェルノブイリ４号機の主な核種と放射能 ※※ウラン 1g あたりの放射能（Bq/Ug）

図 10 放射性廃棄物処分施設ブリャコフカの調査

３．今後の展望本システムの導入を以て、福島第一原子力発電所の液体の多核種放射性物質の除去に加え、気相の多核種放射性物質の除去が可能となり、廃炉作業の被曝低減、作業効率の改善・スピードアップにつながることが期待される。
平成 30 年には福島第一の初号機の取り出し工法が確定することから、平成 29 年度までの 3 年間で実施予定である。
４．参考文献(1)奈良林直、佐藤修彰、「銀ゼオライトを用いた高除染性フィルターベントシステムの開発と可視化実験」、エネルギーレビュー（2014,11）.
(2) 奈良林ら, 銀ゼオライトを用いた高除染性フィルターベントシステムのロバスト化、第２０
回動力エネルギーシンポ, B211, (2015) .