高レベル放射性廃棄物処理の研究

1．高レベル放射性廃棄物処理
2．秋田大学の放射性廃棄物処理の研究
研究例1：ガラス融体の高温物性測定
研究例2：ガラス溶融炉の酸化還元状態の推定
研究例3：モリブデン溶解度の解明と熱力学解析

理工学研究科 共同ライフサイクルデザイン工学専攻
理工学部 数理・電気電子情報学科 数理科学コース

菅原 透
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2．秋⽥⼤学の放射性廃棄物処理の研究

高レベル放射性廃棄物を安全，確実にガラス固化するために，日本原燃(株)とともにさまざまな基礎研究，応用研究を行ってきた．

⻘森県六ケ所村にある⽇本原燃株式会社の再処理⼯場(⽇本国内で発⽣する放射性廃棄物を⼀括処理する施設)
https://www.nikkei.com/article/DGXDASFS0703F_X00C12A9PP8000/

菅原研究室で取り組んできた⾼レベル放射性廃棄物処理の関連研究 (2011年〜）
⽇本原燃 受託研究︓ガラスの物性測定 (2011年〜2013年, 経産省プロジェクト)
⽇本原燃 受託研究︓MoO3溶解度の解明 (2014年〜現在，資源エネルギー庁プロジェクト)
⽇本原燃 受託研究︓仮焼層の反応解析 (2017年〜現在)
⽇本原燃分析 共同研究︓ガラス固化体に対するRu溶解挙動の解明(2015年〜現在)
⽇本原燃分析 共同研究︓⽩⾦族結晶相の結晶成⻑解析 (2016年〜2017年)
⽶国PNNL 受託研究︓ガラス融体の⾼温下の⽐熱の測定(2016年〜2017年, ⽶国エネルギー省プロジェクト)※ ⼤学の研究で⽤いる試料はすべて模擬物質であるため，放射性元素は含まれていません．

22．放射性廃棄物処理の研究︓ （研究例1）ガラス融体の⾼温物性測定

研究⽬的︓ガラス溶融炉を安全・安定的に運転をするために，溶融炉内の熱・物質移動の数値シミュレーションが⾏われている．
ガラス固化模擬溶融炉

計算には900℃-1300℃でのガラス融体の物性値が必要となるが，測定の難しさから信頼できる測定値が少ない．

https://www.jnfl.co.jp/ja/special/highest‐technology/

そこで，独⾃に開発した⾼温物性測定装置を⽤いて，1300℃までの密度と⽐熱を測定した．また，それらの物理化学的特性を明らかにした．
放射性廃棄物のガラス固化溶融炉の熱・物質移動の計算例
河村ほか (2008) ⽇本原⼦⼒学会論⽂誌, 7, 297-307.

模擬放射性廃棄物ガラスの密度・⽐熱

ガラス溶融炉内部の熱・物質移動の数値シミュレーション

溶融炉の安定操業と安全・確実な放射性廃棄物の処理
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2．放射性廃棄物処理の研究︓ （研究例1）ガラス融体の⾼温物性測定

TMA装置(100-700℃の熱膨張率)

中温密度測定装置(アルキメデス法，800-1000℃)

⾼温密度測定装置(アルキメデス⼆球法，1000-1300℃)○ 中温密度測定装置，⾼温密度測定装置，落下型熱量計は菅原研究室で独⾃に設計・製作した装置．
○ 秋⽥⼤学の落下型熱量計は，現在のところ世界で唯⼀の⾼温試料に対する精密⽐熱測定装置．

DSC装置

Perkin-Elmer, DSC7
(10-640℃の⽐熱)

落下型熱量計(600-1650℃の⽐熱)

42．放射性廃棄物処理の研究︓ （研究例1）ガラス融体の⾼温物性測定

秋⽥⼤学で開発した放射性廃棄物ガラス融体の⾼温物性を予測するソフトウエア（⽇本原燃(株) 技術開発研究所において溶融炉の数値シミュレーションに利⽤されている）

Sugawara et al. (2013) Phys. Chem. Glasses, 54, 270-278.
模擬放射性廃棄物ガラスの⾼温密度と⽐熱

Sugawara et al. (2014) J. Nuc. Mat., 454, 298-307.

52．放射性廃棄物処理の研究︓（研究例2）ガラス溶融炉の酸化還元状態の推定

研究⽬的︓
⾼レベル廃棄物中には核分裂⽣成物として，Pd, Rh, Ruなどの⽩⾦族元素が含まれる．これらの成分は溶融ガラスに対する溶解度が低いために結晶化し，溶融炉の運転を妨げる要因となっている．
⽩⾦族元素は⾦属相および酸化物相として結晶化するため，炉内の酸素分圧を把握することが重要であるが，これまでに実測した例は知られていない．
本研究では結晶の化学組成から酸化還元状態を推定する⼿法を開発した．

Pd-Rh-Ru相と(Ru, Rh)O2相の結晶化実験

朝⽇新聞「ガラス固化，不具合続き／六ヶ所村の核燃再処理⼯場」
説明記事 (2008年7⽉)

結晶化挙動の熱⼒学解析と炉内酸素分圧の定量的な予測

溶融炉の安定操業と安全・確実な放射性廃棄物の処理
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2．放射性廃棄物処理の研究︓（研究例2）ガラス溶融炉の酸化還元状態の推定
⽩⾦族結晶相の相平衡実験

元素分配挙動の熱⼒学解析

放射性廃棄物溶融炉の酸化還元状態と温度の関係

Sugawara et al. (2015) J. Nuc. Sci. Technol., 53, 380-390.
Sugawara et al. (2015) J. Nuc. Mat., 465, 590-596.
菅原ほか (2016) ⽇本原⼦⼒学会論⽂誌, 15, 43-52.

72．放射性廃棄物処理の研究︓（研究例3）モリブデン溶解度の解明と熱⼒学解析

研究⽬的︓核分裂⽣成物のモリブデンは溶融ガラスに対する溶解度が低いため，結晶相として析出しやすい．
モリブデンを含む結晶相は半減期230万年の放射性セシウム(135Cs)を取り込むため，ガラス固化体の化学的耐久性を著しく損なうことになる．
⼩容量のガラスにできるたけ多くの廃棄物を充填させるためには，モリブデン溶解度の⾼いガラスを開発する必要がある．
本研究では，溶融ガラスに対するモリブデン溶解度を計算するための熱⼒学データベースを開発した．

MoO3溶解度データの取得とその熱⼒学解析

模擬放射性廃棄物ガラス固化体廃液/ガラス⽐を⾼めるとモリブデン相(⻩⾊)が析出する．
このようなガラスは化学的耐久性が著しく低いため，固化体の仕様を満たさない．

計算熱⼒学によるモリブデンの溶解挙動の予測

化学的耐久性の⾼い(Mo溶解度の⾼い)次世代ガラスの開発
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2．放射性廃棄物処理の研究︓（研究例3）モリブデン溶解度の解明と熱⼒学解析
MoO3を含むガラス固化体組成に対する相平衡実験

熱⼒学解析とデータベース構築
Table 2 - 2 - 9 ，SiO2-B2O 3-Al2O 3-ZnO-CaO-Na 2O-Li 2O-MoO 3系
メルトの相互作⽤係数（Lij ）XN
No.

CaMoO 4No.

Li 2 MoO4

Si 2 O 4249

46000

28440000

Si 2 Na 2 O 5250

Si 2 Na 4 O 6251

XM

No.

Na 2 MoO 432000

CaSiO 3252

140000

253

-5000

24000

260

126000

B2O3254

BNaO 2255

B 4 Na 2 O 7256

B 2 CaO 4257

B 4 CaO 7258

30000

261
262

-25000

285
286
287

288
289

37000
87000

30000

263

24000

264-25000

B 2 Ca 2 O 5259

265

Si 2 Al 2 Na 2 O 8266

Si 6 Al 2 Na 2 O 1 6267

Li 2 Si 2 O 5270

Li 2 SiO 3272

BLiO 2274

B 4 Li 2 O 7275

ZnB 2 O 4278

47000

279-25000

LiCaBO 3280

38000

281-48000

LiAlSi 2 O 6282

8000

283

27000

70000
75000
50000

268
269
272
273
276
277

30000
-82000-50000

Sugawara et al. (2018) ICG Annual Meeting, ICGY037.
60種類の異なる組成に対して1000℃および1200℃で実験データを取得

Sugawara and Jin (2018) Thermochim Acta, 669, 185-193.

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2．放射性廃棄物処理の研究︓（研究例3）モリブデン溶解度の解明と熱⼒学解析
市販の熱⼒学計算ソフトウエアと本研究で開発した熱⼒学データベースを組み合わせた計算例

ガラス固化体に対するモリブデン溶解度の計算例ガラス固化体に対するモリブデン相の析出の予測本研究で開発した熱⼒学データベースは，⾼い化学的耐久性と⾼充填率(廃棄物/ガラス⽐率)を両⽴した次世代ガラスの組成設計をする⽬的で，⽇本原燃(株)の技術開発研究所において活⽤されている．

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