資料１－４

廃炉⼯程で発⽣する放射性⾶散微粒⼦挙動の解明に関する暫定的な研究開発戦略

2017年8⽉10⽇
放射性⾶散微粒⼦挙動の解明分科会

1. 現状把握 (研究開発課題に係る国内外の動向)

1【背景】
原⼦⼒損害賠償・廃炉等⽀援機構(NDF)に設置された研究連携タスクフォースの中で、6件の廃炉に係る重要研究開発課題が抽出された。燃料デブリを切削する際に発⽣する多量のαダストの閉じ込め管理のためには、αダストの物理的化学的性質等の性状把握、切削⽅法毎のダストの発⽣量予測とそれらを踏まえた閉じ込め対策の検討等が必要となる。「廃炉⼯程で発⽣する放射性⾶散微粒⼦挙動の解明」
分科会は、前述の課題を検討し、研究開発を推進する⽬的で発⾜した。

【国内外の動向】
・ 燃料デブリ切削時の放射性微粒⼦の⾶散挙動に関しては、TMIのデブリ取り出し、JRR-3の廃炉、核燃料サイクル⼯学研究所のグローブボックス解体、電中研データベース等、整理すれば1F廃炉現場においても有効に使えるデータがあることが分かった。
・国際廃炉研究開発機構(IRID)のプロジェクトにおいては、2021年度の取り出し開始を⽬標に2017〜2018年度にかけて検討や開発を進める主要5課題(1.デブリ加⼯時の特性把握、2.閉じ込め⼿法、3.
捕集・回収技術、4.検出技術、5.システム成⽴性)を抽出している。本課題ではホット試験は実施しない。
・ ⼤量のデブリを対象とする廃炉⼯程においては、総合的な閉じ込め性能確保が必須である。必ずしも負圧によるインリークの確保が確実ではない場においては、微粒⼦⽣成メカニズムに基づく発⽣量抑制や輸送・挙動把握による広がりの抑制、さらに被ばくや廃棄物の低減が必須の課題である。多くの試験はコールドで可能であるが、現場適⽤性の観点からホット試験も実施する意義がある。

2. 研究テーマの設定 (具体的な中核的研究テーマの構成)●Project ALPHA

2(Advanced Leak prevention for highly-contaminated Activity)

廃炉作業システム俯瞰
総合的閉じ込め確保戦略
総合的移⾏シミュレーション
研究課題・フェーズのコントロール
⽣成チェック＆レビュー (C&R)

輸送・移⾏・回収浮遊⽣成物評価分類
浮遊⽣成物⽣成メカニズム

情報交換

回収・廃棄物評価

浮遊⽣成物輸送メカニズム
核燃料物質移⾏メカニズム

情報交換

浮遊⽣成物回収メカニズム
放射性廃棄物量評価

セシウム移⾏メカニズム

被ばく線量評価
評価関数

・閉じ込め確保に関する基礎・基盤データ・デブリ(ホット試験含む)のデータベース

3. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)

3(1) 廃炉作業のシステム的俯瞰

閉じ込めを確保と、⾼線領域での放射性微粒⼦⽣成を伴う作業の両⽴を図るためのシステムを構築する。
１．閉じ込め確保策の調査検証
閉じ込め確保策の調査作業により⽣じる微粒⼦閉じ込めシステムの概念検討
福島を想定した、閉じ込め確保策検討
２．過去のGB解体などの作業の再評価
放射線管理データの再評価によるデータベース化
海外事例の調査とデータベース化
３．総合的な閉じ込め性能評価⼿法
調査結果、粒⼦⽣成、移⾏、回収などで得られた情報などを統合して、総合的な仕組みを考察する※2.5年で個々のシミュレーション等は、可能。統合化するための設計を、3.で考えていく。

3. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)

4(2.1) 放射性⾶散微粒⼦の⽣成
過去のデータベースや模擬デブリ、燃料ピン等の切断時に発⽣する微粒⼦を観察、評価することにより、その量や粒径分布情報等を得る。粒径分布等のデータベースは粒⼦の輸送・移⾏等の検討に必要なデータである。⽣成メカニズムの解明が進めば、⽣成の抑制の検討も可能となる。
【提案例】
・ MOX燃料ピンの切断に伴う微粒⼦発⽣量・粒径等の評価や過去に切断を⾏った際のフィルタ上の捕集粒⼦評価等

切粉吸引ホース・ ワイヤーソー切断・レーザー溶断等を模擬した微粒⼦の⽣成メカニズム評価や粒径分布の観察、(Amホット試験含む)。

燃料ピンチャック

切断部
ダイヤモンドカッター装着部

MOX燃料ピンの切断⼯程の例

集光加熱による模擬デブリ溶融試験の例

3. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)

5(2.2) 放射性⾶散微粒⼦の輸送・移⾏(気相-1)構造体、配管等の切断作業において、発⽣直後の微粒⼦は数nm〜数100nmであり、電気的作⽤による凝集、周囲の⽔の凝集や吸湿により最⼤約数百μmまで粒径が成⻑する。粒径は、移⾏挙動（重⼒沈降やフィルタ除去）に影響するパラメータである。特に廃炉作業で想定される湿潤雰囲気下での粒⼦挙動（とくに粒径成⻑）について知⾒は僅少であるため、⾼湿度場での粒⼦挙動の把握試験を実施し、データベース構築を⽬指す。

⾼湿度雰囲気下でのｴｱﾛｿﾞﾙ粒径成⻑のｲﾒｰｼﾞ

粒径が重⼒沈降に及ぼす影響の解析例

3. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)

6(2.2) 放射性⾶散微粒⼦の輸送・移⾏(気相-2)
原⼦⼒施設で⽤いられる放射線測定や⼀般のエアロゾル評価に⽤いられるカスケードインパクター
では、デブリ取り出し等で発⽣する浮遊⽣成物の組成やサイズ分布を迅速、且つ、その場で測定することは出来ない。レーザーブレイクダウン分光-質量分析と光散乱を組み合わせたカスケード型
光計測システムを⽤いた浮遊⽣成物のin-situ計測を実施する。

・集光させたレーザーを⽤いて粒⼦のプラズマ化（ブレイクダウン現象）させその発光分光を観測。さらに質量分析から、粒⼦を構成する主成分・微量元素の定性・定量評価を⾏う。
・光散乱を⽤いた粒径分布評価を⾏う。
⼩型化を図り，グリーンハウスの出⼝HEPA
フィルタ前などに設置して，発⽣する微粒⼦の分析をリアルタイムで⾏うシステム開発を⽬
指す．

3. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)(2.2) 放射性⾶散微粒⼦の輸送・移⾏(気相・気液界⾯-1)
放射性微粒⼦(コロイド、イオン含む)の輸送や移⾏挙動を気液界⾯、気中において把握し、総合的閉じ込め性能向上の⾜がかりとする。ミスト⽣成挙動はレーザーによる観測だけでは、粒⼦⼀粒⼀粒に対しての評価が困難であることから、シミュレーションを含め検討する。フィル
タ技術や回収システムの提案もスコープに⼊れる。
１．界⾯からの微粒⼦⽣成基礎挙動評価
気液界⾯からのミスト⽣成挙動をせん断⼒、粒⼦密度(表⾯張⼒)、発熱量などの関数として評価する。

２．微粒⼦吸着挙動評価
粒⼦サイズ(nm〜μm)毎の粒⼦回収挙動を評価する
0.1μmサイズは吸着性能が悪い
M.C.Cadavid‐Rodriguez et al., Hazardous Materials, (2014)73. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)

8(2.2) 放射性⾶散微粒⼦の輸送・移⾏(気相・気液界⾯-2)放射性⾶散微粒⼦を作業空間内に閉じ込めるために、その気液界⾯での移⾏や気中での⾶散、及びHEPAによる捕集後の挙動把握を⾏う。具体的には、レーザーと⾼感度カメラを⽤いて気中の微粒⼦を可視化することにより、効率的に捕集するための情報を得る⼿段を検討すると共に、αダスト特有の線量評価や液相から気相へ移⾏したものの捕集挙動を調査する。レーザーによる計測⼿法は、5年後をめどに廃⽌措置フィールドでの試験を⽬指す。
⾼輝度レーザーシート
⾼感度カメラ

HEPA
攪拌状態(切断を模擬)

捕集後に放射能測定、SEM観察等

バブリング(切断を模擬)可視化⼿法を⽤いた気液界⾯における⾶散挙動把握のイメージ

HEPA捕集試験のイメージ

3. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)

9(2.2) 放射性⾶散微粒⼦の輸送・移⾏(液相-1)
デブリの取出しにおいて発⽣するαダストは、表⾯積が⼤きく、またその表⾯は新しく露出したものであるため、冷却⽔の激しい流れに晒された際、に多くの物質を溶出させることが予想される。そのため、流動環境下での溶出挙動を把握することは重要である。加えて、MCCI⽣成物やコンクリート構造物の掘削に伴い放出されるコンクリート由来の成分は、αダストの溶出挙動に影響を与えると予想される。
流動条件や溶液組成をパラメータに浸漬試験を実施し、その溶出挙動を調査する。また、電気化学的な評価を取り⼊れ、溶出メカニズムの解明や腐⾷電流密度を⽤いた定量的な解析を試みる。
ポテンショスタット

参照電極
Ag/AgCl
液絡作用極
UO2等

対極
Pt

NaOH水溶液等※コンクリート溶出成分

流動場における電気化学的⼿法を⽤いた
溶出試験の模式図

電気化学的⼿法を⽤いた溶出試験の装置案

3. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)

10(2.2) 放射性⾶散微粒⼦の輸送・移⾏(液相-2)微粒⼦の移⾏挙動は沈降やフィルタリングなどの過程により，溶存種よりも複雑になる．また，⾼い⽐表⾯積のため，溶解・再沈殿などの副反応による粒⼦の変質と汚染の拡⼤も想定される．
• 模擬微粒⼦のコロイドとしての特性や格納容器内及び環境中の様々な媒体との相互作⽤を評価・整理し，移⾏モデルの⾼度化に資するデータを取得する．

想定される微粒⼦のサイズ分布，⽐重を下に，モデル微粒⼦を選定し，炉内⽔の組成条件で以下の評価を⾏う。
・ 動的光散乱による安定性評価（沈降実験）
・ バッチ法による付着量評価（付着量評価）
・ カラム法による破過挙動評価（フィルタリング評価）・ 粒⼦サイズを考慮した熱⼒学計算による変質評価

3. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)

11(2.3) 放射性⾶散微粒⼦の回収・廃棄物評価
廃炉作業における切断作業に伴い発⽣する放射性物質(主に粒⼦状物質)の除去においてはHEPA等の⾼性能フィルタが有効である。しかしこれらのフィルタは⾼性能が故、⽬詰まり等により、交換頻度が⾼いため、前段にプレフィルタを設置することが⼀般的である。廃炉においては⾼性能かつ信頼性・保守性の⾼いフィルタシステムの開発が重要である。本提案においてはベンチュリスク
ラバ・気泡微細化装置・デミスタ等で構成される粒⼦除去システムの開発を⽬指す。

OUT
1-1 発生する微粒子、ガス量の推定

HEPA
デミスタ（ミスト除去）
2-３ 粒子発生・計測⇒計測技術の開発

廃炉作業建屋

高速で液相に突入する際の慣性衝突
凝縮核生成装置（粒径成長）
1-2 フィルタシステムの構成検討

2-2 二相流動⇒気泡微細化装置を設計
表面積増大による除去効率向上
2-1 ベンチュリ内部流動⇒高効率ベンチュリを設計

沈殿・溶液回収システム

12

3. 研究テーマのアプローチ⽅法 (研究細⽬)(4) 被ばく線量評価、クライテリアの設定

グリーンハウス内外や敷地境界における線量や放射性物質濃度の合理的な許容範囲の設定にはデブリ由来微粒⼦の⽣体への影響把握が不可⽋である。また作業者の被ばく量の正確な把握のため、フィルタ透過や空間線量の基礎的評価を⾏う。
【提案例】
・ 作業員ならびに⼀般公衆の被ばく線量評価への適応性評価
・ 被ばく低減の観点からの閉じ込め性能検討
・ HEPAへの極微粒⼦のもぐりこみによる検出効率への影響評価
・ 軽元素を随伴するαダストからの中性⼦(γ線)による空間線量率評価
・ 湿潤ダスト捕集後の乾固によるHEPAダストフィルタの透過量評価

研究実施体制
参画機関
（B）

参画機関
（C）

放射性⾶散微粒⼦挙動の解明分野拠点
（A）

参画機関
（D）

13

連携

廃炉作業

連携

他の研究開発
（X）

参画機関
（E）
連携

他の研究開発（Y）「放射性⾶散微粒⼦挙動の解明」研究実施体制••

⻑期にわたる1Ｆ廃炉事業を⽀えるべく、コア⼈材ないしコア研究を中⼼とする拠点が形成され、⻑期的に事業に携わっていくことのできる体制構築を志向する。
廃炉作業や他の研究開発と積極的に連携・協⼒する。

14

研究開発の性質及び施設・設備に関して• 燃料デブリ切削時に発⽣するダストの性状把握や移⾏挙動の解明に係る多くの試験はコールド環境にて実施可能と考えられる。
• 燃料デブリ・マトリックス中のPuやその他の超ウラン元素などに着⽬することも重要であり、試験によってはコールドでの模擬が困難なものも存在する。U試験はもちろんのこと、Pu試験やホット試験におけるデータも必要である。
• Puの取り扱いが可能なホット試験施設(JAEA核サ研・⼤洗研)における試験は運転状況や許認可の問題から、第1期(FY29-31)は限定的なものにならざるを得ない。ウラン試験に関しては各施設、第1期から実施予定。
• 連携研究タスクフォースの考え⽅に基づき、第1期は⼤規模な装置開発や試験ではなく、基礎・基盤研究を中⼼に実施する。

4.中⻑期ロードマップ(実施時期)
2017年度

2018年度

2019年度

15

2020年度以降<廃炉⼯程で発⽣する放射性⾶散微粒⼦挙動の解明>
研究開発戦略の策定 （ニーズの体系的整理／シーズの探索／研究対象・パラメータ整理／etc…） ※ 中⻑期ロードマップ、技術戦略プラン等が変更になる場合はその都度⾒直す。
C&R

C&R

C&R

研究開発(1)︓廃炉作業システムの俯瞰廃⽌措置の実例分析

C&R

C&R
⼀次とりまとめ（必要に応じて継続）GH⼿法の適⽤性評価(コールド)GB解体現場におけるFS研究開発(2)︓放射性⾶散微粒⼦の⽣成
過去のMOX燃料ピン切断の解析

⼀次とりまとめ研究開発(3)︓放射性⾶散微粒⼦の輸送・移⾏・回収
⼿法・体系の構築（必要に応じて継続）

模擬デブリの切削・溶断試験

基礎データ取得

データベース構築

⼀次とりまとめ（ホット試験データの取得・実機サイズでのデータ取得）
実フィールドを模擬した現場でのFS研究開発(4)︓被ばくの低減
ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

HEPA試験

⼀次とりまとめ

⼀次とりまとめ研究開発(5)︓廃棄物低減と総合的閉じ込め戦略
粘性材料等の検討（必要に応じて継続）

作業員・⼀般公衆の被ばく線量評価への適応性評価

閉じ込め試験

（必要に応じて継続）

データベース構築<中⻑期ロードマップ等>
取り出し⽅針の決定

情報反映

初号機の取り出し⽅法の確定

初号機の取り出し開始
燃料デブリの取り出し／処理・処分⽅法の検討 等

原⼦炉格納容器内の状況把握／燃料デブリ取り出し⼯法の検討 等

2017年度

2018年度

2019年度

2020年度以降

4.技術戦略プランとニーズから逆算される実施時期と達成⽬標

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 達成⽬標A︓「総合的閉じ込め戦略に係る基本的な考え⽅」の提⽰（2018年度末）
知⾒の不⾜により具体的なニーズが得られない状況を踏まえて、現在の研究開発動向等を踏まえた知⾒をベースに2018年度末までの成果を加えた「基本的な考え⽅」を提⽰。



必要なホット試験実施項⽬の洗い出し

B︓R&D成果の⼀次とりまとめ結果（2019年度末）

2019年までの研究成果のとりまとめを⾏う。

C︓総合的閉じ込め戦略に係る基礎･基盤データ（2020年度末︖︖）


総合的なデータを引⽤可能な形で整理する。

D︓Puホットデータ、実規模データの提供（202︖年)


模擬デブリやMOXを⽤いたホット試験から得られるデータの提供



実規模で利⽤可能なデータの提供※ 成果の検証等に必要と考えられる現場データやサンプリングニーズについては、その都度関係者に伝えるものとする。

コア⼈材の設定と若⼿⼈材育成

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 コア⼈材の設定• 実施各機関においては、中⻑期的に必要となる⼈材（コア⼈材）を設定し、コア⼈材を中⼼とした研究開発を検討する。

 若⼿⼈材育成のための計画• 中⻑期的に必要となる⼈材を育成する観点から、⼤学・研究機関等間で共同研究を実施する等、連携の強化に努める。
• 廃炉基盤研究プラットフォームの諸活動、福島リサーチコンファレンス等の場を活⽤する。

成果の公開とレビュー

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 評価の視点• 各年度ごとに得られた研究成果を分科会等でレビューし、事業全体の整合性なども含めた研究開発の品質をチェックする。（C&R）• 必要に応じて、C&Rの結果を研究開発戦略へ反映し⾒直す。
• 研究開発の実施者からも積極的に、研究開発戦略への反映点を提案させるとともに、廃炉作業等に貢献できる知⾒をわかりやすく整理し、論⽂化や学会発表等の成果の発信に努める。

 考え⽅• 現象の理解の深化の各段階で、廃炉プロジェクト側と情報交換し、研究成果をデブリ取出し戦略、⼯法の開発、閉じ込め戦略策定に反映させることに努める。
• 現象として未解明な部分も多いので、成果については第三者の学術的なピアレビューを受け、公表することに努める。