表面・界面効果を考慮した溶融燃料中の揮発性核分裂生成物の挙動評価
表面・界面効果を考慮した溶融燃料中の揮発性核分裂生成物の挙動評価
受託者

国立大学法人大阪大学

研究代表者

黒崎

再委託先

(研究代表者)黒崎健 大学院工学研究科
国立大学法人福井大学

研究開発期間(再委託先)国立大学法人福井大学
平成２４年度～２６年度

健(受託者)国立大学法人大阪大学

大学院工学研究科(研究開発期間)平成２４年度～２６年度

１．研究開発の背景とねらい
平成 23 年 3 月、福島第一原子力発電所においてシビアアクシデントが発生し、燃料、被覆管をはじめとする炉心構成物及び燃料中の核分裂生成物（Fission Product、以下 FP とする。）が高温

ポスターセッション課題

水蒸気雰囲気下という特殊な環境にさらされた。その結果、炉心構成物は溶融し溶融燃料となり、FP は環境中に放出され、周辺環境を汚染するとともに公衆被ばくを引き起こした。事故後、事故の原因究明のための分析や発電所を安定化させるための対応が行われているが、これらの対策の中でも、とりわけ、揮発性の高い化学種を有する FP であるセシウム（Cs）とヨウ素（I）のシビアアクシデント時の溶融燃料からの放出挙動を評価することは、Cs による周辺環境汚染と I による公衆被ばくの程度を評価するうえで、近々で解決すべき重要な研究課題とされている。
Cs や I の溶融燃料からの放出挙動に関しては、1979 年のスリーマイル島 2 号機（TMI-2）事故
以降、シビアアクシデント時のソースターム評価として、国際協力研究や各国独自の研究として実施されている。しかしながら、従来研究においては、溶融燃料から FP が放出されるタイミングと量は評価されているものの、溶融燃料表面から FP が放出される際の FP の化学形態は完全には解明されていない。放出される FP の化学形態は、放出後の FP の移行挙動や物性にダイレクトに影響を及ぼす。従って、溶融燃料からの FP の放出挙動の本質を理解し、既存のソースターム評価の高精度化につなげていくためには、溶融燃料の表面あるいは溶融燃料と異相との界面におけるFP の化学形態を正確に評価することが最優先課題となる。
このような背景のもと、本研究では、表面及び界面の効果を考慮した相状態評価を通して、溶融燃料の表面・界面近傍の揮発性 FP の化学形態を正確に理解することで、既存のソースターム評価の高精度化に資することを目的とする。
２．研究開発成果
２．１ Cs、I 化合物の表面・界面エネルギーの評価
ここでは、界面エネルギーを評価するために、CeO2 や UO2 と溶融した揮発性 FP 化合物との接触角を測定する。異相界面での表面エネルギーを求めるための接触角の測定方法としては、図１に示す 2 面角測定法と静滴法がある。

: 界面エネルギー(SV :固相-気相、SL :固相-液相, LV :液相-気相): 粒界エネルギー

図１ ２面角法（左）と静滴法（右）の原理

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静滴法では、固体と溶融物とが接触した際の接触角 θ を直接測定することにより γSL を直接評価する方法である。しかしそれには、高温での固液界面の顕微鏡観察が必要となる。この試験には特別な装置を要するため、まずは比較的簡単に実験できる２面角法を採用することとし、物質としては取り扱いの容易な CeO2 を模擬燃料として採用した。２面角法では、液相がない場合、すなわち固体とその気体種が接触している状態での接触角 ψ と、液相と接触した後の接触角 φを測定し、(1)～(3)式を用いて固体と液体の界面エネルギーγSL を評価する。従って、燃料と溶融 FP とを接触させた時とさせない時の粒界角を測定し、その差から界面エネルギーを評価することになる。
２面角測定実験のプロセスを図２に示す。焼成（１.）および再焼成（４.）は、1450 ℃、20 hの条件とした。表面研磨（２.）は、研磨シート#2000 からダイヤモンドシート 0.1m まで非常に細かく行なった。仮焼成（３.）は、研磨や切断によって生じる試料におけるストレスを除去するために 800 ℃、1 h の条件とした。最後の熱処理は、700 ℃、10 h の条件とした。例として、CsIに浸漬していない CeO2 試料の測定部分の SEM 観察像を図３に示す。図３の中で θ と示した部分が測定した接触角である。なお、接触角の測定は、可能な限り２つの結晶粒界が直線（図３の写真では真下に伸びている部分）となる面で測定を行った。このような測定を１つのペレットから切り出した複数のサンプルについて行い、270 点の測定データを合わせて統計処理した。

１．焼成後試料（CeO2、UO2）
２．研磨・切断
３．仮焼成（研磨などによるストレス除去）

θ

４．再焼成（粒界出し）
５．SEMによる粒界の確認
６．CsI浸漬試料準備
７．熱処理（CsI浸漬有、無）８．SEMによる２面角の評価

図２２面角測定実験のプロセス

図４

図３

CsI 未浸漬 CeO2 試料の SEM 観察結果

接触角測定結果

結果の一例を図４に示す。CsI 未浸漬および浸漬 CeO2 の接触角は約 127°で、浸漬および未浸42漬で有意な差は見られなかった。また、TEM 観察を行った結果、CsI の CeO2 結晶粒内の残存といった化学反応の痕跡は確認できなかった。以上より、CeO2 における２面角法による接触角測定では、CsI の浸漬の有無で、粒界角に優位な差がないことがわかった。
CeO2 で行なった２面角測定実験の結果をもとに、UO2 を用いて図 2 に示したプロセスで同様の実験を行なった。粒界出しのために行なった再焼成後の SEM 観察結果を図５に示す。その結果、CeO2と同様に２面角を測定できる程に粒界が現れていることが確認できた。

ポスターセッション課題

θ

図５２．２

熱処理後の UO2 試料の SEM 観察結果（この図の場合、２面角θ=119.6°）

表面・界面エネルギーの効果を考慮した化学平衡計算

本研究の目的は、表面・界面効果を考慮した熱力学平衡論に基づいて、シビアアクシデント時における溶融燃料中の FP（揮発性核分裂生成物）種の化学形態ならびに揮発挙動を精密に評価することである。昨年度の研究においては、H24 年度にて公開文献をベースに構築した、主要な FP種を含む溶融燃料系（U-Zr-Cs-I-0-H-Fe-B-C）に対する初版熱力学データベースを用いて、多元系模擬燃料組成に対するシビアアクシデント条件下でのバルクスケール相平衡ならびに FP 種の揮発挙動の予測を試みるとともに、実験により別途評価した、FP 種（CsI）に対する熱力学的物性値データ等に基づき、溶融燃料系に対する改良型熱力学データベースの構築を行った。
本年度の研究においては、まず昨年度に構築した、溶融燃料系に対する改良型熱力学データベースを用いた化学平衡計算によって、シビアアクシデント条件下におけるバルクスケール相平衡および FP 種の揮発挙動の高精度な評価を試みること、さらに CFE 法（Constrained Free Energyminimization method）に基づく、表面・界面効果を考慮した化学平衡計算によって、FP 種の化学形態、分布状態ならびに揮発挙動に及ぼす異相界面の影響を明らかにすることを目標に、種々の検討を行った。
まず、改良型熱力学データベースを用いたバルクスケール化学平衡計算について、表 1 に示す模擬デブリ燃料を対象とし、種々のシビアアクシデント条件下における相平衡ならびに FP 種を含む各種成分の揮発挙動の高精度評価を試みた。その結果、改良型熱力学データベースを用いた溶融燃料に対する相平衡の計算結果は、昨年度に得た、初版熱力学データベースを用いた場合の結果と基本的には同等であるが、溶融燃料に含まれる FP 種（Cs、I 等）の存在形態ならびに液相中への存在量について、従来よりも厳密な評価が可能であることがわかった。また、FP 種の揮発挙動について、改良型熱力学データベースの利用による従来よりも厳密な評価の結果、特に高 H2O、高酸素雰囲気の場合（PH2O = 0.1 atm, PO2 =0.21 atm）には、これまで考慮していた CsI、Cs、I2、43

CsOH 以外に CsBO2、Cs2MoO4 等に対する蒸気圧が高く、シビアアクシデント条件下における FP 種の揮発挙動を厳密に評価する上で考慮すべき重要な因子になり得ることを見出した（図６）。
また、表面・界面効果を考慮した溶融燃料中 FP 種の挙動評価のために、最新版の熱力学プロセスシミュレーションソフト SimuSage を、本プロジェクト専用の化学平衡計算用ワークステーショ
ンへ導入し、まずヨウ化セシウム（CsI）と種々の模擬デブリから成る異相界面を対象とした基本的な系について、CFE 法に基づく界面効果を考慮した FP 種化学形態評価計算の準備を現在進めている。なお、これに先立ち、FP 種を含む液相（CsI）と、種々のデブリ構成材料の反応性について、改良型熱力学データベースを用いてバルクスケール化学平衡計算を行った結果、CsI 液相中への固相成分（U、Zr）の溶解度は僅かであるが、一方で Cs および U または Zr から成る複合酸化物が、微小量ではあるものの形成される可能性が見出された。そこで、これらの複合酸化物の生成挙動ならびに FP 種の分配・揮発挙動へ及ぼす異相界面の効果を調査するために、ヨウ化セシウム（CsI）/固体 UO2 または ZrO2 間の界面エネルギーを考慮した、CFE 法に基づく化学平衡計算を今後試みる方針である。
表１ 熱力学平衡計算を行った模擬デブリ燃料の初期組成
投入量 [g]Sample 1

UO2

ZrO2

Fe2O3

CsI

B 4C

SrCO3

Mo

4.75252.7812

1.62880.052

0.04930.01910.0298(a)(b)

図６ 溶融燃料系に対する改良型熱力学データベースを用いた熱力学計算による、模擬デブリ組成に対する(a)ガス相を除く平衡相、(b)FP 種を含む揮発種の蒸気圧、の計算結果
３．今後の展望UO2 の２面角測定においては、CsI 浸漬試料および未浸漬試料に対して適切な熱処理を行う。熱処理後の２面角を測定することで CsI が UO2 の２面角に与える影響を評価する。また、高温観察ユニット付イメージ炉を用いた静滴法による UO2 の接触角測定を行う。これらの結果をもとに、
UO2、Cs、I 化合物の表面・界面エネルギーの正確な評価を行う。一方、熱力学計算に関しては、
ヨウ化セシウム（CsI）/固体 UO2 間の実験から得られた界面エネルギーを考慮した、CFE 法に基づく化学平衡計算を行う。

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