口頭発表課題

多様なセシウム汚染廃棄物の中間・最終処分
多様なセシウム汚染廃棄物の中間・最終処分
安全評価のための機関連携による多角的研究
安全評価のための機関連携による多角的研究
受託者
研究代表者

(受託者)国立大学法人北海道大学

国立大学法人北海道大学(研究代表者)小崎小崎

完

完 大学院工学研究院（エネルギー環境システム部門）

大学院工学研究院（エネルギー環境システム部門）

再委託先(再委託先)独立行政法人日本原子力研究開発機構、独立行政法人日本原子力研究開発機構、国立大学法人九州大学、国立大学法人筑波大学

研究開発期間国立大学法人九州大学、国立大学法人筑波大学
平成２４年度～２６年度(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
福島第一原子力発電所の事故によって環境に放出された放射性 Cs の除染を行い、環境修復を図ることは、国家的・社会的に極めて重要で緊急性の高い課題である。一方で、広域での除染活動は大量の Cs 汚染廃棄物をもたらす。この Cs 汚染廃棄物は、有機物や水分を多量に含むものもある等、性状が多様であり、従来の処分研究が対象としていた廃棄物とは大きく異なることから、これらを安全かつ合理的に中間貯蔵あるいは最終処分するためには、科学的基盤を新たな視点から構築する必要がある。
そこで本研究では、福島において現地調査を実施し、自然環境中の放射性 Cs の移行形態ならびに分布状況の経時変化を把握するとともに、廃棄体の性状に関する知見、ならびに土壌中の水及びガスの移行挙動に関する基礎データを収集する。また、現地で採取した環境試料を用いた室内実験を行うことで、Cs の土壌への収脱着挙動に及ぼす鉱物種及び有機物の影響を評価し、それらの挙動を分子動力学法によって解析することで Cs－鉱物－有機物 3 元系での微視的な反応機構の解明を目指す。さらに、微生物体内への Cs の取込・固定化機構、及び根圏内生細菌による植物への Cs 吸収促進機構を明らかにする。以上の結果から、中間貯蔵あるいは最終処分時の Cs の収脱着挙動及び廃棄体の安定性、廃棄体から環境中に再度放出され得る Cs の動態、土壌中の Cs の移行機構の検討を行い、Cs 汚染廃棄物の中間貯蔵及び最終処分の現実的な安全評価に不可欠な基礎データならびに知見を提供することを目的とする。
２．研究開発成果
２．１

現地調査

福島第一原子力発電所事故後に環境中に放出された 137Cs の安全評価のための基礎データとして土壌中の水及びガスの移行挙動の調査を行った。環境中の 137Cs の地下水への移行を評価するため、新鮮落ち葉(以下、落ち葉)およびリターから溶出する 137Cs の環境動態分析を行った。
落ち葉の溶出液中の 137Cs の分画試験と化学形態を測定したところ、137Cs は陽イオン交換態の化学形態であることが明らかになった。リターからの 137Cs 溶出率は 0.1%以下と低濃度であったが溶出液中の 137Cs も陽イオン交換態の化学形態であった。一方、落ち葉-汚染土壌-非汚染土壌を充填した連続カラム（カラム内径: 20mmΦ, 落ち葉:4cm, 汚染土壌:4cm, 非汚染土
壌: 13cm）溶出試験を行ったところ、溶出液中の 137Cs は検出限界以下であり、有機物を多く含む水中でも 137Cs は土壌中に捕捉された。このことから、有機物による鉱物の吸着サイトの阻害より 137Cs の鉱物への取り込みのほうが優勢であったと考えられる。水を介した 137Cs の移行挙動として、福島県内の地下水・湧水中の 137Cs の高感度分析を行った。地下水・湧水を採取した帯水層は、137Cs がファインパーティクルおよび溶存態として土中水と共に移動するのであれ

17

ば、土中水の浸透速度を考慮すると到達可能な深さであるが、地下水・湧水ともに検出限界(0.008Bq/kg)以下であり、土中水とともに移動していないことが示唆された。自然降雨条件下の土中水の鉛直下方の浸透速度より 137Cs の移動速度はるかに遅延していると考えられる。このこと
より多量の有機物を含む落ち葉やリターおよび不飽和層に降下した土壌中の 137Cs は不飽和層から地下水面に達しないものと考えられる。
価するため、天然放射性気30体であるラドン(222Rn)を土した。福島大学構内の温帯混合樹林中で 222Rn に加え、地温、地圧、土壌水分等のモニタリングを 2013 年 8月以来継続してきた。異なる土壌深度で観測された
222

Rn 放射能濃度は、いずれ-3Rn (kBq m )めのトレーサーとして利用

20Tg

25

222

壌空気の動きをとらえるた30
2 2 2 R n (3 0 )b g
2 2 2 R n (6 0 )b g
2 2 2 R n ( 1 0 0 )b g

1020
15010
-1 0
50

Aug.21

Temperature on the ground surface (C)35

土壌中のガスの移行を評-2 0

Sep.16

Oct.16

Nov.16

Dec.16

Jan.16

D a te

図 1 土壌ラドン (222Rn) 放射能濃度および気温の時系列(2014 8 21-2015 2 15)も気象・土壌パラメータに応答した (図 1)。得られた結果から、土壌空気中の 222Rn の拡散過程を考察した。2014 年 8 月からは、土壌表層におけるガンマ線スペクトル測定を開始した。土壌表層の 137Cs 変化と土壌空気（水分）の動きに関してデータ解析を行っている。
２．２

土壌中 Cs の収脱着挙動への有機物影響調査

土壌中 Cs の収脱着挙動への有機物影響に関しては、鉱物影響、有機物影響、分子動力学計算の３つのアプローチから検討した。鉱物に関する調査は、福島第一原発から北西方向に延伸した高濃度汚染地域において採取した民家敷地土壌、田・畑土壌、森林土壌、津波堆積物の表層土（～3 cm）16 試料を対象として行った。
鉱物組成は粉末 X 線回折(XRD)を用いて全岩不定方位試料、水簸（<1μm）定方位試料、水簸定方位エチレ
ングリコール処理、水簸定方位加熱処理（100 oC 5 min,200 oC 1 h, 650 oC 5 min）で測定した。また、連続化学抽出を行い、土壌の放射性 Cs に対して水溶性、イオン交換性、炭酸塩結合種、酸化物結合種、有機物結合種および不溶性に分画して Cs の存在状態割合を測定した。全試料の主要鉱物相は、石英、長石、14 Å 相（バーミキュライト、スメクタイト、緑泥石、）であり、カオリナイト、ギブサイト、10 Å 相（イライト、白雲母、金雲母）、沸石、輝石が多く存在する土壌も存在した(図図2

X 線回折(XRD)による鉱物組成2)。水簸定方位試料（<1 μm）において 14 Å 相、10 Å 相が最も優勢な鉱物相であった。連続化学18口頭発表課題

抽出後の γ 測定から 90%近い Cs が残渣の不溶性画分に含まれた。粘土鉱物相が微量の試料でも同様の傾向が見られ、土壌に微量に含まれるサブミクロンサイズの 14 Å 鉱物相がセシウム保持に十分な吸着サイトを持っており Cs 保持に重要な役割を果たしていることが分かる。また、連続化学抽出で分けられたすべての画分（水溶性を除く）において各放射能と画分前の全土壌放射能の間に正の相関関係が見図3られた。これらの結果は、化学組成、鉱物組成、全放射能

フレイドエッジサイトに依存せずに主要な Cs 保持媒体である 14 Å 鉱物相が一定の割合で Cs と結合することを意味するとともに、他の化学形態は全放射能に依存して寄与が変化することを示している。また、河川流量の多い時に上流から運ばれてきた土壌堆積物も同様の鉱物相と Cs 保持形態を示し、その顕微解析からフレイドエッジサイトの存在を確認した(図 3)。
高濃度汚染地域で津波の影響を受けた土壌(①)と受けていない土壌(②)２種類を採取し、○：土壌① 安定同位体Cs●：
放射性同位体Cs◇：土壌② 安定同位体Cs◆：
放射性同位体Cs+

K イオンを用いて事故由来の放射性 Cs 及び安定同位体 Cs の脱離を行った(図 4)。土壌①については、脱離イオンの低濃度域では安定同位体の分配係数 Kd 値が高く、脱離イオン濃度の上昇に伴って減少する傾向を示した。
また、放射性同位体 Cs と安定同位体 Cs のKd 値は脱離イオン濃度が 0.2 mol/L 程度で一致した。一方、土壌②では、放射性 Cs の Kd

図4値は土壌①と同程度であったが、安定同位体K+イオンによる脱離Cs の Kd 値が 102 倍程度高くなった。土壌①、②の有機物含有量、放射性 Cs 濃度は同程度であったが、津波の影響の有無が異なっており、安定同位体 Cs の濃度は土壌②の方が土壌①よりも 102程度大きかった。放射性 Cs 及び安定同位体 Cs の挙動の違いが、津波による土壌の攪乱や塩水浸入などに起因しているのかを現在調査中である。
分子動力学計算では、2:1 層状ケイ酸塩であり高い構造電荷(o= 1.0)を持つマイカを用いて鉱物エッジでの錯形成サイトを明らかにし、錯形成に与える pH の影響について検討した。まず、Csを導入しない K-マイカのみの系で力場を確認し、エッジ部分の構造のシミュレーションを行った
結果、K-マイカ層間の高い構造電荷により、エッジ部分の八面体シート中の Al が三方両すい型や四面体の配位構造などに歪められること、また Al が三方両すい型に変形するのに伴い Si-四面体の反転が起こることがわかった。pH=pKa 及び pH>>pKa の条件で Cs の吸着シミュレーションを行ったところ、エッジでの収着サイトはエッジ面の３つの空孔であり、K-マイカエッジでの Cs 吸着シミュレーションは構造電荷を持たない層状ケイ酸塩であるパイロフィライトエッジでのシミュレーション結果と一致したが、K-マイカの方がエッジ部分の粘土構造の歪みが大きく、また Cs+と層間に存在する K+の間に収着サイトに対する競合が見られた。
２．３

Cs の収脱着挙動に及ぼす微生物影響調査

微生物影響に関しては、酵母及び根圏に生息する内生細菌について調査を行った。放射性 Cs19

の移行への微生物の活性の影響を酵母を用いて調べた。特に酵母の活性の有無による影響の違い、及び鉱物存在下での取り込みについて検討した。その結果、微生物の活性がある状態での Cs 取り込み量は休眠状態よりも大きかった。酵母細胞表面にはカルボキシル基などの官能基が存在する。したがって、酵母の活性がある場合には細胞表面への吸着と細胞内への取り込みにより濃集すると

図 5 Radioactivity in yeast cells after culturingin the YPD Broth medium containing 137CsCl and eachmineral. Niki: Niki cho, Hokkaido, SA: SouthAfrica, CH: China.

考えられる。さらに、培地中に鉱物を添加することにより取り込み量の減少が見られた。取り込み量は鉱物種により異なり、ゼオライトやバーミキュライトの添加による減少が顕著であった。
これらの結果から、酵母への Cs の濃集は、活性条件下では細胞内への取り込み、及び鉱物との競合による濃集機構であることが分かった。現在、土壌カラムを用いて Cs 移行への微生物の影響を放射性 Cs 濃度が高い植物種であるコシアブラの根に生息する内生細菌に関する研究では、内生細菌の産生物が土壌の不溶態放射性 Cs を溶脱させることで、本植物における放射性 Cs の吸収促進に関与している可能性を明らかにした。放射性 Cs の高濃度吸収が確認さ対照区に対する溶脱比調べる試験を実施している。
5.206.696.646.70

れたコシアブラ根から分離した内生細菌 463 株を活性試験に供したところ、24.0 %の株に Fe と Al との錯体
図 6 内生細菌産生物による土壌からの放射性 Cs 溶脱。対照区（培養液のみ）の強く吸着していることが知られているが、内生細菌の 放射性 Cs 溶脱量は 0.78 Bq/mL であり、産生する Fe、Al と錯体形成する化合物は粘土鉱物を破 この値を 1 として比を算出した。バーの数値は各菌株の培養濾液の pH を示す。対壊し放射性 Cs を溶脱する可能性が示唆された。実際、 照区の pH は 6.77 であった。
形成活性が確認された。放射性 Cs は土壌の粘土鉱物に特に高い活性を示した 4 株の産生物を用いて高濃度放射性 Cs を含む土壌（有機物分解後の土壌）からの放射性 Cs 溶脱を分析した結果、2 株の産生物において対照区と比べ 14%～20%の放射性 Cs 溶脱が確認された(図 6)。コシアブラは、Mn を超蓄積する植物種であり、特殊な元素吸収機構を有する可能性が示唆されている。内生細菌産生物のMn との錯体形成活性を試験するとともに、コシアブラ代謝産物の Fe、Al、Mn との錯体形成活性を試験することで、植物・内生細菌産生物の両面から放射性 Cs 吸収機構を解明する予定である。
３．今後の展望
今後は、サブテーマごとに上記に挙げた課題に取り組み、土壌中の水及びガスの移行、土壌中の鉱物・有機物及び微生物が Cs の移行挙動に与える影響について明らかにする。さらに、それぞれの成果を統合し、除染廃棄物からなる廃棄体のソースタームを検討する際の配慮事項としてまとめる予定である。
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