放射性物質によるコンクリート汚染の機構解明と汚染分布推定に関する研究

名古屋⼤学，東京⼤学

丸⼭⼀平

国⽴環境研究所⼭⽥⼀夫

東京⼤学（元東北⼤学）

五⼗嵐豪

太平洋コンサルタント

芳賀和⼦

⽇本原⼦⼒開発機構

駒義和

⽂部科学省国家課題対応型研究開発推進事業「英知を結集した原⼦⼒科学技術・⼈材育成推進事業」・「放射性物質によるコンクリート汚染の機構解明と汚染分布推定に関する研究」JPMX 17D17948568
1背景 本研究の位置づけと⽬的
1Fの廃炉作業の設計におけるコンクリートに関連する必要な情報
除染⽅法の選択のための汚染機構
部位・核種ごとの汚染分布情報
廃棄物量および濃度の推計

本研究の⽬的事故後から将来にわたるコンクリートの汚染分布の推定をするための基盤情報の提供
数値モデルによる核種の移⾏計算⼿法の提⽰、それによる試算の実施
実施内容
事故前後の1Fコンクリートの状態の経年変化を考慮することが必要• 炭酸化やCa溶脱などのコンクリートの変質 （拡散・収着の影響要因）• 乾燥状態で⽔が接触した際の吸⽔による⽔の移動 （核種の移流）
変質を模擬した試料による実験的検討、モデル化の検討を実施• ひび割れは本研究では取り扱わない2

背景 本研究と福島第⼀原⼦⼒発電所廃炉ニーズとの関係性
福島第⼀原⼦⼒発電所廃炉のための『基礎・基盤研究の全体マップ』

3

3

背景 本研究と福島第⼀原⼦⼒発電所廃炉ニーズとの関係性
福島第⼀原⼦⼒発電所廃炉のための『基礎・基盤研究の全体マップ』

PCV・RPV内部の構造物の汚染状況把握[課題‐ニーズ番号:デブリ‐102]

燃料デブリのサンプリングや燃料デブリ取り出しを安全かつ効率的に⾏うためには、構造健全性やアクセスルート構築の観点から原⼦炉圧⼒容器、炉内構造物やその他構造物、配管の機械的な損傷・変形状況を把握する必要がある。特に配管やRPVペデスタル等のコンクリートの汚染機構について原理的な理解に裏付けられた評価⼿法の確⽴が望まれる。

炉内・建屋内の汚染状況の把握 (解体のための)[課題‐ニーズ番号:解体‐101]

 効果的・効率的な除染を⾏うためには、建屋の⼤部分を構成するコンクリートの汚染機構の原理的な理解、コンクリート内汚染物の化学的状態把握に裏付けられた評価⼿法の確⽴が望まれる。
 解体時におけるコンクリートおよび構造物からの汚染物の剥離、分離、再拡散挙動を把握していることが望ましい。

⼤量の発⽣が⾒込まれるコンクリート廃棄物の処理・処分⽅法を検討する上でもコンクリートの汚染機構の原理的な理解は極めて重要

44

背景 建屋の履歴と現状を考慮した汚染状態
事故前環境

事故後環境

 部位によってコンクリートの環境条件が異なる‐ 表⾯被覆材の有無（炭酸化）‐ ⾬がかり（乾湿繰り返し）の有無‐ ひび割れ（乾燥収縮、温度応⼒、地震）の有無

 事故後の建屋内には複数の放射性核種が存在（Cs、Sr、α核種等）
 コンクリートの部材によって放射性核種との接触状態が異なり、核種の分布や浸透状況も異なる（濃度⽐、飽⽔ or 乾湿繰り返し）
 地震によって構造的な影響を受けたコンクリート部材もあり

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本研究の実施内容
現状の把握［⽬的］ 事故後から将来にわたる汚染分布の推定をするための基盤情報の提供○1Fのコンクリートの状態把握

現場コンクリートの特徴と汚染状況推定• 事故前後の1Fの状況• 核種浸透への影響要因
構成材料 （セメント種類、⾻材中の粘⼟鉱物）
状態 （乾燥、溶脱・炭酸化等変質）
核種の種類、濃度 （Cs、Sr、α核種）

 環境条件の変化・材料特性に関する調査
 長期材齢試料の水和の状態に関する調査 コンクリートと接触する汚染水性状の整理（太平洋コンサルタント、JAEA）

コンクリートの特徴(構成材料／状態)が核種の収着・浸透・溶出に及ぼす影響の実験的検討

評価/予測⼿法の開発○実験による現象把握
変質状態（乾燥、炭酸化、溶脱）を模擬した試料での、核種の吸脱着特性と移動の評価

 模擬変質試料を用いたCs、Srの浸透挙動と汚染試料からの溶出挙動の評価（国立環境研究所、東北大、名大）

α核種による汚染メカニズムの実験的検討
 α核種による吸着・浸透挙動の評価 （JAEA）○ モデル化の検討
コンクリート中の水分移動と核種の浸透挙動の評価

将来の汚染分布の推定

汚染状況および浸透挙動の評価/予測手法（モデル化）の検討
 コンクリート中の液水移動に関する評価 （名大） 相平衡‐多元素移動モデルによるCs、Srの浸透挙動のシミュレーション（太平洋コンサルタント）6

現場コンクリートの特徴と汚染状況推定
現場コンクリートの調査<試験片作製>⽂献情報に基づき当時の採⽯地を調査し、サンプリング

緑⾊欄：採⽯場所をほぼ特定できた産地
⾚字：試験体作製に⽤いる⾻材として取得 ⻘字：少量取得（参考情報）
号
炉

セメント

粗⾻材

粗⾻材産地

川砂利
砕⽯
川砂利
2 フライアッシュB種
砕⽯
川砂利
3 フライアッシュB種
砕⽯
川砂利
フライアッシュB種
⼭砂利
4

福島県新⽥川福島県富岡町滝川
福島県新⽥川福島県富岡町滝川
福島県新⽥川福島県富岡町滝川
福島県新⽥川普通
⼭砂利
フライアッシュB種 川砂利

福島県富岡町滝川
福島県新⽥川156普通

福島県⼩久・折⽊

細⾻材

細⾻材産地

川砂

宮城県阿武隈川

川砂

福島県新⽥川宮城県阿武隈川川砂

福島県新⽥川

川砂
⼭砂
砕砂
川砂
川砂

福島県新⽥川福島県⼩久・折⽊福島県駒ケ嶺
福島県新⽥川宮城県阿武隈川宮城県阿武隈川福島県新⽥川宮城県阿武隈川宮城県阿武隈川福島県新⽥川福島県⼩久・折⽊

普通⼭砂利

福島県富岡町滝川

川砂

普通川砂利

福島県新⽥川川砂

フライアッシュB種 ⼭砂利 福島県⼩久・折⽊・滝川

川砂⼭砂*1「平成26年度⾼経年化技術評価⾼度化事業（コンクリート構造物の⻑期健全性評価に係る調査研究）」成果報告書、pp.4‐207‐211（2015.3）

調査結果に基づき、使⽤材料（セメント/⾻材）、配合⽐、変質状態（乾燥/炭酸化/溶脱）を模擬した
モルタル試料を作製
・セメント種類：OPC、FAC（B種）
・骨材種類：石灰石（洗浄）
川砂（粘土鉱物、現場骨材想定）・配合比：（水セメント比）0.55（砂セメント比）2.49<コンクリートと接触する汚染水性状の整理>
原⼦炉建屋等の滞留⽔に関する分析データを調査→ 調査結果に基づき、浸漬試験/境界条件を設定＜滞留⽔中の Pu 核種の分析データの例*2＞
10410 -310 -410 -510 -6102

10 -710010-2

凡例◆ 2号機PCV滞留⽔※2▲ 3号機PCV滞留⽔※2● 1号機PCVガス凝縮⽔● 1号機R/B滞留⽔● 1号機T/B滞留⽔※2◆ 2号機T/B滞留⽔▲ 3号機T/B滞留⽔■ 集中廃棄物処理建屋滞留⽔※1（⽩抜きは縦軸の値が検出下限値）※1：2012年度〜2015年度取得データ※2： 2016年度取得データ

10-4100102

104106108

7*2 廃炉・汚染⽔対策チーム会合／事務局会議（第44回）,資料3-4, 平成29年7⽉28⽇.

コンクリートの特徴(構成材料／状態)が核種の収着・浸透・溶出に及ぼす影響の実験的検討
現実的な濃度でのCsとSrの浸透挙動 ＜イメージングプレートによるRI浸透分布評価＞•CsClとSrCl2の混合溶液に53日間浸漬•CsCl: 25 μM (33 ppm), 137Cs-667
Bq/mL.
•SrCl2: 90 μM (8 ppm), 90Sr- 222 Bq/mL.
•放射能濃度既知の標準試料とともにイメージングプレート上に暴露した、オートラジオグラフィ• コンクリートのような多孔体中の物質移動予測には、イオン移動を、固相による吸着を伴う拡散現象とみなす。
• この予測には、コンクリートの実効拡散係数と評価イオンの吸着挙動を実験的に決める必要がある。
• 材料効果として、セメント種類と粘⼟量が違う⾻材種類を取り上げた。
• 浸透深さ：Cs>Sr, 普通セメント>フライアッシュセメント, 粘⼟影響なし。
• 別の実験によると、CsとSrの浸透に関する共存効果は認められていない。

8

コンクリートの特徴(構成材料／状態)が核種の収着・浸透・溶出に及ぼす影響の実験的検討
乾燥炭酸化試料へのCsとSrの浸透Ca溶脱

Concentration (mass%)100

Cs-carb.
Cs-soundSr-carb.
Sr sound10

セメントペースト
1M CsCl溶液浸漬7日断⾯のEPMA分析

炭酸化⇒吸着量増加

1炭酸化⇒より深い浸透

炭酸化領域

0.10.010.001
05Depth(mm)1015

Haga et al., 2019

乾燥炭酸化試料の真空吸水(17時間)
濃度10 μM• セメントペーストの濃厚溶液への浸漬試験では、炭酸化とCa溶脱により、CsとSrの吸着量はそれぞれ1桁程度増加する。浸透深さは、炭酸化深さ分、⼤きくなる。
• 乾燥炭酸化モルタルを真空吸⽔させると、17時間のうちに、Csは20mm、Srも10mm程度の浸透を⽰した。ただし、⾼濃度領域は表⾯部分に限定される。

9α核種による汚染メカニズムの実験的検討
セメント硬化体へのα核種の浸透に関する検討

試験⽚中のPu-239濃度 (Bq/g)＜Pu-239濃度の深さ依存性＞
1E+6
1E+5
1E+4

OPC:健全(27d)
FAC:健全(27d)
OPC:炭酸化(27d)
FAC:炭酸化(27d)
OPC:乾燥(0.2d)
FAC:乾燥(0.2d)

1E+3
1E+205
深さ(mm)

10

表層0〜1mmも浸漬⽇数に依存 浸漬期間が同じOPC/FACと健全/炭酸化に差はない
セメント組成や表層pHの影響がない 乾燥条件でも挙動は同じ
吸⽔による内部への浸透の効果は⾒られない

試験⽚中のPu-239濃度 (Bq/g)

コンクリートに浸透するα核種の深さを評価するため、変質を考慮したセメント試験⽚の浸漬を実施＜浸漬⽇数依存性＞
1E+60~1mm

1E+5
1E+47~10mm

1E+3
1E+201020

浸漬⽇数（⽇）30× ブランク 表層のPu収着量が飽和
12⽇と27⽇で変化なし
建屋コンクリートの表⾯積からPu収着の最⼤量を⾒積もることが可能

セメント種・変質状態によらず、Puは表層(1mm以内)に留まる
10

汚染状況および浸透挙動の評価/予測⼿法（モデル化）の検討
コンクリート中の液⽔移動に関する検討
乾燥コンクリートへの⽔の浸透と、吸⽔によるコンクリートの特性変化の評価
20℃
全体の吸⽔60℃

微細空隙中の⽔粗⼤空隙中の⽔

Gel pore waterInterlayer water

C‐S‐H sheet (mono C‐S‐H layer)• ⼤きな空隙から吸⽔された⽔分が微細構造(ゲル空隙、層間空隙)に再配分される傾向がある。
• 温度が⾼い⽅がC-S-Hのゲルが吸⽔する速度が速い。
• ゲルの膨潤による⽑管空隙量の減少が⽣じており、空隙径の減少、連続性の減少が吸⽔後に⽣じるため、⻑期的な吸⽔挙動速度が低下する。
11

汚染状況および浸透挙動の評価/予測⼿法（モデル化）の検討
コンクリート中の液⽔移動に関する検討
乾燥コンクリートへの⽔の浸透と、吸⽔によるコンクリートの特性変化の評価• 温度によって吸収速度の変化速度が⼤きくなる• 空隙構造変化の温度依存性を考慮することで説明が可能• 含⽔率と（変化する）空隙構造に依存する⽔分移動を考慮した⽔分移動モデルによって浸透深さを評価可能• ⼯学的には⼗分時間がたったのちに空隙構造が安定したのちの⽔分移動を考慮すれば、予測には⼗分役に⽴つ。
12

汚染状況および浸透挙動の評価/予測⼿法（モデル化）の検討
１F建屋コンクリートのCs、Sr浸透計算<解析⼿法の概要>

モノサル
フェート

⾻材

 多元素移動計算（Poisson-Nernst-Planck equation）
 元素の移動は、濃度勾配と電位勾配を組み合わせた流速を表すPoisson-NernstPlanck⽅程式を有限要素法（FEM）で解く
 相平衡計算(熱⼒学) 相平衡計算にはPHREEQCを使⽤
 C-S-Hの構造を考慮できるNonatモデル※をPHREEQCに実装
 C-S-H、⾻材へのCs,Sr,Na,Kの収着モデルを実装※A.Nonat︓The structure and stoichiometry of C-S-H, Cement and Concrete research, 34, pp. 1521-1528(2004)13

汚染状況および浸透挙動の評価/予測⼿法（モデル化）の検討
１F建屋コンクリートのCs、Sr浸透計算＜汚染⽔性状の調査結果に基づいた接触⽔組成変化の設定＞＜変質OPCの吸着試験の評価(実験値vs計算値)＞

解析に使⽤した境界条件の分類[ⅰ]海⽔[ⅱ]⾼濃度汚染⽔[ⅲ]汚染⽔濃度が低下[ⅳ]低濃度で⼀定[ⅰ] 海⽔解析対象期間2011年3⽉11⽇起点の年⽉⽇※
経過⽇数2011.3.11[ⅱ] 汚染⽔（⾼濃度）2011.3.12

1

2012.2.1326

2012.12.1629

境界条件名[ⅲ]-1 汚染⽔（除去設備等の運⽤により濃度減少）[ⅲ]-2汚染⽔（濃度減少継続中の中間時点）[ⅲ]-3 汚染⽔（放射性核種以
2015.1. 1
外は地下⽔組成となる時点）[ⅳ] 汚染⽔（すべての元素が 2017.3.1〜低濃度で⼀定となる時点）
2017.3.24

建屋滞留⽔中の134Cs, Cl
濃度推移(FRAnDLi)

1389
2178〜
2201

14汚染状況および浸透挙動の評価/予測⼿法（モデル化）の検討
１F建屋コンクリートのCs、Sr浸透計算
 塗膜の有無で炭酸化の有無が異なることが想定される→炭酸化していない条件でも計算
オレンジ︓⾻材に収着

緑︓C-S-H(セメントペースト)に収着 ⿊︓全量

Csの浸透プロファイル

Srの浸透プロファイル

 炭酸化していないコンクリートのほうが若⼲内部まで浸透。炭酸化部分への収着により、浸透が抑えられた
 Csは⾻材への収着が、SrはC-S-Hへの収着が⽀配的
15
 約10㎜程度しかCs、Srともに浸透していなかった

今後の展望本報告での取り組み

次フェーズからの取り組み (R2年度〜)(H29〜R1年度英知事業)

実際の鉄筋コンクリート部材の状態を考慮した放射性核種の⻑期的な浸透・溶出挙動の解明

基礎的な知⾒・基礎データ集積

研究の全体像<状態設定>
材料・セメント種類
・⾻材(粘⼟影響)
・鉄筋・塗膜材(エポキシ)

各鉄筋コンクリート部材(状態)‐ (⽬に⾒えない)微細乾燥ひびわれ‐ 乾燥収縮／温度応⼒ひび割れ‐ 地震荷重／爆発‐ 事故後熱勾配‐ エポキシ塗装、中性化

・飽⽔度‐ 事故前乾燥＋事故後湿潤＆乾燥

・構造部材位置
・中性化
・乾燥

事故後環境
・汚染物質濃度(137Cs, 90Sr, α)・⽔(海⽔, 循環⽔, 地下⽔, 降⾬)・乾燥<廃棄物の状態推定>
汚染状況推定

・ひび割れ

・表⾯状態

事故前環境

<表記注釈>
斜字:H29‐R1年度
下線:R2年度〜
斜字+下線 :H29‐R1年度は基礎, R2年度〜応⽤

実機変質履歴を考慮したコンクリート部材の汚染状況の推定情報<浸透挙動の数値解析>
⻑期的浸透予測

部材別 汚染濃度別
定量的物量予測・相平衡物質移動(収着・多元素相互作⽤)

・⾮定常⽔分移動
・ひび割れ影響<収着・浸透の実験的評価>
基礎データ: 収着・浸透試験＆分析⽅法
検証 (可能であれば実コンクリート)・補正 16まとめ総括• 飽⽔試料への Cs の浸透挙動は、普通セメントよりもフライアッシュセメントを⽤いた条件、炭酸化させた条件、⾻材中の粘⼟鉱物が含まれる条件において浸透深さが低下することが確認された。
• 飽⽔試料への Sr の浸透挙動は、普通セメントよりもフライアッシュセメントを⽤いた条件、炭酸化させない条件において浸透深さが低下したが、⾻材中の粘⼟鉱物の影響は⼩さかった。
• Cs は Sr よりも数倍程度浸透することが確認された。
• 乾燥炭酸化試料へは、Cs、Sr とも飽⽔試料よりも内部へ浸透した。
• Pu については、セメントの種類、変質状態によらず析出して移動しにくい状態となり、表層に集中していると考えられた。
• ⽔の浸透挙動は、吸⽔初期はセメントペースト中の C‐S‐H の空隙構造変化が⼤きく影響すること、その後はt 則に従う。
• 収着モデルを実装した浸透挙動予測モデルによって汚染⽔に接していた対象コンクリートへのCs および Sr 浸透の数値シミュレーションモデルを構築した。
今後の展望

令和２年度英知事業 課題解決型廃炉研究プログラム（⼀般研究）「合理的な処分のための実機環境を考慮した汚染鉄筋コンクリート⻑期状態変化の定量評価」• ひび割れを含んだより現実に近いスケールでの試験の実施• 放射性核種の浸透挙動の数理モデルの⾼度化• 数値シミュレーションを⽤いた建屋スケールでの将来予測システムの構築
17以下、補⾜18⾰新性・独創性・新規性
理論的アプローチによるコンクリート部材の状態設定＜コンクリート部材断⾯の模式図＞• 事故時/事故後に種々の作⽤を受けたコンクリート部材における、ひび割れ量・幅・分布・深さをメソスケールの概念を適⽤し、⼒学的に評価• コンクリート、モルタル、セメントペートの体積変化・剛性・強度に関するデータベースを実験により構築• 解析⼿法にはRBSMを使⽤

ひび割れの状態/環境条件を想定した核種の浸透挙動の実験的検証と数値解析モデル化• ひび割れのあるモルタル、コンクリート試験体への浸透評価• 材料影響を考慮した低濃度領域での137Csと 90Srの競合浸透の評価

鉄筋

α核種とコンクリートの相互作⽤の評価
核種浸透• ⻑期間の汚染⽔の滞留、ひび割れた状態を模擬した試験体へのα核種の収着・浸透試験

19

背景 放射性核種の浸透に及ぼす影響要因
実部材サイズにおけるひび割れ解析の事例

ひび割れ部の汚染分布・イオン浸透の解析事例＜ひび割れたコンクリート中の汚染分布IP解析例＞（⼤熊町実環境コンクリート、コア径4㎝）＜鉄筋位置まで到達したひび割れ部へのイオンの浸透状況＞(EPMAによるCl⾯分析)
浸透面

400mm

m0m
10100mm

コンクリート供試体

丸鋼 φ10mm

鉄筋位置

塩水浸漬後、試料採取

EPMA

浸透面（底面、もしくは底面と天上面）
以外は、エポキシ樹脂コーティング

Clの濃度分布80mm

ひび割れ80mm

経年変化に伴い、構造的には問題なくても、物質移動に影響を及ぼす微細なひび割れが部材表⾯には⽣じる。

ひび割れ

鉄筋に沿った浸透1.90mm

分析⾯からの3.17mm←20
鉄筋深さ