平成２８年度ｰ平成31年度

国家課題対応型研究開発推進事業－ 原子力基礎基盤戦略研究プログラム －廃炉加速化研究プログラム 日米原子力共同研究

ヨウ素の化学状態に基づく廃炉及びDOEサイトの修復に向けた廃棄物
安定化処理法の開発
令和3年3月1日(月)代表機関

東京工業大学
日本側事業参加機関

日本原子力研究開発機構
九州大学
米国側事業参加機関
Texas A&M University, Savannah River National Laboratory日本側の問題点
ヨウ素の化学状態と回収廃棄体の関係
汚染水の処理と除去核種

集中廃棄物処理施設内滞留水中ヨウ素-131の化学状態（2011年6月測定）

内側：滞留水浅部
外側：滞留水深部

ヨウ素はAg添着活性炭で回収されると考えられている。

I- だけでなくIO3-などの化学状態
IO3-は炭酸塩と共沈する可能性

ヨウ素がどの過程でどのような化学状態で回収されるかは安定な処分システム構築に重要。

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米国側の問題点
ヨウ素の化学状態と回収吸着材の関係
汚染土壌水中のヨウ素-131の化学状態

環境修復に向けた回収材の開発
SRSサイトの汚染地下水へのAgClの投与

内側：Hanford
外側：SRSAgIによる回収を期待
ヨウ素の回収は４０％以下
I- (40%)、IO3- (30%)、有機体I(30%)

サイトの条件により様々な化学状態

回収はヨウ素の化学状態に大きく依存する
SRS：サバンナリバーサイト

ヨウ素の化学状態を考慮した吸着材料の開発が必要。

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目的複数の化学状態で存在する放射性ヨウ素を対象核種として、米国、テキサス工科大学などと協力して、福島における処理済み廃棄物の放射性ヨウ素の化学状態を明らかにするとともに、ヨウ素の化学状態を考慮して高度な吸着材及び固化体を開発する。

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研究開発項目と役割

SRNL：サバンナリバー国立研究所
TAMU：テキサスA＆M大学

１）ALPSなどの保管廃棄物中の放射性ヨウ素の化学状態の解明
I-、IO3-及び有機態Iに調整したヨウ素をALPSの処理法により固液分離を行い、回収材に回収されたヨウ素及び溶液中に残ったヨウ素の化学状態を解明する。

３）化学状態を考慮した放射性ヨウ素の閉込め能の高い固化法の開発
I-、IO3-及び有機態Iに調整したヨウ素を用いて閉じ込め能の高いジオテキサイル固化体を作製する。
固化体からのヨウ素の浸出挙動を調べ、閉じ込め能の高い固化条件を選択する。

４）吸着材及び固化体中のヨウ素の化学状態の解明
放射光を用いたXAFS解析により吸着材や固化材中に取り込まれたヨウ素について化学状態を解明する。（JAEA）
最先端の電子顕微鏡を用いて吸着材及び固化材中のヨウ素の視的領域における存在場所及び化学状態を解明する。（九州大学）

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達成目標

達成目標:
・複数の化学状態で存在する放射性ヨウ素を対象核種として、米国テキサスＡ＆Ｍ大学などと協力して、福島における処理済み廃棄物の放射性ヨウ素の化学状態を明らかにすると
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ともに、ヨウ素の化学状態を考慮して高度な吸着材及び固化体を開発する。

廃棄体(吸着材)中の化学状態の解明

KIO3

吸着分配係数 (ml/g)

吸着分配係数 (ml/g)

吸着材へのヨウ素の吸着KI

材料の選択:東京電力のスタッフとの情報交換により既存の材料が有力で、新規材料は用いる可能性は低いことから、活性炭、セリア担持活性炭、チタン酸、銀担持ゼオライト、Mg酸化物、Mg含有鉱物（ハイドロタルサイト）を⽤いて吸着試験を⾏った。

pH••
•

pH

pHが低い溶液からの吸着能が高いことから、活性炭表面の＋に帯電した領域への吸着が支配的である。
活性炭及びチタン酸担持活性炭では、ヨウ素酸のKdがヨウ化物イオンに比べて大きく、Ag担持ゼオライト、セリア担持活性炭ではヨウ化物イオンの方が高かった。
多くの吸着材においてXANES解析により、化学状態の変化はなかったことから、吸着7過程においての化学状態の変化はないものと判断できた。。

吸着分配係数 (ml/g)

廃棄体(吸着材)中の化学状態の解明

活性炭へのヨウ素の吸着

pH••

活性炭への吸着はヨウ素酸イオンがヨウ化物イオンよりも高い吸着性を示した。pHが低い溶液からの吸着能が高いことから、活性炭表面の＋に帯電した領域への吸着が支配的である。
XANES解析により、化学状態の変化はなかったことから、吸着過程においての化学状態の変化はないものと判断できた。。
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吸着分配係数 (ml/g)

廃棄体(吸着材)中の化学状態の解明

Ag-ゼオライトへのヨウ素の吸着 電子顕微鏡写真及び元素マップ

pH
•
•
•

Ag担持ゼオライトへのヨウ化物イオンの吸着はｐHに依存しない。
ヨウ化物イオンがヨウ素酸イオンよりも高い吸着性を示した。
SEMーEDSの分析により、Iを検出した。ゼオライトの表面でAgIを生成した可能性が高い。

•

米国SRNLでは、ヨウ素AgIの形で回収し、セメント固化している。固化体中の化学状態分析を協力して行い、論文化した。
9廃棄体(吸着材)中の化学状態の解明
吸着したヨウ素のXANESスペクトル

放射光X線を用いたXANESによる化学状態分析結果

吸着へのフルボ酸の影響フルボ酸が存在することにより、活性炭に吸着したヨウ素の化学状態を解析した結果、 ヨウ素化学状態が変化する可能性があることを明らかにした。
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廃棄体(吸着材)中の化学状態の解明
純水にフルボ酸を20ppmとなるように溶解した水溶液及びフルボ酸無添加の水溶液中
でMgO500A、MgO2000A、MgO-M及びMgO-MA及びハイドロタルサイトへ吸着したI-とIO3-の割合

Mg含有吸着材へのヨウ素の吸着

Mg含有吸着材の中では、ハイドロタルサイトが高い吸着性を示した。

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モデル化

地球化学コード用いたモデル化（化学状態を考慮したKdモデル)
フルボ酸が20ppm及び200pmm存在した場合の活性炭への吸着について、溶液のpHをパラメータとした場合の計算結果 (FA:フルボ酸)

フルボ酸濃度を200 ppmとした場合には、吸着したヨウ素の割合がフルボ酸20ppmの場合よりわずかであるが小さくなる。
日本の河川の腐植濃度が0.05から5mg/Lであることから地下水の混入によるヨウ素の化学状態の変化や吸着への影響は小さいものと推察される。
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廃棄体(吸着材)中の化学状態の解明
有機物が存在しない場合、ヨウ素酸イオン及びヨウ化物イオンの活性炭、Ceｰ活性炭、Agｰゼオライト、チタン酸などへの吸着では化学状態の変化ない。
有機酸が存在する場合、ヨウ素酸イオン及びヨウ化物イオンの一部（1％以下）が化学状態を変化させる可能性が示されたものの日本の河川などのフミン酸濃度からALPSで有機体Iを形成する可能性は低い。
高度な吸着材としては、ヨウ化物イオンへの調整を行う必要がある
もののAg担持ゼオライト、及びヨウ素酸イオン及びヨウ化物イオンの両者にハイドロタルサイトが候補である。
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高度な固化体の開発作製したジオポリマー

ジオポリマーからの浸出KIを添加した固化体のXANESスペクトル

ヨウ素酸イオンとヨウ化物イオンの両方を固化したジオポリマーを作製した。

• ヨウ素の化学状態を調整してジオポリマーを作製することができた。
• ジオポリマーに取り込まれたヨウ素の化学状態、XANESではほとんど変化がなかったが、浸出試験からは一部のヨウ素酸イオンが14ヨウ化物イオンに変化する可能性を示した。

高度な固化体の開発

I-とIO3-を共に吸着させたハイドロタルサイトを含むジオポリマーのSEM-EDS、TEM分析
I-とIO3-を共に吸着させたハイドロタルサイトを含むジオポリマーからのヨウ素の浸出ハイドロタルサイト• ヨウ素の化学状態を調整してジオポリマーを作製することができた。
• ハイドロタルサイトを添加したジオポリマーでは、I-を吸着したハイドロタルサイトの添加により浸出割合が減少し、IO3-の場合にはハイドロタルサイトへの吸着による変化はほとんどなかった。
• SEM-EDSによる分析から、ヨウ素はハイドロタルサイトに取り込ま15れていることが分かった。

まとめ
複数の化学状態で存在する放射性ヨウ素を対象核種として、米国、テキサス工科大学などと協力して、福島における処理済み廃棄物の放射性ヨウ素の化学状態を明らかにするとともに、ヨウ素の化学状態を考慮して高度な吸着材及び固化体を開発する。
廃棄体(吸着材)に吸着したヨウ素の化学形を明らかにした。ALPSなどの吸着課程においてはヨウ素の化学状態変化はほとんどないと考えられるが、地下水中のフルボ酸の混入により、ヨウ素酸イオンが還元される可能性がある。
吸着材として、活性炭、Ag担持ゼオライト及びハイドロタルサイトが候補であることを明らかにした。
固化材料としてジオポリマーの有効性を示した。さらに、ハイドロタルサイトへの吸着を組み合わせたジオポリマー固化体を開発した。
吸着材への吸着、固化体からの浸出をモデル化して、吸着量及び浸出量の予測が可能となった。さらに、モデル計算から日本の平均的腐植酸濃度から、地下水の混入によるヨウ素の化学状態の変化や吸着への影響は小さいものと推察された。
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国際協力の成果
国際会議
・ NFC.L27 (Id: 585) SORPTION AND SOLIDIFICATION OF IODATE
T. Ohnuki, N. Kozai, S. Utsunomiya, K. Tanaka, K. Tokunaga, D. I. Kaplan, P. H. Santschi, Czech Chem. Soc. Symp.
Ser. 16, 49‐268 (2018)
Goldschmidt会議での発表
・Radioiodine Speciation in Cementitious Environments
Kaplan D, Xu C, Lin P, Li D, Schwehr K, Tanaka K, Ohnuki T & Santschi P・Alkaline‐Activated Metakaolin Solidification of Iodine Sorbed by Layered Double Hydroxides
Ohnuki T, Kozai N, Tanaka K, Tokunaga K, Utsunomiya S, Ikehara R, Komiya T, Takeda A, Kaplan D & Santschi P
・Radioiodine Speciation Impact on Ag‐Activated Carbon Immobilization in Cementitious Environments
Kaplan D, Price K, Seaman J, Li D, Lin P, Xu C, Schwehr K, Tanaka K, Ohnuki T & Santschi P
共著論文の公表

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