2021年3月10日（水）英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業
成果報告会資料

燃料デブリ取り出しを容易にするゲル状充填材の開発
大阪大学大学院工学研究科 環境エネルギー工学専攻〇牟田浩明*、秋山庸子、大石佑治
日比野航己（学生アルバイト）（アドバイザー）東京電力HD 溝上伸也
（研究協力者）大阪大学 北田孝典
*経済産業省出向中

概要と研究目標

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燃料デブリの取り出しにおいては、取り出し時に生じるダスト・ヒュームの拡散を抑制し、また作業時の被ばく量を低減することが重点課題としてあげられている*。
このために圧力容器・格納容器を冠水させることが望ましいが、現在両容器が閉じ込め機能を喪失しており、水による充填が難しい。また固化による閉じ込めは、廃棄物量を増加させる。
そこで本研究では、粘土鉱物・高分子などからなるゲル状物質をデブリ上に塗布する**ことによるダスト拡散抑制を提案する。
本技術の実現を目指し、以下を研究目標とする。
1. ゲル状物質の特性評価に基づき、適用しうるゲル状物質を選定する
2. 作業性も考慮して本手法の妥当性を検証する

水デブリ
ゲル状物質

*日本原子力研究開発機構 廃炉に関する基礎・基盤研究の課題リスト(2018.2.26)**H30年度結果を踏まえ、ゲルの充填シナリオは対象外とした

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ゲル状物質の適用、チキソトロピー
ゲル：分散質のネットワーク構造によって高い粘性を持ち、一部はチキソトロピーを示す
見掛け粘度

静止状態

架橋部分
溶媒分子（水）流動状態

剥離した層状粘土鉱物
溶媒分子（水）

高分子ゲル

せん断速度

チキソトロピー：せん断応力をかけ続けると粘度が低下し、止めると粘度が元に戻る特性

粘土鉱物ゲル→ 静止時は流動性を示さないため漏れ出さず、デブリ等切削時は低粘性液体状となり、切削などの作業を妨げないことが期待される
いくつかのゲルの特性（〇×は発表者主観による）
種類

照射耐性*

安全性

耐熱性

廃棄物量

無機系（粘土鉱物、ケイ酸塩等）

◎〇

△～〇

△～×

天然高分子系（カゼイン等）

×（分解型）△×〇

半合成高分子系（セルロース等）

×（分解型）

××～△〇

合成高分子系（ポリビニル系、ポリアクリル酸系等）△（架橋型）△

×〇

本研究で着目無機系:密度から粘土鉱物に着目

全体計画と実施体制
全体計画

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年度

H30

研究項目

R1

要素研究フェーズ（妥当性評価）(1) ゲル状充填・塗布材の開発

試作と評価

合成・試験評価まとめ① ゲル状物質の合成と評価

試作と評価

試験評価まとめ② ゲル特性への照射効果の評価(2) 充填・塗布効果の検証

模擬試験

模擬試験
空間線量率・反応度評価
研究打ち合わせ、まとめ(3) 研究推進

実施体制

課題全体の取りまとめ
牟田浩明（大阪大学）(1)①ゲル状物質の合成と評価(2) 充填・塗布効果の検証
牟田、大石佑治（大阪大学）(1)②ゲル特性への照射効果の評価
秋山庸子（大阪大学）

炉内線量・反応度の評価
北田孝典（大阪大学）（研究協力者）

日比野航己

研究補助者

研究補助者

アドバイザー
溝上伸也（東京電力）

合成・評価・解析ともに同機関で実施するため、密な連携が行えた5/17

(1)ゲル状充填・塗布材の開発 ①合成
ゲル主原料の検討（H30）

・クニミネ工業株式会社製の合成粘土鉱物スメクトンSWF®（透明、高粘度）およびスメクトンST®（高透明性）のゲルを合成
スメクトンSWF組成：Na0.33(Mg2.67Li0.33)(Si4O10)(F,OH)2
スメクトンST組成： Na0.33Si4Mg2.67O10(OH)2

・5 %PVA-ホウ酸ゲルを合成

2 wt%スメクトン
STゲル

2 wt%スメクトン(参考)3 wt%
SWFゲル
モンモリロナイトゲル

5%PVA-ホウ酸ゲル

(1)ゲル状充填・塗布材の開発 ②照射効果

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ゲル主原料の検討：照射試験（H30）
4 wt%スメクトンSWFゲルおよびPVAゲルを60Co-γ線試験照射

照射温度：室温、照射量：3 MGy、照射率：1 MGy/day（≒42 kGy/h）

照射後4 wt%スメクトン
SWFゲル

・いずれも内部に気泡が見られた
・粘土鉱物（スメクトン）ゲルについては外観の変化はなかった
・PVAは固体と液体に分離し、酢酸臭が生じた
照射後PVAゲル・ゲルの主原料として、高分子系の使用は難しいと考えられる・粘土鉱物ゲルは十分な照射耐性を有する（調査機材の照射耐性として、10 Gy/hで100時間を耐えることが想定されている）

7/17(1)ゲル状充填・塗布材の開発 ①合成
耐水性の向上：粘土鉱物－PA複合ゲルの作製（H30）
粘土鉱物は冷却水に溶出してしまう → 有機物との複合化に着目

0.5%PA有：PA鎖CH

CH2

48時間浸漬、上澄み除去

COO－

想定する粘土鉱物－PA複合ゲルの構造

複合ゲルの水への浸漬試験

耐水性向上のため、粘土鉱物（スメクトンST）にポリアクリル酸ナトリウム（PA、東亜合成製アロンビス®、分子量200-300万）を加えた複合ゲルを作製した→ 複合ゲルは、水への浸漬により膨張するものの、未照射条件では溶けださないPA無8/17(1)ゲル状充填・塗布材の開発 ②照射効果
粘土鉱物‐PA複合ゲルの照射試験（R1）
複合ゲルの耐水性について、照射の影響を評価した
照射量： 1MGy
照射

2MGy

1MGy

3MGy

2MGy

3MGy

浸漬
試験

2wt%スメクトンST+0.05wt%PA複合ゲルの外観（左）照射前（中）後（右）浸漬・上澄み除去後

・1MGy照射試料でも全て水に溶出し、耐水性が失われた・追加試験により、数kGyの照射でも水に溶出することがわかった・PA（アロンビス、分子量200万~300万）が照射により分解したためと思われる：PA鎖：照射による切断

(1)ゲル状充填・塗布材の開発 ①合成②照射効果 9/17
耐水性・照射耐性の向上：粘土鉱物－ホウ砂複合ゲルの作製
無機添加物としてで、ホウ砂 Na₂[B₄O₅(OH)₄]·8H₂Oに着目
スメクトンST-ホウ砂複合ゲルを合成し、1 MGyの照射を行った想定される粘土鉱物ーホウ砂複合ゲルの構造

2wt%スメクトンST+x wt%ホウ砂複合ゲル（左からx=0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0）

照射後2wt%スメクトンST+ホウ砂複合ゲル（左）浸漬前（右）浸漬・上澄み除去後ホウ砂添加により、照射に対しても安定な耐水性ゲルが得られた

10/17(1)ゲル状充填・塗布材の開発 ①物性評価
粘度・チキソトロピー測定（H30－R1）
100

装置を購入、粘度のせん
断速度依存性を測定した

1 wt.% SMECTON ST
2 wt.% SMECTON ST
3 wt.% SMECTON ST
4 wt.% SMECTON ST
5 wt.% SMECTON ST

Viscosity (Pa s)

10

コーン
プレート

ゲル

水あめ

マヨネーズ

1

一様に大きく減少

サラダオイル0.1

機械油0.01
1

10

100

1000

Shear rate (rad/s)

購入装置外観（TAインスツルメント、DHR-1）と粘度のせん断速度依存性

・せん断速度とともに大きく粘度が減少する、チキソトロピーを示した・スメクトンST2-5%程度が適すると考えられる

(1)ゲル状充填・塗布材の開発 ①物性評価

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粘度・チキソトロピー測定（H30－R1）
4102 (1/s)
10 (1/s)
100 (1/s)
1000 (1/s)

32ln 𝜂 = ln 𝜂0 +𝐸𝐴
𝑅𝑇10ln 

10-1-2

1

Viscosity (Pa s)-40.0031

0.00320.00330.0034

1/T

2 wt.% SMECTON ST
20 CO
30 CO
40 CO
50 CO

0.1

Viscosity (Pa・s)

1-30.1

2.0 wt.% SMECTON ST+ 0.5 wt.% Borax
Irradiated with 1 MGy

0.010.01

110100

Shear Rate (rad/s)

1000110100

Shear rate (rad/s)

粘度の（左）温度依存性と（右）照射の影響評価

・粘度は温度増加により減少傾向を示した
・ホウ砂複合ゲルの粘度は照射によりほぼ変化しない

1000

(1)ゲル状充填・塗布材の開発 ①物性評価

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透視度測定（H30－R1）
透視度のPA/ホウ砂添加および照射による変化
透視度：
目視により十字印が識別できる
ときの試料高さ
透視度の定義使用装置（共立理化学研究所製デジタル
クリンメジャーDCM-200）

透視度 (cm)

γ線照射量(60Co)

2%ST+0.05%
PA

+0.5%
ホウ砂

0 MGy

654543

1 MGy-5338

2 MGy-36-

3 MGy

27*27-*気泡の影響と考えられる

・PA・ホウ砂ともに添加により白みがかり、透視度は低下するが、30-40 cm程度の透視度が保たれる
・1 MGy程度の照射では透視度に大きな影響は見られない

13/17(1)ゲル状充填・塗布材の開発 ①物性評価
熱伝導率測定、熱的安定性評価（H30－R1）
2.0 wt.% SMECTON ST
2.0 wt.% SMECTON ST + 0.5 wt.% Borax
1 MGy-irradiated 2.0S0.5B
H2O (Ref.)0-10

1.0-10-20-30

After-40-201020300.54050

2 (degree)

60

70

80-50

TG(Weight change)
0.0
290300310320330

Temperature (K)熱伝導率の温度依存性

340

350-30300

400

500

600700Temperature (K)TG-DTA測定結果（粘土鉱物のみ）・作製したゲルの熱伝導率はばらつきが大きいものの、純水（~0.6W/mK）に近く、低い → 塗布面積の制限、冷却等が必要
・150度まで加熱による脱水が起こり、その後は変化しない→ 照射試験の結果とあわせ、粘土鉱物-ホウ砂複合ゲルを選定した-60
800

DTA

1.5

BeforeIntensity (a.u.)

2.0

DTA0

Weight change (mg)

Thermal Conductivity (W m-1 K-1)

2.5

(2)充填・塗布効果の検証

14/17① 切削の模擬試験（H30-R1）
下図に示す模擬試験で、ダスト飛散を防止できるかを検討した
卓上ドリル

水
ゲル
模擬堆積物
粉末層

模擬試験の概略

模擬デブリ
セラミック板

模擬デブリ板：耐火レンガ（白）10x10 cm2
模擬堆積物：Fe3O4粒子（2 mm）0.05 g/cm2
ドリル径：5 mm （回転速度1350 rpm）

② 作業性評価（H30）粘性抵抗を簡易計算（省略）③ 臨界性評価（R1） ゲル塗布による実効増倍率を計算（省略）(2)充填・塗布効果の検証

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模擬切削試験
水水

切削試験

切削試験

ゲル

切削中の（上）水のみおよび（下）ゲル塗布試料の様子

・ゲル塗布により切削紛の拡散が抑制された・ドリル近傍で切削紛の巻き上げがみられ、ドリル形状等に工夫が必要と考えられる

まとめ

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目標1. ゲル状物質の特性評価に基づいたゲル状物質の選定
・ダスト拡散を抑制するデブリ塗布用ゲルとして、MGyオーダーのγ線照射に耐え、冷却水にも溶出しない粘土鉱物－ホウ砂複合ゲルを新たに見出した・複合ゲルは熱伝導率は低いものの、適切な粘度、チキソトロピー、高い透視度、高い熱的安定性を有していることが確かめられた・以上より、粘土鉱物－ホウ砂複合ゲルを塗布用ゲルとして選定した→ 所期の目標を達成、照射耐性を有する耐水性無機複合ゲルの合成は初目標2. 作業性を考慮した本手法の妥当性の検証
・模擬切削試験より、ゲルの塗布によって切削紛の拡散の抑制が確認できた・粘性抵抗を簡易計算で求めたところ、その値は小さく、アームの移動や切削作業に与える影響は小さいことが推定された・実効増倍率の計算より、ゲルの塗布が臨界性に与える影響は軽微であることを確かめた
・以上より、選定ゲルの塗布によりダスト拡散を抑制できると考えられる→ 所期の目標を達成

研究の効果と今後の発展性

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研究の効果と発展性
・現在、デブリ切削時のダスト拡散を抑制する手法としては、ミストの使用が有望視されており、本手法はその代替技術という位置づけにある・本手法の特徴（切削紛を近傍に留める、セシウム吸着、廃棄物量増）を活かした炉内外での使用を検討する

成果発表

・NDEC-4における受賞（補助者学生）

・2019.9.13福島民報で紹介
・2019.11.25共同通信記事で紹介

ご清聴頂き誠に有難うございました
本事業にあたり貴重なアドバイスを頂いた溝上伸也様（東電HD）、鈴木俊一先生（東大）、斉藤拓巳先生（東大）、中島節夫様（NDF）、田川明広様（CLADS）に感謝申し上げます参考：水浸漬による体積変化
蒸留水、海水、高pH水浸漬に対する体積変化→～3割体積増加→～体積変化なし→～3割体積増加→～4割体積減少(a)蒸留水、(b)海水、(c)pH=13、(d)pH=14水溶液に対する浸漬前後の外観

・溶媒によって大きな膨張あるいは収縮が見られた→ 長時間にわたるゲルの使用においては考慮が必要参考：海水とｐHの影響
耐水性の向上：海水の影響評価
これまで純水に対する耐水試験を行ったが、海水の混在やpHが変化したときの影響を評価する必要がある
人工海水に対して、48時間の浸漬試験を行った（左）浸漬前および（右）浸漬後+上澄み除去後の試料外観

・PA複合ゲルは水と人工海水に対して溶けず、粘土鉱物のみを用いたゲルでも人工海水に対しては溶け残った・海水の高いイオン濃度のためと考えられる（類似の報告あり）

参考：海水とｐHの影響
耐水性の向上：pHの影響評価
pHについてはコンクリートが存在することから、pHが高くなった際の影響を評価する必要がある
NaOH溶液、HCl溶液でpHを変化させ、48時間の浸漬試験を行った
pH

79111314

pH

79111314

浸漬後の（左）2%スメクトンSTゲルおよび（右）2%スメクトンST+0.05%PA複合ゲル

・PA複合ゲルは全てのpH溶液に対して溶け残り、粘土鉱物のみのゲルでも高pH溶液に対しては溶け残った・海水同様に、溶媒のイオン濃度に依存すると考えられる

参考：(2)充填・塗布効果の検証
粘度と作業性の評価
・切削作業について
高せん断速度（~140 rad s-1≒1350 rpm）においてはチキソトロピーにより粘度は0.1 Pa・s程度であり、これは潤滑油の粘度（0.05 Pa・s）に近く、影響は小さいと考えられる・アームの移動等について
低せん断速度における粘度は10 Pa・sのオーダーになる。低速で移動するアーム等にかかる応力は~1 kgf程度であり、作業に大きな影響はないと考えられる
v

𝐹 = 𝜂𝑆a𝑑𝑣= 6𝜋𝑎𝜂𝑣
𝑑𝑡a ：球の半径
 ：粘度v ：流速/球の速度

Viscous resistance (N)4Viscous resistance
v=10 cm/s, =10 Pa s

321v=10 cm/s, =0.1 Pa s
002004006002Area (cm )8001000参考：(2)充填・塗布効果の検証
臨界性の評価・ゲルに含まれるデブリ濃度

最も多く含まれる部分で20 vol%程度と見込まれるドリル近傍のゲルのレーザー顕微鏡観察像と画像解析結果（黒色部が切削紛）・実効増倍率の変化
ゲル塗布による実効増倍率の増加率
濃縮度
ゲル相厚さ

1.0 wt%

2.0 wt%

5.0 wt%5.0 cm0.770 %

0.779 %

0.811 %

10.0 cm

3.151 %

3.523 %

3.939 %

デブリを純UO2と仮定しても、ゲル塗布による実効増倍率の増加分は数%に過ぎず、臨界に至る可能性は十分小さいと考えられる

参考：ゲルの投入経路と廃棄物増加量
ゲルは調査に用いた経路（Ｘ-6ペネ等）から投入することを想定。

図：東京電力HD、福島第一原子力発電所2号機PCV内部調査の実施について(2016.11.25)より廃棄物増加量は必要なゲル厚さが決まればゲルの濃度（粘土鉱物~2wt%、ホウ酸~0.5 wt%）から推定できる
5 mΦに厚さ20-30 cm分のゲル：約5トンの水+125 kgの固形成分~150℃の乾燥処理で水分はほぼ除去できる見込み