JAEA-Review
2023-025
DOI:10.11484/jaea-review-2023-025

燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発（委託研究）－令和４年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業－

Development of Extremely Small Amount Analysis Technology
for Fuel Debris Analysis(Contract Research)– FY2022 Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource
Development Project –福島研究開発部門

福島研究開発拠点

廃炉環境国際共同研究センター

東北大学
Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science,
Fukushima Research Institute, Sector of Fukushima Research and Development
Tohoku University

March 2024
Japan Atomic Energy Agency

日本原子力研究開発機構

本レポートは国立研究開発法人日本原子力研究開発機構が不定期に発行する成果報告書です。
本レポートはクリエイティブ・コモンズ 表示 4.0 国際 ライセンスの下に提供されています。
本レポートの成果（データを含む）に著作権が発生しない場合でも、同ライセンスと同様の条件で利用してください。（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.ja）
なお、本レポートの全文は日本原子力研究開発機構ウェブサイト（https://www.jaea.go.jp）
より発信されています。本レポートに関しては下記までお問合せください。
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構〒 319-1112

JAEA イノベーションハブ

研究成果利活用課

茨城県那珂郡東海村大字村松 4 番地 49

E-mail: ird-support@jaea.go.jp
This report is issued irregularly by Japan Atomic Energy Agency.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.en).
Even if the results of this report (including data) are not copyrighted, they must be used under
the same terms and conditions as CC-BY.
For inquiries regarding this report, please contact Institutional Repository and Utilization Section,
JAEA Innovation Hub, Japan Atomic Energy Agency.
4-49 Muramatsu, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-1112, Japan
E-mail: ird-support@jaea.go.jp© Japan Atomic Energy Agency, 2024

JAEA-Review 2023-025

燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発（委託研究）－令和 4 年度 英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業－
日本原子力研究開発機構 福島研究開発部門 福島研究開発拠点
廃炉環境国際共同研究センター
東北大学（2023 年 9 月 27 日受理）
日本原子力研究開発機構（JAEA）廃炉環境国際共同研究センター（CLADS）では、令和 4 年度 英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業（以下、「本事業」という）を実施している。
本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所（1F）の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。
平成 30 年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省から JAEA に移行することで、JAEA とア
カデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。
本研究は、令和元年度に採択された研究課題のうち、「燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発」の令和 4 年度分の研究成果について取りまとめたものである。
本研究では、燃料デブリの取り扱い、臨界管理、保管管理等に必要な性状把握において、キーとなるアクチノイド核種の化学分析を中心に、最適な試料前処理・分離・分析プロセスを開発し、将来計画されている燃料デブリ分析の効率化・合理化を図るとともに、一連の研究業務における人材育成を通し、1F 廃炉推進に資することを目的とする。
特に、近年分析化学分野、放射化学分野で成果を上げつつある誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS/MS）を原子力分野に応用することにより、測定核種を単離するための前処理をせずに高精度で分析できる手法を開発し、分離前処理を省力化し、迅速な分析工程を確立する。

本報告書は、日本原子力研究開発機構の英知事業における委託業務として、東北大学が実施した成果を取りまとめたものである。
廃炉環境国際共同研究センター：〒979-1151 福島県双葉郡富岡町大字本岡字王塚 790-1

i

JAEA-Review 2023-025
Development of Extremely Small Amount Analysis Technology for Fuel Debris Analysis(Contract Research)－ FY2022 Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project －Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science,
Fukushima Research Institute, Sector of Fukushima Research and Development
Japan Atomic Energy Agency
Tomioka-machi, Futaba-gun, Fukushima-ken
Tohoku University(Received September 27, 2023)
The Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science (CLADS), Japan Atomic Energy
Agency (JAEA), had been conducting the Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource
Development Project (hereafter referred to “the Project”) in FY2022.
The Project aims to contribute to solving problems in the nuclear energy field represented by thedecommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (1F), Tokyo Electric Power Company
Holdings, Inc. (TEPCO). For this purpose, intelligence was collected from all over the world, and basic
research and human resource development were promoted by closely integrating/collaborating knowledge
and experiences in various fields beyond the barrier of conventional organizations and research fields.
The sponsor of the Project was moved from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science andTechnology to JAEA since the newly adopted proposals in FY2018. On this occasion, JAEA constructed a
new research system where JAEA-academia collaboration is reinforced and medium-to-long term
research/development and human resource development contributing to the decommissioning are stably andconsecutively implemented.
Among the adopted proposals in FY2019 , this report summarizes the research results of the “Developmentof extremely small amount analysis technology for fuel debris analysis” conducted in FY2022.
Understanding the properties of fuel debris is necessary for handling, criticality control, storage control,etc. A key technique is the chemical analysis of actinide nuclides. We develop sample pretreatment
technology and separation / analysis process required for chemical analysis. The purpose of this study is tostreamline future planned fuel debris analysis. To promote 1F decommissioning, we will train humanresources through on-the-job training.
In particular, we will apply the extremely small amount analysis (ICP-MS / MS), which has recently beensuccessful in the fields of analytical chemistry and radiochemistry, to the nuclear field. This method allows
high-accuracy analysis without pretreatment to isolate the nuclide to be measured. The separation
pretreatment can be skipped and a rapid analysis process can be established.

Keywords: Fuel, Debris, Analysis, ICP-MS/MS, ActinideThis work was performed by Tohoku University under contract with Japan Atomic Energy Agency.

ii

JAEA-Review 2023-025

目次

1. 英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業の概要 ............................. 1
2. 平成 30 年度 採択課題 ............................................................. 2
3. 令和元年度 採択課題 .............................................................. 5
4. 令和 2 年度 採択課題 .............................................................. 8
5. 令和 3 年度 採択課題 ............................................................. 106. 令和 4 年度 採択課題 ............................................................. 12

付録 成果報告書 ................................................................... 15

Contents

1. Outline of Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project................................................................................. 1
2. Accepted Proposal in FY2018 ...................................................... 2
3. Accepted Proposal in FY2019 ...................................................... 5
4. Accepted Proposal in FY2020 ...................................................... 8
5. Accepted Proposal in FY2021 ..................................................... 10
6. Accepted Proposal in FY2022 ..................................................... 12

Appendix Result Report ............................................................. 15

iii

This is a blank page.

JAEA-Review 2023-025

1.

英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業の概要

文部科学省では、「東京電力（株）福島第一原子力発電所の廃止措置等研究開発の加速プラン（平成 26 年 6 月文部科学省）」等を踏まえ、平成 27 年度から「英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業」（以下、「本事業」という。）を立ち上げ、「戦略的原子力共同研究プログラム」、「廃炉加速化研究プログラム」及び「廃止措置研究・人材育成等強化プログラム」を推進している。
具体的には、国内外の英知を結集し、国内の原子力分野のみならず様々な分野の知見や経験を、
機関や分野の壁を越え、国際共同研究も含めて緊密に融合・連携させることにより、原子力の課
題解決に資する基礎的・基盤的研究や産学が連携した人材育成の取組を推進している。
一方、日本原子力研究開発機構（以下、「JAEA」という。）では、平成 27 年に廃炉国際共同研究センター（以下、「CLADS」という。現：廃炉環境国際共同研究センター）を組織し、「東京電力ホールディングス（株）福島第一原子力発電所の廃止措置等に向けた中長期ロードマップ」等を踏
まえ、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所廃炉（以下、「1F 廃炉」という。
）に係る研究開発を進めている。
また、平成 29 年 4 月に CLADS の中核拠点である「国際共同研究棟」の運用を開始したことを踏
まえ、今後は CLADS を中核に、廃炉の現場ニーズを踏まえた国内外の大学、研究機関等との基礎的・基盤的な研究開発及び人材育成の取組を推進することにより、廃炉研究拠点の形成を目指す
ことが期待されている。
このため、本事業では平成 30 年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省から JAEA に移行することで、JAEA とアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成
をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築することとし、従来のプログラムを、①共通基盤型原子力研究プログラム、②課題解決型廃炉研究プログラム、③国際協力型廃炉研究プログラム、④研究人材育成型廃炉研究プログラム（令和元年度より新設）に再編した。

-1-

JAEA-Review 2023-025

2.

平成 30 年度 採択課題

平成 30 年度採択課題については以下のとおりである。
課題数：19 課題
共通基盤型原子力研究プログラム

11 課題（若手研究 6 課題、一般研究 5 課題）

課題解決型廃炉研究プログラム

6 課題

国際協力型廃炉研究プログラム

2 課題（日英共同研究）

平成 30 年度 採択課題一覧
共通基盤型原子力研究プログラム【若手研究】
課題名

研究代表者

所属機関

河野 仁

東京工芸大学

山﨑 信哉

筑波大学

片岡 隆浩

岡山大学

大石 佑治

大阪大学

島田 幹男

東京工業大学

岩田 圭弘

東京大学

被災地探査や原子力発電所建屋内情報収集のための
半自律ロボットを用いたセマンティックサーベイマ
ップ生成システムの開発
汚染土壌の減容を目的とした重液分離による放射性微粒子回収法の高度化
ラドンを代表としたアルファ核種の吸入による内部
被ばくの横断的生体影響評価
炉心溶融物の粘性及び表面張力同時測定技術の開発
iPS 細胞由来組織細胞における放射線依存的突然変異計測系の確立
レーザー共鳴イオン化を用いた同位体存在度の低い
ストロンチウム 90 の迅速分析技術開発-2-

JAEA-Review 2023-025

共通基盤型原子力研究プログラム【一般研究】
課題名

研究代表者

所属機関

放射性核種の長期安定化を指向した使用済みゼオ
ライト焼結固化技術の開発

新井 剛

芝浦工業大学

燃料デブリ取り出しを容易にするゲル状充填材の
開発

牟田 浩明

大阪大学

レーザー蛍光法を用いた燃料デブリ変質相の同定

斉藤 拓巳

東京大学

過酷炉心放射線環境における線量測定装置の開発

岡本 保

木更津工業
高等専門学校レーザー加工により発生する微粒子の解析と核種同定手法の開発

長谷川 秀一

東京大学

課題名

研究代表者

所属機関

合金相を含む燃料デブリの安定性評価のための基
盤研究

桐島 陽

東北大学

ガンマ線画像スペクトル分光法による高放射線場
環境の画像化による定量的放射能分布解析法

谷森 達

京都大学

燃料デブリ取出し時における放射性核種飛散防止
技術の開発

鈴木 俊一

東京大学

アルファダストの検出を目指した超高位置分解能
イメージング装置の開発

黒澤 俊介

東北大学

ナノ粒子を用いた透明遮へい材の開発研究

渡邉 隆行

九州大学

先端計測技術の融合で実現する高耐放射線燃料デブリセンサーの研究開発

萩原 雅之

高エネルギー
加速器研究機構

課題解決型廃炉研究プログラム-3-

JAEA-Review 2023-025

国際協力型廃炉研究プログラム（日英共同研究）
課題名

研究代表者

所属機関

放射性微粒子の基礎物性解明による廃炉作業リスク低減への貢献五十嵐 康人

茨城大学

三澤 毅

京都大学

放射線耐性の高い薄型 SiC 中性子検出器の開発-4-

JAEA-Review 2023-025

3.

令和元年度 採択課題

令和元年度採択課題については以下のとおりである。
課題数：19 課題
共通基盤型原子力研究プログラム

7 課題（若手研究 2 課題、一般研究 5 課題）

課題解決型廃炉研究プログラム

4 課題

国際協力型廃炉研究プログラム

4 課題（日英共同研究 2 課題、日露共同研究 2 課題）

研究人材育成型廃炉研究プログラム 4 課題

令和元年度 採択課題一覧
共通基盤型原子力研究プログラム【若手研究】
課題名

研究代表者

所属機関

ウラニル錯体化学に基づくテーラーメイド型新規海水ウラン吸着材開発

鷹尾 康一朗東京工業大学

動作不能からの復帰を可能とする多連結移動ロボッ
トの半自律遠隔操作技術の確立

田中 基康

電気通信大学-5-

JAEA-Review 2023-025

共通基盤型原子力研究プログラム【一般研究】
課題名

研究代表者

所属機関

一次元光ファイバ放射線センサを用いた原子炉建
屋内放射線源分布計測

瓜谷 章

名古屋大学

低線量・低線量率放射線被ばくによる臓器別酸化ス
トレス状態の検討

鈴木 正敏

東北大学

単一微粒子質量分析法に基づくアルファ微粒子オ
ンラインモニタリングに向けた基礎検討

豊嶋 厚史

大阪大学

幹細胞動態により放射線発がんを特徴付ける新たな評価系の構築飯塚 大輔

量子科学技術研究開発機構梅沢 仁
耐放射線性ダイヤモンド半導体撮像素子の開発（～R2.3.31）

大曲 新矢

産業技術総合研究所（R2.4.1～）

課題解決型廃炉研究プログラム
課題名

研究代表者

所属機関

Multi-Physics モデリングによる福島 2・3 号機ペデスタル燃料デブリ深さ方向の性状同定

山路 哲史

早稲田大学

燃料デブリ取出しに伴い発生する廃棄物のフッ化技術を用いた分別方法の研究開発

渡邉 大輔

日立ＧＥ
ニュークリ
ア・エナジー

竹下 健二
アパタイトセラミックスによる ALPS 沈殿系廃棄物の安定固化技術の開発（～R3.6.30）

塚原 剛彦

東京工業大学（R3.7.1～）

拡張型スーパードラゴン多関節ロボットアームによる圧力容器内燃料デブリ調査への挑戦

-6-

高橋 秀治

東京工業大学JAEA-Review 2023-025

国際協力型廃炉研究プログラム（日英共同研究）
課題名

研究代表者

所属機関

高い流動性および陰イオン核種保持性を有するア
ルカリ刺激材料の探索と様々な放射性廃棄物の安全で効果的な固化

佐藤 努

北海道大学

静岡大学
再臨界前の中性子線増に即応可能な耐放射線 FPGA
システムの開発渡邊 実（～R3.3.31）

岡山大学（R3.4.1～）

国際協力型廃炉研究プログラム（日露共同研究）
課題名

研究代表者

所属機関

燃料デブリ取出し臨界安全技術の高度化

小原 徹

東京工業大学

微生物生態系による原子炉内物体の腐食・変質に関する評価研究

金井 昭夫

慶應義塾

課題名

研究代表者

所属機関

燃料デブリ取り出し時における炉内状況把握のための遠隔技術に関する研究人材育成

淺間 一

東京大学

化学計測技術とインフォマティックスを融合したデブリ性状把握手法の開発とタイアップ型人材育
成

高貝 慶隆

福島大学

研究人材育成型廃炉研究プログラム

大貫 敏彦（～R2.3.31）

放射線・化学・生物的作用の複合効果による燃料デブリ劣化機構の解明

竹下 健二（～R3.6.30）

東京工業
大学

塚原 剛彦
（R3.7.1～）

燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発

-7-

永井 康介

東北大学

JAEA-Review 2023-025

4.

令和 2 年度 採択課題

令和 2 年度は、2 つのプログラムにおいて、研究課題の採択を決定した。
公募の概要は以下のとおりである。
公募期間：令和 2 年 3 月 17 日～令和 2 年 5 月 14 日（課題解決型）
令和 2 年 5 月 13 日～令和 2 年 7 月 15 日（国際協力型）
課題数：10 課題
課題解決型廃炉研究プログラム

8 課題（若手研究 2 課題、一般研究 6 課題）

国際協力型廃炉研究プログラム

2 課題（日英共同研究）

これらの提案について、外部有識者から構成される審査委員会において、書面審査及び面接審
査、日英共同研究については二国間の合同審査を実施し、採択候補課題を選定した。
その後、PD（プログラムディレクター）
・PO（プログラムオフィサー）会議での審議を経て、採択課題を決定した。

令和 2 年度 採択課題一覧
課題解決型廃炉研究プログラム【若手研究】
課題名

研究代表者

所属機関

楊 会龍
燃料デブリにおける特性の経年変化と環境劣化割れの調査（～R4.7.31）

村上 健太

東京大学

（R4.8.1～）

健全性崩壊をもたらす微生物による視認不可腐食の分子生物・電気化学的診断及び抑制技術の開発

-8-

岡本 章玄

物質・材料
研究機構

JAEA-Review 2023-025

課題解決型廃炉研究プログラム【一般研究】
課題名

研究代表者

所属機関

遮蔽不要な臨界近接監視システム用ダイヤモンド
中性子検出器の要素技術開発

田中 真伸

高エネルギー
加速器研究
機構

α／β／γ 線ラジオリシス影響下における格納容器系統内広域防食の実現：ナノバブルを用いた新規防食技術の開発

渡邉 豊

東北大学

β、γ、X 線同時解析による迅速・高感度放射性核種分析法の開発

篠原 宏文

日本分析
センター

合理的な処分のための実機環境を考慮した汚染鉄
筋コンクリート長期状態変化の定量評価

丸山 一平

東京大学

溶脱による変質を考慮した汚染コンクリート廃棄物の合理的処理・処分の検討

小崎 完

北海道大学

マイクロ波重畳 LIBS によるデブリ組成計測の高度化と同位体の直接計測への挑戦

池田 裕二

アイラボ

課題名

研究代表者

所属機関

革新的水質浄化剤の開発による環境問題低減化技
術の開拓

浅尾 直樹

信州大学

鎌田 創

海上・港湾・
航空技術研究所

国際協力型廃炉研究プログラム（日英共同研究）

無人航走体を用いた燃料デブリサンプルリターン
技術の研究開発-9-

JAEA-Review 2023-025

5.

令和 3 年度 採択課題

令和 3 年度は、2 つのプログラムにおいて、研究課題の採択を決定した。
公募の概要は以下のとおりである。
公募期間：令和 3 年 3 月 16 日～令和 3 年 5 月 17 日（課題解決型）
令和 3 年 4 月 13 日～令和 3 年 7 月 1 日（国際協力型 日英共同研究）
令和 3 年 7 月 12 日～令和 3 年 8 月 18 日（国際協力型 日露共同研究）
課題数：12 課題
課題解決型廃炉研究プログラム
国際協力型廃炉研究プログラム

8 課題
2 課題（日英）、2 課題（日露）

これらの提案について、外部有識者から構成される審査委員会において、書面審査及び面
接審査、日英・日露共同研究については二国間の合同審査を実施し、採択候補課題を選定した。
その後、PD（プログラムディレクター）
・PO（プログラムオフィサー）会議及びステアリ
ングコミッティでの審議を経て、採択課題を決定した。
令和 3 年度 採択課題一覧
課題解決型廃炉研究プログラム
課題名

研究代表者

所属機関

建屋応答モニタリングと損傷イメージング技術を活用したハイブリッド型の原子炉建屋長期健全性評価法の開発研究

前田 匡樹

東北大学

燃料デブリ周辺物質の分析結果に基づく模擬デブリの合成による実機デブリ形成メカニズムの解明と事故進展解析結果の検証によるデブリ特性デー
ターベースの高度化

宇埜 正美

福井大学

ジオポリマー等による PCV 下部の止水・補修及び安定化に関する研究

鈴木 俊一

東京大学

世界初の同位体分析装置による少量燃料デブリの性状把握分析手法の確立

坂本 哲夫

工学院大学

アルファ微粒子の実測に向けた単一微粒子質量分
析法の高度化

豊嶋 厚史

大阪大学

- 10 -

JAEA-Review 2023-025

課題名

研究代表者

所属機関

連携計測による線源探査ロボットシステムの開発
研究人見 啓太朗

東北大学

安原 亮

自然科学
研究機構

中瀬 正彦

東京工業
大学

研究代表者

所属機関

中赤外レーザー分光によるトリチウム水連続モニ
タリング手法の開発
福島原子力発電所事故由来の難固定核種の新規ハ
イブリッド固化への挑戦と合理的な処分概念の構
築・安全評価国際協力型廃炉研究プログラム（日英共同研究）課題名

福島第一原子力発電所の廃止措置における放射性エアロゾル制御及び除染に関する研究

Erkan
Nejdet（～R4.1.31）

東京大学

三輪 修一郎（R4.2.1～）

燃料デブリ取り出しのための機械式マニピュレー
タのナビゲーションおよび制御

淺間 一

東京大学

課題名

研究代表者

所属機関

福島第一発電所 2、3 号機の事故進展シナリオに基づく FP・デブリ挙動の不確かさ低減と炉内汚染状
況・デブリ性状の把握

小林 能直

東京工業
大学

非接触測定法を用いた燃料デブリ臨界解析技術の
高度化

小原 徹

東京工業
大学

国際協力型廃炉研究プログラム（日露共同研究）- 11 -

JAEA-Review 2023-025

6.

令和 4 年度 採択課題

令和 4 年度は、2 つのプログラムにおいて、研究課題の採択を決定した。
公募の概要は以下のとおりである。
公募期間：令和 4 年 3 月 1 日～令和 4 年 5 月 6 日（課題解決型）
令和 4 年 4 月 7 日～令和 4 年 6 月 16 日（国際協力型 日英共同研究）
課題数：8 課題
課題解決型廃炉研究プログラム 6 課題
国際協力型廃炉研究プログラム 2 課題（日英）これらの提案について、外部有識者から構成される審査委員会において、書面審査及び面
接審査、日英・日露共同研究については二国間の合同審査を実施し、採択候補課題を選定した。
その後、PD（プログラムディレクター）
・PO（プログラムオフィサー）会議及びステアリ
ングコミッティでの審議を経て、採択課題を決定した。
令和 4 年度 採択課題一覧
課題解決型廃炉研究プログラム
課題名

研究代表者

所属機関

革新的アルファダスト撮像装置と高線量率場モニタの実用化とその応用

黒澤 俊介

東北大学

3 次元線量拡散予測法の確立と γ 線透過率差を利用した構造体内調査法の開発

谷森 達

京都大学

α汚染可視化ハンドフットクロスモニタの要素技
術開発

樋口 幹雄

北海道大学

高放射線耐性の低照度用太陽電池を利用した放射線場マッピング観測システム開発

奥野 泰希

京都大学

障害物等による劣悪環境下でも通信可能なパッシブ無線通信方式の開発

新井 宏之

横浜国立
大学

- 12 -

JAEA-Review 2023-025

課題名

研究代表者

所属機関

無線 UWB とカメラ画像分析を組合せたリアルタイ
ム 3D 位置測位・組込システムの開発・評価

松下 光次郎

岐阜大学

課題名

研究代表者

所属機関

耐放射線プロセッサを用いた組み込みシステムの
開発

渡邊 実

岡山大学

マイクロ・ナノテクノロジーを利用したアルファ
微粒子の溶解・凝集分散に及ぼすナノ界面現象の
探求

塚原 剛彦

東京工業
大学

国際協力型廃炉研究プログラム（日英共同研究）- 13 -

JAEA-Review 2023-025

本報告書は、以下の課題の令和 4 年度分の研究成果について取りまとめたものである。

研究人材育成型廃炉研究プログラム
課題名

研究代表者

所属機関

燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発

永井 康介

東北大学

研究成果を取りまとめた成果報告書を付録として添付する。

- 14 -

JAEA-Review 2023-025

付録
成果報告書

- 15 -

This is a blank page.

JAEA-Review 2023-025

令和 4 年度

日本原子力研究開発機構
英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発（契約番号

R04I012）

成果報告書

令和 5 年 3 月
国立大学法人東北大学- 17 -

JAEA-Review 2023-025

本報告書は、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構の「英知を結集した原子力科学技術･人材育成推進事業」による委託業務として、国立大学法人東北大学が実施した「燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発」の令和 4 年度分の研究成果を取りまとめたものである。

- 18 -

JAEA-Review 2023-025

目次
概略 ............................................................................... ⅹ
1. はじめに ...................................................................... 1-1
2. 業務計画 ...................................................................... 2-1
2.1 全体計画 ................................................................... 2-1
2.2 実施体制 ................................................................... 2-2
2.3 令和 4 年度の成果の目標及び業務の実施方法 ................................... 2-3
2.3.1 模擬燃料デブリの溶解特性評価 ............................................. 2-3
2.3.2 燃料デブリの主要分離・分析プロセスの確立 ................................. 2-3
2.3.3 模擬燃料デブリの作製 ..................................................... 2-3
2.3.4 ICP-MS/MS によるアクチノイド元素分析に係わる基礎データの取得 .............. 2-4
2.3.5 廃棄物処分における燃料デブリの安定性研究（再委託先：九州大学） ........... 2-4
2.3.6 人材育成 ................................................................. 2-4
2.3.7 研究推進 ................................................................. 2-4
3. 実施内容及び成果 ............................................................ 3.1-1
3.1 模擬燃料デブリの溶解特性評価（令和 2 年度～令和 4 年度） ................... 3.1-1
3.1.1 令和 3 年度までの概要 ................................................. 3.1-1
3.1.2 令和 4 年度実施内容及び成果 ........................................... 3.1-2
3.1.3 まとめ .............................................................. 3.1-13
3.2 燃料デブリの主要分離・分析プロセスの確立（令和 2 年度～令和 4 年度） ....... 3.2-1
3.2.1 令和 3 年度までの概要 ................................................. 3.2-1
3.2.2 令和 4 年度実施内容及び成果 ........................................... 3.2-2
3.2.3 まとめ .............................................................. 3.2-23
3.3 模擬燃料デブリの作製 ..................................................... 3.3-1
3.3.1 令和 3 年度までの概要 ................................................ .3.3-1
3.3.2 令和 4 年度実施内容及び成果 ........................................... 3.3-1
3.3.3 まとめ .............................................................. 3.3-16
3.4 ICP-MS/MS によるアクチノイド元素分析に係わる基礎データの取得（令和 2 年度～
令和 4 年度） .................................................................. 3.4-1
3.4.1 令和 3 年度までの概要 ................................................. 3.4-1
3.4.2 令和 4 年度実施内容及び成果 ........................................... 3.4-2
3.4.3 まとめ .............................................................. 3.4-17
3.5 廃棄物処分における燃料デブリの安定性研究（再委託先：九州大学） ........... 3.5-1
3.5.1 令和 3 年度までの実施内容及び成果（概要）.............................. 3.5-1
3.5.2 令和 4 年度実施内容及び成果 ........................................... 3.5-2
3.5.3 まとめ ............................................................... 3.5-7
3.6 人材育成 ................................................................. 3.6-1
3.7 研究推進 ................................................................... 3-7i- 19 -

JAEA-Review 2023-025

4.

結言 .......................................................................... 4-1

参考文献 .......................................................................... 5-1

ii- 20 -

JAEA-Review 2023-025

執筆者リスト

事業代表者
国立大学法人東北大学

再委託先
国立大学法人長岡技術科学大学
日本核燃料開発株式会社
国立大学法人九州大学

教授
准教授

永井 康介
小無 健司

教授
グループリーダー
教授

鈴木 達也
樋口 徹
出光 一哉

連携先
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

iii- 21 -

関尾 佳弘
大西 貴士
風間 裕行

JAEA-Review 2023-025

表一覧
表 3.1.2-1
表 3.1.2-2
表 3.1.2-3
表 3.1.2-4
表 3.1.2-5
表 3.1.2-6
表 3.1.2-7
表 3.1.2-8
表 3.1.2-9
表 3.1.2-10
表 3.1.2-11
表 3.1.2-12
表 3.1.2-13
表 3.2.2-1
表 3.2.2-2
表 3.2.2-3
表 3.2.2-4
表 3.2.2-5
表 3.2.2-6
表 3.2.2-7
表 3.2.2-8
表 3.2.2-9

表 3.3.2-1
表 3.3.2-2
表 3.3.2-3
表 3.3.2-4

コールド模擬燃料デブリ試料調製条件
溶解試験に使用した試料量
EDS 面分析により評価した不溶解性残渣の原子数比
アルカリ融解試験に使用した試料量（1400 ℃焼結模擬燃料デブリ）
アルカリ融解試験に使用した試料量（1700 ℃焼結模擬燃料デブリ）
1400 ℃焼結(U,Zr)O2 系模擬燃料デブリ溶解率 /%1700 ℃焼結(U,Zr)O2 系模擬燃料デブリ溶解率 /%アルカリ融解試験に使用した MCCI 模擬燃料デブリ及び Na2O2MCCI 模擬燃料デブリの溶解率 /%模擬デブリの性状と酸化還元条件 (U:Zr=9:1)
模擬デブリの性状と酸化還元条件 (U:Zr=1:1)
模擬デブリの酸化還元粉体化と塩素化による溶解率評価 (硝酸)
模擬デブリの酸化還元粉体化と塩素化による溶解率評価 (塩酸)
ICP-MS/MS 測定における装置条件
ICP-MS/MS 測定により評価したコールド模擬物質の溶解率
ICP-MS/MS 測定による Eu/Gd 相互分別性能評価時の装置条件
O2 を導入した際の Eu+及び Gd+の検量線パラメータ及び定量下限O2 を導入した ICP-MS/MS 測定における Eu+及び Gd＋の信号強度
N2O を導入した際の GdN+及び EuN+の検量線パラメータ及び定量
下限
O2 を導入した ICP-MS/MS 測定における Eu+及び Gd＋の信号強度分離試験フィード液として調製した 4 mol/L 硝酸水溶液の液組成
事故後 10 年経過時点での 1F2 号機の平均炉心組成評価結果及びふげん照射済み燃料溶解液の液組成（主なアクチノイド及び FP 核種のみ抜粋）
共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試
料の寸法及び密度共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリのXRD 定性結果
MA 法による模擬燃料デブリ作製における酸素を除いた組成
MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の寸法及び密度iv- 22 -

....
....
....

3.1-3
3.1-4
3.1-7

....

3.1-7

....
....
....
....
....
....
....

3.1-7
3.1-9
3.1-9
3.1-103.1-11
3.1-11
3.1-11....

3.1-12

....
....
....
....

3.1-12
3.2-3
3.2-4
3.2-7

....
....

3.2-8
3.2-9

....
....

3.2-103.2-10....

3.2-11....

3.2-13

....

3.3-3

....
....

3.3-3
3.3-8

....

3.3-8

JAEA-Review 2023-025

表 3.3.2-5
表 3.4.1-1
表 3.4.1-2
表 3.4.2-1
表 3.4.2-2
表 3.4.2-3
表 3.4.2-4
表 3.4.2-5
表 3.4.2-6
表 3.4.2-7
表 3.4.2-8
表 3.4.2-9
表 3.4.2-10
表 3.4.2-11
表 3.4.2-12
表 3.5.2-1

MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリのXRD 定性結果
CRC ガス一覧
燃料デブリに含まれると予想されるアクチノイド核種
ICP-MS/MS 測定における装置条件 (O2, CO2, N2O, NH3+He 導入
時)
CO2 0.45 mL/min 導入時の全信号強度に対する各質量電荷比における信号強度の比率 /%N2O 導入時の全検出強度に対する各質量電荷比における検出強度の比率 /%
O2 導入時の全検出強度に対する各質量電荷比における検出強度の比率 /%
NH3 3 mL/min（+He:1 mL/min）導入時の全信号強度に対する各質量電荷比における信号強度の比率 /%ICP-MS/MS を用いたアクチノイド核種相互分別の候補ガス種と分析対象イオン
各反応ガスを導入した際の Am イオン種の検量線パラメータ及び検出限界
各反応ガスを導入した際の Cm イオン種の検量線パラメータ及び検出限界
Am-Cm 共存試料測定時の ICP-MS/MS 測定条件
0.38 mL/min CO2 導入時の An+、AnO+の信号強度(An= Am, Cm)
0.75 mL/min CO2 導入時の An+、AnO+の信号強度(An= Am, Cm)
1.1 mL/min CO2 導入時の An+、AnO+の信号強度(An= Am, Cm)(U1-x-y,Zrx, Fey)O2 試料の諸表v- 23 -

....
....
....

3.3-8
3.4-1
3.4-2

....

3.4-3

....

3.4-4

....

3.4-5

....

3.4-5

....

3.4-6

....

3.4-10....

3.4-11

....
....
....
....
....
....

3.4-12
3.4-15
3.4-16
3.4-16
3.4-16
3.5-2

JAEA-Review 2023-025

図一覧
図 2.1-1
図 2.1-2
図 3.1.2-1
図 3.1.2-2
図 3.1.2-3
図 3.1.2-4
図 3.1.2-5
図 3.1.2-6
図 3.1.2-7
図 3.1.2-8
図 3.1.2-9
図 3.2.1-1
図 3.2.2-1
図 3.2.2-2
図 3.2.2-3
図 3.2.2-4
図 3.2.2-5
図 3.2.2-6
図 3.2.2-7
図 3.2.2-8
図 3.2.2-9
図 3.2.2-10
図 3.2.2-11
図 3.2.2-12
図 3.2.2-13
図 3.2.2-14
図 3.2.2-15
図 3.2.2-16
図 3.2.2-17
図 3.2.2-18
図 3.2.2-19

全体計画図
実施体制図
整備した試料調製用グローブボックスの外観写真
整備した ICP-MS/MS の外観写真
アルカリ融解試験経過写真
硝酸溶解の経過写真
硝酸溶解時に確認された不溶解性残渣及び模擬燃料デブリ調製に使用した試料の粉末 XRD 回折パターン
硝酸溶解で確認された不溶解性残渣の SEM-EDS 観察結果（観察倍率 1000 倍）
1400 ℃焼結模擬燃料デブリのアルカリ融解試験経過写真
1700 ℃焼結模擬燃料デブリのアルカリ融解試験経過写真
融解試験経過写真
分離フロー検討図
標準試料に含まれる各金属濃度に対する信号強度のプロット
O2 流量に対する Eu、Gd イオン種の検出強度
N2O 流量に対する Gd、Eu イオン種の検出強度
各標準試料に含まれる核種濃度に対する O2 導入時の信号強度のプロット
各標準試料に含まれる核種濃度に対する N2O 導入時の信号強度のプロット
TBP 樹脂による模擬燃料デブリ溶解液に含まれる各元素の溶離曲線
TRU 樹脂による TBP 樹脂分離回収液に含まれるランタノイド元素の溶離曲線
TBP 樹脂による分離試験における溶離曲線
TRU 樹脂による分離試験における溶離曲線
TBP 樹脂を用いた PUREX 類似型分離手法によるアクチノイド吸着分離試験
TBP 樹脂を用いた HCl での PUREX 類似型分離手法によるアクチ
ノイド吸着分離試験
TBP 樹脂を用い、硝酸と塩酸を組み合わせた分離手法の結果
TBP 樹脂を用いたアクチノイド分離
DGA 樹脂の希土類元素と Am, Cm の分配係数（塩酸）DGA 樹脂の希土類元素と Am, Cm の分配係数（硝酸）DGA 樹脂を用いた Am と Cm 分離（1M 塩酸）
DGA 樹脂での Am と Cm の分離（0.8M 塩酸）
DGA 樹脂での Am と Cm の分離（1.2M 塩酸）
TRU 樹脂の希土類元素と Am, Cm の分配係数（塩酸）vi- 24 -

....
....
....
....
....
....

2-1
2-2
3.1-2
3.1-3
3.1-4
3.1-5

....

3.1-5

....
....
....
....
....
....
....
....

3.1-6
3.1-8
3.1-9
3.1-10
3.2-1
3.2-4
3.2-5
3.2-6

....

3.2-8

....

3.2-10....

3.2-12

....
....
....

3.2-12
3.2-15
3.2-16....

3.2-17

....
....
....
....
....
....
....
....
....

3.2-17
3.2-183.2-193.2-193.2-193.2-203.2-21
3.2-21
3.2-21JAEA-Review 2023-025

図 3.2.2-20
図 3.2.2-21
図 3.3.2-1
図 3.3.2-2

図 3.3.2-3
図 3.3.2-4
図 3.3.2-5

図 3.3.2-6

図 3.3.2-7
図 3.3.2-8
図 3.3.2-9
図 3.3.2-10
図 3.3.2-11
図 3.3.2-12
図 3.3.2-13
図 3.4.1-1
図 3.4.2-1
図 3.4.2-2
図 3.4.2-3
図 3.4.2-4
図 3.4.2-5
図 3.5.1-1
図 3.5.1-2
図 3.5.1-3
図 3.5.2-1
図 3.5.2-2
図 3.5.2-3

TRU 樹脂の希土類元素と Am, Cm の分配係数（硝酸）TRU 樹脂を用いた Am と Cm 及び希土類抽出共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試
料の外観例

....
....

3.2-21
3.2-22

....

3.3-3

共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリの
XRD パターン（上）、バックグラウンド除去及び Kα2 分離後の XRD パターンとリファレンスパターン（中）、及びピーク
リスト（下）

....

3.3-4

....

3.3-5

....

3.3-6

....

3.3-8

....

3.3-9

....

3.3-10....

3.3-10

....
....
....
....
....
....
....
....
....
....
....
....

3.3-11
3.3-13
3.3-14
3.3-15
3.3-15
3.4-1
3.4-7
3.4-8
3.4-8
3.4-9
3.4-13
3.5-1

....
....

3.5-1
3.5-2

....
....
....

3.5-3
3.5-3
3.5-4

共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試
料の断面 SEM 観察
共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の EDS 分析結果
MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の外観例
MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリの
XRD パターン（上）、バックグラウンド除去及び Kα2 分離後の XRD パターンとリファレンスパターン（中）、及びピーク
リスト（下）
MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の表面 SEM 観察
MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の断面 SEM 観察
MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の EDS 分析結果
U-Zr-Fe-O 試料のヘキ開面低倍率 SEM 観察
Fe 体積分率の 3 次元定量解析
EDX による組成分析
U-Zr-Fe-O 試料の AC-TEM 観察像
セルガス系統図
CO2 流量に対するアクチノイドイオン種の検出強度
N2O 流量に対するアクチノイドイオン種の検出強度
O2 流量に対するアクチノイドイオン種の検出強度
NH3 流量に対するアクチノイドイオン種の検出強度
CO2 流量に対する Am、Cm イオン種の検出強度
マイクロチャンネル流水試験装置概略図
マイクロチャンネル流水試験結果（NFD 試料 CeFeO2 1M NaCl
溶液）
マイクロチャンネル流水試験前後の試料観察結果(U1-x-y,Zrx, Fey)O2 試料のエネルギー分散蛍光 X 線スペクトル
分析結果(U1-x-y,Zrx, Fey)O2 試料の X 線回折結果
マイクロチャンネル流水試験結果（(U1-x-y,Zrx, Fey)O2 純水）vii- 25 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.5.2-4

図 3.5.2-5
図 3.5.2-6

マイクロチャンネル流水試験結果（(U1-x-y,Zrx, Fey)O2
NaCl 溶液）
マイクロチャンネル流水試験前後の試料 SEM 写真（U:Zr=9:1）
マイクロチャンネル流水試験結果（模擬 MCCI 試料）

viii- 26 -

1M
....

3.5-5

....

3.5-6

....

3.5-7

JAEA-Review 2023-025

略語一覧
JAEA
CLADS
東電
1F
ICP-MS
ICP-MS/MS

OJT
MCCI
長岡技大
NFD
SEM-EDS
九州大学
FMF
PP
XRD
CRC
TEM
FIB

： Japan Atomic Energy Agency（国立研究開発法人日本原子力研究開発機構）： Collaborative Laboratories for
Advanced Decommissioning Science（廃炉環境国際共同研究センター）： 東京電力ホールディングス株式会社： 東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所
誘導結合プラズマ質量分析法： Inductively Coupled Plasma
Mass Spectrometry
トリプル四重極誘導結合プラズマ質量： Triple quadrupole
inductively coupled plasma
分析装置
mass spectrometry： On the Job Training： Molten Core Concrete Interaction
溶融炉心・コンクリート相互作用： 国立大学法人長岡技術科学大学
日本核燃料株式会社： Nippon Nuclear Fuel
Development Co., Ltd.
走査電子顕微鏡、エネルギー分散蛍光： Scanning Electron Microscope
X 線分光Energy Dispersive Spectrometer： 国立大学法人九州大学： Fuels Monitoring Facility
照射燃料集合体試験施設： Polypropylene
ポリプロピレン
： X-Ray Diffraction
X 線回折： Collision/Reaction Cell
コリジョン・リアクションセル： Transmission Electron
透過電子顕微鏡
Microscopy： Focused Ion Beam
収束イオンビームix- 27 -

JAEA-Review 2023-025

概略
中長期ロードマップにおいて予定されている東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所（以下、「1F」と略す。）廃炉に係る燃料デブリ取り出し後、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（以下、「JAEA」と略す。
）大熊分析・研究センター第 2 棟及び茨城地区のホットラボにおいて、燃料デブリ分析が予定されている。燃料デブリは、核燃料と原子炉構成部材、コンクリートが混ざり合うなど、その特性は明らかでなく、その分析は世界で初めての試みとなる。
本研究では、燃料デブリの取り扱い、臨界管理、保管管理等に必要な性状把握において、キーとなるアクチノイド核種の化学分析を中心に、最適な試料前処理・分離・分析プロセスを開発し、将来計画されている燃料デブリ分析の効率化・合理化を図るとともに、一連の研究業務における人材育成を通し、1F 廃炉推進に資することを目的とする。
特に、近年分析化学分野、放射化学分野で成果を上げつつある誘導結合プラズマ質量分析法(以下、「ICP-MS」と略す。）を原子力分野に応用することにより、測定核種を単離するための前処理をせずに高精度で分析できる手法を開発し、分離前処理を省力化し、迅速な分析工程を確立する。
令和 3 年度までは、模擬燃料デブリ作製の技術開発やトリプル四重極誘導結合プラズマ質量分析装置（以下、「ICP-MS/MS」と略す。
）をはじめとした実験機器を整備するとともに、国立大学法人東北大学（以下、「東北大学」と略す。
）の連携ラボに既に設置されている ICP-MS/MS を用いてアクチノイド元素の基礎データを取得した。令和 4 年度は、基礎データをさらに拡充するとともに、JAEA の連携ラボの ICP-MS/MS の設置を完了した。いずれも計画通り作業が進められており
JAEA 大熊分析・研究センター第 2 棟での分析作業に有用な知見を供給できる見通しである。これに加えて海水及び淡水に長期間浸漬されていたデブリの変質についての情報を得るため、模擬デブリ試料の浸出試験が実施され貴重なデータが得られている。また、オンザジョブトレーニング（以下、「OJT」と略す。
）で現場の研究を通して人材育成を図った。
前年度までの成果報告書：
JAEA-Review 2022-034
燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発(委託研究); 令和 3 年度英知を結集した原子力
科学技術・人材育成推進事業
https://doi.org/10.11484/jaea-review-2022-034
JAEA-Review 2021-056
燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発(委託研究); 令和 2 年度英知を結集した原子力
科学技術・人材育成推進事業
https://doi.org/10.11484/jaea-review-2021-056
JAEA-Review 2020-064
燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発(委託研究); 令和元年度英知を結集した原子力
科学技術・人材育成推進事業
https://doi.org/10.11484/jaea-review-2020-064

x- 28 -

JAEA-Review 2023-025

1. はじめに
1F では、原子炉内・格納容器内に分布する燃料デブリの取り出しに向けて、格納容器内部調査などが進められている。内部調査、サンプリング、燃料デブリ取り出しへと段階が進むにしたがい、取得されるサンプルは U や Pu 等のアクチノイド元素を多く含む可能性が高くなると考えられる。格納容器内で取得した堆積物等のサンプルについても、取得したタイミングで速やかに分析を行い、その結果を活用することで、廃炉を着実に進める必要がある。
分析・研究施設としては、1F の廃止措置等に向けた中長期ロードマップを踏まえ、1F に隣接した研究開発拠点として放射性物質分析・研究施設（施設管理棟、第 1 棟、第 2 棟）の整備が JAEA
大熊分析・研究センターにおいて進められている。燃料デブリの分析はその第 2 棟（建設中）での実施が予定されている。これまでの核種分析は、元素を単離した後に放射能測定により実施してきた。しかし、近年は ICP-MS を用いた分析が着目されている。ICP-MS は、試料をプラズマ化し四重極分析装置で質量によって分離、検出する装置である。この方法では測定核種を単離するための前処理をせずに分析できるため分離前処理の省力化ができ、迅速に分析することができる。
本研究の実施により実際の燃料デブリサンプルの分析工程に直結する基礎データを取得し、分析手法の確立を図る。
また、1F 廃炉に係る燃料デブリ取り出し時期が近づいており、分析方法の確立とともに分析人
材の確保は喫緊の課題である。本研究は一連の研究業務における人材育成を通し、1F 廃炉推進に資することを目的とする。

1-1- 29 -

JAEA-Review 2023-025

2. 業務計画
2.1 全体計画
本研究では、燃料デブリの取り扱い、臨界管理、保管管理等に必要な性状把握において、キーとなるアクチノイド核種の化学分析を中心に、最適な試料前処理・分離・分析プロセスを開発し、将来計画されている燃料デブリ分析の効率化・合理化を図るとともに、一連の研究業務における人材育成を通し、1F 廃炉推進に資することを目的とする。
特に、近年分析化学分野、放射化学分野で成果を上げつつある ICP-MS/MS を原子力分野に応用することにより、測定核種を単離するための前処理をせずに高精度で分析できる手法を開発し、分離前処理を省力化し、迅速な分析工程を確立する。
本研究の全体計画図を図 2.1-1 に、実施体制図を図 2.1-2 に示す。

年度
項目

令和元年度

令和２年度
準備と確認フェーズ(1)模擬燃料デブリの溶解特性評価①設備整備（JAEA）

予備試験③熱化学転換法の研究（長岡技大）(2)燃料デブリの主要分離・分析プ
ロセスの確立①装置整備（JAEA）②ICP-MS/MS測定（JAEA）

試験準備

令和４年度

令和５年度

試験フェーズ試験フェーズ

評価とまとめフェーズ

模擬燃料デブリを用いた

ホットイン対応（許認可含む）

装置整備

②溶解試験
（JAEA）

令和３年度

模擬燃料デブリを用いたコールド試験及び評価まとめ

模擬燃料デブリを用いた
コールド・ホット試験及び評価まとめ

ホット試験及び評価まとめ

模擬燃料デブリを用いたホット試験及び評価まとめ

溶解条件の検討

溶解条件の検討

溶解条件の最適化

溶解条件の最適化、決定

最適化試験

試験及び評価まとめ

模擬燃料デブリ試験

模擬元素試験

装置整備

動作確認試験

分離プロセスの検討

模擬燃料デブリを用いたコールド試験及び評価まとめ

模擬燃料デブリを用いた
模擬燃料デブリを用いた
コールド・ホット試験及び評価まとめ コールド・ホット試験及び評価まとめ

模擬燃料デブリを用いたホット試験及び評価まとめ

分離プロセスの検討

分離プロセスの検討

分離プロセスの検討

分離プロセスの最適化、決定

アクチノイド吸着予備試験

含侵樹脂等による
核種分離基礎試験

含侵樹脂等による核種分離最適化試験

吸着体及び分離条件の改良試験

模擬デブリからの分離スキーム評価とまとめ(3)模擬燃料デブリの作製①模擬燃料デブリの作製に関する研究（NFD）

模擬燃料デブリ作製

模擬燃料デブリ作製

FP,コンクリート成分を含む
模擬燃料デブリの作製

模擬燃料デブリ作製方法の
最適化

成果まとめ

②共沈法による模擬燃料デブリの作製に関する研究

U-Zr-O系試料作製

U-Zr-Fe-O系試料作製

試料の微細構造評価

試料の微細構造評価

成果まとめ

装置整備とマシンタイム調整装置整備とマシンタイム調整

装置整備とマシンタイム調整③前処理分離技術に関する研究（長岡技大）(4)ICP-MS/MSによるアクチノイド元素分析に係わる基礎データの取得①ICP-MS/MS装置整備②干渉イオン除去に関するデー
タ収集（長岡技大）(5)廃棄物処分における燃料デブリの安定性研究（九州大学）①マイクロチャンネル流水浸出試験装置の整備②模擬デブリ試料の浸出試験

希土類分子イオン
生成データ収集

マイクロチャンネル
流水試験装置整備

希土類元素マスシフトデータ収集

装置整備とマシンタイム調整

成果まとめ

アクチノイド分子イオン生成デー
タ収集

混合元素試料を用いた干渉排除に関するデータ収集

模擬デブリの溶解・分離試料を用いた分析による総合評価とまとめマイクロチャンネル流
水試験（模擬燃料デブ
リ）マイクロチャンネル流
水試験（MCCI試料）

マイクロチャンネル流水試験（各種模擬デブリ） 成果まとめマイクロチャンネル流
水試験装置整備
マイクロチャンネル
流水試験（コールド試験）(6)人材育成(7)研究推進

運営委員会の開催△△

運営委員会の開催△△

運営委員会の開催△△

運営委員会の開催△△

運営委員会の開催△△

まとめ・評価まとめ・評価まとめ・評価まとめ・評価まとめ・評価図 2.1-1 全体計画図

2-1- 30 -

JAEA-Review 2023-025

2.2 実施体制
連携ラボ（JAEA）

JAEA/CLADS(1) 燃料デブリの溶解特性評価

燃料デブリ研究 Dv.鷲谷忠博

・デブリ製造、溶解、分析全般に関するコンサルティング(2) 燃料デブリの主要分離・分析プロセスの確立
燃料材料開発部

施設責任者
FMF

・連携ラボの運営
・施設(FMF/AGF)
利用に係る協力
FMF 前田課長

前田宏治

AGF 山県課長

関尾佳弘

・試験、評価濱田真歩

・試験、試験設備整備

岩本康弘

・試験、試験設備整備

AGF

大西貴士

・試験,評価

森下一喜

・試験

小山真一

・人材育成とりまとめ

矢野公彦

・連携ラボ試験、評価

池内宏知・連携ラボ試験、評価

連携ラボ（東北大学）

NFD(3) 模擬燃料デブリの作製(3) 模擬燃料デブリの作製(4) ICP-MS/MS によるアクチノイド元素分析に係わる基礎データの取得

樋口徹

・全体とりまとめ坂本寛・デブリ観察、分析

小無健司

・環境整備、装置整備

鈴木晶大

・デブリ作製、加工

本多史憲

・X 線回折大内敦

・デブリ作製、加工

吉田健太

・HRTEM 試験

三浦祐典

・デブリ作製、加工

柴田博紀

・デブリ観察、分析

長岡技術科学大学

九州大学(1) 燃料デブリの溶解特性評価(5) 廃棄物処分における燃料デブ
リの安定性研究(2) 燃料デブリの主要分離・分析
プロセスの確立(4) ICP-MS/MS によるアクチノイド元素分析に係わる基礎デー
タの取得
鈴木達也

・研究とりまとめ・ICP-MS/MS 試験評価

出光一哉

・研究立案、とりまとめ

稲垣

八穂広

・装置整備

有馬

立身

・装置整備

・熱化学転換法の研究

図 2.1-2 実施体制図

2-2- 31 -

JAEA-Review 2023-025

2.3 令和 4 年度の成果の目標及び業務の実施方法
2.3.1 模擬燃料デブリの溶解特性評価(1) 設備整備（連携先：JAEA）
模擬燃料デブリのアルカリ融解をベースとするための環境整備の一環として、試料調製用グローブボックスを用いたホット試料取扱いのための許認可対応を継続実施し、環境整備を完了する。
(2) 溶解試験（連携先：JAEA）
模擬物質（核燃料物質含む）を用いてアルカリ溶解試験及び不溶解残渣分析を行い、溶解条件の最適化に関するデータを継続して収集する。また、溶融炉心・コンクリート相互作用（以下、「MCCI」と略す。
）を考慮した模擬燃料デブリの溶解特性を評価する。
(3) 熱化学転換法の研究（再委託先：国立大学法人長岡技術科学大学（以下、「長岡技大」と略す。
））
デブリ熱化学転換試験として、模擬デブリを用いた酸化・還元による粉体化と塩素化による塩化物転換の溶解における最適化に関するデータを収集する。
2.3.2 燃料デブリの主要分離・分析プロセスの確立(1) ICP-MS/MS 測定（連携先：JAEA）
模擬物質（項目 2.3.1-(2)に用いた模擬物質等）を用いた溶解液に系統的分離プロセスを適用し、分離条件を評価する。また、Nd、Sm、TRU 核種を含む照射済燃料を用いて、ICP-MS（Agilent7500）を用いた分離プロセス及び測定条件に関するデータを継続して収集する。加えて、2.3.1-(2)の模擬物質（コールド試料）等を用いて、ICP-MS/MS（Agilent8900）による元素単体の分離条件（キャリアガスの種類及び流量等）の最適化に係る測定条件や定量性に関するデータを継続して収集し、これらの結果に基づき相互分別性能を評価する。
(2) 前処理分離技術に関する研究（東北大学、再委託先：長岡技大）
ICP-MS/MS 測定の前処理分離試験として、デブリに含まれる元素を考慮し希土類元素やアクチノイド元素を対象とした核種分離に係る吸着体と分離条件の改良及び最適化に係るデー
タを収集する。
2.3.3 模擬燃料デブリの作製(1) 模擬燃料デブリの作製に関する研究(再委託先：日本核燃料株式会社（以下、「NFD」と略す。））
令和 3 年度に引き続き、混合した未照射 UO2、ZrO2 等に、FP 成分（Nd、Gd）やコンクリート
成分（SiO2）を添加することにより、模擬燃料デブリを試作する。作製した模擬燃料デブリを切断・樹脂埋め・研磨し、走査型電子顕微鏡及びエネルギー分散型 X 線検出器（以下、「SEMEDS」と略す。
）により、クラック等の有無や析出物・介在物等の分布について調査する。混合方法及び加熱温度等の模擬燃料デブリ作製条件は、SEM-EDS による詳細観察結果等を基に適宜調整を行い、最適化を行う。
作製した模擬燃料デブリは、必要に応じて切断し、各種試験に適した形状に加工する。

2-3- 32 -

JAEA-Review 2023-025(2) 共沈法による模擬燃料デブリの作製に関する研究
均一性の高い粉体の作製方法のひとつである共沈法を用いて U-Zr-Fe-O 系模擬燃料デブリ
試料を作製し、その微細構造分析を継続して実施する。また、透過電子顕微鏡観察を実施し、各相の結晶構造、化学状態を調べる。
2.3.4 ICP-MS/MS によるアクチノイド元素分析に係わる基礎データの取得(1) ICP-MS/MS 装置整備
反応ガス（O2、NH3、N2O、CO2）を使用した際の基礎特性データを継続して収集する。また連携ラボ（東北大学）の ICP-MS/MS 取り扱いマニュアルを更新する。
(2) 干渉イオン除去に関するデータ収集（再委託先：長岡技大）連携ラボ（東北大学）に設置されている ICP-MS/MS を用い、アクチノイドの分子イオン生成に関して、核種が混合している状態での干渉除去の試験を実施するとともに、同重体の存在比率が及ぼす精度への影響に関するデータを収集する。
2.3.5 廃棄物処分における燃料デブリの安定性研究（再委託先：国立大学法人九州大学（以下、「九州大学」と略す。
））(1) 模擬デブリ試料の浸出試験
海水及び淡水に長期間浸漬されていたデブリ（掘削により粉末化したものも含む）の変質についての情報を得るため、連携ラボ（九州大学及び東北大学）において模擬デブリ（ウラン含 有及び非含有、MCCI 模擬試料）の浸出試験を行う。NFD により作製されたメカニカルア
ロイング試料をマイクロチャンネル装置に設置するため試料調製を行い、環境条件（溶液種
類：塩水、淡水、場合によっては希硝酸溶液等）をパラメータとした化学的耐久性（溶解/浸出挙動）を評価する。また、マイクロチャンネル装置に取り付けられない模擬デブリ試料を対象とした静的浸出試験装置についても既存試料を用いたテストを継続実施する。
2.3.6 人材育成
東北大学及び連携ラボ（JAEA）はいずれも同じ敷地内にあり、放射線管理の考え方が共通しており、ホットな試料を安全に取り扱える環境にある。このため、若手研究者や学生を一連の研究業務に参画させることにより、燃料デブリ分析化学を学ばせるとともに OJT を通じて放射能の取り扱いにも精通した人材を育成する。
2.3.7 研究推進
研究代表者の下で各研究項目間ならびに廃炉環境国際共同研究センター（以下、「CLADS」と略す。
）等との連携を密にして、研究を進める。また、研究実施計画を推進するための打合せや会議等を開催する。

2-4- 33 -

JAEA-Review 2023-025

3. 実施内容及び成果
3.1 模擬燃料デブリの溶解特性評価（令和 2 年度～令和 4 年度）
3.1.1 令和 3 年度までの概要(1) 設備整備（連携先：JAEA）
令和 2 年度には、核燃料物質のアルカリ融解等の試料調製作業実施に不可欠な試料調製用グローブボックスについて、令和元年度に検討した技術的な仕様（試料調製用グローブボッ
クスの運転操作に不可欠な電気系統及び排気系統の位置・仕様等の検討）を確定したうえで、
他施設からの移設を完了した。また、整備した試料調製用グローブボックス及び ICP-MS/MSを用いたホット試料取扱い（核燃料物質のアルカリ融解及び ICP-MS/MS 測定）を行うための許認可対応として、照射燃料集合体試験施設（以下、「FMF」と略す。
）の核燃料物質使用変更
許可申請の準備作業（試料調製用グローブボックス等を用いた試料取扱方法や安全対策手法の検討及び申請書作成）を実施した。
令和 3 年度には、試料調製用グローブボックス及び ICP-MS/MS におけるホット試料取扱いのための許認可対応を行った。具体的には、FMF の核燃料物質使用変更許可申請書の作成・検討を令和 2 年度から継続し、JAEA 内の安全審査等を経て、令和 3 年 9 月に申請した。また、
試料調製用グローブボックス等の運用管理方法（負圧値の設定や異常時の警報設定等）の追加に係る核燃料物質使用保安規定変更認可申請及び試料調製用グローブボックス等の使用前検査（材料検査や気密検査等）に係る使用前確認申請の準備作業（検査内容検討及び申請書作成）を行った。
(2) 溶解試験（連携先：JAEA）
令和 2 年度には、Na2O2 を用いたアルカリ融解法に着目し、アルカリ融剤添加量及び融解温
度をパラメータとした燃料デブリ溶解技術最適化に係る試験をコールド試料に対して実施し、Zircaloy-2（被た。ここでの試料には、1F 実燃料デブリの模擬物質として CeO2（UO2 を模擬）
、CsI（核分裂生成物）、SUS304（原子炉構造材）、Gd2O3（中性子毒覆管材）、B4C（制御棒材）
物）、Nd2O3（燃焼度評価核種）の混合物を用いた。Na2O2 を模擬燃料デブリの質量に対して 10倍量又は 5 倍量添加し、600 ℃、1 時間加熱する条件下において、CeO2 を主成分とした上述の試料に対して完全溶解が確認された。
令和 3 年度には、コールド試料（CeO2、Zircaloy-2、B4C、CsI、SUS304、Nd2O3、Gd2O3 を加熱処理したもの）及び U-Zr-O 系模擬燃料デブリを用いて、アルカリ融解試験及び不溶解性残渣分析を行った。これまでに提案されているアルカリ融解条件（模擬燃料デブリ:融剤=1:10、
750 ℃の加熱）と比較して、より温和な条件（模擬燃料デブリ:融剤=1:5、685 ℃の加熱）で模擬燃料デブリの完全溶解を確認し、燃料デブリ溶解条件最適化に係る知見を得た。
(3) 熱化学転換法の研究（東北大学、再委託先：長岡技大）
令和元年度には、熱化学転換により易溶性物質への転換のための試験装置を整備し、セリ
ア等の模擬物質を用いた予備試験を実施するとともに、UO2 及び U3O8 粉末を用いたデブリ溶解の基礎試験を行い、四塩化炭素とセリア、UO2、U3O8 を反応させることにより、それぞれ易溶
性の塩化物に化学転換されることを確認した。
令和 2 年度には、デブリ熱化学転換試験として、種々元素の塩素化による塩化物転換に関する条件収集を行った。元素としては、デブリを構成する主要元素であるジルコニウム、鉄、
アクチノイドの模擬元素であるセレン及びウランとし、塩化物転換が可能であることを確認
した。

3.1-1
- 34 -

JAEA-Review 2023-025

令和 3 年度には、模擬デブリを用いた酸化・還元による粉体化と塩素化による塩化物転換に関する試験を行い、二酸化ウランを模擬するセリア、二酸化ウラン、ジルコニウムや鉄を含有する模擬デブリで酸化・粉体化もしくは酸化・脆化と塩素化を確認し、酸溶液に溶解する可能性を見出した。
3.1.2 令和 4 年度実施内容及び成果(1)設備整備（連携先：JAEA）
令和 4 年度は、令和 3 年 9 月に申請した試料調製用グローブボックス（図 3.1.2-1 参照）
及び ICP-MS/MS（図 3.1.2-2 参照）におけるホット試料取扱いの追加に係る核燃料物質使用
変更許可申請について、令和 4 年 6 月に許可を取得し、試料調製用グローブボックス等を用いた核燃料物質取扱量や試料取扱方法、安全対策手法等を確定させた。また、試料調製用グ
ローブボックス等の運用管理方法の追加に係る核燃料物質使用保安規定変更認可申請の作成・検討を令和 3 年度から継続し、JAEA 内の安全審査等を経て、令和 4 年 10 月に申請し、令和 5 年 1 月に認可を受領した。これにより、試料調製用グローブボックス等における核燃料
物質の管理方法、運転負圧値、異常時の警報設定値等を確定させた。さらに、試料調製用グ
ローブボックス等の使用前検査に係る使用前確認申請の作成・検討を令和 3 年度から継続し、「使用施設等の技術基準に関する規則」に基づき受検する検査項目（地震による損傷の防止に係る材料検査等、閉じ込めの機能に係る気密性能検査等、火災等による損傷の防止に係る材料検査、遮蔽に係る寸法検査）及び検査基準等を確定させたうえで、JAEA 内の安全審査等を経て、令和 4 年 12 月に申請した。令和 5 年 2 月には FMF の施設点検の影響による検査日程の変更に係る再申請を、令和 5 年 3 月には ICP-MS/MS 設置室の臨界防止に係る検査項目の追加に係る再申請を行った。令和 5 年 3 月に使用前検査を受検し、「使用施設等の技術基準に関する規則」に基づく検査に合格した。
模擬燃料デブリのアルカリ融解をベースとするための環境整備として、試料調製用グロー
ブボックス及び ICP-MS/MS の整備及び関連する許認可対応を令和元年度から進め、当初計画のとおり、令和 5 年度からの模擬燃料デブリのアルカリ融解及び ICP-MS/MS 測定を行うための環境整備を完了した。令和 5 年度は、ホット試料取扱いのための技術向上を目的として、使用の許可を受けた試料調製用グローブボックス及び ICP-MS/MS においてコールド試料を用いたアルカリ融解試験及び分析等のモックアップを行った後、模擬燃料デブリや照射済燃料
等の核燃料物質を用いた試験を行う予定である。

図 3.1.2-1 整備した試料調製用グローブボックスの外観写真

3.1-2- 35 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.1.2-2 整備した ICP-MS/MS の外観写真(2)溶解試験（連携先：JAEA）
令和 4 年度は、令和 3 年度までに得られた知見に基づき、Na2O2 を模擬燃料デブリの質量に対して 10 倍量添加し、雰囲気制御なしの電気炉で 650 ℃、1 時間の加熱を行う条件を候補アルカ
リ融解最適化条件とし、この条件が多様な試料性状の模擬燃料デブリに対して完全溶解を達成しうるかに着目し、検討を行った。試料には、コールド模擬物質、(U,Zr)O2 系模擬燃料デブリ（令和 2 年度 NFD 作製）、MCCI 模擬燃料デブリ（令和 4 年度 NFD 作製）を使用した。以下、各試料に対する検討の詳細を示す。
① コールド模擬燃料デブリ溶解試験、被覆管成分（ZrO2）、原子炉構造材（FeO）、
コールド模擬燃料物質には、UO2 の模擬物質（CeO2）
核分裂生成物（FP）成分（Nd2O3,Gd2O3）、コンクリート成分（SiO2）を含む乳鉢で混合したものを使用した。試料調製条件を表 3.1.2-1 に示す。アルカリ融解試験では、調製したコールド模擬燃料物質 0.1 g に対し Na2O2 1 g を Al2O3 るつぼ内で混合し、雰囲気制御なしの電気炉で650 ℃、1 時間の加熱を行った。得られた融解生成物に対して純水（9.48 mL）及び 15.4 M 硝酸
（5.52 mL）を加え、ポリプロピレン（以下、「PP」と略す。
）製チューブへ移した。このチュー
ブを 80 ℃、30 分加熱し、固体成分の溶解を行った。溶解液に対して、吸引ろ過を行い、ろ過前後でのろ紙の重量変化から溶解率を評価した。また、アルカリ融解試験との比較のために、硝酸のみによる溶解試験を行った。ここでは、調製したコールド模擬燃料物質 0.1 g、6 M 硝酸
（15 mL）を PP 製チューブ内で混合し、80 ℃、1 時間加熱を行った。溶解液に対して、吸引ろ過を行い、ろ過前後での不溶解性残渣を含むろ紙の重量変化から溶解率を評価した。ろ過後に確認された不溶解性残渣について、粉末 X 線回折（以下、「XRD」と略す。
）及び走査型電子顕微鏡（SEM）ならびにエネルギー分散型 X 線検出器（EDS）を用いて分析を行った。一連のアルカリ融解試験及び硝酸溶解試験は計 3 回ずつ実施した。使用したコールド模擬燃料物質及び Na2O2の秤量値を表 3.1.2-2 に示す。
表 3.1.2-1 コールド模擬燃料デブリ試料調製条件
試薬

調製量 /g (mol)

CeO2

-2

備考

2.0000（1.1620×10 ）富士フイルム和光純薬株式会社、純度>99.5%

ZrO2
FeO
Nd2O3
Gd2O3

0.2202（1.788×10-3）
0.0642（8.94×10-4）0.3009（1.788×10-3）
0.1620（8.94×10-4）

株式会社ニラコ、純度>99.8%
富士フイルム和光純薬株式会社、純度>70.0%
株式会社高純度化学研究所、純度>99.9%
株式会社高純度化学研究所、純度>99.9%

SiO2

0.0538（8.94×10-4）

株式会社高純度化学研究所、純度>99.9%

3.1-3- 36 -

JAEA-Review 2023-025

表 3.1.2-2 溶解試験に使用した試料量

回数

アルカリ融解＋硝酸溶解

硝酸溶解のみ

模擬燃料デブリ /g

Na2O2 /g

模擬燃料デブリ /g

1 回目

0.09980

1.000900.09993

2 回目

0.100111.000090.09999

3 回目

0.100031.000130.10006

コールド模擬物質のアルカリ融解及び硝酸溶解における試料外観の写真をそれぞれ図3.1.2-3、図 3.1.2-4 に示す。アルカリ融解試験では吸引ろ過後に不溶解性残渣は確認されなかった。一方、硝酸溶解時には、粉末状の残差残渣が確認された。吸引ろ過前後のろ紙の質量より評価した溶解率は、アルカリ融解試験では、99.7±2.8%であり、試料の完全溶解を確認した。硝酸溶解時の溶解率は、41.9±4.0%であった。
硝酸溶解後に確認された不溶解性残渣の粉末 XRD パターンを図 3.1.2-5、SEM-EDS 観察結果
を図 3.1.2-6 に示す。図 3.1.2-5 より、不溶解性残渣の回折ピークの位置は、CeO2 の回折ピー
クと良い一致を示した。その他に、試料原料と一致する不溶解性残渣の回折ピークは確認されなかった。従って、硝酸溶解のみでは少なくとも CeO2 結晶が溶け残ることが確認された。図3.1.2-6 より、Ce は EDS マッピングにおいてほぼ均一に存在していることが確認された。その他に、Zr、Si のスポットが確認された。特に Si については、O のスポットと良い一致を示した。Si は粉末 XRD の回折パターンからは確認ができなかったことから、非晶質 SiO2 が溶け残ったと考えられる。硝酸溶解後に確認された不溶解性残渣に含まれる原子数の比を EDS 面分析
により評価した。その結果を表 3.1.2-3 に示す。ここでは、倍率 1000 倍で異なる試料面を 5回観察し、各試料面から評価した原子数比の平均値を示した。また、誤差として、標準偏差の2 倍値を示した。表 3.1.2-3 より、試料調製時の原子数比と比較すると、不溶解性残渣の原子数比は相対的に Ce、Zr、Si が多く存在することが確認された。このことは、試料中に含まれる CeO2、ZrO2、SiO2 がその他の元素と比較して溶解性が低いことを意味する。
以上より、コールド模擬試料に対して溶解試験を行った結果、硝酸溶解では、不溶解性残渣が確認され、これらは CeO2、ZrO2、SiO2 が主成分であることが示唆された。一方、アルカリ融
解では、試料を完全溶解可能であることを確認した。

図 3.1.2-3 アルカリ融解試験経過写真(a)融解前の模擬試料と Na2O2 (b)融解後の生成物 (c)ろ過後のろ紙

3.1-4- 37 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.1.2-4 硝酸溶解の経過写真(a)加熱溶解後(b) ろ過後のろ紙及び不溶解性残渣

図 3.1.2-5 硝酸溶解時に確認された不溶解性残渣及び模擬燃料デブリ調製に使用した試料の粉
末 XRD 回折パターン

3.1-5- 38 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.1.2-6 硝酸溶解で確認された不溶解性残渣の SEM-EDS 観察結果（観察倍率 1000 倍）

3.1-6- 39 -

JAEA-Review 2023-025

表 3.1.2-3 EDS 面分析により評価した不溶解性残渣の原子数比
元素原子数比 /%

試料調製時の原子数比 /%O51.2±2.2

65.2

Si
Fe
Zr
Ce

1.6±0.2
0.8±0.2
6.0±1.439.1±2.8

1.5
1.5
3.0
19.7

Nd
Gd

0.9±0.2
0.4±0.1

6.1
3.0② （U,Zr）O2 系模擬燃料デブリ溶解試験（U,Zr）O2 系模擬燃料デブリ試料として、令和 2 年度に NFD が作製した U:Zr=9:1、1400 ℃、
1 分間-100%H2 雰囲気で焼結した（U,Zr）O2 焼結ペレット及び U:Zr=9:1、1700 ℃、3 時間-100%H2
雰囲気で焼結した（U,Zr）O2 焼結ペレットを使用した。これら焼結ペレット（1 個当たり 0.5g）を 1 個ずつ使用し、それぞれ乳鉢で粉砕した。粉砕後の粉末（0.05-0.1 g）に対し Na2O2（0.5-1 g）を Al2O3 るつぼ内で混合し、雰囲気制御なしの電気炉において 650 ℃で 1 時間の加熱を行った。得られた融解生成物に対して純水（10.93 mL）及び 13.1 M 硝酸（9.07 mL）、又は純水（9.96 mL）及び 11.3 M 塩酸（10.04 mL）を加え、PP 製チューブへ移した。このチューブを 80 ℃、1 時間加熱し、固体成分の溶解を行った。溶解液に対して、吸引ろ過を行い、ろ紙の重量変化から溶解率を評価した。1400 ℃で焼結した（U,Zr）O2 系模擬燃料デブリを使用したアルカリ融解試験については、計 3 回実施した。1400 ℃で焼結した（U,Zr）O2 系模擬
燃料デブリ及び Na2O2 の秤量値、1700 ℃で焼結した（U,Zr）O2 系模擬燃料デブリ及び Na2O2 の
秤量値をそれぞれ表 3.1.2-4、表 3.1.2-5 に示す。
表 3.1.2-4 アルカリ融解試験に使用した試料量（1400 ℃焼結模擬燃料デブリ）

回数

アルカリ融解＋硝酸溶解

アルカリ融解＋塩酸溶解

模擬燃料デブリ/g

Na2O2 /g

模擬燃料デブリ/g

Na2O2 /g

1 回目

0.0512

0.52420.05130.5139

2 回目

0.05330.57990.05280.5262

3 回目

0.05550.58700.05180.5400

表 3.1.2-5 アルカリ融解試験に使用した試料量（1700 ℃焼結模擬燃料デブリ）

アルカリ融解＋硝酸溶解

アルカリ融解＋塩酸溶解

模擬燃料デブリ/g

Na2O2 /g

模擬燃料デブリ/g

Na2O2 /g

0.10610.107620.1031

1.0215

1400 ℃及び 1700 ℃で焼結した（U,Zr）O2 系模擬燃料デブリのアルカリ融解試験の経過写
真をそれぞれ図 3.1.2-7、図 3.1.2-8 に示す。また、ろ紙の重量変化から評価した溶解率を1400 ℃焼結試料及び 1700 ℃焼結試料についてそれぞれ表 3.1.2-6、表 3.1.2-7 に示す。図3.1.2-7 及び図 3.1.2-8 より、1400 ℃で焼結した試料、1700 ℃で焼結した試料のいずれの場合も不溶解性残渣は確認されなかった。1400 ℃焼結試料の溶解率は硝酸溶解時では 98.4±

3.1-7- 40 -

JAEA-Review 2023-025

3.5%、塩酸溶解時では 97.9±2.6%であり、融解生成物を溶解する酸の種類に依らず完全溶解を確認した。また、1700 ℃焼結試料についても、1400 ℃試料と同等の溶解率を示し、ほぼ完全な溶解を確認した。
以上より、(U,Zr)O2 系模擬燃料デブリに対してアルカリ融解を行った結果、焼結条件に依らずほぼ完全に溶解できることを確認した。また、使用する酸の種類（硝酸又は塩酸）の違いは、融解生成物の溶解性に大きな影響を及ぼさないことを確認した。

図 3.1.2-7 1400 ℃焼結模擬燃料デブリのアルカリ融解試験経過写真(a)融解前の模擬試料と Na2O2-硝酸溶解系 (b)融解後の生成物-硝酸溶解系(c)ろ過後のろ紙-硝酸溶解系(d)融解前の模擬試料と Na2O2-塩酸溶解系(e)融解後の生成物-塩酸溶解系(f)ろ過後のろ紙-塩酸溶解系

3.1-8- 41 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.1.2-8 1700 ℃焼結模擬燃料デブリのアルカリ融解試験経過写真(a)融解前の模擬試料と Na2O2-硝酸溶解系 (b)融解後の生成物-硝酸溶解系(c)ろ過後のろ紙-硝酸溶解系(d)融解前の模擬試料と Na2O2-塩酸溶解系(e)融解後の生成物-塩酸溶解系(f)ろ過後のろ紙-塩酸溶解系
表 3.1.2-6 1400 ℃焼結(U,Zr)O2 系模擬燃料デブリ溶解率 /%回数

アルカリ融解＋硝酸溶解

アルカリ融解＋塩酸溶解

1 回目

96.0

99.1

2 回目

100

96.1

3 回目

99.3

98.6

表 3.1.2-7 1700 ℃焼結(U,Zr)O2 系模擬燃料デブリ溶解率 /%アルカリ融解＋硝酸溶解

アルカリ融解＋塩酸溶解

98.3

97.7

3.1-9
- 42 -

JAEA-Review 2023-025③ MCCI 模擬燃料デブリ溶解試験
MCCI 模擬燃料デブリ試料として、令和 4 年度に NFD が作製した焼結ペレットを使用した。試料は原子数比として、U:65%、Zr:10%、Fe:10%、Gd:5%、Nd:5%、Si:5%を含む。試料詳細は、3.3節に示す。焼結ペレット（1 個 0.5 g）を、乳鉢で粉砕した。粉砕後の粉末 0.1 g を Na2O2 1.0
g と Al2O3 るつぼ内で混合し、雰囲気制御なしの電気炉において 650 ℃で 1 時間の加熱を行った。得られた融解生成物に対して純水（10.93 mL）及び 13.1 M 硝酸（9.07 mL）、又は純水（9.96mL）及び 11.3 M 塩酸（10.04 mL）を加え、PP 製チューブへ移した。このチューブを 80 ℃、1時間過熱し、固体成分の溶解を行った。溶解液に対して、吸引ろ過を行い、ろ紙の重量変化か
ら溶解率を評価した。使用した MCCI 模擬燃料デブリ及び Na2O2 の秤量値を表 3.1.2-8 に示す。
表 3.1.2-8 アルカリ融解試験に使用した MCCI 模擬燃料デブリ及び Na2O2

アルカリ融解＋硝酸溶解

アルカリ融解＋塩酸溶解

模擬燃料デブリ/g

Na2O2 /g

模擬燃料デブリ/g

Na2O2 /g

0.10420.10846

0.1046

1.0215MCCI 模擬燃料デブリのアルカリ融解試験の経過写真を図 3.1.2-9 に示す。また、ろ紙の重量変化から評価した溶解率を表 3.1.2-9 に示す。図 3.1.2-9 より、MCCI 模擬燃料デブリに対するアルカリ融解において、不溶解性残渣は確認されなかった。また、溶解率は、上述のコールド
模擬燃料デブリ及び(U,Zr)O2 系模擬燃料デブリと同等の値を示し、融解生成物を溶解する酸の種類に依らずほぼ完全な溶解ができることを確認した。

図 3.1.2-9 融解試験経過写真(b)融解後の生成物-硝酸溶解系(a)融解前の模擬試料と Na2O2-硝酸溶解系(c)ろ過後のろ紙-硝酸溶解系(d)融解前の模擬試料と Na2O2-塩酸溶解系(e)融解後の生成物-塩酸溶解系(f)ろ過後のろ紙-塩酸溶解系

3.1-10- 43 -

JAEA-Review 2023-025

表 3.1.2-9 MCCI 模擬燃料デブリの溶解率 /%アルカリ融解＋硝酸溶解

アルカリ融解＋塩酸溶解

97.8

97.6

以上、溶解条件の最適化に関する検討として、コールド模擬物質、焼結条件の異なる(U,Zr)O2系模擬燃料デブリ、MCCI 模擬燃料デブリに対してアルカリ融解試験を実施した。模擬物質に対して質量比 10 倍の Na2O2 を使用し、雰囲気制御なしの電気炉で 650 ℃、1 時間の加熱を行うという条件において、上記試料のいずれもほぼ完全に溶解可能であることを確認した。多様な性状の試料に対して適用できることから、本条件をアルカリ融解の暫定的な最適条件として提案する。また、融解生成物の溶解に使用する酸の種類（硝酸又は塩酸）の違いは、溶解性に大きな影響を及ぼさないことを確認した。このことは、溶解後に行う核種分離工程において、硝酸系・塩酸系の双方に対して柔軟に対応可能であることを意味する。
(3)熱化学転換法の研究（東北大学、再委託先：長岡技大）
模擬デブリとして、UO2 と ZrO2 の混合比、焼結温度を変えて作製した模擬デブリを酸化粉体させたもの（ウランは U3O8）と、それを還元してウランを UO2 に戻したものを用いて塩素化試験を行い、硝酸もしくは塩酸で溶解させたものを、重量及び ICP-MS で溶解率を評価した。用いた模擬デブリの組成と焼結温度、それらの酸化及び還元の条件を表 3.1.2-10 と表 3.1.2-11 に示す。
模擬デブリは、酸化反応により、体積膨張を起こし、脆化し、簡単に粉体にすることができている。還元反応では粉体化したものを還元している。
表 3.1.2-10 模擬デブリの性状と酸化還元条件 (U:Zr=9:1)
U:Zr=9:1

Diameter(mm)

Thickness
(mm)

Ratio
of TD

Porosity

Mass/g

Oxidizingcondition

Reducing
condition

1300℃

6.034

2.685

36.39%

63.61%

0.5028800℃ 5hO2(0.2L/m)

400℃ 4h
Ar+4%H2(0.2L/m)

1700℃

5.136

2.586

9.56%

90.44%

0.49671000℃ 4hO2(0.2L/m)

800℃ 4h
Ar+4%H2(0.2L/m)

表 3.1.2-11 模擬デブリの性状と酸化還元条件 (U:Zr=1:1)
U:Zr=1:1

Diameter(mm)

Thickness
(mm)

Ratio
of TD

Porosity

Mass
/g

1300℃

6.347

2.695

69.61%

30.39%

0.4921

1700℃

5.615

2.478

97.65%

2.35%

0.4968Oxidizingcondition

Reducing
condition

1000℃ 4hO2(0.2L/m)

800℃ 4h
Ar+4%H2(0.2L/m)

粉体化したこれらの試料 0.1 g に対して重量比で 10 倍の CCl4 を加えて、ニッケル基合金 400
製のスウェージロック製のカプセルに封入し、400 ℃で 12 時間加熱した。これらの試料は、

3.1-11- 44 -

JAEA-Review 2023-025

CCl4 を加えて、ビーカーに取りだした後、加熱して CCl4 を完全に飛ばし、そこに 5 mL の濃硝酸
もしくは濃塩酸を加えて、さらに 10 mL の脱イオン水を加えて、80 ℃で 30 分加熱した後、吸引ろ過をした。吸引ろ過時に 15 mL の脱イオン水で洗浄して、合計 30 mL の溶液試料を得た。
U の溶解率は、重量及び ICP-MS（Agilent 7500cx,JAEA に設置されている ICP-MS を利用）を用いた濃度測定により評価した。硝酸での溶解結果を表 3.1.2-12 に示し、塩酸での溶解結果を表
3.1.2-13 に示す。まず、硝酸での溶解結果であるが、ICP-MS を用いた溶液中の濃度から溶解率を求めた結果を見ると U/Zr 比、焼結温度によらずほぼ全量溶けていると言える。重量によるものは、特に U/Zr 比が 1 のものは、溶液中濃度から得られたものと特に乖離が大きい。これは、Zr の残渣量が多く、溶解率を過小評価しているものと推測される。また、酸化して粉体化したものとさらにそれを還元したものでは、わずかであるが還元したものを溶解した方が、溶解率が高い傾向が得られた。塩酸での溶解においても溶液中濃度から得られた溶解率を見ると U/Zr
比、焼結温度によらずほぼ全量溶解していると言える。塩酸での溶解では、酸化して粉体化したものとさらにそれを還元したものでは差はなく誤差の範囲で一致している。硝酸と塩酸での溶解を比較すると硝酸の方が、溶解率が高い傾向が得られた。これらの差は、硝酸は酸化性を持つことから、塩素化しきれなかった酸化物の溶解の違いであると推測できる。
表 3.1.2-12 模擬デブリの酸化還元粉体化と塩素化による溶解率評価 (硝酸)U:Zrmole ratio

Sinteringtemperature
1300℃

9:1

1700℃
1300℃

1:1

1700℃

Redox
conditions
Oxidation
Reduction
Oxidation
Reduction
Oxidation
Reduction

Dissolution
rate (weight)
96.8%
99.1%
78.8%
77.2%
74.9%
56.2%
77.6%
64.7%

Oxidation
Reduction

U Dissolution
rate (ICP-MS)
83.2%±1.6%100.9%±0.8%
95.4%±0.6%
103.5%±0.7%
97.3%±0.3%
97.7%±0.6%
96.1%±0.6%
97.7%±0.3%

表 3.1.2-13 模擬デブリの酸化還元粉体化と塩素化による溶解率評価 (塩酸)U:Zrmole ratio

Sinteringtemperature
1300℃

9:1

1700℃
1300℃

1:1
1700℃

Redox
conditions
Oxidation
Reduction
Oxidation
Reduction
Oxidation
Reduction
Oxidation
Reduction

Dissolution rate
(weight)
99.5%
98.3%
96.8%
96.4%
88.9%
94.4%
96.9%
78.1%

3.1-12- 45 -U Dissolution
rate (ICP-MS)
101.2%±1.4%
99.0%±0.4%
95.7%±0.7%
95.6%±0.7%
96.8%±0.4%
95.8%±1.2%
93.5%±0.3%
96.5%±1.6%

JAEA-Review 2023-025

3.1.3 まとめ
(1)設備整備（連携先：JAEA）
FMF の核燃料変更許可申請許可取得、JAEA 大洗研究所の核燃料物質使用施設保安規定変更
認可申請及びその許可取得を完了した。また、試料調製用 GB の使用前確認申請を行い、検査に合格した。
(2)溶解試験（連携先：JAEA）
コールド模擬物質、焼結条件の異なる(U,Zr)O2 系模擬燃料デブリ、MCCI 模擬燃料デブリに対してアルカリ融解試験を実施した。模擬物質に対して質量比 10 倍の Na2O2 を使用し、雰囲
気制御なしの電気炉で 650 ℃、1 時間の加熱を行うという条件において、上記試料のいずれもほぼ完全に溶解可能であることを確認した。多様な性状の試料に対して適用できることから、本条件をアルカリ融解の暫定的な最適条件として提案する。
(3)熱化学転換法の研究（東北大学、再委託先：長岡技大）
デブリ熱化学転換試験として、模擬燃料デブリを用いた酸化・還元による粉体化と塩素化
による塩化物転換の溶解における最適化に関するデータを収集し、酸化ウランとジルコニウ
ムの比率によらず、熱化学転換法でほぼ溶解できることを確認した。

3.1-13- 46 -

JAEA-Review 2023-025

3.2 燃料デブリの主要分離・分析プロセスの確立（令和 2 年度～令和 4 年度）
3.2.1 令和 3 年度までの概要(1) 装置整備
令和元年度には、連携ラボ（JAEA）に ICP-MS/MS（Agilent8900）を設置し、標準試料による動作確認試験を実施した。また、分析試験に必要な設備（フード、分離試験カラム等）を整備した。
(2) ICP-MS/MS 測定（連携先：JAEA）
令和 2 年度には、アルカリ融解後の試料マトリクスに対する ICP-MS/MS 測定の適用性確認するため、Na2O2 を使用したアルカリ融解後のコールド試料（Zircaloy-2、SUS304、CeO2、B4C、
CsI、Nd2O3、Gd2O3 混合物質）溶解液に対する ICP-MS/MS 測定を実施した。H2 及び He をコリジョン・リアクションセル（以下、「CRC」と略す。）に導入した定性分析では、試料に含まれる各元素比が天然同位体比と良い一致を示すことを確認し、アルカリ融剤由来の Na の共存下において、上記試料に含まれる Fe と Cr を除く元素の同位体分析が可能であることを明らかにした。実際の燃料デブリでは、上記の試料成分に加え、U、Pu 等のアクチノイドや Pr、Sm、Eu 等のランタノイド核種が混在し、同重体や分子イオンによる干渉が生じると予想されるため、これらアクチノイド及びランタノイドを分離・分別するためのフローを、文献調査を中心に検討した。
令和 3 年度には、連携ラボ（JAEA、FMF）に設置されている ICP-MS/MS（Agilent 8900）を用
いて、ランタノイド元素（Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd）の CRC ガス（O2、N2O、NH3+He）への反応性に対する基礎データ収集を行った。本検討により、上記ランタノイド元素の同重体を分別可能な CRC ガスの候補条件を複数見出した。また、O2、N2O、NH3+He を導入した際の Nd の検出限界値を検量線から評価し、定量性を明らかにした。さらに、照射済み燃料溶解液及びアルカリ融解を行った U-Zr-O 系模擬燃料デブリ溶解液に対し、リン酸トリブチル含浸樹脂（TBP 樹脂）を用いたカラム分離試験を実施し、シングル四重極 ICP-MS（Agilent 7500cx）による分析を行うことにより、TBP 樹脂による U、Pu の選択的分離が有効であることを確認した。これらの知見と文献調査結果に基づき、暫定的な燃料デブリ分析フロー（図 3.2.1-1）を提案した。

図 3.2.1-1 分離フロー検討図

3.2-1- 47 -

JAEA-Review 2023-025(3) 前処理分離技術に関する研究（再委託先：長岡技大）
令和元年度には、アクチノイドの分離・吸着基礎データ収集を目的としたアクチノイド元素の分離技術に関連するピリジン系等の固体系吸着材の合成及び基礎吸着試験を行い、合成した固体系吸着材であるピリジン樹脂で硝酸溶液に水酸化ナトリウムを加えることで 3 価アクチ
ノイドと希土類元素で吸着分離特性を変化させることができることを確認した。
令和 2 年度には、含浸樹脂及びキレート樹脂等を用い、デブリに含まれる元素を考慮して希土類元素やアクチノイド元素を対象とした核種分離の試行試験を行い、含浸樹脂として TODGA
含浸吸着剤による希土類元素やアクチノイドの吸着・分離特性評価やピロリドン樹脂を用いてウランの選択的吸着と核分裂生成物等の元素が吸着しないなどのデータを得た。
令和 3 年度には、TBP 含浸吸着剤、TODGA 含浸吸着剤、KNiF 含浸吸着剤、ピロリドン樹脂などを用い、デブリに含まれる元素を考慮して希土類元素やアクチノイド元素を対象とした核種分離の最適化条件に係るデータを収集し、希土類元素やアクチノイド元素等の吸着特性を把握し、分離プロセスを検討するために必要なデータを得た。
3.2.2 令和 4 年度実施内容及び成果(1) ICP-MS/MS 測定（連携先：JAEA）
令和 4 年度は、3.1-2-(2)-①で実施したコールド模擬物質のアルカリ融解試験後の溶解液に対し、ICP-MS/MS（Agilent 8900）測定による定量分析を行うことにより、測定条件や定量性に係るデータを取得した。さらに、Gd 及び Eu の混合溶液に対し、反応性ガスを導入した ICPMS/MS（Agilent 8900）測定を実施し、核種が共存した条件における相互分別性能を評価した。
また、令和 3 年度に提案した暫定的な分析フローの一部について、U、Ce、Nd、Sm、Gd、Na、
B、Zr、Fe を含む模擬溶液に対して適用し、系統的分離条件の妥当性を検討した。さらに、妥当性が認められた分離条件を Nd、Sm、TRU 核種を含む照射済燃料に対して適用し、ICP-MS（Agilent7500cx）による分析を行った。これら一連の検討より、燃料デブリ分離プロセス及び ICP-MS 測定条件の最適化に関するデータを取得した。以下、その詳細を示す。
① ICP-MS/MS 測定によるコールド模擬物質の溶解率評価
13.1 mol/L の硝酸水溶液(Ultrapur、関東化学株式会社（以下、「関東化学」と略す。）)を超純水で希釈し、0.8 mol/L 硝酸水溶液を調製した。これを ICP-MS/MS 測定用試料の希釈溶液とした。3.1-2-(2)-①で実施したコールド模擬物質のアルカリ融解試験後の溶解液を、0.8 mol/L
硝酸水溶液で 105 倍希釈し、ICP-MS/MS 測定用試料溶液とした。また、単一元素として 1000
mg/L の Ce、Zr、Nd、Gd、Fe を含む 0.6 mol/L 硝酸水溶液系標準液（ジーエルサイエンス株式会社（以下、「ジーエルサイエンス」と略す。））を混合し、0.8 M 硝酸水溶液で希釈することに
-2
-1
0
1
2
より、各元素を 10 、10 、10 、10 、10 µg/L 含む混合標準液を調製した。これを ICP-MS/MS
用標準溶液とした。調製した各試料溶液に対して、ICP-MS/MS 測定を実施した。ここで、56Feの定量において、40ArO+等に起因した干渉が予想されることから、これを除去するために CRC に「Q1」と略す。
）
は H2 又は NH3+He を導入した。H2 を導入した測定の際、第一質量分離部（以下、
56
+
90
+
及び第二質量分離部（以下、「Q2」と略す。
）の双方において、質量電荷比が 56（ Fe ）、90（ Zr ）
、
140
+
144
+
158
+
、144（ Nd ）、158（ Gd ）以外のイオンを除去した。H2 を導入した測定には、計140（ Ce ）3 回実施したアルカリ融解試験の試料すべてに対して濃度評価を行った。NH3+He を導入した測定の際、Q1 及び Q2 の双方において、質量電荷比が 56（56Fe+）以外のイオンを除去した。ここでは、計 3 回実施したアルカリ融解試験の 2 回目の試料に対してのみ濃度評価を行った。ICPMS/MS 測定条件の詳細を表 3.2.2-1 に示す。試料に含まれる金属濃度は絶対検量線法により求め、各金属の溶解率を式(1)により求めた。
3.2-2- 48 -

JAEA-Review 2023-025

表 3.2.2-1 ICP-MS/MS 測定における装置条件
パラメータ
ICP

CRC ガス
H2

NH3＋HeRF パワー /W

1550

1550

RF マッチング /V

1.70

1.70

サンプリング位置 /mm

8.0

8.0

キャリアガス /L/min

1.05

1.05

2

2

スプレーチャンバー温度 /℃

Lens

Q1

CRC

メークアップガス/L/min0.00

0.00

ネブライザポンプ

/rps

0.3

0.3

引き出し電極 1 /V

-8.4

-5.0

引き出し電極 2 /V

-250.0-250.0

オメガバイアス /V

-140

-150

オメガレンズ /V

10.6

10.0

Q ポール 1 入射 /V

-50

-50

Q ポール 1 出射 /V

2.0

-60

セルフォーカス /V

-2.0

0

セル入射 /V-50-50

セル出射 /V-600偏向レンズ /V

-5.8

5プレートバイアス /V

-60

-60

Q ポール 1 バイアス /V

0.00

Q ポール 1 プレフィルタバイアス /V

-5.5

-10

Q ポール 1 ポストフィルタバイアス /V

-9.0

-10

オクタポールバイアス /V

-18.0

-3

軸方向加速 /V

1.0

1.5

オクタポール RF /V

180

180

エネルギーディスクリミネーション /V

0.0

-7.0

CRC ガス流量 /mL・min-1

7.0

NH3: 3.0
He: 1.0

溶解率(%) =検量線より評価した金属濃度

×100 式(1)

アルカリ融解に使用した模擬試料の秤量値から算出した完全溶解時の金属濃度

図 3.2.2-1 に標準試料に含まれる各金属濃度に対する信号強度のプロットを示す。図 3.2.2-1より、試料に含まれる金属の濃度増加に伴って、140Ce+、158Gd+、144Nd+、90Zr+、56Fe+の検出強度の増加を確認した。56Fe+については、H2 を導入した際、0.1 µg/L (ppb)以下において検出強度は一3.2-3- 49 -

JAEA-Review 2023-025

定の値を示した。これは 40Ar16O+による高いバックグラウンドに起因していると考えられる。
NH3+He を導入した際、H2 を導入時と比較して高濃度領域において相対的に検出強度が高く、またバックグラウンドの強度の低減が確認された。従って、今回の測定条件では、NH3+He を導入する
ことにより、より高感度で 56Fe を分析できることを確認した。
ICP-MS/MS 測定により評価したコールド模擬物質の溶解率を表 3.2.2-2 に示す。ICP-MS/MS で評価した溶解率は、3.1.2-(2)-①で述べた質量評価より評価した溶解率と良い一致を示した。この結果から、検討したアルカリ融解条件（模擬試料に対して質量比 10 倍の Na2O2 を添加）の試料マトリクスに対して絶対検量線法は有効であると考えられる。ただし、実際の燃料デブリでは、
今回の模擬物質に含まれていない多様な夾雑物の影響を考慮する必要があるため、絶対検量線法
のみならず、標準添加法や同位体希釈法といった定量法も踏まえて妥当性を検討していくことが重要である。

図 3.2.2-1 標準試料に含まれる各金属濃度に対する信号強度のプロット(a) Ce、(b)158Gd、(c)144Nd、(d)90Zr、(e)56Fe:黒は H2 導入時、赤は NH3+He 導入時
140

表 3.2.2-2 ICP-MS/MS 測定により評価したコールド模擬物質の溶解率
Gas

元素

溶解率 /%

H2

Ce

95.0±4.1%

NH3+He

Nd
Gd
Zr
Fe

96.8±2.1%
100±1%
99.4±1.4%
97.0%

3.2-4
- 50 -

JAEA-Review 2023-025② Gd/Eu 相互分別性能評価
154
Eu は核分裂で生成される放射性核種であり、作業安全性等を評価するうえで分析の重要性が高い核種である。主な干渉核種として、核分裂生成物である 154Gd や 154Sm が挙げられる。
また、155Gd は中性子吸収物質として分析の重要度が高い一方、核分裂生成物 155Eu の同重体干渉が生じうる。ここでは、154Eu/154Gd や 155Gd/155Eu の同重体干渉を除去するため、ICP-MS/MS 測定におけるマスシフト法による相互分別性能を評価した。なお、ICP-MS/MS におけるマスシフ
ト法では、化学結合に基づくイオン-分子気相反応を利用することから、同位体効果を無視した安定同位体試料による検討を行った。なお、令和 3 年度に取得した ICP-MS/MS 基礎データに基づき、CRC ガスに O2 及び N2O を選定した。
相互分別に適したガス流量を決定するために、ガス流量に対する生成イオンの検出強度を調査した。13.1 mol/L の硝酸水溶液（Ultrapure、関東化学）を超純水で希釈し、0.3 mol/L 硝酸水溶液を調製した。単一元素として 1000 mg/L の Gd、Eu を含む 0.6 mol/L 硝酸水溶液（ジーエルサイエンス）を 0.3 mol/L 硝酸水溶液で希釈し、160Gd を 100 ng/L 含む硝酸水溶液と、
151
Eu を 100 ng/L 含む硝酸水溶液を調製した。調製した試料に対し、O2 又は N2O を流量 0、0.15、
0.30、0.45、0.60、0.75、0.90、1.05 mL/min で導入し、各流量で装置チューニング行った後に ICP-MS/MS 測定を行った。O2 を導入した測定の際、Q1 では質量電荷比 151（151Eu+）又は 160、167（151EuO+）、183（151EuO2+）、（160Gd+）以外のイオンを除去し、Q2 では質量電荷比 151（151Eu+）
160
+
160
+
160
+
又は 160（ Gd ）、176（ GdO ）、182（ GdO2 ）以外のイオンを除去した。N2O を導入した測定の際、Q1 では質量電荷比 151（151Eu+）又は 160（160Gd+）以外のイオンを除去し、Q2 では質量電荷比 151（151Eu+）、165（151EuN+）、167（151EuO+）、又は 160（160Gd+）、174（160GdN+）、176（160GdO+）
以外のイオンを除去した。O2 ガス流量に対する各生成イオンの検出強度を図 3.2.2-2 に、N2O
ガス流量に対する各生成イオンの検出強度を図 3.2.2-3 に示す。

図 3.2.2-2 O2 流量に対する Eu、Gd イオン種の検出強度 (a)Eu イオン種、(b)Gd イオン種

3.2-5
- 51 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.2.2-3 N2O 流量に対する Gd、Eu イオン種の検出強度 (a)Gd イオン種、(b)Eu イオン種
図 3.2.2-2 に示す O2 を導入した際の各イオンの検出挙動より、Eu+と Gd＋との間に明瞭な違いが確認された。Eu+の信号強度は 0.45 mL/min の流量で最大値を示した。より高いガス流量では信号強度の減少が確認されるものの、1.05 mL/min の流量においても 103 cps オーダーの高い強度を保持した。一方、Gd+の信号強度は O2 の導入に伴って著しく減少し、0.75 mL/min 以上の流量では検出されなかった。本結果より、Eu、Gd 混合系からの Eu+の選択的検出が可能と考えられる。CRC ガス流量の候補条件として、Eu+と Gd+の信号強度比の最も大きい O2 流量 0.60
mL/min を採用することとし、続く Eu-Gd 共存系の分別実験を実施した。
図 3.2.2-3 に示す N2O を導入した際の各イオンの検出挙動より、GdN＋と EuN＋との間に明瞭な違いが確認された。GdN＋の信号強度は 0.15 mL/min で最大値を示した。一方、EuN＋はいずれの N2O 流量に対してもほとんど検出されず、0.15 mL/min において 0 cps であった。本結果より、Gd、Eu 混合系からの GdN+の選択的検出が可能と考えられる。CRC ガス流量の候補条件として、GdN+の信号強度の最も高い N2O 流量 0.15 mL/min を採用することとし、続く Gd-Eu 共存系の分別実験を実施した。
13.1
Eu-Gd 共存系からの Eu+選択的検出を確認するための実験として以下の試料を調製した。
mol/L の硝酸水溶液(Ultrapure、関東化学)を超純水で希釈し、0.3 mol/L 硝酸水溶液を調製した。単一元素として 1000 mg/L の Gd、Eu を含む 0.6 mol/L 硝酸水溶液（ジーエルサイエンス）
を混合し、0.3 mol/L 硝酸水溶液で希釈した。151Eu 濃度は 0.1 g/L で固定し、この溶液に 160Gd
を 0.1、1、10、100、1000 µg/L 含む混合溶液を調製し、ICP-MS/MS 試料溶液とした。また、
検量線用標準試料として、151Eu を 100、101、102、103、104、105、106 ng/L 含む 0.3 mol/L 硝酸
水溶液と、160Gd を 100、101、102、103、104、105、106 ng/L 含む 0.3 mol/L 硝酸水溶液を調製した。ICP-MS/MS 測定において、O2 流量は 0.60 mL/min とし、Q1、Q2 ともに質量電荷比 151（151Eu+）及び 160（160Gd+）以外のイオンを除去した。チューニングパラメータは上述の O2 流量依存性の検討を行ったものと同じ条件とした。
Gd-Eu 共存系からの GdN+選択的検出を確認するための実験として以下の試料を調製した。
13.1 mol/L の硝酸水溶液(Ultrapure、関東化学)を超純水で希釈し、0.3 mol/L 硝酸水溶液を調製した。単一元素として 1000 mg/L の Gd、Eu を含む 0.6 mol/L 硝酸水溶液（ジーエルサイエンス）を混合し、0.3 mol/L 硝酸水溶液で希釈した。160Gd 濃度は 0.1 µg/L で固定し、この
3.2-6- 52 -

JAEA-Review 2023-025

溶液に 151Eu を 0.1、1、10、100、1000 µg /L 含む混合溶液を調製し、ICP-MS/MS 試料溶液とした。また、検量線用標準試料として、160Gd を 100、101、102、103、104、105、106 ng/L 含む 0.3
mol/L 硝酸水溶液と、151Eu を 100、101、102、103、104、105、106 ng/L 含む 0.3 mol/L 硝酸水溶
液を調製した。ICP-MS/MS 測定において、N2O 流量は 0.15 mL/min とし、Q1、Q2 ともに質量電荷比 174（160GdN+）及び 165（151EuN+）以外のイオンを除去した。チューニングパラメータは上述の N2O 流量依存性の検討を行ったものと同じ条件とした。ICP-MS/MS 測定条件の詳細を表
3.2.2-3 に示す。
表 3.2.2-3 ICP-MS/MS 測定による Eu/Gd 相互分別性能評価時の装置条件
パラメータ
ICP

CRC ガスO2

N2O

RF パワー /W

1550

1550

RF マッチング /V

1.70

1.70

サンプリング位置 /mm

8.0

8.0

キャリアガス /L/min

1.05

1.05

2

2

スプレーチャンバー温度 /℃

Lens

Q1

CRC

メークアップガス/L/min0.00

0.00

ネブライザポンプ

/rps

0.3

0.3

引き出し電極 1 /V

-6.9

-9.4

引き出し電極 2 /V

-250.0-250.0

オメガバイアス /V

-140

-145

オメガレンズ /V

11.2

10.4

Q ポール 1 入射 /V

-50.0

-50

Q ポール 1 出射 /V

3.0

2.0

セルフォーカス /V

3.0

2.0

セル入射 /V-50-50

セル出射 /V-60-60

偏向レンズ /V

-7.6

8.2

プレートバイアス /V

-60

-60

Q ポール 1 バイアス /V

0.0

1.0

Q ポール 1 プレフィルタバイアス /V

-6.5

-5.5

Q ポール 1 ポストフィルタバイアス /V

-7.0

-7.0

オクタポールバイアス /V

-3.0

-3.0

軸方向加速 /V

1.5

1.5

オクタポール RF /V

180

170

エネルギーディスクリミネーション /V

-7.0

-7.0

CRC ガス流量 /mL・min-1

0.60

0.15

3.2-7
- 53 -

JAEA-Review 2023-025

O2 を導入した際の各検量線用標準溶液に含まれる 151Eu、160Gd 濃度に対する 151Eu+と 160Gd＋の信号強度のプロットと、最小二乗法より求めた検量線パラメータをそれぞれ図 3.2.2-4 と表 3.2.2-4 に示す。図 3.2.2-4 では、3 回の繰り返し測定における信号強度の標準偏差の 2 倍
値をエラーバーとして与えた。図 3.2.2-4 より、151Eu+及び 160Gd+のいずれの場合も、試料濃度の増加に伴って信号強度が高くなることを確認した。151Eu+は 0.01 ng/L 以下の濃度で信号強度が一定となり、ブランク試料と同等の強度となった。一方 160Gd+では 1 ng/L 以下で信号強度が一定の値を示し、Eu と Gd で違いを確認した。表 3.2.2-4 より、ブランク試料の信号強度の 10 倍値を検量線の傾きで除すことにより評価した定量下限値の値は、151Eu+と 160Gd とで103 オーダーの違いを確認した。これらの結果は、酸化物イオンへのマスシフトにより Gd+の信号強度が低くなったことに起因する。
ここで、Eu 及び Gd の混合試料を測定した際の Eu+及び Gd＋の信号強度を表 3.2.2-5 に示す。
151
+
160
+
151
+
核種分別性能の尺度として、（ Eu の信号強度/ Gd の信号強度）/（ Eu の試料濃度/160Gd+の試料濃度）を付記した。表 3.2.2-5 より、Eu 及び Gd の濃度比が 1:1 の条件において、151Eu+の信号強度は 160Gd+信号強度より 103 オーダー高い値であることが確認された。Eu 及び Gd の濃度比が 1:1000 においても、依然として 151Eu+の信号強度が高い。このことは、Eu 及び Gd の共存条件において、選択的な Eu+の検出が可能であることを意味する。核種分別性能の尺度として評価した（151Eu+の信号強度/160Gd+の信号強度）/（151Eu+の試料濃度/160Gd+の試料濃度）の値は、Eu 及び Gd の濃度比が 1:10 以上においていずれも 5×103 程度であり、ほぼ一定の値を示した。濃度比 1:1 における逸脱は、Gd の試料濃度が定量下限（0.1 mg/L）未満であったことに起因すると考えられる。以上より、O2 を 0.60 mL/min 導入した ICP-MS/MS 測定において、Eu+を分析対象核種とすることで、Gd からの干渉除去による Eu の分析が可能であると考えられる。

図 3.2.2-4 各標準試料に含まれる核種濃度に対する O2 導入時の信号強度のプロット(a)151Eu+、(b)160Gd+
表 3.2.2-4 O2 を導入した際の Eu+及び Gd+の検量線パラメータ及び定量下限
分析対象
151

+

Eu
160
Gd+

マスフィルタ条件
Q1

Q2

151
160

151
160

R2

感度
(傾き、cps/ppt)

切片
(cps)

定量下限
(10sblank/感度、ppt)

1.00001.0000189.5
0.04107

322.0
25.77

2×10-1
1×102

3.2-8- 54 -

JAEA-Review 2023-025

表 3.2.2-5 O2 を導入した ICP-MS/MS 測定における Eu+及び Gd＋の信号強度
試料濃度 /ppb
151

Eu

160

Gd

信号強度 /cps
151

+

Eu

160

Gd

+

分別の尺度
( Eu の信号強度/160Gd+の信号強度)/(151Eu の試料濃度/160Gd の試料濃度)151+0.09450.094618230±2648±2

2.38±0.78×103

0.09440.961

18136±27836±45.08±0.57×103

0.09459.77

18430±193

400±334.77±0.40×103

0.0947

97.9

18688±343

3978±2084.86±0.27×103

0.0944992

21497±387

41131±781

5.49±0.14×103

N2O を導入した際の各検量線用標準溶液に含まれる 160Gd 及び 151Eu の濃度に対する GdN＋及びEuN+の信号強度のプロットを図 3.2.2-5 に示す。最小二乗法より求めた検量線パラメータをそれぞれ表 3.2.2-6 に示す。図 3.2.2-5 では、3 回の繰り返し測定における信号強度の標準偏差の 2 倍値をエラーバーとして与えた。図 3.2.2-5 より、160GdN+及び 151EuN+のいずれの場合も、試料濃度の増加に伴って信号強度が高くなることを確認した。160GdN+は 0.1 ng/L 以下の濃度で信号強度が一定になった。一方、151EuN+は 100 ng/L 以下で信号強度が一定の値を示し、Gdと Eu で違いを確認した。表 3.2.2-6 より、ブランク試料の信号強度の 10 倍値を検量線の傾きで除すことにより評価した定量下限値の値は、160GdN+と 151EuN+とで 103 オーダーの違いを確認した。これらの結果は、151EuN+の生成量が 160GdN+と比較して低いことに起因する。
Gd 及び Eu の混合試料を測定した際の 160GdN+及び 151EuN+の信号強度を表 3.2.2-7 に示す。ここで、核種分別性能の尺度として、（160GdN+の信号強度/151EuN+の信号強度）/（160Gd+の試料濃度/151Eu+の試料濃度）を付記した。表 3.2.2-7 より、混合試料中の 160Gd 及び 151Eu の濃度比が 1:1の条件において、160GdN+と 151EuN+の信号強度に明瞭な違いが確認された。このことは、Gd 及びEu の共存条件において、選択的な GdN+の検出が可能であることを意味する。核種分別性能の尺度として評価した（151Eu+の信号強度/160Gd+の信号強度）/（151Eu+の試料濃度/160Gd+の試料濃度）の値は、試料中の 160Gd と 151Eu の濃度比が 1:100 以上において 3×102 程度となり、ほぼ一定となった。160Gd と 151Eu の濃度比 1:10 未満においては、Eu の試料濃度が定量下限（1 mg/L）
未満であったことに起因して、恒量値が得られなかったと考えられる。以上より、N2O を 0.15
mL/min 導入した ICP-MS/MS 測定において、GdN+を分析対象核種とすることで、Eu からの干渉除去による Gd の分析が可能であると考えられる。以上より、ICP-MS/MS 測定による Eu/Gd の相互分別性能を評価した。

3.2-9- 55 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.2.2-5 各標準試料に含まれる核種濃度に対する N2O 導入時の信号強度のプロット(a) 160GdN+、(b) 151EuN+
表 3.2.2-6 N2O を導入した際の GdN+及び EuN+の検量線パラメータ及び定量下限
分析対象
160

+

GdN
EuN+

151

マスフィルタ条件
Q1

Q2

160
151

174
155

R2

感度
(傾き、cps/ppt)

切片
(cps)

定量下限
(10blank/感度、ppt)

1.00001.00007.010
0.02347

1.884
14.4861
1×103

表 3.2.2-7 O2 を導入した ICP-MS/MS 測定における Eu+及び Gd＋の信号強度
試料濃度 /ppb
160

Gd

151

Eu

信号強度 /cps
160

GdN

+

151

EuN

+

分別の尺度
(160GdN+の信号強度/151EuN+の信号強度)/(160Gd の試料濃度/151Eu の試料濃度)0.09500.0947727±2315±2

4.91±0.72×10

0.09480.965

724±2936±32.04±0.19×10

0.09489.78

700±32241±223.00±0.30×10

0.094998.7705±122247±1173.26±0.18×10

0.0947993

720±6422541±651

3.34±0.32×10

3.2-10- 56 -

1

2

2

2

2

JAEA-Review 2023-025③ 系統的分離試験 1；U、Ce、Nd、Sm、Gd、Na、B、Zr を含む模擬溶液に対する分離試験図 3.2.11 に示す令和 3 年度に提案した暫定的な燃料デブリ分析フローの妥当性を検討するため、模擬物
質に対して TBP 樹脂及び TRU 樹脂を用いた系統的抽出クロマトグラフィ試験を実施した。これらの樹脂を用いた分離基礎データに関しては、次節 3.2.2-(2)に示す。ここでは、燃料デブリをアルカリ融解で溶解した溶液の組成を模擬するため、1F 燃料組成評価[1]及びアルカリ融解試験候補
条件（燃料デブリに対して質量比 10 倍の Na2O2 を使用）に基づき、表 3.2.2-8 に示す組成の 4 M
硝酸水溶液を分離試験フィード液として調製した。本検討では、まず TBP 樹脂による U の選択的分離を行い、続いて TRU 樹脂による Ce、Nd、Gd、Sm のランタノイド一括分離を行った。また、これらの分離性能に対し、Na、B の夾雑イオンが影響を及ぼし得るかに着目した。
表 3.2.2-8 分離試験フィード液として調製した 4 mol/L 硝酸水溶液の液組成
元素

濃度 mg/LU

1.50×10Ce

7.72×10Nd

1.32×10Sm

2.75×10Gd

3.30×10B

3.61×10Zr

3.13×10Na

1.50×10備考

4混合標準液 XSTC-289（U 濃度 1 mg/L、SPEX）を濃縮後、希釈

2

ICP 標準液 Ce 1000 mg/L（ジーエルサイエンス）を希釈

3

ICP 標準液 Nd 1000 mg/L（ジーエルサイエンス）を希釈

2

ICP 標準液 Sm 1000 mg/L（ジーエルサイエンス）を希釈

3

ICP 標準液 Gd 1000 mg/L (ジーエルサイエンス）を希釈-3

ホウ素標準液 1000 mg/L (メルク・アンド・カンパニー)を希釈

3

ICP 標準液 Zr 1000 mg/L (ジーエルサイエンス）を希釈

6

Na2O2（関東化学、純度>87%）を溶解

後述の 3.2.2-(2)-①において、TBP 樹脂による分離では、「濃度の高い硝酸に Fe(II)を加えて Pu の化学形を制御し、U と Pu を選択的に吸着させ、Am と Cm を溶離する。続いて、濃度の高い塩酸に切り替えて、選択的に Pu を溶離する。最後に、濃度の低い硝酸で U を選択的に溶離する。
」という分離指針を得た。ここでは、この条件に基づいて検討を行った。表 3.2.2-8 に示す各元素を含む 4 mol/L 硝酸水溶液に対し、FeCl2・4H2O を添加し、Fe2+ 0.1 mol/L を含む
フィード溶液を調製した。
容量 10 mL の PP 製カラム
（ムロマック L カラム）に TBP 樹脂
（TrisKemInternational、Dead volume; 0.78±0.04 g/mL、3.00 g）を充填し、4 mol/L の硝酸水溶液でコンディショニングを行った。このカラムにフィード溶液 0.5 mL を加え、さらに送液条件 0.51
mL/min で 0.1 mol/L の Fe2+を含む 4 mol/L 硝酸水溶液 32.0 mL を流した。その後同様の送液条件で 4 mol/L 塩酸水溶液を 22.0 mL、0.1 mol/L 硝酸水溶液を 22.0 mL、超純水を 22.0 mL 流した。流出液を 3.2 mL 毎に回収し、回収液に対して ICP-MS 測定（Agilent 8900、No gas mode）
を実施した。
続いて、上記 TBP 樹脂で回収した試料溶液を用いて、TRU 樹脂による分離試験を行った。TBP
樹脂による分離試験において、回収開始から 12 サンプル目までの回収液を各 0.5 mL ずつ分取し、混合した。この混合液をフィード液として使用した。容量 10 mL の PP 製カラム（ムロマック L カラム）に TRU 樹脂（TrisKem International、Dead volume; 0.68±0.08 g/mL、3.00g）を充填し、4 mol/L の硝酸水溶液でコンディショニングを行った。このカラムにフィード溶液 0.5 mL を加え、さらに送液条件 0.57 mL/min で 4 mol/L 硝酸水溶液 24.5 mL を流した。その後同様の送液条件で 0.1 mol/L 塩酸水溶液を 24.5 mL、超純水を 24.5 mL 流した。流出液を3.5 mL 毎に回収し、回収液に対して ICP-MS 測定（Agilent 8900、No gas mode）を実施した。

3.2-11- 57 -

JAEA-Review 2023-025

TBP 樹脂による分離試験における溶離曲線を図 3.2.2-6 に示す。図 3.2.2-6 より、0.1 mol/Lの Fe2+を含む 4 mol/L 硝酸水溶液を流した際、Ce、Nd、Sm 及び Gd のピークが確認された。これは、これらの元素が TBP 樹脂に対して吸着されないことを意味する。この結果より、硝酸溶
液中でランタノイド元素と同じ 3 価として安定に存在する Am 及び Cm についても、吸着されずに流出することが期待される。続く 4 mol/L の塩酸水溶液を導入後には、いずれの元素も溶離が確認されなかった。4 mol/L の塩酸水溶液では、Pu の選択的な溶離回収を想定しており、Uの溶離が見られなかったことは、期待した通りの結果となった。続く 0.1 mol/L 硝酸水溶液において、U の選択的な溶離が確認された。これらの溶離挙動は、後述の 3.2.2-(2)-①で検討を行った分離基礎データと良い一致を示しており、Na や B といった夾雑イオンは TBP 樹脂による吸着挙動に大きな影響を及ぼさないことが明らかとなった。
TRU 樹脂による分離試験における溶離曲線を図 3.2.2-7 に示す。図 3.2.2-7 より、4 mol/L
硝酸水溶液では、Ce、Nd、Gd、Sm 及び Gd のピークは確認されなかった。続く 0.1 mol/L 硝酸
水溶液導入後では、Ce、Nd、Gd、Sm 及び Gd のピークが確認された。このことは、TRU 樹脂を用いることで、他の夾雑イオンからランタノイド元素を一括分離可能であることを意味する。
また、Am と Cm についても、ランタノイドと類似の挙動を示すことが期待される。この吸着挙動は、後述の 3.2.2-(2)-③の基礎検討結果から期待した挙動である。Na や B といった夾雑イ
オンは TRU 樹脂による吸着挙動に大きな影響を及ぼさないことが明らかとなった。

図 3.2.2-6 TBP 樹脂による模擬燃料デブリ溶解液に含まれる各元素の溶離曲線

図 3.2.2-7 TRU 樹脂による TBP 樹脂分離回収液に含まれるランタノイド元素の溶離曲線
3.2-12- 58 -

JAEA-Review 2023-025

以上より、Na、B 等を含む模擬燃料デブリ溶解液に対して TBP 樹脂及び TRU 樹脂を用いた系
統的分離試験を行った結果、TBP 樹脂による U の選択的分離及び TRU 樹脂を用いたランタノイ
ド一括分離が可能であることを確認した。これらの結果は、後述の 3.2.2-(2)で得られた分離
基礎データと良い一致を示しており、図 3.2.1-1 に示す分離フローの妥当性を裏付ける結果となった。この知見に基づき、続く照射済み燃料溶解液に対する分離試験に供した。
④ 系統的分離試験 2；照射済み燃料溶解液に対する分離試験
照射済み燃料に含まれる U、Pu、Nd、Sm、TRU 核種等の吸着挙動に着目し、TBP 樹脂及び TRU
樹脂による系統的分離試験を実施した。ここでは、U/Pu 比や核分裂生成物の含有比の観点から、1F 燃料組成の模擬性が高いと判断し、新型転換炉原型炉「ふげん」で照射した燃料集合体（MOX ペレット：Pu 富化度 2.59 wt%、照射条件:燃焼度 47 GWd/t、 最高線出力:42.0 kW/m）
より採取した燃料ピン切断片の溶解液を使用した。なお、試料溶解には、8 M 硝酸水溶液を使用した。表 3.2.2-9 に事故後 10 年経過した際の 1F2 号機の平均炉心組成評価結果[1]と本検討において使用した照射済み燃料溶解液の液組成を示す。
表 3.2.2-9 事故後 10 年経過時点での 1F2 号機の平均炉心組成評価結果及びふげん照射済み燃料
溶解液の液組成（主なアクチノイド及び FP 核種のみ抜粋）[1]
核種

1F2 号機炉心質量に対する各核種質量(g/core)を238

U の値で規格化した値

ふげん照射済み燃料溶解液の組成
µg/L

235

1.9×106

4.12×104236

3.7×105

1.00×105

238

U

1.0×108

1.00×108239

Pu

4.4×105

2.26×105241

3.5×104

6.23×104244

1.0×103

5.64×104140

1.0×105

1.66×105146

5.5×104

4.87×105150

1.8×104

4.56×105

U
U

Am
Cm
Ce
Nd
Sm

TBP 樹脂による分離試験は、以下の条件で行った。表 3.2.2-9 に示す照射済み燃料溶解液を
4 M 硝酸水溶液で 200 倍希釈し、この溶液を 0.1 mL 分取した。アルカリ融解後の溶解液組成を模擬するため、分取した溶液に含まれる U 重量の 10 倍に相当する Na 重量となるように、
NaNO3 溶液を添加した。さらに制御棒成分として、B 重量を U 重量の 8.03×10-3 倍[2]となるよ
うに H3BO3 標準液を添加した。この溶液に Pu の価数調整を目的として、Fe2+濃度 0.1 M となるように FeCl・4H2O を添加した。この溶液を TBP 樹脂による分離のフィード液とした。容量 10mL の PP 製カラム（ムロマック L カラム）に TBP 樹脂（TrisKem International）をカラム体積
約 9 mL となるように充填し、4 mol/L の硝酸水溶液でコンディショニングを行った。このカラムに調製したフィード溶液 0.5 mL を加え、0.1 mol/L の Fe2+を含む 4 mol/L 硝酸水溶液 32.0
mL を流した。その後 4 mol/L 塩酸水溶液を 22.0 mL、0.1 mol/L 硝酸水溶液を 22.0 mL、純水を 22.0 mL 流した。流出液を 4.0 mL 毎に回収し、回収液に対して ICP-MS 測定（Agilent 7500、
No gas mode）を実施した。TBP 樹脂による分離試験における溶離曲線を図 3.2.2-8 に示す。
3.2-13- 59 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.2.2-8 より、0.1 mol/L の Fe2+を含む 4 mol/L 硝酸水溶液を流した際、Am、Cm、Ce、Nd、Sm、Gd のピークが確認された。この結果は、これらの元素が TBP 樹脂に対して吸着されないことを意味する。この挙動は、これらの元素が溶液中で 3 価陽イオンとして安定に存在することに起因する。ランタノイドについては図 3.2.2-6 と同様の結果、Am 及び Cm については期待した通りの結果であった。一方、同溶離液において、相対強度は低いものの Pu についても溶離が確認された。このことは、フィード溶液に含まれる Pu の一部が、Fe2+によって Pu3+へ還元されたことを示唆する。本検討とカラムや溶離液の条件を統一して実施した後述の 3.2.2-(2)①における分離基礎検討では、0.1 mol/L の Fe2+を含む 4 mol/L の硝酸水溶液を流した際に Puの溶離は確認されなかった。これらの Pu の溶離挙動の違いは、フィード液に含まれる Pu の化
学系が 3.2.2-(2)-①の検討と本検討とで異なっていたことに起因すると考えられる。
つまり、
Pu について 3.2.2-(2)-①と同様の溶離挙動を得るためには、照射済み燃料の溶解からフィード液調製の手順において、Pu の価数調整が必要であると考えられる。対策としては、照射済み
燃料溶解液に含まれる Pu を加熱等により 4 価より高次の酸化数に調整後、Fe2+を添加し、フィード液中での Pu3+の生成量を抑制することが有効と考えられる。その他、同溶離液では B、Sr、
Zr、Cs の溶離ピークが確認され、これらのイオンが TBP 樹脂に吸着されないことを確認した。
続いて、4 M HCl を流した際、Np、Pu の溶離ピークが確認された。Pu のピークは 0.1 mol/Lの Fe2+を含む 4 mol/L 硝酸水溶液で確認された強度よりも高く、主成分として Pu4+が溶離したと考えられる。この結果は後述の 3.2.2-(2)-①での検討結果と一致しており、期待した挙動である。Np については、4 M HCl を流した際にのみ溶離ピークが確認された。硝酸水溶液中において Np は 4-6 価の価数をとり、TBP による溶媒抽出において 5 価の NpO2+はほとんど抽出されないことが知られている。また、令和 3 年度に実施した Fe2+を含まないフィード液及び溶離液を使用した検討では、Np は TBP 樹脂に吸着されずに流出し、NpO2+として存在することが示唆された。これらの結果から、本検討において確認された Np の吸着/溶離挙動は、Fe2+の導入により Np の価数が 5 価から 4 価へと還元されたことに起因すると考えられる。
続いて、0.1 M HNO3 を流した際、U のピークのみが確認された。UO22+として吸着していた Uが溶離したと考えられる。この溶離挙動は、上述の図 3.2.2-6 や後述の 3.2.2-(2)-①での検討結果と一致しており、期待した挙動である。
以上 TBP 樹脂を用いて照射済み燃料溶解液に対して分離試験を行った結果、概ね期待した通りの結果が得られた。また、Np については、Np4+として 4 M HCl で溶離回収できることが明らかとなった。一部想定外となった Pu の溶離挙動については、フィード液調製時に Pu を高次の酸化数へと調整することが有効と考えられる。本手法を用いることにより、ICP-MS 測定において Am 及び Cm と質量数が重なる Pu や、Pu と質量数が重なる U について、No gas モードでの定量が期待される。

3.2-14- 60 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.2.2-8

TBP 樹脂による分離試験における溶離曲線

上記 TBP 樹脂で回収した試料溶液を用いて、TRU 樹脂による分離試験を行った。TBP 樹脂による分離試験において、回収開始から 2 サンプル目の回収液を 1.0 mL 分取し、この溶液フィード液として使用した。容量 10 mL の PP 製カラム（ムロマック L カラム）に TRU 樹脂（TrisKem
International）をカラム体積約 9 mL となるように充填し、4 mol/L の硝酸水溶液でコンディ
ショニングを行った。このカラムにフィード溶液 1.0 mL を加え、4 mol/L 硝酸水溶液 24 mL を流した。その後 0.1 mol/L 塩酸水溶液を 24 mL、純水を 10 mL 流した。流出液を 4 mL 毎に回収し、回収液に対して ICP-MS 測定（Agilent 7500、No gas mode）を実施した。TRU 樹脂による分離試験における溶離曲線を図 3.2.2-9 に示す。
図 3.2.2-9 より、4 mol/L 硝酸水溶液を流した際、B、Sr、Zr、Cs のピークが確認され、Am、
Cm、Ce、Nd、Sm、Gd のピークは確認されなかった。続く 0.1 mol/L 塩酸水溶液導入後では、
Am、Cm、Ce、Nd、Sm、Gd のピークが確認された。このことは、TRU 樹脂を用いることで、他の夾雑イオンから Am、Cm 及びランタノイド元素を一括で分離することが可能であることを意味する。なお、0.1 mol/L 塩酸水溶液導入時、一部 Zr 及び Sr の溶離が確認されたが、これらはAm、Cm 及びランタノイド元素を ICP-MS で分析する際、質量数が大きく異なることから干渉の影響を無視できると考えられる。ICP-MS 測定において、Nd、Sm については、他の安定核種や長半減期核種と質量数が重ならず、また、酸化物や水酸化物イオンによる干渉を受けにくい質
量数の存在が認められた。従って、測定する質量数を限定すれば、No gas モードで測定できる可能性が示唆された。ただし、燃焼率評価において重要な核種となる 148Nd については、148Smとの干渉により No gas モードのみでは正確な定量が困難であることから、今後適切な分離方
法ないし ICP-MS/MS による分別条件を見出すことが重要である。

3.2-15- 61 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.2.2-9

TRU 樹脂による分離試験における溶離曲線

以上、1F 燃料デブリ溶解液を模擬した照射済み燃料に対して系統的分離試験を行った結果、
3.2.2-(1)-③及び後述の 3.2.2-(2)の分離基礎検討と概ね一致する結果が得られ、図 3.2.1-1に示す暫定的な分離フローについて、その妥当性を示す結果が得られた。一部想定外となった
TBP 樹脂による Pu の溶離挙動については、フィード液調製時に Pu を高次の酸化数へと調整することが有効と考えられるため、今後適切な試料調製条件を検討する予定である。

3.2-16- 62 -

JAEA-Review 2023-025(2) 前処理分離技術に関する研究（再委託先：長岡技大）令和 4 年度は、令和 3 年度までの成果を踏まえ、含浸樹脂によるカラムを用いた吸着分離の試験を中心に行った。デブリに含まれる元素を考慮し希土類元素やアクチノイド元素を対象とした試験であり、用いたのは TBP 含浸吸着剤（TBP 樹脂）、TODGA 含浸吸着剤（DGA 樹脂）、
CMPO/TBP 含浸吸着剤（TRU 樹脂）であり、TBP 樹脂は、TrisKem International 社（仏）製で他のものは Eichrom Technologies 社（米）製である。カラムは、ムロマックミニカラム L（室町ケミカル株式会社）に樹脂をカラム高さ 10 cm 程度（カラム体積約 8.5 cm3）に充填して用いている。U は、SPEX 社の ICP-MS 用標準試料 XSTC-331 を用いた。XSTC-331 には Th も含まれているので 4 価のアクチノイドの振舞いを見るために、吸着挙動を観測した。Am と Cm はそれぞれ 241Am、244Cm を用い、244Cm の娘核種である 240Pu も同時に観測している。希土類元素等は購入した試薬を用いている。試料調製は、標準溶液や溶液に入っている RI 等の試料を蒸発乾固し、そこにフィードする酸を加えて、蒸発乾固と酸添加を繰り返して調製した。
①

TBP 樹脂を用いた吸着分離試験
TBP は PUREX 法で使われている抽出剤であるので、まず、PUREX 類似型の手法を行った。即ち、濃度の高い硝酸（今回は、6 M とした）で U と Pu を吸着させ、3 価アクチノイドである
Am、Cm と分離する。次に、還元剤（ICP-MS/MS でアクチノイドや希土類元素を分析するときに干渉しないものとして Fe(II)を用いた）で Pu を還元して、Pu を溶出させ、最後に希硝酸で Uを溶離する試験を実施した。その結果を図 3.2.2-10 に示す。図を見ると U、Am、Cm は予想通りの振舞いを見せている。Th も予想通りの振舞いである。しかしながら、Pu の振舞いを見ているとほとんどが希硝酸で溶離していることが分かり、還元させたところでは溶出が見られていない。また、最初の 6 M 硝酸のところでわずかな溶離が見られ、還元剤を入れたところでの溶離が止まっていることが観測されている。つまり、今回の実験では、Pu が還元剤で還元されているが、元々高次の価数になっており、通常の PUREX の 3 価への還元ではなく、4 価に還元されていると推測される。希硝酸での Pu の吸着が U よりも強いこともそのことを裏付けている。

3.2.1 解析モデルの開発（令和 2 年度～令和 4 年度）(1) 令和 3 年度までの概要① 実施事項の細目名
令和 2 年度には・・・・
令和 3 年度には・・・・② 実施事項の細目名
図 3.2.2-10 TBP 樹脂を用いた PUREX 類似型
図 3.2.2-11 TBP 樹脂を用いた HCl での
令和 2 年度に○○を行い・・・・・・・・・
分離手法によるアクチノイド吸着分離試験
PUREX 類似型分離手法によるアクチノイド
令和 3 年度には○○を行い・・・
吸着分離試験

3.2-17- 63 -

JAEA-Review 2023-025

塩酸溶液で、PUREX 類似型分離手法を行い、アクチノイド吸着挙動を確認したのが、図 3.2.2-11 に示してある。U は塩酸系
でも濃度が高い酸では吸着し、濃度が低い
酸では溶出される。Pu は濃度が高い酸で吸着して、還元剤で還元されて何らかの影響が出ると予想したが、濃度が高い酸でも吸着しないことを確認した。また、4 価の Th
も TBP 樹脂に吸着しないことを確認した。
これらの結果を踏まえ、硝酸系と塩酸系を組み合わせることにより、アクチノイドの分離を試みた。結果を図 3.2.2-12 に示
図 3.2.2-12 TBP 樹脂を用い、硝酸と塩酸を組す。図をみると、U、Pu、3 価アクチノイド
み合わせた分離手法の結果（Am、Cm）は分かれてはいるが、Pu は、4 M硝酸でも溶出しており、4 M 塩酸での溶離はブロードになっている。4 M 硝酸で溶離している
Pu は 4 M 塩酸に切り替わると一旦溶離が収まり、それから溶離が始まるという現象がみられる。これは、4 M 硝酸と 4 M 塩酸での吸着の違いが表れているものである。4 M 塩酸では 2 つのピークに分離できると推測できるので、2 つのガウス型の分布でフィッティングさせると良くピーク形状が再現できていることが分かる。つまり、Pu は少なくとも 2 つの化学形態が存在するものと考えられる。これらのピークの化学形態については、今までの結果、図 3.2.2-10と図 3.2.2-11 及び次に示す実験結果と合わせて議論したい。なお、参考として入っている 4
価のアクチノイドである Th は 4 M 塩酸のところで溶出しており、予想通りの結果であると言える。
これまでの結果を踏まえ、アクチノイドを分離するための条件を検討した。つまり、以下に示す結果である。
・3 価のアクチノイドは、硝酸・塩酸ともに吸着をしない。
・ウランは、硝酸・塩酸によらず、酸濃度が高い時は吸着し、酸濃度が低い時は溶離できる。
また、Fe(II)を還元剤としたときは影響を受けない。
・Pu は、塩酸溶液では吸着が強くなく溶離する。硝酸溶液では Fe(II)を用いて調整を行う
必要がある。
これらの結果から、まず、濃度の高い硝酸に Fe(II)を加えて Pu の化学形を制御して、U とPu を吸着させて、Am と Cm を溶離する。続いて、濃度の高い塩酸に切り替えて、Pu を溶出させる。最後に、濃度の低い硝酸（塩酸でも溶離はできるが、ICP-MS/MS を用いる観点からは、塩酸よりも硝酸の方が望ましい）で U を溶離させる。この考えに基づいた試験を行い、その結果を図 3.2.2-13 に示す。
図を見ると分かるように、3 価アクチノイド（Am, Cm）、Pu、U はそれぞれ分離できていることが分かる。U と Pu に関しては ICP-MS/MS を用いた分析の観点では、十分な分離である。3 価のアクチノイドに関しては、さらなる分離が必要である。さて、Pu の化学形について、これまでの TBP 吸着挙動から検討したい。図 3.2.2-10 から、Fe(II)で還元を行ったものが吸着をしたことから、還元後は 4 価であると考えられる。そうすると還元前のものはそれよりも価数が高いものであり、安定性を考慮すると主に 6 価であると推測できる。Pu の 6 価は、U の 6 価と比べて分配係数が大きくないことが知られており、6 M もしくは 4 M 硝酸で溶離が始まるということも Pu が当初 6 価のものが存在することの証左となっている。図 3.2.2-12 の結果で、塩酸に切り替えた時にピークが 2 つ見えることは、化学形が 2 つ存在することを意味しており、Fe(II)を加えた結果である図 3.2.2-13 はピークが 1 つであり、このピークは図 3.2.2-12 の後から溶離されるものと一致している。図 3.2.2-13 のピークは前述のように 4 価であると推測されるので、6 価と 4 価のものがフィード溶液には混在しており、6 価のものは還元され、4 価になり、4 価のものは還元されておらず（還元され 3 価であれば、Am や Cm と同様の振舞いをするが、Pu ではそのような振る舞いが観測されていない）、そのまま 4 価で溶離されると推測される。これらのことから、図 3.2.2-12 の Pu の 2 つのピークのうち、先に溶出するものは 6
3.2-18- 64 -

JAEA-Review 2023-025

価で後に溶出するものは 4 価であると推測される。なお、秤量可能量の Pu を用いれば、紫外可視分光により、価数を確認することが可能であるが、我々は、Pu はトレースレベルの量しか取り扱うことができないので、上記のように推測することしかできない。

図 3.2.2-13 TBP 樹脂を用いたアクチノイド分離② DGA 樹脂を用いた吸着分離試験
DGA 樹脂の希土類元素と Am と Cm の分配係数は、塩酸では令和 3 年度にデータを得ている。
令和 3 年度は、DGA 樹脂と TRU 樹脂の分配係数から、DGA 樹脂を用いた 3 価アクチノイドの相互分離を提言している。今年度は、まず硝酸でのデータを得た。比較のため、改めて塩酸も含めた分配係数を示す。図 3.2.2-14 に塩酸での分配係数、図 3.2.2-15 に硝酸での分配係数を示す。

図 3.2.2-14 DGA 樹脂の希土類元素と Am，Cmの分配係数（塩酸）

図 3.2.2-15 DGA 樹脂の希土類元素と Am, Cmの分配係数（硝酸）3.2-19- 65 -

JAEA-Review 2023-025

硝酸溶液では、Am と Cm の分配係数の差は大きくなく、また、分配係数が 105 程度と大きす
ぎるため、溶離を考慮すると液量が多くなりすぎるため、硝酸での Am と Cm の分離は適していない。そこで、塩酸での Am と Cm の分離試験を試みた。分配係数の比較的大きい 1 M で行った結果を図 3.2.2-16 に示す。図を見ると明らかなように Am と Cm の分離ができている。なお、希土類元素は、Am よりも前に出ているようにみえるが、この実験では Eu も入れているが強く吸着しており、Cm の後にブロードに溶出している。つまり、3 価アクチノイドと希土類元素の分離はできていない。しかしながら、アクチノイドを ICP-MS/MS で分析する場合は、希土類元素は干渉しないため、希土類元素がアクチノイドに混ざっていても分析上問題はない。さらに、塩酸濃度を変化させて、Am と Cm の分離試験を行った。塩酸濃度は、0.8 M と 1.2 M として、
1 M 塩酸の結果と比較した。分離のクロマトグラムを図 3.2.2-17 と図 3.2.2-18 に示す。0.8
M と 1.2 M においても分離は起きていることは分かる。溶離液量は、分配係数が塩酸濃度の増加に従って大きくなるので、酸濃度が高い時に大きい。分離の度合いは、1 M 塩酸の時最も大きい。分離の度合いを確認するときは Am と Cm のピークの重なり位置が 1 M 塩酸で最も低い位置になることから確認できる。つまり、本試験の結果から 1 M が最も適当な濃度であると結論付けた。なお、さらに Am と Cm の分離を目指すにはカラムの高さを変えることが 1 つの方法である。

図 3.2.2-16 DGA 樹脂を用いた Am と Cm 分離（1M 塩酸）

3.2-20- 66 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.2.2-17 DGA 樹脂での Am と Cm の分離（0.8M 塩酸）

図 3.2.2-18 DGA 樹脂での Am と Cm の分離（1.2M 塩酸）③

TRU 樹脂を用いた吸着分離試験
TRU 樹脂の希土類元素と Am と Cm の分配係数は、塩酸では令和 3 年度にデータを得ている。
硝酸は今年度データを得た。比較のため、改めて塩酸も含めた分配係数を示す。図 3.2.2-19 に塩酸での分配係数、図 3.2.2-20 に硝酸での分配係数を示す。

図 3.2.2-19 TRU 樹脂の希土類元素と Am, Cmの分配係数（塩酸）

図 3.2.2-20 TRU 樹脂の希土類元素と Am, Cmの分配係数（硝酸）

塩酸では、濃度が高いと分配係数が高いが、硝酸では、濃度によらずほぼ同じである。Am とCm で分配係数の差は塩酸・硝酸ともに全般的に大きくないが、4 M 塩酸では比較的差がみられる。また、DGA 樹脂での分配係数とも比較し、令和 3 年度の報告書で、TRU 樹脂では、TBP 樹脂
で、溶離した Am と Cm を希土類元素とともに抽出するのが適していると結論付けている。特にここでの抽出は、アルカリ融解法を行った場合、含まれる大量のナトリウムを除去することが最大の目的である。なお、ナトリウムは TRU 樹脂には吸着をしない。抽出操作としては、図3.2.2-13 で示した TBP 樹脂を用いたアクチノイド分離では、3 価アクチノイドと希土類元素は4 M 硝酸で溶離させるので、4 M 硝酸で吸着させて 4 M 塩酸でナトリウム等のアルカリ金属などを分離除去し、次に 0.1 M 硝酸として、溶離で用いる塩酸との混合をできるだけ抑えるとと

3.2-21- 67 -

JAEA-Review 2023-025もにできるだけ多くのイオンを取り除いておく。そして、最後に塩酸で Am と Cm(及び希土類元素)を溶離する。この手順で行った試験結果を図 3.2.2-21 に示す。図を見ると予想通り、塩酸で Am と Cm が溶離している。なお、Am と Cm とともに希土類元素も溶離しているが、Gd だけ
は、その前の 0.1 M 硝酸で溶離している。Gd も測定が望まれている元素であるので、偶然ではあるが、この方法での分離が可能であることが確認された。今回は、0.1 M 塩酸で溶離を行ったが、DGA 樹脂での Am と Cm の分離法への接続を考えると 1 M 塩酸での溶離がより適しているが、溶離液量は多くなるものの溶離は可能である。結論として、TRU 樹脂では、TBP 樹脂で吸着せずに溶離した Am と Cm を抽出するとともに、DGA 樹脂での分離につなげることができる溶液転換が可能である。

図 3.2.2-21 TRU 樹脂を用いた Am と Cm 及び希土類抽出④ アクチノイド分離法の考え方
アクチノイド分離では、TBP 樹脂、TRU 樹脂、DGA 樹脂を用いる。TBP 樹脂で U、Pu、3 価アクチノイドを分離する。分離では、Fe(II)で Pu の価数を調整すること、Pu は塩酸で溶離させること、U は薄い酸で溶離させることである。なお、Pu の価数については、フィード試料の作製方法にも影響されることを注意すべきである。3 価のアクチノイドである Am と Cm は TBP に溶離しないので、そのまま溶出してくる。そのため、TRU 樹脂を用いて他の元素を除くように抽出させるとともに次のプロセスのために液性転換を行う。DGA 樹脂では、1 M 塩酸でクロマ
トグラフィを行うことにより、Am と Cm の分離ができる。

3.2-22- 68 -

JAEA-Review 2023-025

3.2.3 まとめ(1) ICP-MS/MS 測定（連携先：JAEA）
3.1.2 でアルカリ融解を行った模擬燃料デブリ溶解液に対して ICP-MS/MS 測定を実施し、Ce、Nd、Gd、Zr、Fe の定量分析を行った。検討したアルカリ融解条件（模擬試料に対して質量比 10 倍の Na2O2 を添加）の試料マトリクスに対して絶対検量線法は有効であることを確認した。Gd 及び Eu の共存する試料溶液に対して O2 及び N2O を導入した ICP-MS/MS 測定を実施
し、Gd/Eu の相互分別性能を評価した。O2 の導入による Eu+の選択的検出、N2O の導入によるGdN+の選択的検出が可能であることを見出した。模擬燃料デブリ溶解液に対して TBP 樹脂及び TRU 樹脂を用いた系統的分離試験を行った結果、TBP 樹脂による U の選択的分離及び TRU
樹脂を用いたランタノイド一括分離が可能であることを確認した。また、Nd、Sm、TRU 核種を含む照射済み燃料を用いて同様の検討を行った結果、Am、Cm、ランタノイド元素の一括分離、Pu 及び U の相互分離が可能であることが示唆された。一連の分離操作及び ICP-MS 測定において、Na や B といった夾雑イオンの影響は無視できることを確認した。
(2) 前処理分離技術に関する研究（再委託先：長岡技大）
ICP-MS/MS 測定の前処理分離試験として、デブリに含まれる元素を考慮し希土類元素やアクチノイド元素を対象とした核種分離に係る吸着体と分離条件の改良及び最適化に係るデータを収集した。その結果、TBP 樹脂、DGA 樹脂を用いてアクチノイドの U、Pu、Am、Cm を相互に分離可能な条件を見出した。

3.2-23- 69 -

JAEA-Review 2023-025

3.3 模擬燃料デブリの作製
3.3.1 令和 3 年度までの概要(1) 模擬燃料デブリの作製に関する研究（再委託先：NFD）① 共沈法による混合粉末を用いた模擬燃料デブリの作製
東北大学にて作製した Zr を含む重ウラン酸アンモニウムの共沈粉末を用いて、圧縮成型及び焼結を行うことにより、ペレット状の模擬燃料デブリを作製した。混合時の組成は、
U:Zr=1:1、3:1 あるいは 9:1 の 3 種類とした。また、焼結雰囲気は 100%H2、焼結温度は 1300℃～1700 ℃、焼結時間は 10 分～4 時間とした。組成及び焼結条件を変えることにより、多様な密度の試料を作製した。作製した試料は、東北大学、長岡技大及び九州大学の試験に使用された。
また、同様に、Zr 及び Fe を含む重ウラン酸アンモニウムの共沈試料を用いて、東北大学におけるメスバウアー測定及び九州大学における浸出試験に使用するための模擬燃料デブリを作製した。焼結雰囲気は 100%H2、焼結温度は 1500 ℃、焼結時間は 2～4 時間とした。XRD 測
定では、Fe 酸化物のピークは確認されず、ほとんどの Fe は金属として析出していた。また、いずれの試料でも組成分布の顕著な偏りは見られなかった。
② メカニカルアロイ法（以下、「MA 法」と略す。
）による混合粉末を用いた模擬燃料デブリの作製
MA 法により UO2、ZrO2、Fe3O4、Nd2O3、Gd2O3 及び SiO2 粉末を混合し、その混合粉末を用いて圧縮成型及び焼結を行うことにより、ペレット状の模擬燃料デブリを作製した。焼結温度は1200 ℃、焼結時間は 3 時間とした。比較のため、乳鉢で混合した原料粉末を用いた試料も併せて作製した。XRD 測定では、いずれの試料においても、(U, Zr)O2 のピークのみが確認され、Fe、Nd、Gd 及び Si を含む化合物に起因するピークも見られなかった。また、SEM 観察では、焼結が不十分であることが確認された。当該作製条件においては、XRD 測定結果及び SEM 観察/EDS 分析結果について原料粉末混合方法による明確な差異は認められなかった。
(2) 共沈法による模擬燃料デブリの作製に関する研究
令和 3 年度は、作製した模擬燃料デブリの微細構造を明らかにするため、電子顕微鏡観察、XRD、57Fe メスバウアー分光を実施した。ここで、試料中に含まれる Fe に対して感度良くメ
スバウアー分光を実施するため、同位体比 50%の 57Fe を含む U-Zr-Fe-O 系模擬燃料デブリを作製した。メスバウアー分光の結果、試料に含まれる Fe はバルク質の鉄とほぼ同じ状態のαFe で有ることが分かった。Fe の化学形態を明確に決めることができるのはメスバウアー分光の優れた点である。
3.3.2 令和 4 年度実施内容及び成果(1) 模擬燃料デブリの作製に関する研究（再委託先：NFD）① 共沈法による混合粉末を用いた模擬燃料デブリの作製
令和 3 年度に引き続き、Zr 及び Fe（Fe-57 を 50%濃縮させたもの）を含む重ウラン酸アンモ
ニウムの共沈試料を用いて模擬燃料デブリの作製を行った。混合時の組成は令和 3 年度と同様に、U:Zr:Fe＝3:1:1 とした。作製においては、まず、乾燥済みの共沈試料を解砕、焙焼及び還元した後、それによって得られた約 0.5 g の粉末を 7 mmφのダイスを用いてペレット状に圧縮成型した。そして、ペレット状に圧縮成形した試料は、露点 27 ℃の Ar＋1%H2 雰囲気中にて、1500 ℃、2 時間焼結させた。焼結時の温度や保持時間は、令和 3 年度の条件と同様としてい3.3-1- 70 -

JAEA-Review 2023-025

る。雰囲気は、令和 3 年度では 100%H2 雰囲気条件で焼結を実施したが、この時作製した模擬燃料デブリの透過電子顕微鏡（TEM）観察において、U-Zr-O 結晶粒内で析出した金属 Fe が結晶粒界に移動し、微小なクラスターを形成することが観察された。そこで今年度は、Fe が酸化物の形態でも同様にクラスターを形成するかどうか確認するため、Fe が酸化物として存在すると考えられる雰囲気条件としている。作製した試料の員数は 6 個であり、そのうち 5 個を東北大学へ提供し、1 個を X 線回折測定及び走査電子顕微鏡(SEM)観察に供した。作製した試料の外観例を図 3.3.2-1、焼結後の試料寸法及び密度測定結果を表 3.3.2-1 に示す。かさ密度は、メ
タキシレンを用いた液浸法にて算出した。
②

X 線回折（XRD）測定
共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリについて、XRD 測定を実施した。
XRD はウラン燃料研究棟に設置されている Philips 社製 PW-1830/PW-1700/APD-1700 型 X 線回折装置を用いた。管電圧 45 kV、管電流 40 mA で発生させる Cu-Kα線を入射 X 線とし、2 θ/
θ法で回折パターンを取得した。回折パターン取得後、XRD 解析ソフトウェア High Score Plusを用いて XRD プロファイルのピーク同定を実施した。表 3.3.2-2 に試料の定性結果をまとめた。図 3.3.2-2 上段に 2 θで 15°～90°まで測定した XRD パターン（生データ）を示す。バックグラウンドを除去し、Cu-Kα2 による回折ピークを分離した XRD パターンに対し、ピークサーチを施し、相の同定を行った（同図中段）。試料とリファレンスパターンのピークリストを同図下段に示している。立方晶 UO2 と正方晶 ZrO2 が同定された。試料の XRD パターンとリファレンスパターンの一致度を表すスコアは、立方晶 UO2 が 87、正方晶 ZrO2 が 31 であった（表3.3.2-2）。スコアが高い立方晶 UO2 相は、Zr や Fe がそれほど固溶していない UO2 と考えられる。一方で、スコアが高くない、すなわち格子定数が本来の値からずれている正方晶 ZrO2 相は、U が固溶した正方晶(Zr,U)O2 と示唆される。金属原子数比で 20 at%入っている Fe であるが、Fe を含む相を同定することはできなかった。一般に、Fe を多く含む試料に対し、XRD 測定に Cu 管球を用いると、バックグラウンドが上がり、測定ピークが小さくなる。そのため、Fe由来のピークを同定できなかったと考えられる。
③

SEM 観察・EDS 分析
作製した模擬燃料デブリ試料を半月状に切断して、切断面の中央部（試料中心部）を SEM 観察した。図 3.3.2-3 に試料中心部の 100 倍、1000 倍、5000 倍の SEM 観察結果を示す。令和 3
年度に 100%H2 雰囲気条件で作製した U:Zr:Fe=3:1:1 の組成を有する模擬燃料デブリ試料と同様に、微細な析出物が形成していた。一方、令和 3 年度の試料の様相とは異なり、数十 µm 以上の空隙が試料全体に発生した。密度で比較すると、令和 3 年度の試料の密度が約 9.1 g/cm3に対して、今年度作製した試料は約 7.9 g/cm3 であり、空隙の発生による密度の低下が確認された。空隙が生じた要因としては、焼結過程で一旦溶融した鉄酸化物が再度固化したこと、及び試料内部にガスが発生したことなどが考えられる。図 3.3.2-4 に倍率 1000 倍及び 5000
倍の視野に対して実施した EDS 分析結果を示す。BSE 像で淡灰色に見える母相が U リッチ相であり、より濃色の析出相が Zr リッチ相、黒色の析出相が Fe リッチ相であることが確認された。析出相である Zr リッチ相及び Fe リッチ相は、試料中にほぼ均一に分布しており、顕著な組成の偏りは見られなかった。Fe の分布は概ね O と一致していたが、O をあまり含まな
い Fe 析出物も散見された。XRD 測定では検出できなかったが、Fe は酸化物及び金属両方の析
出物を形成していると考えられる。

3.3-2- 71 -

JAEA-Review 2023-025

表 3.3.2-1 共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の寸法及び密度
試料 ID
22T01
22T02
22T03
22T04
22T05
22T06

直径
(mm)
5.298
5.364
5.326
5.360
5.286
5.397

高さ
(mm)
2.761
2.777
2.767
2.822
2.796
2.772

かさ密度
(g/cm3)
8.18
7.95
7.92
7.83
7.87
7.76

備考
分析用
東北大学へ輸送
東北大学へ輸送
東北大学へ輸送
東北大学へ輸送
東北大学へ輸送表 3.3.2-2 共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリの XRD 定性結果
リファレンス
パターン
UO2
ZrO2

PDF カード No.

結晶構造

スコア

01-075-0420
01-078-5751

立方晶
正方晶

87
31

同定した相
UO2
(Zr,U)O2

図 3.3.2-1 共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の外観例

3.3-3- 72 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.3.2-2 共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリの XRD パターン（上）、バックグラウンド除去及び Kα2 分離後の XRD パターンとリファレンスパターン（中）、及びピークリスト（下）3.3-4- 73 -

JAEA-Review 2023-025(a) 観察倍率 100 倍(b) 観察倍率 1000 倍(c) 観察倍率 5000 倍

図 3.3.2-3 共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の断面 SEM 観察

3.3-5- 74 -

JAEA-Review 2023-025

倍率 1000 倍

倍率5000 倍

BSE 像

O

Zr

U

Fe

図 3.3.2-4 共沈法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の EDS 分析結果

3.3-6
- 75 -

JAEA-Review 2023-025④

MA 法による混合粉末を用いた模擬燃料デブリの作製
令和 3 年度に引き続き、表 3.3.2-3 の組成となるように MA 法により UO2、ZrO2、Fe3O4、Nd2O3、Gd2O3 及び SiO2 粉末を混合し、その混合粉末を 7 mmφダイスを用いて圧縮成型後、5%H2-Ar 中
で焼結を行うことにより模擬燃料デブリを作製した。MA 法における混合条件は、回転数を 500rpm、混合時間を 60 分とした。また、焼結条件は、焼結温度を 1350 ℃、保持時間を 10 分とした。令和 4 年度の焼結条件は、前年度の条件（焼結温度 1200 ℃、保持時間 3 時間）では焼結が不十分であったことを踏まえて、焼結温度を前年度より高く設定し、保持時間は Fe3O4 や SiO2が完全に溶融しないように短く設定した。作製した試料の員数は 10 個であり、そのうち 8 個を東北大学や九州大学へ提供し、2 個を X 線回折測定及び走査電子顕微鏡（SEM）観察に供した。作製した試料の外観例を図 3.3.2-5、焼結後の試料寸法及び密度測定結果を表 3.3.2-4 に示す。かさ密度は、メタキシレンを用いた液浸法にて算出した。外観観察では、表面及び断面に顕著な欠陥等は確認されなかった。一方で、0－180°方向と 90°－270°方向の直径を比較すると、いずれの試料においても有意差があり、焼結中にわずかに溶融して変形したものと考えられる。
1）XRD 測定MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリについて、XRD 測定を実施した。
XRD はウラン燃料研究棟に設置されている Philips 社製 PW-1830/PW-1700/APD-1700 型 X 線回折装置を用いた。管電圧 45 kV、管電流 40 mA で発生させる Cu-Kα線を入射 X 線とし、2θ/
θ法で回折パターンを取得した。
回折パターン取得後、XRD 解析ソフトウェア High Score Plusを用いて XRD プロファイルのピーク同定を実施した。表 3.3.2-5 に試料の定性結果をまとめた。
図 3.3.2-6 上段に 2θで 15°－90°まで測定した XRD パターン（生データ）を示す。バックグラウンドを除去し、Cu-Kα2 による回折ピークを分離した XRD パターンに対し、ピークサーチを施し、相の同定を行った（同図中段）。試料とリファレンスパターンのピークリス
トを同図下段に示している。立方晶 UO2、正方晶 ZrO2 及び立方晶 Fe が同定された。Nd、Gd、Si に由来するピークを同定することはできなかった。試料の XRD パターンとリファレンスパ
ターンの一致度を表すスコアは、立方晶 UO2 が 87、正方晶 ZrO2 が 29、立方晶 Fe が 23 であった（表 3.3.2-5）。スコアが高い立方晶 UO2 相は、他元素があまり固溶していない UO2 と考えられる。一方で、スコアが高くない、すなわち格子定数が本来の値からずれている正方晶 ZrO2
相は、U が固溶した正方晶（U,Zr）O2 と示唆される。また、スコアは高くないものの、立方晶（面心）Fe の存在も示唆された。立方晶 Fe は 5%H2-Ar 中という還元雰囲気で焼結したことか
ら、原料粉末の Fe3O4 が還元されて生じたものとみられる。通常 Fe は室温では体心立方であることから、立方晶（面心）Fe の存在を確定するには TEM 電子線回折などの局所的な結晶構
造解析手法を組み合わせて評価することが必要である。
2) SEM 観察・EDS 分析
試料表面を観察倍率 100 倍、1000 倍、5000 倍で観察した SEM 観察結果を図 3.3.2-7 に示す。また、模擬燃料デブリ試料を半月状に切断して、切断面の中央部（試料中心部）を観察
倍率 100 倍、1000 倍、5000 倍で観察した SEM 観察結果を図 3.3.2-8 に示す。試料全体にわたって焼結が進み組織が均一化している様子が確認された。試料表面及び試料中心部それぞれについて、1000 倍及び 5000 倍に対して実施した EDS 分析結果を図 3.3.2-9 に示す。各元素は固溶もしくは析出する形でほぼ均一に分散しており、元素分布の顕著な偏りはなかった。
U 及び Zr については、Zr の溶け残りと思われる析出を除いて一様に分布していることから、
3.3-7- 76 -

JAEA-Review 2023-025

互いに固溶して（U,Zr）O2 あるいは（Zr,U）O2 の形態で存在しているものと考えられる。Siと Gd は、分布が同様であることから、化学形態は不明であるが化合物を形成して析出していると考えられる。Fe の分布は、他の元素と異なっており、Fe を主成分とする析出物を形成していると考えられる。Nd については、わずかに濃化している領域が確認されたが、概ね均一に分布しており、全体に固溶していることが示唆された。

表 3.3.2-3 MA 法による模擬燃料デブリ作製における酸素を除いた組成
U
65%

Zr
10%

Fe
10%

Nd
5%

Gd
5%

Si
5%

表 3.3.2-4 MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の寸法及び密度高さ
直径（0-180°） 直径（90-270°）
かさ密度
試料 ID
備考
（g/cm3）
（mm）
（mm）
（mm）
M-5

2.216

6.501

6.527

6.58

分析用

M-6

2.249

6.519

6.509

6.58

分析用

M-7

2.263

6.504

6.491

6.64

東北大学へ輸送

M-8

2.228

6.486

6.493

6.66

東北大学へ輸送

M-9

2.231

6.526

6.575

6.52

東北大学へ輸送

M-10

2.257

6.527

6.520

6.54

東北大学へ輸送

MD-1

2.179

6.646

6.643

6.41

九州大学へ輸送

MD-2

2.192

6.648

6.646

6.42

九州大学へ輸送

MD-3

2.208

6.676

6.680

6.33

九州大学へ輸送

MD-4

2.187

6.643

6.629

6.47

九州大学へ輸送表 3.3.2-5 MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリの XRD 定性結果
リファレンス
パターン
UO2
ZrO2
Fe

PDF カード No.

結晶構造

スコア

同定した相

01-071-6416
01-070-7361
01-081-8766

立方晶
正方晶
面心立方晶

87
29
23

UO2
（Zr,U）O2Fe(a) 表面外観

図 3.3.2-5(b) 断面外観

MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の外観例

3.3-8- 77 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.3.2-6 MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリの XRD パターン（上）、
バックグラウンド除去及び Kα2 分離後の XRD パターンとリファレンスパターン（中）、及びピークリスト（下）3.3-9- 78 -

JAEA-Review 2023-025(a) 観察倍率 100 倍(b) 観察倍率 1000 倍(c) 観察倍率 2500 倍

図 3.3.2-7 MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の表面 SEM 観察(a) 観察倍率 100 倍(b) 観察倍率 1000 倍(c) 観察倍率 5000 倍

図 3.3.2-8 MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の断面 SEM 観察
3.3-10- 79 -

JAEA-Review 2023-025

観察
面
観察
倍率

表面
1000 倍中心部（断面）
5000 倍1000 倍5000 倍

BSE 像

Si

Zr

U

Nd

Gd

Fe

図 3.3.2-9 MA 法にて混合した原料粉末から作製した模擬燃料デブリ試料の EDS 分析結果

3.3-11- 80 -

JAEA-Review 2023-025(2) 共沈法による模擬燃料デブリの作製に関する研究
燃料デブリの生成時の温度や酸素雰囲気の推定及び燃料デブリの物性評価のために必要な構造・組成情報を取得することを目的として、 模擬燃料デブリ中の Fe 原子の分布、（U, Zr）02
粒界層中の Fe クラスターの原子構造を球面収差補正透過電子顕微鏡（AC-TEM、ARM200F）によるナノスケールの分析顕微鏡法を用いて調べた。
東北大学で作製した、U、Zr、Fe 混合溶液を NFD で焼結した試料を NFD から輸送後、乳鉢で粉砕、ただちに表面の SEM 観察を実施した。図 3.3.2-10 に示すように表面には黒い島状のコントラスが観察された。これは添加した Fe 元素が（U, Zr）02 粒界に偏析したものと考えられる。
本研究では Fe 析出のメカニズムを深く理解するために、図 3.3.2-10（a）中の矢印箇所を加工して収束イオンビーム（以下、「FIB」と略す。）を用いた 3 次元 FIB-SEM 観察と AC-TEM 観察を行った。
図 3.3.2-11(a)には、3 次元 FIB-SEM 観察で判明した U-Zr-Fe-O 模擬燃料デブリ中の Fe 粒子の分布を示す。黒い領域が Fe ナノ粒子を示し、一部に Fe ナノ粒子の凝集が確認された。図3.3.2-11(b)、図 3.3.2-11(c)は、基準位置から Z 方向にそれぞれ 4 µm、26 µm の断層像(2 値化)である。模擬燃料デブリ内部にも 20 µm サイズの凝集体が形成していることが分かった。Fe
領域の体積分率は、20-30%程度のばらつきがあり、鉄粒子の比率高い領域では数十 µm の島状
Fe 領域が見つかった。この島状領域サイズは試料表面低倍率 SEM 像（図 3.3.2-10）で見つかった島状領域サイズと一致する。島状 Fe 領域が割れやすく、乳鉢での粉砕時にヘキ開し露出したと考えられる。
次に、マイクロサンプリング法で薄膜試料を作製し、STEM-EDS によるナノスケールの元素分
析（図 3.3.2-13）及び AC-TEM による原子スケールの構造解析を行った（図 3.3.2-13）。図 3.3.212 に EDX による組成分析を示す。特性 X 線分光を用いた元素分析によって、U 元素は(U, Zr)02
粒内で均一に分布している（結晶性が良い）こと、小さめの ZrO2 粒 が残っていること、Fe はバルク試料内部の粒状析出や表面板構造、鉄が酸化していないことが確認された。
図 3.3.2-13（a）には、図 3.3.2-12 の左上の赤い矢印で示す U-Zr-Fe-O 模擬燃料デブリ粒界の低倍率の AC-TEM 像を示す。図 3.3.2-13（b）には、原子分解能像を示す。図 3.3.2-13（c）には、U-Zr-Fe-O 模擬燃料デブリ表面の低倍率 AC-TEM 像及び回折図形を示す。AC-TEM 観察によって、0.27 nm の格子面間隔が確認された。これは(U, Zr）O2 多結晶粒中の主相として立方晶
UO2 相（格子定数 0.54 nm）の存在を証明する。その立方晶 UO2 相の粒界及び表面には Zr 偏析が無いことが確認された。したがって、U が固溶した正方晶（Zr,U）O2 相（立方晶 UO2 相モデル換
算の格子定数 0.49 nm 程度）は、図 3.3.2-12 中の緑色 Zr マップで示される富 Zr 相近傍に微結晶組織として存在すると考えられる。
また、Fe は立方晶 UO2 相のランダム粒界に純鉄（BCC, 立方晶）の結晶格子を有する 1 nm 程度のクラスターとして存在していることが判明した（図 3.3.2-13（a）中、黄色破線丸が Fe ク
ラスター）。

3.3-12- 81 -

JAEA-Review 2023-025(a) 低倍率画像(b) 拡大画像
図 3.3.2-10 U-Zr-Fe-O 試料のヘキ開面低倍率 SEM 観察

3.3-13- 82 -

JAEA-Review 2023-025(a) 3 次元試料概観と Slice 位置(b) Z=4µm(Slice No,200) Fe 粒子比率:19.9%(c) Z=26µm(Slice No,1300) Fe 粒子比率:29.1%
図 3.3.2-11 Fe 体積分率の 3 次元定量解析

3.3-14- 83 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.3.2-12 EDX による組成分析
(a)

(c)

(b)

図 3.3.2-13 U-Zr-Fe-O 試料の AC-TEM 観察像

3.3-15- 84 -

JAEA-Review 2023-025

3.3.3 まとめ
(1) 模擬燃料デブリの作製に関する研究（再委託先：NFD）① 共沈法による混合粉末を用いた模擬燃料デブリの作製
令和 3 年度に引き続き、Zr 及び Fe（Fe-57 を 50%濃縮させたもの）を含む重ウラン酸アン
モニウムの共沈粉末（U:Zr:Fe＝3:1:1）を圧縮成型後、焼結することにより模擬燃料デブリを作製した。焼結温度及び焼結時間は、前年度同様、1500 ℃及び 2 時間とした。焼結雰囲気
は、Ar＋1%H2（露点 27 ℃）とし、前年度の 100%H2（露点室温）から変更した。
本年度作製した試料では、数十 µm 以上の空隙が試料全体で確認された。密度は約 7.9 g/cm3
であり、令和 3 年度作製した試料と比較して約 13%低かった。空隙が生じた要因としては、焼結過程で一旦溶融した鉄酸化物が再度固化したこと及び試料内部にガスが発生したことなどが考えられる。
XRD 測定では、立方晶 UO2 及び正方晶 ZrO2 が同定されたが、Fe を含む相を同定することはできなかった。試料の XRD パターンとリファレンスパターンの比較から、立方晶 UO2 相は、Zr
及び Fe があまり固溶していない UO2、正方晶 ZrO2 相は、U が固溶した正方晶（Zr,U）O2 であることが示唆された。
SEM 観察及び EDS 分析結果から U リッチの母相、Zr リッチ及び Fe リッチの析出相が確認された。析出相は、試料中にほぼ均一に分布しており、顕著な組成の偏りは見られなかった。
Fe は、XRD 測定では検出できなかったが、EDS 分析においては、Fe が酸化物及び金属の析出物として存在していることが示唆された。作製した試料は、東北大学に提供した。
②MA 法による混合粉末を用いた模擬燃料デブリの作製
令和 3 年度に引き続き、MA 法により UO2、ZrO2、Fe3O4、Nd2O3、Gd2O3 及び SiO2 粉末を混合し、その混合粉末を圧縮成型後、焼結を行うことにより模擬燃料デブリを作製した。焼結温度は1350 ℃、焼結時間は 10 分、焼結雰囲気は Ar+5%H2 とした。外観上、顕著な欠陥等は確認されなかったが、2 方向の直径に有意差があり、焼結中にわずかに溶融して変形したものと推定された。
XRD 測定では、立方晶 UO2、正方晶 ZrO2 及び立方晶 Fe が同定されたが、Nd、Gd、Si に由来するピークを同定することはできなかった。試料の XRD パターンとリファレンスパターンの比較から、立方晶 UO2 相は、他元素があまり固溶していない UO2、正方晶 ZrO2 相は、U が固溶した正方晶(Zr,U)O2 であることが示唆された。Fe については、本来、室温で体心立方であることから、立方晶（面心）Fe の存在を確定するには TEM 電子線回折などの局所的な結晶構造解析手法を組
み合わせて評価することが必要である。
SEM 観察では、試料全体にわたって焼結が進んでいることが確認された。また、EDS 分析から、各元素がほぼ均一に分散していることが確認された。U 及び Zr については、Zr の溶け残りと思われる析出を除き一様に分布していることから、互いに固溶して（U,Zr）O2 あるいは（Zr,U）O2の形態で存在していると考えられた。Si と Gd は、分布が同様であることから、化学形態は不明
であるが化合物を形成して析出していると考えられた。また、Fe は、Fe を主成分とする析出物を形成し、Nd は、全体に固溶していることが示唆された。
作製した試料は、東北大学及び九州大学に提供した。
(2) 共沈法による模擬燃料デブリの作製に関する研究
本研究では、U-Zr-Fe-O 模擬燃料デブリに分析顕微鏡法を適用し、(U, Zr)O2 粒界近傍の Fe 原子の分布を詳細に調べた。また、3 次元 SEM-FIB 観察によって Fe 粒子の分布を調べた。その結果、模擬燃料デブリ内部に 20 µm サイズの Fe の凝集体が分布していることが分かった。

3.3-16- 85 -

JAEA-Review 2023-025

球面収差補正透過電子顕微鏡 (AC-TEM, ARM 200F)によって原子分解能で(U, Zr)O2 模擬燃料
デブリ表面・界面近傍の Fe 原子の構造解析を行った。その結果、
Fe はランダム粒界に純鉄（BCC、立法晶）の結晶格子を有する 1 nm 程度のクラスターとして存在していることが分かった。

3.3-17- 86 -

JAEA-Review 2023-025

3.4 ICP-MS/MS によるアクチノイド元素分析に係わる基礎データの取得（令和 2 年度～令和 4
年度）
3.4.1 令和 3 年度までの概要(1) ICP-MS/MS 装置整備
令和 2 年度には、連携ラボ（東北大学）に設置されている ICP-MS/MS（Agilent 8900）の整
備、運転を行った。特に整備したガス系（O2、CO2、N2O、NH3+He）を含めた ICP-MS/MS の操作の見直しを行い、取り扱いマニュアルを更新した。ICP-MS/MS で使用可能となった CRC ガスの一覧を表 3.4.1-1 に示し、セルガスの系統図を図 3.4.1-1 に示す。
表 3.4.1-1 CRC ガス一覧
ガスの種類

2 次圧[MPa]

最大流量[mL/min]

第 1 セルガス

H2

0.02-0.06

約 10

第 2 セルガス

He0.09-0.13

約 12

第 3 セルガス

He+10%NH3

0.02-0.06

約 10

第 4 セルガス

O2, N2O, CO2

0.02-0.06

約 1.5

図 3.4.1-1 セルガス系統図
令和 3 年度には、整備した ICP-MS/MS（Agilent 8900）を使用し、CRC ガス（O2、NH3+He、
N2O、CO2）を導入し、アクチノイド元素（Th、U、Np）を対象とした測定を行った。各リアク
ションガスを導入した際の Th、U、Np の生成イオン種を同定し、これらイオンの検量線の作成及び検出限界を明らかにした。これらのデータを連携ラボ（東北大学）の ICP-MS/MS の取り扱いマニュアルに付記し、参考データの拡充を行った。
(2) 干渉イオン除去に関するデータ収集（東北大学、再委託先：長岡技大）令和 2 年度には、連携ラボ（東北大学）に設置されている ICP-MS/MS を用い、希土類元素（Sc、Y、ランタノイド）及び Cs、Ba を対象とし、CRC に H2、He、O2 を導入した際の干渉除去
及びマスシフトに関する基礎データを収集した。CRC に H2 を導入した場合、試料イオン化時に生成される酸化物イオン（MO+）の除去に有効であることを確認した。He の導入では、酸化
3.4-1- 87 -

JAEA-Review 2023-025

物イオンや水酸化物イオン（MOH+）の除去に有効ではあるものの、その程度は大きくないことから、分離操作と組み合わせることが望ましいと結論付けた。O2 を導入した場合、Cs 及び Ba
は酸化物イオンをほとんど生成しない一方、ランタノイドでは酸化物イオンが支配的に確認された。この結果より、希土類元素の酸化物イオン生成に伴うマスシフトによる迅速分析の可能性が示唆された。
令和 3 年度には、連携ラボ（東北大学）に設置されている ICP-MS/MS を用い、CRC ガス（O2、NH3、N2O、CO2）流量変化に伴う 238U、237Np、232Th の生成イオン種の検出挙動を評価した。燃料
デブリ中には、表 3.4.1-2 に示すような多様な同重体干渉や、質量電荷比の隣接したピークの裾による干渉を考慮する必要がある。これらを分別するための条件を検討したところ、N2O
を 1.05 mL/min 程度の流量での導入することにより、U を UO2+とし、Np のみを NpO+とすることで、Np の選択的な検出が可能であることが示唆された。また、NH3+He を 3 mL/min の程度の流量での導入することにより、U のみを UN2H2+とすることで、U の選択的な検出が可能であることが示唆された。これらの結果より、U/Np 相互分別の可能性を見出した。
表 3.4.1-2 燃料デブリに含まれると予想されるアクチノイド核種
質量 /u
元素
233

234

235

236

237

238

239

240

241

242

243

244

245

246

U
Np
Pu
Am
Cm

・燃料デブリに含まれると予想される核種、青色・燃料デブリに含まれると予想され、かつ同重体干渉が予想される核種、赤色

3.4.2 令和 4 年度実施内容及び成果(1) ICP-MS/MS 装置整備
令和 4 年度は、連携ラボ（東北大学）に設置されている ICP-MS/MS を使用し、令和 2 年度までに整備した CRC ガス（O2、NH3+He、N2O、CO2）を導入し、アクチノイド元素（Pu、Am、Cm）を対象とした測定を行った。各リアクションガスを導入した際の Pu、Am、Cm の生成イオン種を同定し、ガス流量に対するこれらイオンの検出挙動を調査した。また、Am、Cm については各イオ
ン種の検量線の作成及び検出限界の評価を行った。これらの基礎特性データを付記することにより、連携ラボ（東北大学）の ICP-MS/MS 取り扱いマニュアルを更新した。以下詳細を示す。
① Pu、Am、Cm 生成イオン種の同定及び CRC ガス流量依存性の検討
244
Cm の娘各種として 240Pu を含む濃度既知の試料を希釈し、1.00×102 ng/L の 240Pu を含む 0.8
M 硝酸水溶液を調製した。241Am を 0.302 mol/L 含む試料（Eckert & Ziegler Isotope Products）
を希釈し、1.00×103 ng/L の 241Am を含む 0.8 M 硝酸水溶液を調製した。244Cm を 1.26 mol/L 含
む試料（Eckert & Ziegler Isotope Products）を希釈し、1.00×103 ng/L の 244Cm を含む 0.8
M 硝酸水溶液を調製した。調製した各試料に対し、ICP-MS/MS（Agilent 8900）測定を行った。
Pu 試料の測定では、CRC に CO2、N2O、NH3+He を導入し、Am 及び Cm 試料の測定では、CRC に CO2、
3.4-2
- 88 -

JAEA-Review 2023-025

N2O、NH3+He、O2 を導入した。CRC ガス流量は CO2、N2O、O2 を導入する際、いずれも 0、0.15、0.30、
0.45、0.60、0.75、0.90、1.05、1.20、1.35、1.50 mL/min とした。NH3+He を導入する際、He は
1 mL/min で固定し、NH3 流量は 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 mL/min とした。ICP-MS/MSの Q1 では、240Pu、241Am、244Cm の測定においてそれぞれ質量電荷比（m/z）240、241、244 以外のイオンを除去し、Q2 では 240Pu、241Am、244Cm の測定においてそれぞれ m/z=240～275、241～275、244～275 以外のイオンを除去した。ICP-MS/MS 測定条件の詳細を表 3.4.2-1 に示す。
表 3.4.2-1 ICP-MS/MS 測定における装置条件 (O2, CO2, N2O, NH3+He 導入時)
ICP

Lens

Q1

CRC

ParameterValue

RF パワー /W

1550

RF マッチング /V

1.70

サンプリング位置 /mm

8.0

キャリアガス /L/min

1.01

スプレーチャンバー温度 /℃

2

メークアップガス/L/min0.00

ネブライザポンプ

/rps

0.3

引き出し電極 1/V-5

引き出し電極 2 /V

-250

オメガバイアス /V-150

オメガレンズ /V

10

Q ポール 1 入射 /V-50

Q ポール 1 出射 /V0

セルフォーカス /V

0

セル入射 /V-50

セル出射 /V-60

偏向レンズ /V

5

プレートバイアス /V-60

Q ポール 1 バイアス /V

0

Q ポール 1 プレフィルタバイアス /V-10

Q ポール 1 ポストフィルタバイアス/V
オクタポールバイアス /V-10軸方向加速 /V180

オクタポール RF /V

-7

1.5

各 CRC ガスの導入により生成されたイオン種の検出効率を評価するため、全信号強度に対す
る各質量電荷比における信号強度の比率を評価した。CO2、N2O、O2 を 0.45 mL/min、NH3 を 3 mL/min（+He:1 mL/min）導入した系についてそれぞれ表 3.4.2-2、表 3.4.2-3、表 3.4.2-4 及び表 3.4.25 に示す。なお、ICP-MS/MS 測定における Agilent 8900 の測定可能な最大の質量電荷比は、
3.4-3- 89 -

JAEA-Review 2023-025

275 であり、これよりも大きい質量電荷比を持つイオン（例えば 244Cm16O2+:m/z=276）に関しては検出不可である。
表 3.4.2-2 CO2 0.45 mL/min 導入時の全信号強度に対する各質量電荷比における信号強度の比率 /%
product ion
PuAm
Cmmass shift
M=Pu、Am、Cm
+0

M+

35.0

84.4

3.0

+1

MH

+

<0.1

<0.1

<0.1

+12

MC+

<0.1

<0.1

n.d.

+16

+

MO

59.7

15.3

96.7

+17

MOH+

<0.1

+18

MOH2

0.2

<0.1
<0.1

<0.1

+

+28

MCO+

<0.1

<0.1

<0.1

+32

MO2

+

3.71

<0.1

+33

MO2H+

n.d.

<0.1

n.a.
n.a.

+34

MO2H2+

0.4

<0.1

n.a.

0.2

表 3.4.2-2 より、CO2 導入時には、単原子イオン（Pu+、Am+、Cm+）、単原子イオンから質量電荷比が+16 シフトした一酸化物イオン（PuO+、AmO+、CmO+）及び+32 シフトした二酸化物イオン（PuO2+、
AmO2+）が主なイオン種として検出された。その他には、単原子イオンから+18 又は+34 シフトした質量電荷比に信号を確認した。これらは、不純物として混入した H2O に起因した分子イオン(PuOH2+、CmOH2+、PuO2H2+)であると考えられる。なお、炭素や一酸化炭素の付加した分子イオン、と判断される質量電荷比に有意な信号は見られなかった。Pu、Am、（MC+、MCO+、M=Pu、Am、Cm）
Cm のいずれの場合も主として生成されるのは酸化物イオンであるが、その割合には明瞭な違いが確認され、マスシフトによる相互分別の可能性が示唆された。単原子イオンの割合の序列は、
Am+>Pu+>Cm+であり、Am+が最も反応性に乏しいことが確認された。

3.4-4- 90 -

JAEA-Review 2023-025

表 3.4.2-3 N2O 導入時の全検出強度に対する各質量電荷比における検出強度の比率 /%mass shift

product ion
M=Pu、Am、Cm

Pu

Am

Cm

+0

M+

1.4

22.2

0.3

+1

MH

+

<0.1

<0.1

<0.1

+14

MN+

6.7

0.3

3.8

+15

+

MNH

1.2

<0.1

<0.1

+16

MO+

81.1

75.5

95.6

+17

+

MOH

<0.1

<0.1

<0.1

+18

MOH2+

0.2

0.2

+28

MN2

+

<0.1

<0.1

0.2
<0.1

+30

MNO+

0.1

+31

MNOH+

0.7

<0.1
<0.1

<0.1

+32

MO2+

7.9

+33

MO2H

+

<0.1

1.7
<0.1

n.a.
n.a.

+34

MO2H2+

0.1

0.1

n.a.

<0.1

表 3.4.2-3 より、N2O 導入時には、単原子イオン（Pu+、Am+、Cm+）、単原子イオンから+14 マ
スシフトし、窒素の付加した分子イオン（PuN+、AmN+、CmN+）、+16 マスシフトした一酸化物イオン（PuO+、AmO+、CmO+）、+32 マスシフトした二酸化物イオン（PuO2+、AmO2+）が主なイオン種として検出された。その他には、単原子イオンから+15、+18、+31、+34 シフトした質量電荷比に信号を確認した。これらは、不純物として混入した H2O に起因した分子イオン（MNH+、MOH2+、MNOH+、
MO2H2+）であると考えられる。最も割合の大きいイオン種は Pu、Am、Cm のいずれの場合も一酸化物イオンであった。一方、単原子イオン、窒素の付加した分子イオン、二酸化物イオンの割合には明瞭な違いが確認された。単原子イオンの割合の序列は、Am+>Pu+>Cm+であり、CO2 と一致した。
表 3.4.2-4 O2 導入時の全検出強度に対する各質量電荷比における検出強度の比率 /%mass shift

product ion
M=Am、Cm

Am

Cm

+0

M+

0.1

<0.1

+16

+

MO

98.0

99.0

+17

MOH+

+18

MOH2

<0.1
0.2

<0.1

+

+32

MO2+

1.6

+33

MO2H

+

<0.1

n.a.
n.a.

+34

MO2H2+

<0.1

n.a.

0.2

表 3.4.2-4 より、O2 導入時には、単原子イオン（Am+、Cm+）及び二酸化物イオン（AmO2+）の割
合はいずれも小さく、単原子イオンから+16 マスシフトした一酸化物イオン（AmO+、CmO+）が支

3.4-5- 91 -

JAEA-Review 2023-025

配的に検出された。その他には、単原子イオンから+18 シフトした質量電荷比に信号を確認した。これらは、不純物として混入した H2O に起因した分子イオン（MOH2+）であると考えられる。
単原子イオンの割合の序列は、Am+>Cm+であり、CO2、N2O 系と一致した。

表 3.4.2-5 NH3 3 mL/min（+He:1 mL/min）導入時の全信号強度に対する各質量電荷比における信号強度の比率 /%product ion
mass shift
PuAmCm
M=Pu、Am、Cm
+0

M+

93.3

99.1

58.1

+1

+

MH

0.1

<0.1

0.2

+14

MN+

<0.1

<0.1

<0.1

+15

+

MNH

2.2

<0.1

29.8

+16

MNH2+

2.3

0.30

10.5

+17

MNH3

+

0.7

0.4

1.1

+18

MNH4+

<0.1

+28

MN2

<0.1

<0.1
<0.1

<0.1

+

+29

MN2H+

n.d.

<0.1

<0.1

+30

MN2H2

+

<0.1

n.d.

n.d.

+31

MN2H3+

<0.1

<0.1

<0.1

+32

MN2H4

+

0.2

<0.1

+33

MN2H5+

0.3

<0.1

n.a.
n.a.

+34

MN2H6

+

<0.1

+35

MN2H7+

0.2
<0.1

<0.1

n.d.

n.a.
n.a.

表 3.4.2-5 より、NH3+He 導入時には単原子イオン(Pu+、Am+、Cm+)、単原子イオンから+15 から+17 シフトした質量電荷比と、+32 から+34 シフトした質量電荷比に信号を確認した。これら
は NH3 との反応を考慮すると、それぞれ N1H1-3 の付加した分子イオン、N2H4-6 の付加した分子イオンの信号であると考えられる。傾向としては MNH+や MNH2+の割合が高く、Cm、Pu、Am の間で反応性に違いが確認された。単原子イオンの割合の序列は、Am+>Pu+>Cm+であり、CO2、N2O、O2 系と一致した。
CRC に導入したガス流量変化に伴う各イオンの信号強度を CO2、N2O、O2、NH3+He を導入した系についてそれぞれ図 3.4.2-1、図 3.4.2-2、図 3.4.2-3、図 3.4.2-4 に示す。

3.4-6
- 92 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.4.2-1 CO2 流量に対するアクチノイドイオン種の検出強度(a)Pu イオン種、（b）Am イオン種、（c）Cm イオン種
図 3.4.2-1 より、CO2 を導入した場合、Pu、Cm はいずれの流量においても一酸化物イオンの検出が支配的であった。一方、Am では Am+がいずれの流量においても支配的に検出され、Pu 及びCm との反応性の違いを確認した。
単原子イオンの信号強度変化に着目すると、Pu+は 0.30 mL/min
で最大値を示し、1.5 mL/min では 101 cps オーダー程度強度が低下した。Cm+は 0 mL/min で最大値を示し、1.5 mL/min では 104 cps オーダー強度が減少した。Am+は 0.45 mL/min で最大値を示し、1.5 mL/min では 101 cps オーダー強度が減少した。この結果は、特に、Am+と Cm+との間で反応性が明瞭に異なることを意味しており、例えば 242,243Am/242,243Cm が共存する条件において、CRC に CO2 を導入した ICP-MS/MS 測定を行うことにより、Cm+のみを CmO+とし、選択的に Am+を検出できることが示唆された。二酸化物イオンの検出挙動に着目すると、全検出強度に対する
PuO2+の割合は 0.60 mL/min の領域で 7.1%、同流量における AmO2+の割合は 0.2%であり、差異を確認した。令和 3 年度に取得した U イオン種に対する同様の検討において、0.75 mL/min における U+の信号強度は、全信号強度に対して 0.1%未満であった。一方、同流量における Pu+の信号強度は 28.5%であり、明瞭な差異を確認した。この結果から、U と Pu が共存する条件において、CO2 を導入することにより、U+のみを酸化物イオンとし、選択的に Pu+を検出できることが示唆された。

3.4-7- 93 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.4.2-2 N2O 流量に対するアクチノイドイオン種の検出強度(a)Pu イオン種（b）Am イオン種（c）Cm イオン種
図 3.4.2-2 より、N2O の導入により、Pu、Am、Cm はいずれの流量においても一酸化物イオンの検出が支配的であった。一方、単原子イオンの信号強度変化に着目すると、Am と Pu 及び Cm との間で差異が確認された。Pu+及び Cm+については、N2O 流量 0 mL/min から 0.75 mL/min へと流量が増加するのに伴い、信号強度が 103 cps オーダー強度が減少した。一方、同流量においてAm+は 100 cps オーダーの強度減少であった。このことから、例えば 242Pu、242Am、242Cm が共存する条件において、Pu+、Cm+を分子イオンとし、選択的に Am+を検出できることが示唆された。令和 3 年度に取得した U イオン種に対する同様の検討において、0.60 mL/min における UNO+の信号強度は、全信号強度に対して 20.5%であった。一方、同流量における PuNO+の信号強度は 0.1%未満であり、明瞭な違いを確認した。また、1.05 mL/min における UO+の信号強度は全信号強度に対して 0.1%であったのに対し、PuO+は 83.6%であった。これらの結果から、この結果から、Uと Pu が共存する条件において、N2O を導入することにより、選択的な UNO+や、PuO+の検出ができることが示唆された。

図 3.4.2-3 O2 流量に対するアクチノイドイオン種の検出強度（a）Am イオン種（b）Cm イオン種
3.4-8
- 94 -

JAEA-Review 2023-025

図 3.4.2-3 より、O2 の導入により、Am、Cm はいずれの流量においても一酸化物イオンの検出が支配的であった。単原子イオンの信号強度は、ガス流量の増加に伴い著しく減少し、Am+、Cm+のいずれにおいても 0～0.75 mL/min の間で 103 cps オーダーの強度減少を確認した。これらの単原子イオンの減少の程度は、CO2、N2O と比較して最も大きく、O2 はこれらのガスの中で最も単原子イオンとの反応性が高いことが明らかとなった。

図 3.4.2-4 NH3 流量に対するアクチノイドイオン種の検出強度(a)Pu イオン種（b）Am イオン種（c）Cm イオン種
図 3.4.2-4 より、NH3+He の導入時、いずれの流量においても、Pu+、Am+、Cm+が支配的に検出された。NH3 流量の増加に伴い、Cm+の強度は比較的大きく減少し、1～10 mL/min の間で 103 cps
オーダーの減少を確認した。3.0 mL/min の流量において、生成イオンとして CmNH+は 104 cps オーダーの比較的高い強度を示した一方、AmNH+は 101 cps オーダーと明瞭な差を確認した。この
反応性の違いを利用して、例えば 242,243Am/242,243Cm が共存する条件において、CRC に NH3+He を導入した ICP-MS/MS 測定を行うことにより、Cm+のマスシフトを利用した CmNH+の選択的な検出が期待される。令和 3 年度に取得した U イオン種に対する同様の検討において、NH3 流量 8 mL/min
における U+の信号強度は 100 cps/ppb オーダーであった。一方、同流量における Pu+の信号強度

3.4-9- 95 -

JAEA-Review 2023-025

は 103 cps/ppb オーダーであり、明瞭な違いを確認した。また、NH3 流量 4 mL/min における UN2H4+の信号強度は 103 cps/ppb オーダーであったのに対し、同流量における PuN2H4+の信号強度は 100
cps/ppb であり、明瞭な違いを確認した。これらの結果より、U と Pu が共存する条件において、
NH3+He を導入することにより、Pu+のみの選択的検出、及び UN2H4+の選択的検出が期待される。
以上 CRC にリアクションガス（O2、NH3+He、N2O、CO2）を導入し、アクチノイド元素（Pu、Am、Cm）を対象とした測定を行った。各リアクションガスを導入した際の Pu、Am、Cm の生成イオン種を同定し、ガス流量に対するこれらイオンの検出挙動を明らかにした。また令和 3 年度に検討した U の検討結果を踏まえ、核種分別が期待される条件を考察した。
これまでに実施した ICPMS/MS 測定結果に基づき、マスシフトを利用したアクチノイド核種分別の候補となるガス種と分析対象イオンを表 3.4.2-6 にまとめた。
表 3.4.2-6 ICP-MS/MS を用いたアクチノイド核種相互分別の候補ガス種と分析対象イオン
CRC ガス条件

分別対象

分析対象イオン

CO2

U/Pu
Np/Pu
Pu/Am
Am/Cm

Pu+
Pu+
PuO2+
Am+

N2O

U/Pu
U/Np
Np/Pu
Pu/Am
Am/Cm

UNO+, UO2+, PuO+
NpO+
NpNO+
Am+
Am+

NH3+He

U/Pu
U/Np
Am/Cm

UN2H4+, Pu+
UN2H4+CmNH+② Pu、Am、Cm イオン種の検量線の作成及び検出限界の評価
241
Am を 0.302 mol/L 含む試料（Eckert & Ziegler Isotope Products）を希釈し 10-3、5×10-3、
10-2、5×10-2、10-1、5×10-1、100、5×100、101、5×101、102、5×102、103 ng/L の 241Am を含む
0.8 M 硝酸水溶液を調製した。244Cm を 1.26 mol/L 含む試料（Eckert & Ziegler Isotope Products）
を希釈し、10-3、5×10-3、10-2、5×10-2、10-1、5×10-1、100、5×100、101、5×101、102、5×102、
103 ng/L の 244Cm を含む 0.8 M 硝酸水溶液を調製した。調製した各試料に対し、CRC に CO2、N2O、
NH3+He、O2 を導入し、ICP-MS/MS（Agilent 8900）測定を行った。CRC ガス流量は CO2、N2O、O2 を導入する際、いずれも 0.45 mL/min とした。NH3+He を導入する際、He は 1 mL/min で固定し、NH3 流量は 3 mL/min とした。ICP-MS/MS の Q1 では、241Am、244Cm の測定においてそれぞれ質量電荷比（m/z）241、244 以外のイオンを除去し、Q2 では、241Am、244Cm の測定においてそれぞれ
m/z=241～275、244～275 以外のイオンを除去した。
得られた試料濃度に対する各イオンの信号イオン強度をプロットし、最小二乗法により検量線を作成した。また、検量線の傾きをブランク試料（標準液調製に使用した 0.8 mol/L 硝酸水

3.4-10- 96 -

JAEA-Review 2023-025

溶液）における信号強度の 3 倍値で除することにより、検出限界を評価した。各イオンの検量
線パラメータ及び検出限界値を Am、Cm についてそれぞれ表 3.4.2-7、表 3.4.2-8 に示す。
表 3.4.2-7 各反応ガスを導入した際の Am イオン種の検量線パラメータ及び検出限界

Cell gas
No gas
O2

CO2

N2O

NH3

Q1

Q2

Analyte ion

R2

sensitivity

Intercept

LOD(a, cps/ppt)(b, cps)(3sblank/a, ppt)

241

+

Am

1.0000114.797

35.52

0.03

241

241

+

Am

0.9978

0.186

0.20

4×101

241

257

AmO+

1.0000175.356

36.23

0.02

241

273

AmO2+

0.9993

2.430

4.49

2

241

241

Am

+

1.0000181.444

12.15

0.02

241

257

AmO

+

0.999921.856

9.56

0.1

241

273

AmO2+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

241

241

Am+

0.999622.928

39.20

0.2

241

255

+

AmN

0.9983

0.332

2.18

1×10

241

257

AmO

+

0.999874.633125.20

0.04

241

259

AmOH2+

0.9987

0.148

1.76

3×10

241

271

AmNO+

0.9575

0.979

0.45

2×101

241

272

AmNOH

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

241

273

AmO2+

0.9999

1.658

2.93

0.8

241

274

AmO2H+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

241

275

AmO2H2+

0.9930

0.068

1.23

4×101

241

241

Am

+

1.0000181.041

38.53

0.02

241

255

AmN

+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

241

256

AmNH

+

0.9977

0.073

1.00

2×10

241

257

AmNH2+

0.9994

0.927

0.00

4

241

258

AmNH3

+

0.9987

0.985

0.00

2

241

271

AmN2H2+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

241

272

AmN2H3+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

241

273

AmN2H4+0.9281

0.014

0.63

2×102

241

274

AmN2H5+0.9933

0.111

0.00

2×10

241

275

AmN2H6+

0.9988

0.119

0.37

2×101

241

+

3.4-11- 97 -

1

1

1

1

JAEA-Review 2023-025

表 3.4.2-8 各反応ガスを導入した際の Cm イオン種の検量線パラメータ及び検出限界

sensitivity Intercept
LOD(a, cps/ppt) (b, cps) (3sblank/a, ppt)

Cell gas

Q1

Q2

Analyte ion

R2

No gas

244

244

Cm+

0.999777.750

73.30

0.02

O2

244

244

Cm+

0.9953

0.030

0.51

244

260

CmO+

0.9999110.751

14.76

9×101
0.02

244

244

+

Cm

0.9996

0.372

0.62

5

244

260

CmO

+

1.000012.649

3.65

0.2

244

261

CmOH

+

0.9427

0.342

4.26

3×10

244

244

Cm

+

0.9943

0.217

1.50

8

244

258

CmN

+

0.9996

3.165

8.12

0.6

244

260

CmO

+

0.999980.160120.60

0.02

244

262

CmOH2

+

0.9979

0.143

3.55

3×10

244

274

CmNO

+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

244

275

CmNOH

+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

244

244

Cm

0.9999

3.115

1.94

2

244

258

CmN+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

244

259

CmNH+

0.9996

1.683

1.09

2

244

260

CmNH2+

0.9998

0.440

0.00

5

244

261

CmNH3+

0.9428

0.034

4.26

2×102

244

274

CmN2H2+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

244

275

CmN2H3

+

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

CO2

N2O

NH3

+

2

1

表 3.4.2-7 及び表 3.4.2-8 より、検量線より評価した検出限界に着目すると、CO2 を導入した
場合、Am+は 0.02 ng/L であり、Cm+の検出限界値との間に 102 オーダーの違いを確認した。この結果より、Cm を含む試料において Am の微量分析を行う際、CO2 を導入し、Am+を分析対象とすることが有効であると考えられる。NH3+He を導入した場合、CmNH+の検出限界は 5 ng/L であり、AmNH+の検出限界値との間に 101 オーダーの違いを確認した。この結果より、Am を含む試料において Cm の微量分析を行う際、NH3+He を導入し、CmNH+を分析対象とすることが有効であると考えられる。O2 を導入した場合、AmO+、CmO+の検出限界値は 10-2 ng/L オーダーであり、微量分析に適していると考えられる。一方、分子イオン生成に伴って単原子イオンの検出強度が減少し、Am+及び Cm+の検出限界値は 101 ng/L と比較的高い値を示した。N2O を導入した場合、AmO+及びCmO+の検出限界値は 10-2 ng/L オーダーであり、Am+及び CmN+についても、10-1 ng/L オーダーであることから、これらのイオン種は微量分析に適していると考えられる。
以上より、連携ラボ（東北大学）に設置されている ICP-MS/MS を使用し、O2、NH3+He、N2O、CO2 を導入した、アクチノイド元素（Pu、Am、Cm）の基礎データを取得した。
3.4-12- 98 -

JAEA-Review 2023-025(2) 干渉イオン除去に関するデータ収集（東北大学、再委託先：長岡技大）令和 4 年度は、Am、Cm の分子イオン生成に着目し、Am と Cm が混合している状態での干渉除去の試験を実施し、同重体の存在比率が及ぼす精度への影響に関するデータを取得した。表3.4.2-6 に示す候補核種分別条件に基づき、CRC に導入するガスとして CO2 を選定し、検討を行った。以下にその詳細を示す。なお、ICP-MS/MS におけるマスシフト法では、化学結合に基づく
イオン-分子気相反応を利用することから、同位体効果を無視し、241Am 及び 244Cm を使用した検討を行った。
① Am、Cm 共存系における分子イオン生成の CRC ガス流量依存性
Am 及び Cm の混合試料に対して、ガス流量に対する生成イオンの検出強度を調査した。13.1
mol/L の硝酸水溶液（Ultrapure、関東化学）を超純水で希釈し、0.3 mol/L 硝酸水溶液を調製した。241Am を 0.302 mol/L 含む試料（Eckert & Ziegler Isotope Products）及び 244Cm を 1.26
mol/L 含む試料（Eckert & Ziegler Isotope Products）を混合後、0.3 mol/L 硝酸水溶液で希釈し、241Am、244Cm をそれぞれ 1 µg/L 含む 0.3 mol/L の硝酸水溶液を調製した。調製した試料に対し、CO2 を流量、0.18、0.38、0.57、0.75、0.93、1.1、1.3、1.5 mL/min で導入し、各流量で装置チューニング行った後に ICP-MS/MS 測定を行った。Q1 は質量電荷比 241（241Am+）又は 244（244Cm+）以外のイオンを除去し、Q2 では質量電荷比 241（241Am+）、257（241AmO+）、又は 244（244Cm+）、
244+
260（ CmO ）以外のイオンを除去した。CO2 ガス流量に対する各生成イオンの検出強度を図3.4.2-5 に示す。

図 3.4.2-5 CO2 流量に対する Am、Cm イオン種の検出強度、(a)Am+及び Cm+、(b)AmO+及び CmO+
図 3.4.2-5 に示す CO2 を導入した際の各イオンの検出挙動より、Am+と Cm+との間に明瞭な違いが確認された。Am+の信号強度は 0.38 mL/min の流量で最大値を示した。より高いガス流量では信号強度の減少が確認されるものの、1.5 mL/min の流量においても 103 cps オーダーの高い強度を保持した。一方、Cm+の信号強度は CO2 の導入に伴って著しく減少し、1.1 mL/min 以上の流量では 100 cps オーダーの強度であった。Am+と Cm+の間で最も信号強度に差異が確認された流量は 1.1 mL/min であった。AmO+と CmO+の検出挙動に着目すると、何れの分子イオンも 0.38 mL/min
3.4-13- 99 -

JAEA-Review 2023-025の流量において最大値を示し、より高い流量では緩やかに検出強度の減少が確認された。AmO+と CmO+の間で最も検出強度に差異が確認された流量は 0.38 mL/min であった。これらの結果は、単一元素 1 µg/L を含む試料に対する検討結果(図 3.4.2-1)と良い一致を示しており、Am 及びCm を 1 µg/L ずつ含む共存系とした場合においても、分子イオン生成に関する反応挙動に大きな影響がないことを確認した。
② Am、Cm の存在比率が及ぼす精度への影響
Am-Cm 共存系からの Am+の選択的検出、及び Am、Cm の存在比率が及ぼす精度への影響を確認するため、以下の検討を行った。241Am を 0.302 mol/L 含む試料（Eckert & Ziegler Isotope
Products）及び 244Cm を 1.26 mol/L 含む試料（Eckert & Ziegler Isotope Products）を混合
後、0.3 mol/L 硝酸水溶液で希釈した。ここで、241Am 濃度を 0.1 µg/L で固定し、この溶液に
244
Cm を 0.1、1、10 µg/L 含む混合溶液とした。さらに、244Cm 濃度を 0.1 µg/L で固定し、この溶液に 241Am を 1、10 µg/L 含む混合溶液とした。これらの試料について、CO2 流量を 0.38、0.75、
1.1 mL/min とした ICP-MS/MS 測定を行った。Q1 は質量電荷比 241（241Am+）又は 244（244Cm+）以、257（241AmO+）、又は 244（244Cm+）、260
外のイオンを除去し、Q2 では質量電荷比 241（241Am+）（244CmO+）以外のイオンを除去した。チューニングパラメータは上述の CO2 流量依存性の検討を行ったものと同じ条件とした。その詳細を表 3.4.2-9 に示す。
CO2 流量を 0.38 mL/min 導入した場合における Am+、Cm+、AmO+、CmO+の信号強度を表 3.4.2-10に、0.75、1.1 mL/min 導入した場合の結果をそれぞれ表 3.4.2-11、表 3.4.2-12 に示す。なお、
3 回の繰り返し測定における信号強度の標準偏差の 2 倍値をエラーバーとして与えた。表 3.4.210～表 3.4.2-12 より、Am+の信号強度は、0.38 mL/min が最も高い一方、Am+/Cm+の強度比は、
1.1 mL/min の CO2 流量の際に最も高い値を示した。0.38 mL/min から 1.1 mL/min の CO2 増加に伴って、Am+の検出強度の低下が確認されるものの、103 cps オーダーの信号強度が確認された。
この結果から、Am、Cm の共存する条件において、Am+を選択的に検出するためには、1.1 mL/minの流量が適していると考えられる。1.1 mL/min の流量において、試料中に含まれる Am と Cm の濃度比を 1:1、1:10、1:100 とした場合、1:10 の濃度までは Cm+の強度はバックグラウンドと同程度であり、選択的な Am+の検出が可能であることが示された。また、Cm の存在比に依らず Am+の強度はほぼ一定の値を示し、多量の Cm が存在することによる試料マトリクスの影響は確認されなかった。

3.4-14- 100 -

JAEA-Review 2023-025

表 3.4.2-9 Am-Cm 共存試料測定時の ICP-MS/MS 測定条件
CO2 流量 /mL・min-1

パラメータ
ICP

Lens

Q1

CRC

RF パワー /W

0.38
1550

0.75
1550

1.1
1550

RF マッチング /V

1.70

1.70

1.70

サンプリング位置 /mm

8.0

8.0

8.0

キャリアガス /L/min

1.05

1.05

1.05

スプレーチャンバー温度 /℃

2

2

2

メークアップガス/L/min

0.00

0.00

0.00

ネブライザポンプ

/rps

0.3

0.3

0.3

引き出し電極 1 /V

-4.0

-11.1

-11.1

引き出し電極 2 /V

-190.0-230.0-220.0

オメガバイアス /V

-150

-150

-150

オメガレンズ /V

14.0

13.0

12.0

Q ポール 1 入射 /V

-50

-50

-50.0

Q ポール 1 出射 /V

2.0

-2.0

2.0

セルフォーカス /V

3.0

3.0

3.0

セル入射 /V

-50

-50

-50

セル出射 /V

-60

-60

-60

偏向レンズ /V

6.4

5.6

4.6

プレートバイアス /V

-60

-60

-60

Q ポール 1 バイアス /V

0.0

0

1.0

Q ポール 1 プレフィルタバイアス /V

-9.5

-8.5

-6.5

Q ポール 1 ポストフィルタバイアス /V

-10.0

-10.0

-10.0

オクタポールバイアス /V

-3.0

-3.0

-3.0

軸方向加速 /V

1.5

1.5

1.5

オクタポール RF /V

180

130

130

エネルギーディスクリミネーション /V

-7.0

-7.0

-7.0

3.4-15- 101 -

JAEA-Review 2023-025

表 3.4.2-10
concentration /ppb
241

244

Am

Cm

0.38 mL/min CO2 導入時の An+、AnO+の信号強度(An= Am, Cm)
An+ intensity /cps
241

Am+

Cm+

AnO+ intensity /cps

244

241

AmO+

244

CmO+

0.106

0.09807335±90165±9799±361507±39

0.106

0.972

6978±681284±48767±3611978±386

0.106

9.92

6951±9710645±374

741±1599987±4966

0.979

0.098059438±385

56±36193±43515±179.92

0.0982579613±1422

43±258883±831

394±11

表 3.4.2-11 0.75 mL/min CO2 導入時の An+、AnO+の信号強度(An= Am, Cm)concentration /ppb
241

244

Am

Cm

An+ intensity /cps
241

Am+

Cm+

AnO+ intensity /cps

244

241

AmO+

244

CmO+

0.106

0.09803503±792±1

406±13621±21

0.106

0.972

3377±3216±4372±155223±188

0.106

9.92

3346±53167±11372±2344255±1493

0.979

0.098027782±41202923±71228±249.92

0.0982275462±4636

2±328518±661

204±25

表 3.4.2-12 1.1 mL/min CO2 導入時の An+、AnO+の信号強度(An= Am, Cm)concentration /ppb
241

Am

244

Cm

An+ intensity /cps
241

Am+

Cm+

AnO+ intensity /cps

244

241

AmO+

244

CmO+

0.106

0.09801320±34

1±2

135±7

166±27

0.106

0.972

1320±310.3±0.6146±81419±47

0.106

9.92

1300±454.7±1.2

141±1112067±264

0.979

0.098010744±1261±2

1066±26

63±4

9.92

0.0982

101880±534

0.3±0.6

10268±118

51±7

3.4-16- 102 -

JAEA-Review 2023-025

3.4.3 まとめ(1) ICP-MS/MS 装置整備
CRC ガス(O2、CO2、N2O、NH3+He)を導入し、アクチノイド元素(Pu、Am、Cm)を対象とした ICPMS/MS 測定を行った。各反応ガスを導入した際の Pu、Am、Cm の生成イオン種を同定し、CRC ガ
ス流量を変化させた際の各イオン種の検出挙動を評価した。また、Am 及び Cm については、検出される各イオン種の検量線を作成し、検出限界を評価した。これらのデータを連携ラボ（東北大学）の ICP-MS/MS の取り扱いマニュアルに付記し、参考データの拡充を行った。また、
これまでに得たアクチノイド基礎データ(U、Np、Pu、Am、Cm)に基づき、マスシフトを利用したアクチノイド核種分別の候補となるガス種と分析対象イオンをまとめた。
(2) 干渉イオン除去に関するデータ収集（再委託先：長岡技大）連携ラボ（東北大学）に設置されている ICP-MS/MS を用い、アクチノイド分子イオン生成に関して、核種が混合している状態での干渉除去の試験を実施するとともに、同重体の存在比率が及ぼす精度への影響に関するデータを収集した。
Am と Cm を含む混合試料を用いた ICPMS/MS 測定を行った結果、CO2 を反応ガスとして導入することで、Am+を選択的に検出できることを見出した。Am と Cm の存在比を変化させた際の精度への影響より、CO2 流量は 1.1 mL/min
が適切であると考えられる。

3.4-17- 103 -

JAEA-Review 2023-025

3.5 廃棄物処分における燃料デブリの安定性研究（再委託先：九州大学）
3.5.1 令和 3 年度までの実施内容及び成果（概要）① マイクロチャンネル流水浸出試験装置の整備
連携ラボ（東北大学）において試験を行うために装置の整備を行った。令和 2 年度までに、室温での試験を行うための装置群（シリンジポンプ 3 台、マイクロチャンネル部一式、フラク
ションコレクタ 3 台等）を設置し、既存材料を用いたテストを行い、装置の動作確認を行った。
流水試験装置の概略を図 3.5.1-1 に示す[3］。

dimension 2

200.16[mm3]

図 3.5.1-1 マイクロチャンネル流水試験装置概略図 [3]
. 3

1 -

② 模擬デブリ試料の浸出試験
CeO2 試料及び NFD にて作製された試料（NFD 試料 CeFeO2）をマイクロチャンネル装置に設置するための試料調整を行い、予備的な試験を実施し、試料調整法の有効性を確認した。純粋なCeO2 試料の浸出速度は、1 M NaCl 溶液に対し、静的試験では 5×10-14 g/mm2/h、マイクロチャン
ネル流水試験では 1.2×10-12 g/mm2/h であった。NFD で作製された試料は 1 M NaCl 溶液に対し、純 CeO2 に比べ初期には数千倍、最終的には数倍程度の浸出速度（6.5×10-12 g/mm2/h）を持つことを明らかにした（図 3.5.1-2）。

(a)Run 1、Run 2(b)Run 3、Run 4
図 3.5.1-2 マイクロチャンネル流水試験結果（NFD 試料 CeFeO2 1 M NaCl 溶液） [4]
3.5-1- 104 -

0210309

2021/03/23

JAEA-Review 2023-025

また、浸出試験前後の電子顕微鏡観察を行うことで、試料は主に 3 つの相（(Fe2O3/Fe3O4+CeO2、Ce3Fe2O9、(Ce0.9Fe0.1)O2）からなるが、相毎に大きな浸出挙動の違いは認められず、1 µm 程度の小さな粒から溶解していく様子が明らかになった（図 3.5.1-3）。このような観察は、マイクロチャンネル流水試験法独自のものである。マイクロチャンネル流水試験の初期の大きな浸出速
度は縁部分や微粒子の溶解によるものと考えられる。

(a)浸出試験前(b)浸出試験後（Run4 後）
図 3.5.1-3 マイクロチャンネル流水試験前後の試料観察結果 [5]
続けて、NFD 試料 CeFeO2 に対し、浸出溶液として、純水、pH4 溶液、pH9 溶液を用いた試験を実施した。最終的な浸出速度は、純水において 4x10-13 g/mm2/h（0.5 nm/y）、pH4 溶液において
-12
2
-13
2
、pH9 溶液において 1x10 g/mm /h（0.1 nm/y）以下であった。
1.5x10 g/mm /h（2 nm/y）
さらに、ウラン入り試料の分析を実施するため、予備的に UO2 試料（直径 6 mm、厚さ 0.8 mm）を用いた試験を実施した。浸出溶液として、1M NaCl 溶液を用いた結果、最終的な浸出速度はおよそ 1x10-10 g/mm2/h (90 nm/y)となった。NFD 試料 CeFeO2 に比べても大きな浸出速度を示したが、これは試料に空隙が多く、接液面積が大きいことが理由と考えられる。
3.5.2 令和 4 年度実施内容及び成果
3.5.2.1 (U1-x-y,Zrx, Fey)O2 及び模擬 MCCI 試料の観察
NFD にて作製された試料（（U1-x-y,Zrx, Fey）O2 及び模擬 MCCI 試料）をマイクロチャンネル流
水試験装置にセットして、種々の溶液に対する浸出試験を実施した。
（U1-x-y,Zrx, Fey）O2 試料の諸表を表 3.5.2-1 に示す。この試料は、UO2 粉末、ZrO2 粉末及び Fe3O4 粉末を硝酸で溶解したものを所定の原子比で混合し、共沈法により析出混合・脱硝した混合粉末を雰囲気管状炉にて1500 ℃の H2 中で、4 時間の焼結を行ったものである。焼結密度は 6.96〜9.94g/cm3、直径約 5.9mm、高さ約 2.5 mm であった。模擬 MCCI 試料は UO2、ZrO2、Fe3O4、Nd2O3、Gd2O3 及び SiO2 粉末をメカニカルアロイング装置により混合したものを、雰囲気管状炉にて 1350 ℃の 5%H2-Ar 中で、20 分の焼結を行ったものである。酸素を除く各元素の混合率は、U:65%、Zr:10%、Fe:10%、Nd:5%、
Gd:5%、Si:5%であった。
表 3.5.2-1 (U1-x-y,Zrx, Fey)O2 試料の諸表
試料記号

U:Zr=1:1

U:Zr=3:1

U:Zr=9:1

U:Zr:Fe=3:1:1

U:Zr=1:1

U:Zr=3:1

U:Zr=9:1

U:Zr:Fe=3:1:1

試料密度

g/cm3

6.96

8.34

9.94

8.33

空隙率

%

13±5

13±5

4±2

13±5

試料の原子比3.5-2- 105 -

JAEA-Review 2023-025

焼結体をエポキシ樹脂に封入し、浸出面を#1000、1200、1400、1600、1800、2000 のエメリー
紙で研磨した。この試料を電子顕微鏡及び SEM/EDS で観察した。
浸出面全体の約 100 点の EDS 分析結果を図 3.5.2-1 に、XRD 分析結果を図 3.5.2-2 に示す。
試料は、2 つの相（（U0.9,Zr0.1）O2、（U0.15,Zr0.85）O2）からなる。ウランの多い相は立方晶（c）、
ジルコニウムの多い相は正方晶(t)であった。なお、U:Zr=9:1 の試料は、（U0.9,Zr0.1）O2 単相であった。
U:Zr:Fe=3:1:1 試料については、鉄が（U,Zr）O2 相にほとんど固溶しないため、U:Zr=3:1 試料とほぼ同じである。

実験結果:試料詳細 U, Zr , Fe( O) 試

図 3.5.2-1 （U1-x-y,Zrx, Fey）O2 試料のエネルギー分散蛍光 X 線スペクトル分析結果&" ' " ('• 各試料で%のピークを確認• U:Zr=1:1試料では正方晶ジルコニアのピーク• U:Zr=3:1試料ではク強度の低下を確認

図 3.5.2-2 （U1-x-y,Zrx, Fey）O2 試料の X 線回折結果

XRD回析結果まとめ
3.5-3- 106 -

JAEA-Review 2023-025

3.5.2.2 （U1-x-y,Zrx, Fey）O2 試料のマイクロチャンネル流水試験
浸出溶液として、純水及び 1M NaCl 溶液を用いた。いずれの条件においても溶液送り量約 6µL/min（0.4 mL/h）、180 分間隔で 32 回サンプリングした。得られたサンプルを 0.2 N 硝酸溶
液で約 10 倍に希釈し、ICP-MS（Agilent7900）を用いて溶液中の U、Zr、Fe 濃度を分析した。
しかし、Zr、Fe やその他の元素については、分析限界以下の濃度であった。このことから、主要な溶解相は（U0.9,Zr0.1）O2 相と考えられる。
純水に対する結果を図 3.5.2-3 に示す。試験初期には大きな浸出速度を示すので、一度 48 時間通水した後の結果のみ図示している。なお、それぞれの試料中のウランの割合（（U0.9,Zr0.1）
O2 相）が異なるので、それぞれの浸出速度を下の式のようにウランの割合で除して規格化した
浸出速度を縦軸に示している。
𝑅𝑅𝑖𝑖 = 𝐶𝐶𝑖𝑖
𝑁𝑁𝑁𝑁𝑖𝑖 =

𝑉𝑉 1
𝑆𝑆 𝑡𝑡

𝑅𝑅𝑖𝑖
⁄
U の割合

(3.5.2-1)(3.5.2-2)

ここで、Ri は成分 𝑖𝑖 の浸出速度、Ci は浸出液中の成分 𝑖𝑖 濃度、V は分析浸出溶液量、S は試料の接液面積、t は試料と浸出溶液の接触時間、𝑁𝑁𝑁𝑁𝑖𝑖 は規格化浸出速度である。規格化浸出速度（g/mm2/h）は、Zr 割合が高いほど小さく、U:Zr=1:1 試料で（4.0±0.5）x10-11、U:Zr=3:1 試料
で（13±0.5）x10-11、U:Zr=9:1 試料で（9.2±0.5）x10-11、U:Zr:Fe=3:1:1 試料で（15±0.5）x1011となった。なお、U:Zr=9:1 試料の規格化浸出速度は、U:Zr=3:1 試料よりも小さいが、これはU:Zr=9:1 試料の空隙率（4%）が他の試料の空隙率（13%）に比べ小さいためと考えられる。

図 3.5.2-3 マイクロチャンネル流水試験結果（（U1-x-y,Zrx, Fey）O2 純水）

3.5-4- 107 -

JAEA-Review 2023-025

1 M NaCl 溶液に対する結果を図 3.5.2-4 に示す。いずれの試料でも、純水の結果よりも小さな規格化浸出速度（2-4 x10-11 g/mm2/h）を示した。これは、ウランが塩化物イオン又はナトリ
ウムイオンと何らかの錯体を作り表面に被膜ができたためと考えられる。

図 3.5.2-4 マイクロチャンネル流水試験結果（(U1-x-y,Zrx, Fey)O2

3.5-5- 108 -

1M NaCl 溶液）

JAEA-Review 2023-025

3.5.2.3 (U1-x-y,Zrx, Fey)O2 試料の観察
マイクロチャンネル流水試験前後の SEM 観察結果の例（U:Zr=9:1 試料）を図 3.5.2-5 に示す。微粒子（1 µm 以下）と境界部分の溶解が確認された。

実験結果:流水試験後での固相分析
流水方向

試験前

試料表面観察結果
U:Zr=9:1試料

試験後

実験結果:流水試験後での固相分析

試料表面観察結果(a) 試験前後で微粒子（1 µm 以下）の溶解を確認• 試験前後で微粒子(1µm以下)の溶解を確認
流水方向
13

試験前

試験後

試料表面観察結果
U:Zr=9:1試料

試料表面観察結果(b) 試験前後で境界部分の溶解を確認• 試験前後で境界部分の溶解を確認
図 3.5.2-5マイクロチャンネル流水試験前後の試料 SEM 写真（U:Zr=9:1）
14

3.5.2.4 模擬 MCCI 試料のマイクロチャンネル流水試験
浸出溶液として、純水及び 1 M NaCl 溶液を用いた。溶液送り量約 6 µL/min (0.4 mL/h)、
180 分間隔で 32 回サンプリングした。得られたサンプルを 0.2 N 硝酸溶液で約 10 倍に希釈し、
ICP-MS（Agilent7900）を用いて溶液中の U 濃度を分析した。純水及び 1 M NaCl 溶液に対する結果を図 3.5.2-6 に示す。試験初期には大きな浸出速度を示すので、一度 48 時間通水した後の結果のみ図示している。なお、比較のため浸出速度を 3.5.2.2 で示した式のようにウランの割合で除して規格化した浸出速度を縦軸に示している。純水に対しては(U1-x-y,Zrx, Fey)O2 試料よ3.5-6- 109 -

JAEA-Review 2023-025

りも大きな規格化浸出速度を持つが、これは空隙が多いためと考えられる。1 M NaCl 溶液に対しては、（U1-x-y,Zrx, Fey）O2 試料よりやや大きいが同様な規格化浸出速度となっている。

図 3.5.2-6 マイクロチャンネル流水試験結果（模擬 MCCI 試料）

3.5.3 まとめ海水及び淡水に長期間浸漬されていたデブリの変質についての情報を得るため、連携ラボ（九州大学及び東北大学）において模擬デブリ（ウラン含有及び非含有）の浸出試験を行った。
NFD により作製された（U1-x-y,Zrx, Fey）O2 試料及び模擬 MCCI 試料をマイクロチャンネル流水試験装置で試験した。U:Zr=9:1 の試料以外は複数の相からなっており、主に 2 つの相（U0.15,Zr0.85）O2）からなる。
（（U0.9,Zr0.1）O2、マイクロチャンネル流水試験の結果、純水に対しては、ウランの割合で規格化した規格化浸出速度（g/mm2/h）は Zr 割合が高いほど小さく、U:Zr=1:1 試料で（4.0±0.5）x10-11、U:Zr=3:1
試料で（13±0.5）x10-11、U:Zr=9:1 試料で（9.2±0.5）x10-11、U:Zr:Fe=3:1:1 試料で（15±0.5）
x10-11、模擬 MCCI 試料で（20±0.5）x10-11 となった。なお、U:Zr=9:1 試料の規格化浸出速度は、
U:Zr=3:1 試料よりも小さいが、これは U:Zr=9:1 試料の空隙率（4%）が他の試料の空隙率（13%）に比べ小さいためと考えられる。模擬 MCCI 試料は空隙が多く、他の試料よりもやや大きな浸出速度を示す。一方、1M NaCl に対しては、いずれの試料でも浸出速度が純水に対してよりも。これは、ウランが塩化物イオン又はナトリウムイオンと小さくなった（2-5 x10-11 g/mm2/h）
何らかの錯体を作り表面に被膜ができたためと考えられる。電子顕微鏡による流水試験前後の観察の結果、1µm 以下の微粒子と境界部分から溶解していることが確認された。
なお、令和元年度から実施している CeO2 試料を用いた静的浸出試験（0.1 N 硝酸及び 1 M
NaCl 溶液）を継続実施している。次回 1600 日を超えた時期にサンプリング分析を実施する。

3.5-7- 110 -

JAEA-Review 2023-025

3.6 人材育成
本研究では、1F 廃止措置の合理化・効率化といった重要課題解決に向けた将来のリーダーとなる研究者の育成を目指し、最新の分析技術を OJT として、研究を通して学ぶことに重点を置いている。令和 4 年度は、令和 3 年度より継続してクロスアポイントメント（以下、「クロアポ」と略す。
）教員 1 名の受け入れと、博士後期課程学生 2 名の JAEA 特別研究生としての受け入れを行った。また、本研究で令和 3 年度に受け入れた JAEA 博士研究員 1 名は、令和 4 年 4 月より
１F 廃止措置に係る JAEA 研究系職員となり、キャリアパスの実績を作った。なお、同職員は継続して本研究に参画した。以下に人材育成に関する実施内容及びその成果の詳細を示す。
（1）連携ラボを用いた活動状況について① クロスアポイントメントの活動
令和 3 年 4 月から継続して受け入れ、10 回/月程度の頻度で JAEA に来所、もしくは JAEA 若手従事者が東北大学の連携ラボを訪問した。コロナ禍につき Web 会議も多用して活動を実施
した。
ICP-MS/MS 研究におけるアクチノイド元素の測定手法等の課題を中心に指導し、JAEA 若手
研究者の研究推進、論文作成等、研究活動の活性化を行った。
JAEA の研究者と研究推進の方針を協議した。
② 特別研究生の活動
博士課程学生 2 名を継続して受け入れ、JAEA の FMF・連携ラボ専用居室に駐在（10 日/月
程度）しつつ、東北大学の連携ラボにおいても試験を実施した。
1 名は燃料デブリの溶解特性評価研究におけるアルカリ融解試験を担当した。
他 1 名は ICPMS/MS による分析の前処理工程に係るアクチノイド核種分離試験を担当した。
アルカリ融解試験については JAEA 研究員とともにウランを含むホット試料を用いた OJT を実施した。
分離試験については、RI（Radio Isotope）ラベルの試料を使用し、クロアポ教員による技術指導（特に放射性同位元素を用いた試験手法）のもと、東北大学の連携ラボで実施した。
これら核燃料や RI 試料を使用した研究を通して、適切なホット試料取扱技術を習得できた。
(2) 連携ラボの状況（成果）① JAEA-大学の連携ラボの効果
クロアポ、大学教員、NFD 職員、JAEA 研究員、特別研究生等が参加した連携ラボでの研究
打合せを経て、個々の研究の促進のみならず、プロジェクト全体として一連の燃料デブリ分
析技術開発を促進した。また、連携ラボでの会議を月一回の頻度で定期的に開催することにより、JAEA や 1F 廃炉研究に興味を持つ学生が出てきた。また、令和 4 年度は、JAEA の照射
燃料試験施設において、照射済燃料を含む核燃料を用いる実験を実施し、JAEA 若手職員及び特別研究生は見学者として立ち会った。このような JAEA のホット施設における核燃料の取扱
い等に関する知識は、大学では会得することが難しい情報であり、特別研究生にとって貴重な機会となった。
JAEA の交付金事業、文部科学省の補助事業、経済産業省の補助事業など、燃料デブリの分析に関する類似の研究、関連する研究について情報共有を行った。また、JAEA 内の燃料デブリ研究者、実務者で構成されている「燃料デブリの分析・評価に係る作業部会」に参加し、本研究に関する検討内容について、情報発信を行った。これらの予算や機関の枠を超えた情
3.6-1- 111 -

JAEA-Review 2023-025

報共有については、本英知事業の関係者に加え、大学の学生や JAEA の若手職員の参加（教育）の機会を提供することにもつながった。
令和 5 年度には、これら情報共有の機会をさらに増やすことを予定している。本研究の検討結果は、廃炉汚染水対策事業など国のプロジェクトの基盤技術を支える成果として反映される予定である。これらの活動を通じて、実務成果に加え、JAEA 内で廃炉汚染水対策事業関係者や基礎基盤研究に携わる若手研究者が行っているワークショップに参加し、研究推進と実用化に向けた進め方の議論を行い、研究者間のネットワーク化を図るなどの育成を予定している。
② 大学間の連携ラボの効果
本研究に従事する各連携機関の学生や教員が東北大学の連携ラボを頻繁に活用し、大学間での連携促進を図ることができた。また、連携ラボ及び web 会議を利用し、東北大学、長岡
技大、九州大学、JAEA、NFD の間での ICP-MS などの分析技術やアクチニドの化学特性に関する勉強会を実施し、最新の研究情報や分析ノウハウ等の共有と意見交換を行った。これにより、燃料デブリや廃棄物等の分析に必要な知識を習得できた。
③ クロアポの効果
小無教員がクロスアポイントメント教員として JAEA 側の研究に参画し、アクチノイドに関する専門的な知見や試験準備へのアドバイスなどを行うことで、特別研究生及び JAEA 若手研
究者の研究推進、論文作成等の研究活動の活性化につながっている。
④

研究者の人材育成（キャリアパスの構築、ネットワーク構築）
令和 3 年度に受け入れた JAEA 博士研究員は、令和 4 年度より 1F 廃止措置に係る JAEA の研究系職員となり、キャリアパスの実績を作った。また、特別研究生による JAEA 大洗研究所の原子力現場での体験を通じて、原子力や廃炉研究への興味が示されつつある。今後は、特別研究生⇒博士研究員⇒JAEA や廃炉関連企業への就職といったキャリアパスの形成につなげていくことを目指す。また、専門知識と経験を兼ね備えた優秀な研究人材を輩出するため、大学、JAEA（CLADS/大洗研究所）、メーカー（NFD）と研究ネットワークを構築しているが、今後、JAEA 内の研究者との交流を軸として、東電や IRID 等を加えたネットワークの拡大についても検討している。

3.6-2- 112 -

JAEA-Review 2023-025

3.7 研究推進
本研究を推進するにあたり研究代表者の下で各研究項目間ならびに CLADS 等との連携を密にして研究を進めた。担当者間の情報交換と進捗の調整や、1F 廃止措置に係る他事業の情報の共有を目的とし、下記の通り再委託先と進捗と実施計画について打ち合わせを行った。
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議
定期情報共有会議

令和 4 年 4 月 22 日 JAEA, FMF 連携ラボ室
令和 4 年 5 月 20 日 JAEA, FMF 連携ラボ室
令和 4 年 6 月 20 日 JAEA, FMF 連携ラボ室
令和 4 年 7 月 22 日 JAEA, FMF 連携ラボ室
令和 4 年 8 月 19 日 JAEA, FMF 連携ラボ室
令和 4 年 9 月 22 日 JAEA, FMF 連携ラボ室
令和 4 年 10 月 20 日 JAEA, FMF 連携ラボ室
令和 4 年 11 月 28 日 JAEA, FMF 連携ラボ室
令和 4 年 12 月 28 日 JAEA, FMF 連携ラボ室, Ｗeb 会議併用
令和 5 年 1 月 19 日 JAEA, FMF 連携ラボ室, Ｗeb 会議併用
令和 5 年 2 月 16 日 JAEA, FMF 連携ラボ室, Ｗeb 会議併用
令和 5 年 3 月 31 日 JAEA, FMF 連携ラボ室

研究全体の成果を分かりやすく説明するため、日本原子力学会 2022 年秋の大会（茨城大学日立キャンパス）にて 8 件のシリーズ発表を行った。
燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発（9）概要及び模擬デブリ作製（10）メスバウアー分光ならびに X 線回折を用いた模擬デブリの評価（11）球面収差補正透過電子顕微鏡を用いた模擬デブリ粒界偏析の評価（12）燃料デブリ中のアクチノイド分析のための溶解と分離フローシートの検討（13）アルカリ融解法を用いたウランとジルコニウムの混合比の異なる模擬デブリの酸溶解特性（14）Uranium recovery from simulated debris solution by using TBP resin（15）ICP-MS/MS による Am/Cm 相互分別
（16）廃棄物処分における燃料デブリの安定性研究-(Fe, Ce)Ox 及びウラン酸化物試料の溶解
挙動

3-7- 113 -

JAEA-Review 2023-025

4. 結言
4.1 模擬燃料デブリの溶解特性評価
4.1.1 設備整備
照射燃料集合体試験施設の核燃料変更許可申請許可取得、JAEA 大洗研究所の核燃料物質使用
施設保安規定変更認可申請及びその許可取得を完了した。また、試料調製用 GB の使用前確認申請を行い、検査に合格した。以上で本研究における核燃料物質の取り扱いに関する設備整備を完了とし、令和 5 年度は照射済み燃料等のホット試料を用いた試験を実施する。
4.1.2 溶解試験（連携先：JAEA）
コールド模擬物質、焼結条件の異なる（U,Zr）O2 系模擬燃料デブリ、MCCI 模擬燃料デブリに対してアルカリ融解試験を実施した。模擬物質に対して質量比 10 倍の Na2O2 を使用し、雰囲気制御なしの電気炉で 650 ℃、1 時間の加熱を行うという条件において、上記試料のいずれもほぼ完全に溶解可能であることを確認した。多様な性状の試料に対して適用できることから、本条件をアルカリ融解の暫定的な最適条件として提案する。令和 5 年度は、異なる性状の MCCI 模
擬燃料デブリや照射済み燃料等に対して本アルカリ融解条件を適用し、その妥当性を検証する。
4.1.3 熱化学転換法の研究（再委託先：長岡技大）
デブリ熱化学転換試験として、模擬燃料デブリを用いた酸化・還元による粉体化と塩素化による塩化物転換の溶解における最適化に関するデータを収集し、酸化ウランとジルコニウムの比率によらず、熱化学転換法でほぼ溶解できることを確認した。
昨年度までに得られた結果と今年度の結果から、粉体化ではプラズマ酸化を用いることを提案し、その酸化物は次のプロセスを考慮すると硝酸で溶解することを提案する。熱化学転換を用いて易溶性物質に化学転換して溶解する方法は、アルカリ融解を用いた方法の代替的手段として提案している。
4.2 燃料デブリの主要分離・分析プロセスの確立
4.2.1 ICP-MS/MS 測定（連携先：JAEA）
アルカリ融解後の溶液試料に対して ICP-MS/MS 測定を実施し、Ce、Nd、Gd 等のランタノイド
元素を定量した。各元素の溶解率は、質量評価より評価した溶解率の値と良い一致を示し、絶対検量線法による核種定量が有効であることを確認した。Gd 及び Eu の共存する試料溶液に対して O2 及び N2O を導入した ICP-MS/MS 測定を実施し、Gd/Eu の相互分別性能を評価した。O2 の導入による Eu+の選択的検出、N2O の導入による GdN+の選択的検出が可能であることを見出した。
Nd、Sm、TRU 核種を含む照射済み燃料溶解液等を使用した模擬燃料デブリ溶解液に対して TBP
樹脂及び TRU 樹脂を用いた系統的分離試験を行い、ICP-MS 測定により溶離挙動を確認した。その結果、TBP 樹脂による U、Pu の選択的回収及びその相互分離が可能であることが示唆され、TRU 樹脂による Am、Cm、ランタノイド元素の一括分離が可能であることを確認した。令和 5 年
度は、これらの化学分離プロセスに ICP-MS/MS での同重体除去を組み合わせることにより、合理的な燃料デブリ分析フローを提案する。
4.2.2 前処理分離技術に関する研究（東北大学、再委託先：長岡技大）
ICP-MS/MS 測定の前処理分離試験として、デブリに含まれる元素を考慮し希土類元素やアクチノイド元素を対象とした核種分離に係る吸着体と分離条件の改良及び最適化に係るデータを

4-1- 114 -

JAEA-Review 2023-025

収集した。その結果、TBP 含浸吸着剤、TODGA 含浸吸着剤を用いてアクチノイドの U、Pu、Am、
Cm を相互に分離可能な条件を見出しており、本法により、アクチノイドの相互分離が可能である。今後、より実際に近い資料を用いた分離試験を行い、ICP-MS/MS での同重体除去と組み合わせてより精度・確度の高い精密分離法として、成り立つことを実証したい。
4.3 模擬燃料デブリの作製
4.3.1 模擬燃料デブリの作製に関する研究（再委託先：NFD）
Zr 及び Fe（Fe-57 を 50%濃縮させたもの）を含む重ウラン酸アンモニウムの共沈粉末（U:Zr:Fe＝3:1:1）を圧縮成型し、酸化雰囲気で焼結することにより U-Zr-Fe 系模擬燃料デブリを作製した。また、MA 法により混合した UO2、ZrO2、Fe3O4、Nd2O3、Gd2O3 及び SiO2 粉末を圧縮成型し、焼結を行うことにより模擬燃料デブリを作製した。いずれの試料においても成分元素に応じた析
出相が確認されたが、顕著な組成の偏りは見られなかった。作製した試料は東北大学及び九州大学に提供した。
4.3.2 共沈法による模擬燃料デブリの作製に関する研究
U-Zr-Fe-O 模擬燃料デブリに分析顕微鏡法を適用し、（U,Zr）O2 粒界近傍の Fe 原子の分布を詳細に調べた。また、3 次元 SEM-FIB 観察によって Fe 粒子の分布を調べた。その結果、模擬燃
料デブリ内部に 20 µm サイズの Fe の凝集体が分布していることが分かった。 球面収差補正透過電子顕微鏡（AC-TEM, ARM 200F）によって原子分解能で（U,Zr）O2 模擬燃料デブリ表面・界面近傍の Fe 原子の構造解析を行った。その結果、Fe はランダム粒界に純鉄（BCC, 立法晶）の結晶格子を有する 1 nm 程度のクラスターとして存在していることが分かった。
4.4 ICP-MS/MS によるアクチノイド元素分析に係わる基礎データの取得
4.4.1 ICP-MS/MS 装置整備
CRC ガス（O2、CO2、N2O、NH3+He）を導入し、アクチノイド元素（Pu、Am、Cm）を対象とした
ICP-MS/MS 測定を行った。各反応ガスを導入した際の Pu、Am、Cm の生成イオン種を同定し、CRC
ガス流量を変化させた際の各イオン種の検出挙動を評価した。また、Am 及び Cm については、検出される各イオン種の検量線を作成し、検出限界を評価した。これらのデータを連携ラボ（東北大学）の ICP-MS/MS の取り扱いマニュアルに付記し、参考データの拡充を行った。令和 5 年
度は Pu の定量性に係るデータ取得等を行い、U、Np、Pu、Am、Cm アクチノイド基礎データ取得を完了する。
4.4.2 干渉イオン除去に関するデータ収集（再委託先：長岡技大）連携ラボ（東北大学）に設置されている ICP-MS/MS を用い、アクチノイド分子イオン生成に関して、核種が混合している状態での干渉除去の試験を実施し、同重体の存在比率が及ぼす精度への影響に関するデータを収集した。Am と Cm を含む混合試料を用いた ICP-MS/MS 測定を行った結果、CO2 を反応ガスとして導入することで、Am+を選択的に検出できることを見出した。Am
と Cm の存在比を変化させた際の精度への影響より、Am+の分析には CO2 流量は 1.1 mL/min が適切であると考えられる。令和 5 年度は、U/Pu や他のアクチノイド同重体干渉除去に着目した同様の検討や、燃料デブリの溶解法や核種分離法を考慮した ICP-MS/MS 測定を行い、分析スキー
ムを完成させる。

4-2- 115 -

JAEA-Review 2023-025

4.5 廃棄物処分における燃料デブリの安定性研究（再委託先：九州大学）
4.5.1 模擬デブリ試料の浸出試験
昨年度に引き続き NFD で作製された試料（（Ce,Fe）O2）を加工し、マイクロチャンネル流水試
験を実施した。
令和 4 年度は純水、pH9、pH4 の溶液での試験を実施し、それぞれ 4 x 10-13 g/mm2/h、-13
2（0.5 nm/y）、1 x 10 g/mm /h（0.1 nm/y）以下、1.5 x 10-12 g/mm2/h（2 nm/y）となり、pHが低いほど浸出速度は大きくなった。しかし、いずれも 1 M NaCl 溶液よりも低い速度であった。
ウラン含有試料の試験の実施に向け予備的試験を実施した。UO2 試料を用いマイクロチャンネ
ル流水試験を実施した。1 M NaCl 溶液での試験では、1 x 10-10 g/mm2/h (90 nm/y)の浸出速度が得られた。
4.6 人材育成
令和 3 年度より継続してクロアポ教員 1 名の受け入れと、博士後期課程学生 2 名の JAEA 特別研究生としての受け入れを行った。また、本研究で令和 3 年度に受け入れた JAEA 博士研究員 1
名は、令和 4 年 4 月より 1F 廃止措置に係る JAEA 研究系職員となり、キャリアパスの実績を作った。今後は、特別研究生⇒博士研究員⇒JAEA や廃炉関連企業への就職といったキャリアパス
の形成につなげていくことを目指す。

4-3- 116 -

JAEA-Review 2023-025

参考文献
[1]

西原健司, 岩元大樹, 須山賢也, 福島第一原子力発電所の燃料組成評価, JAEA-Data/Code2012-018, 2012, 190p.

[2] 奥村啓介他, 東京電力福島第一原子力発電所の全炉心 3 次元核種インベントリ計算, 1:背景と目的, 日本原子力学会 2021 年春の年会, 3B01, 3B02, 2021.
[3] 日本原子力研究開発機構, 東北大学, 燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発（委託研究）：令和元年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業,JAEA-Review 2020064, 2021, 95p.
[4] 日本原子力研究開発機構, 東北大学, 燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発（委託研究）;令和 2 年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業,JAEA-Review 2021056, 2022, 98p.
[5] 日本原子力研究開発機構, 東北大学, 燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発（委託研究）;令和 3 年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業,JAEA-Review 2022034, 2023, 135p.

5-1- 117 -

This is a blank page.