JAEA-Review
2023-040
DOI:10.11484/jaea-review-2023-040

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（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－

Improvement of Aerosol Time-of-flight Mass Spectrometer for On-line Measurementof Tiny Particles Containing Alpha Emitters(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

大阪大学
Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science,
Fukushima Research Institute, Sector of Fukushima Research and Development
Osaka University

May 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

研究開発推進部

科学技術情報課

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 Library, Institutional Repository and INIS Section,
Research and Development Promotion Department, 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 2023-040

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（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
大阪大学（2023 年 11 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 3 年度に採択された研究課題のうち、「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」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。
本研究は、燃料デブリ取り出しの際に発生するウランやプルトニウムを含むアルファ微粒子のリアルタイムモニタリングに向け、単一微粒子質量分析法の高度化を目的とする。令和 4 年度において、改良型 ATOFMS の試作装置を製作し、粒子検出部の捕集効率、検出効率の測定、TOF スペ
クトル測定を実施した。捕集効率が約 85 %、検出効率が約 60 %、粒子検出効率は約 6%と見積もられた。レーザー光のビームプロファイルが均質となるように光学系を構築すれば、より高い効率で微粒子を検出することができると考えられる。肥大化濃縮法では、濃縮部ならびに肥大化の試験を行い、微粒子を高効率で溶液中に濃縮捕集できること、製作したエアーアシスト型アトマ
イザでは肥大微粒化効率が非常に低いことがわかった。冷却型捕集装置や超音波アトマイザの使用などの改良策を提案した。(U,Zr)O2 ペレットから生成した微粒子について ICP-MS 分析を実施
し、肥大化濃縮装置で捕集した微粒子は捕集の際に U の一部が超純水に溶解することを見出した。
肥大化装置の効率を算出し、効率が約 0.1%であると定量した。 (U,Zr)O2 微粒子の表面状態を SEMEDS を用いて観察し、大きさが 100 nm 程度の U を含んだ粒子による集合体が観測され、一部の微粒子は肥大化に成功していることが示唆された。

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、大阪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 2023-040
Improvement of Aerosol Time-of-flight Mass Spectrometer for On-line Measurement of Tiny Particles
Containing Alpha Emitters(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
Osaka University(Received November 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 FY2021 , this report summarizes the research results of the “Improvementof aerosol time-of-flight mass spectrometer for on-line measurement of tiny particles containing alphaemitters ” conducted in FY2022.
The present study aims to improve Aerosol Time-Of-Flight Mass Spectrometer (ATOFMS) in order tomonitor tiny particles containing alpha emitters such as U and Pu generated in removing debris from thereactors of 1F. In FY2022, we newly fabricated a prototype of the improved ATOFMS and measured
collection and detection efficiencies of the particle detection unit and carried out mass measurement using
the TOF part. The efficiencies of collection and detection in particle detection unit and that of particle
detection in TOF were evaluated to be approximately 85, 60 and 6%, respectively. Higher efficiency is
expected by constructing optical system making laser beam more uniform. In the development of anapparatus for preparing enriched and enlarged alpha particles, we carried out experiments using the apparatus
and found that tiny particles are well-collected and enriched in solution while the enlargement yield with apresently using air-assist-type atomizer is very low. Improved methods such as uses of a cooled collection
apparatus and a supersonic atomizer are suggested. In the analysis of particles produced from (U, Zr)O2
pellets, it was found that part of U contained in collected modeled-particles is dissolved in super-purified
water used for collection by ICP-MS measurement. Efficiency of enlargement of tiny modeled-particles wasdetermined to be 0.1%. In the SEM-EDS measurements, a small amount of aggregated particles was observed,
which showed success in enlargement in principle.
Keywords: ATOFMS, On-line Monitoring of Tiny Particles, Alpha EmitterThis work was performed by Osaka University under contract with Japan Atomic Energy Agency.

ii

JAEA-Review 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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

渡邉 大輔

日立ＧＥ
ニュークリ
ア・エナジー

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

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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 2023-040

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。

課題解決型廃炉研究プログラム
課題名
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

研究代表者

所属機関

豊嶋 厚史

大阪大学

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 2023-040

付録
成果報告書

- 15 -

This is a blank page.

JAEA-Review 2023-040

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

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（契約番号R04I030-2）

成果報告書

令和 5 年 7 月
国立大学法人大阪大学- 17 -

JAEA-Review 2023-040

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、国立大学法人大阪大学が実施した「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」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 2023-040

目次
概略 ............................................................................... ⅸ
1.

はじめに ...................................................................... 1-1

2. 業務計画 .................................................................... 2.1-1
2.1 全体計画 ................................................................. 2.1-1
2.2 実施体制 ................................................................. 2.2-1
2.3 令和 4 年度の成果の目標および業務の実施方法 ............................... 2.3-1
3. 実施内容および成果 .......................................................... 3.1-1
3.1 改良型 ATOFMS の開発研究（令和 3 年度～令和 4 年度） ........................ 3.1-1
3.1.1 改良型 ATOFMS 装置の開発研究（令和 3 年度～令和 4 年度） ................ 3.1-1
3.1.2 まとめ .............................................................. 3.1-20
3.2 ナノ微粒子の肥大化濃縮法の研究（令和 3 年度～令和 4 年度） ................. 3.2-1
3.2.1 ナノ微粒子の肥大化濃縮法の研究（令和 3 年度～令和 4 年度） ............. 3.2-1
3.2.2 まとめ .............................................................. 3.2-24
3.3 模擬アルファ微粒子の粒径ならびに含有元素分布に関する研究（令和 3 年度～
令和 4 年度） ............................................................. 3.3-1
3.3.1 模擬アルファ微粒子の粒径ならびに含有元素分布に関する研究（令和 3 年度～
令和 4 年度） ......................................................... 3.3-1
3.3.2 まとめ .............................................................. 3.3-11
3.4 模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究（令和 3 年度～令和 4 年度）.... 3.4-1
3.4.1 模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究（令和 3 年度～令和 4 年度） 3.4-1
3.4.2 まとめ .............................................................. 3.4-10
3.5 研究推進 ................................................................. 3.5-1
4.

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

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

ⅰ- 19 -

JAEA-Review 2023-040

執筆者リスト

事業代表者
国立大学法人大阪大学

再委託先
国立大学法人京都大学

教授
教授
教授
招へい教授
准教授
助教
助教

豊嶋厚史
豊田岐聡
吉村 崇
篠原 厚
古谷浩志
河井洋輔
永田光知郎

准教授

髙宮幸一

ⅱ
- 20 -

JAEA-Review 2023-040

表一覧
表 3.3-1
表 3.3-2
表 3.4-1

表 3.4-2
表 3.4-3

表 3.4-4

表 3.4-5

PILS を用いて捕集したときの Zr および U の溶液濃度
PILS 捕集溶液の限外ろ過前後の U と Zr の濃度変化
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-4 の中央付近）の元
素組成
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-5）の元素組成
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-8 の上側）の元素組
成
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4.8 の下側）の元素組
成
原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料中の微粒子の集合体（図 3.4-12 の中心）の元素組成ⅲ- 21 -

....
....

3.3-7
3.3-11

....

3.4-5

....

3.4-5

....

3.4-6

....

3.4-7

....

3.4-9

JAEA-Review 2023-040

図一覧
図 2.1-1
図 2.2-1
図 3.1-1
図 3.1-2
図 3.1-3
図 3.1-4
図 3.1-5
図 3.1-6
図 3.1-7
図 3.1-8
図 3.1-9
図 3.1-10
図 3.1-11
図 3.1-12
図 3.1-13
図 3.1-14
図 3.1-15
図 3.1-16
図 3.1-17
図 3.1-18
図 3.1-19
図 3.1-20
図 3.1-21
図 3.1-22
図 3.1-23
図 3.1-24
図 3.1-25
図 3.1-26
図 3.1-27
図 3.1-28
図 3.1-29
図 3.1-30
図 3.1-31
図 3.1-32
図 3.1-33
図 3.2-1
図 3.2-2

本業務の全体計画図
本業務の実施体制図
SIMION® ver. 2020 を用いたイオン軌道シミュレーションの結果の一例
イオン化用 Nd-YAG レーザーの外観写真
レーザーに対する信号入出力のタイミングチャート
製作した粒子検出部の 3D モデル（左: 外観、右: 断面図）
製作した粒子検出部の各パーツの写真完成した粒子検出部の装置写真（左）粒子収束部の概略図と（右）エアロダイナミックレンズの模式図
粒径計測部の概略図
レーザーインターフェースの概略図（左）ビームダンパーの概略図と（右）アライメント用治具
PMT アッセンブリの概略図
粒径計測部のチャンバーを上から見た様子
粒子検出部の全体写真
図 3.1-13 とは別角度から撮影した粒子検出部の全体写真
粒径計測部の拡大写真
粒子検出部による微粒子検出の一例
PMT 出力波形強度の頻度分布
信号検知・タイミング制御回路
パルス成形回路の回路図
信号検知・タイミング制御回路のタイミングチャート
粒子検出 GUI のスクリーンショット
粒子検出イベント間の時間間隔の頻度分布
粒子通過時間（ΔtPMT）の頻度分布
粒子検出部と組み合わせた簡易型 TOF 質量分析計の模式図
簡易型 TOF の装置写真製作したイオン源の写真
改良型 ATOFMS 用高圧電源システムの概念図
イオン化用パルスレーザーの光学系
粒子検出部評価用 ATOFMS システムの全体写真
微粒子検出試験のタイミングチャート
TOF の各電極と印加電圧微粒子を導入していない条件で得られた TOF スペクトル
粒子検出部評価用 ATOFMS で得られた TOF スペクトルの例
肥大化濃縮装置の設計図
PILS 装置の概略図
ⅳ- 22 -

....
....

2.1-1
2.2-1

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

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

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

3.1-5
3.1-6
3.1-6
3.1-7
3.1-7
3.1-8
3.1-8
3.1-9
3.1-9
3.1-103.1-103.1-11
3.1-11
3.1-12
3.1-12
3.1-13
3.1-14
3.1-14
3.1-15
3.1-15
3.1-16
3.1-16
3.1-17
3.1-18
3.1-18
3.1-193.1-193.2-1
3.2-2

JAEA-Review 2023-040

図 3.2-3
図 3.2-4
図 3.2-5
図 3.2-6
図 3.2-7
図 3.2-8
図 3.2-9
図 3.2-10
図 3.2-11
図 3.2-12
図 3.2-13
図 3.2-14
図 3.2-15
図 3.2-16
図 3.2-17
図 3.2-18
図 3.2-19
図 3.2-20
図 3.2-21
図 3.2-22
図 3.2-23
図 3.2-24
図 3.2-25
図 3.2-26
図 3.2-27
図 3.2-28
図 3.2-29
図 3.2-30
図 3.2-31
図 3.2-32
図 3.2-33
図 3.2-34
図 3.2-35
図 3.2-36

PISL 装置を用いた捕集装置の概略図
PILS 装置で微粒子や水滴がガラス製インパクタに打ち付けられる様子（中央部）の写真
PILS 装置の排出溶液流速に対する捕集効率の変化
微粒子生成装置の概略図
粒径 125 nm の PSL 標準微粒子の DSL 測定結果
粒径 500 nm の PSL 標準微粒子の DSL 測定結果
ZrO2 微粒子の DSL 測定結果
(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子の DSL 測定結果
(U0.5,Zr0.5)O2 微粒子の DSL 測定結果
(U0.16,Zr0.84)O2 微粒子の DSL 測定結果
(U0.024,Zr0.976)O2 微粒子の DSL 測定結果
肥大化実験システムの概略図
走査型モビリティーパーティクルサイザー（SMPS）の外観写真
光散乱式粒子カウンター（OPC）の外観写真
微粒子濃度 63 mg/mL の 125 nm PSL の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 6.3 mg/mL の 125 nm PSL の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 0.63 mg/mL の 125 nm PSL の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 63 mg/mL の 500 nm PSL の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 6.3 mg/mL の 500 nm PSL の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 63 mg/mL の 800 nm PSL の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 6.3 mg/mL の 800 nm PSL の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 0.63 mg/mL の粒径 125 nm PSL に濃度 63 mg/mL の粒
径 500 nm PSL を混合した溶液の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 0.63 mg/mL の粒径 125 nm PSL に濃度 6.3 mg/mL の粒
径 500 nm PSL を混合した溶液の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 0.63 mg/mL の粒径 125 nm PSL に濃度 0.63 mg/mL の粒径 500 nm PSL を混合した溶液の噴霧後の粒径分布
微粒子濃度 63 mg/mL の粒径 500 nm PSL を溶液流速 50 µL/min で噴霧して SMPS で測定した粒径分布
微粒子濃度 63 mg/mL の粒径 500 nm PSL を溶液流速 5 µL/min で噴霧して SMPS で測定した粒径分布
ZrO2 捕集溶液の原液を噴霧して OPC で測定した粒径分布
ZrO2 捕集溶液を 50 分の 1 に希釈した溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布
ZrO2 捕集溶液を 500 分の 1 に希釈した溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布(U0.5,Zr0.5)O2 微粒子溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布(U0.16,Zr0.84)O2 微粒子溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布(U0.024,Zr0.976)O2 微粒子溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子の捕集溶液を噴霧して SMPS で測定した粒径分布ⅴ- 23 -

....

3.2-2

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

3.2-3
3.2-4
3.2-5
3.2-6
3.2-6
3.2-7
3.2-7
3.2-8
3.2-8
3.2-9
3.2-9
3.2-103.2-11
3.2-12
3.2-12
3.2-13
3.2-14
3.2-14
3.2-15
3.2-15....

3.2-16....

3.2-16....

3.2-17....

3.2-18....
....

3.2-18
3.2-20....

3.2-20

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

3.2-21
3.2-21
3.2-22
3.2-22
3.2-23
3.2-23

JAEA-Review 2023-040

図 3.2-37
図 3.3-1
図 3.3-2
図 3.3-3
図 3.3-4
図 3.3-5
図 3.3-6
図 3.3-7
図 3.3-8
図 3.3-9
図 3.3-10
図 3.3-11
図 3.3-12
図 3.3-13
図 3.3-14
図 3.4-1
図 3.4-2
図 3.4-3
図 3.4-4
図 3.4-5
図 3.4-6

図 3.4-7
図 3.4-8
図 3.4-9微粒子生成チャンバーで生成した(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子を直接 SMPSで測定した粒径分布
ICP-MS 7850 の外観
粒径分布測定装置 ELSZneo の外観
カスケードインパクタ LP-20 の外観
超遠心分離機 G-L の外観(Y0.08,Zr0.92)O2 のペレットをレーザーアブレーションしセルロー
スフィルタ上に捕集した粒径分布と物質量比の分布(Y0.08,Zr0.92)O2 のペレットをレーザーアブレーションし PTFE フィ
ルタ上に捕集した粒径分布と物質量比の分布(U0.5,Zr0.5)O2 のペレットをレーザーアブレーションしセルロース
フィルタ上に捕集した粒径分布と物質量比の分布(U0.5,Zr0.5)O2 のペレットをレーザーアブレーションし直接インパクタへ捕集したときの測定溶液濃度と粒径分布(Y0.08,Zr0.92)O2 のペレットをレーザーアブレーションし直接インパクタへ捕集したときの測定溶液濃度と粒径分布(U,Zr)O2 ペレットの U:Zr 物質量比に対する PILS で捕集した溶液の U:Zr の物質量比(U0.5,Zr0.5)O2 をレーザーアブレーション後に直接インパクタ捕集
した場合と肥大化濃縮装置を通した後の粒径分布の比較（左）(Y0.08,Zr0.92)O2 ならびに（右）(U0.9,Zr0.1)O2 の PILS 捕集後の粒径分布(U0.9,Zr0.1)O2 の（左）限外ろ過前ならびに（右）限外ろ過後の粒
径分布(U0.5,Zr0.5)O2 の（左）限外ろ過前ならびに（右）限外ろ過後の粒径分布
粒径 800 nm の PSL 微粒子の肥大化後の SEM イメージ
粒径 500 nm の PSL 微粒子の肥大化後の SEM イメージ
粒径 125 nm の PSL 微粒子の肥大化後の SEM イメージ
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料の SEM イメージ①
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料の SEM イメージ②
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-4 の中央付近）の EDS
スペクトル
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-5）の EDS スペクトル
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料の SEM イメージ
ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-8 の上側）の EDS スペ
クトルⅵ- 24 -

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

3.2-24

....

3.3-5

....

3.3-5

....

3.3-6

....

3.3-6

....

3.3-7

....

3.3-8

....

3.3-9

....

3.3-10....

3.3-10

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

3.3-11

....

3.4-4

....

3.4-4

....

3.4-5

....

3.4-5

....

3.4-6

....

3.4-6

3.3-2
3.3-2
3.3-3
3.3-3

3.4-2
3.4-2
3.4-3

JAEA-Review 2023-040

図 3.4-10

図 3.4-11
図 3.4-12
図 3.4-13
図 3.4-14

ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4.8 の下側）の EDS スペ
クトル
原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料の SEM イメージ①
原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料の SEM イメージ②
原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料中の微粒子の集合体（図 3.4-12 の中心）の EDS スペクトル
原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料中の粒子の集合体の粒径分布（赤色の実線は積算収率）

ⅶ- 25 -

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

3.4-7
3.4-8
3.4-8

....

3.4-9

....

3.4-10JAEA-Review 2023-040

略語一覧
JAEA
CLADS
東電
1F
阪大
京大
ATOFMSPILS
TOF-MS
PMT
OPC
MCP
DLS
SMPS
DMA
WCPC
ICP-MSSEM
EDS： 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（廃炉環境国際共同研究センター）：
Advanced Decommissioning Science： 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： 国立大学法人大阪大学： 国立大学法人京都大学： Aerosol Time-Of-Flight Mass Spectrometer（単一微粒子質量分析計）： Particle Into Liquid Sampler： Time-Of-Flight Mass Spectrometer（飛行時間型質量分析計）： Photomultiplier Tube
（光電子増倍管）： Optical Particle Counter（光散乱式粒子カウンター）： Microchannel Plate（イオン検出器）： Dynamic Light Scattering（動的光散乱法）： Scanning Mobility Particle Sizer： Differential Mobility Analyzer： Water-based Condensation Particle Counter： Inductive Coupled Plasma Mass Spectrometry （誘導結合プラズマ質量分析法）： Scanning Electron Microscope（走査型電子顕微鏡）： Energy Dispersive x-ray Spectroscopy（分散型 X 線分析装置）

ⅷ- 26 -

JAEA-Review 2023-040

概略
本研究は、1F の廃炉を進める上での様々な課題の中で、燃料デブリ取り出しの際に発生するウ
ランやプルトニウムなどのアルファ線放出核種を含む放射性微粒子（アルファ微粒子）の課題に着目している。燃料デブリ取り出し作業の規模拡大に伴い、燃料デブリの切削微粒子や様々なエ
アロゾルなどが飛散することが懸念されるが、作業者の被ばくや環境汚染を防ぐためには、作業者がアクセスする現場環境での低濃度のアルファ微粒子のリアルタイムモニタリングが必須である。
我々は単一微粒子質量分析計（Aerosol Time-Of-Flight Mass Spectrometer, ATOFMS）を用いたオンライン質量分析法を応用することにより、アルファ微粒子の即時検知法を新たに開発することを目指している。ATOFMS はフロー系の気体中に含まれる微粒子やエアロゾルに対し、その一個一個の粒径や含まれる物質の質量をオンラインで即座に測定できるため、アルファ微粒子のリ
アルタイムモニタリングが可能と期待される。令和元年度～令和 2 年度に実施した、保有する
ATOFMS を用いた適用性検討では、ウランに由来する正負イオン質量ピークの検出に成功した。ウ
ランが微粒子内に均一に分布すると仮定して 238U の検出下限を 10-7-10-6 Bq/cm3 と評価し、原理的に ATOFMS をオンラインモニタリングに適用できると判断した。またその一方で、微粒子検出効率と重元素領域の質量分解能に課題を見出した。
本課題では、ATOFMS での高感度検知の実現に向けて、改良型 ATOFMS に関する高度化開発を開始した。検出効率に関しては、ATOFMS で検出できない粒径約 200 nm 以下の微小なナノ微粒子を肥大化濃縮させて ATOFMS の測定範囲に適した粒径に変換する装置を開発する。また、質量分解能に関しては、ATOFMS の質量分析部のイオン飛行距離の増加やイオン加速電圧の増強などにより質量分解能ならびに飛行時間の安定性を高める。
令和 3 年度において、改良型 ATOFMS の開発研究では、ATOFMS の質量分解能の向上と高感度化に向けて、質量分析するイオン軌道や飛行距離を検討し、シミュレーションにより最適化した結果、市販 ATOFMS と比べて 10 倍以上の質量分解能ならびに 9 倍以上のイオン透過率が得られる質量分析計の構造を得ることができた。また、質量分析計の必要要件に合致する粒子検出部の設計を完了した。ナノ微粒子の肥大化濃縮法の研究では、新たに開発する肥大化濃縮装置に必要な装置や部品を購入し、濃縮部と肥大化部と結合した肥大化濃縮装置を設計した。試作した肥大化部を用いて予備的な実験を行い、溶液から乾燥微粒子を製造できることや試料濃度の増加に伴い粒径がより大きな乾燥微粒子を得られることを見出した。模擬アルファ微粒子の粒径ならびに含有
元素分布に関する研究では、その元素分布の定量に用いる ICP-MS の整備を実施した。Zr,U 標準溶液を用いて含有元素の較正曲線を作製し、Zr/Tl 比および U/Tl 比共に各濃度と良い直線性を得た。加えて、測定対象とする元素 Zr および U の定量下限値は ppt レベルであることがわかった。
また、新たにフィルタに捕集した ZrO2 を簡便に溶液化し、ICP-MS 溶液試料とする方法を見出した。
模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究では、肥大化微粒子との比較のために、肥大化していない模擬アルファ微粒子の測定を実施した。原料が気化・凝縮を経て生成したと考えられるサブ µm の粒径を持つ球状微粒子と、原料が小破片となって飛散したと考えられる不定形の粒子が存在することを見出した。また、粒子の元素組成分析により、濃縮肥大化した粒子に対する表面状態等の性状分析も可能であることがわかった。濃縮肥大化した粒子の粒径分布や形状分析を行うための手法を検討した結果、SEM 像の画像解析による手法が応用可能であると結論した。
令和 4 年度において、改良型 ATOFMS の開発研究では、改良型 ATOFMS の試作装置を製作し、最終装置の開発に向けた試験を行った。令和 3 年度に設計した粒子検出部と簡易型の TOF の製作を

ⅸ
- 27 -

JAEA-Review 2023-040行った。製作した粒子検出部について、微粒子が連続光を通過する際に生じる散乱光を検出し、その信号特性に基づいて、信号検知・タイミング制御回路を製作し、粒子検出部の捕集効率、検出効率の測定を行った。開発した粒子検出部は、微粒子濃度が約 20,000 個/L 時において、捕集効
率が約 85 %、検出効率が約 60 %となることがわかった。粒子検出部評価用 ATOFMS システムを構築し、粒子速度と同期させたタイミングでパルス光を照射し、TOF スペクトルを得た。TOF における粒子検出効率は約 6%と見積もられた。レーザー光のビームプロファイルが均質となるように光学系を構築すれば、より高い効率で微粒子を検出することができると考えられる。
ナノ微粒子の肥大化濃縮法の研究では、PILS（Particle Into Liquid Sampler）装置を用いた濃縮部の試験を行い、KCl 微粒子を非常に高い効率で溶液中に捕集できることを見出した。また、肥大化部では、高濃度の微粒子溶液では肥大化されるが、低濃度では粒径分布に変化がないことがわかった。また、製作したエアーアシスト型アトマイザでは微粒化効率が非常に低いことを見出した。今年度の条件検討により問題点を抽出し、冷却型の PILS 装置や超音波アトマイザの使用などの改良策を提案した。
模擬アルファ微粒子の粒径ならびに含有元素分布に関する研究では、模擬微粒子を生成させる
ため、(UxZr1-x)O2 ペレットに対して生成した微粒子について ICP-MS を用いた定量分析を実施した。
直接インパクタに捕集した微粒子については 1 µm を最大値に持つ粒径分布を示す一方、肥大化装置で捕集した微粒子の粒径分布は 0.2 µm に最大値を持っていた。レーザーアブレーションの過程
で U が酸化され、PILS 捕集の際に U の一部が超純水に溶解することが原因と判明した。肥大化装置の効率を算出し、効率が非常に低く約 0.1%であると明確にした。これらのデータをもとに上記の肥大化濃縮法の今後の改良案へ反映した。
模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究では、肥大化の効果を評価するために、PSL 標
準微粒子、ZrO2、(U0.9,Zr0.1)O2 を原料として生成した微粒子の表面状態の観察を SEM-EDS を用いて行った。標準微粒子の観察では、複数の PSL 粒子による集合体の存在から肥大化の成功が示唆された。 (U0.9,Zr0.1)O2 の観察では、大きさが 100 nm 程度の U を含んだ粒子による集合体が観測され、標準粒子と同様に肥大化が成功していることが示唆された。また、(U0.9,Zr0.1)O2 については約1,000 個の肥大化したと考えられる粒子に対し形状分析を行い、中央粒径や平均粒径などを見積
もり、今後肥大化条件を検討する上で必要な基礎情報が得られた。

ⅹ- 28 -

JAEA-Review 2023-040

1. はじめに2011 年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋沖地震によって、福島第一原子力発電所（1F）の事故が引き起こされた。津波によって電源や設備が喪失したため十分な冷却ができず、崩壊熱によって原子炉圧力容器内にある核燃料が溶け、さらに溶けた核燃料が様々な構造物と混ざって固まった燃料デブリが形成された。この燃料デブリは現在もまだ 1～3 号機の格納容器や圧力容器内に残ったままである。事故の発生以来、汚染水から放射性物質を除去したり、処理水量を低減する対策や、あるいは燃料プールからの使用済み核燃料の取り出しといった、差し迫ったリスクに対する短期的取り組みが進められてきた[1]。これらの取り組みに対しては一定の見通しがついており、現在は中長期的な廃炉作業として燃料デブリの取り出しや廃棄物対策などの取り組みが検討されている[1]。現時点において、原子炉内の燃料デブリは安定的に冷却が継続して行われており、すぐに外部に悪影響を及ぼす可能性は低いと考えられる。しかしながら、冷却に問題が発生するリスクや、経年劣化により環境中に放射能が漏洩するリスクが存在するため、できるだけ早い段階で安全に燃料デブリを原子炉から取り出し、安定保管状態へと移行することが中長期的には不可欠である。その一方で、圧力容器や格納容器内にある燃料デブリの位置や量、形態や性状といった情報は依然として不足しており、今後ステップバイステップで取り出し作業が進められていく方針が示されているが、作業完了までには 30～40 年を要すると見込まれている[1]。
2019 年 12 月の中長期ロードマップの改訂[2]では、「初号機（2 号機）の燃料デブリの取り出し方法を確定し、2021 年内に初号機で試験的取り出しに着手し、その後、段階的に取り出し規模を拡大していくこと」が示されている。具体的には、気中工法によってまずは格納容器底部に横からアクセスすることが想定されているが、容器壁の加工といった大きな状態変更をすることなく、既設のペネトレーションを利用して実施できる小規模な取り出しから開始される予定である。その後、これらの初期の作業によって得られる新たな知見を踏まえ、格納容器の開口部の拡張や新規開口部の設置、遠隔装置の規模拡大などの措置を行った上で、燃料デブリの取り出し量を増やす計画となっている。2023 年度現在までに、デブリ取り出しの着手は再延期されており、23 年度後半に着手すると報道されている。
（現状では、これまでの原子炉格納容器の内部調査において堆積物の一部をつかんで動かせることが確認された段階である[3]）。しかしながら、作業規模を拡
大した際の安全性を評価するためには、線量低減、水位低下などの現場環境整備、格納容器、圧力容器内の状況把握、放射性微粒子の飛散率や燃料デブリ取り出し作業の際の放射性微粒子の拡散の低減技術、デブリ性状の測定技術など、様々な情報の取得や新しい技術の開発が必要となる[1]。
本研究は、廃炉を進める上での様々な課題の中で、燃料デブリ取り出しの際に発生するウランやプルトニウムなどのアルファ線放出核種を含む放射性微粒子（アルファ微粒子）の問題に着目している。気中工法では、燃料デブリ取り出し作業の規模拡大に伴い、燃料デブリの切削微粒子や様々なエアロゾル、さらに現在は沈降している放射性微粒子などが飛散することが懸念される。
飛散微粒子による作業者の被ばくや福島環境の更なる汚染を防ぐためには、これらの微粒子を完
全にコントロールして封じ込めることが必要である。そのためには、微粒子やエアロゾルの飛散率や性状を明らかにすることが重要であり、その科学的知見に基づいて、飛散抑制技術の開発や排気浄化系・捕集系の設計が行われるべきである。最も重要なことは、作業者が出入りするような現場環境での安全を担保することであり、低濃度のアルファ微粒子のリアルタイムモニタリン
グが必須であると考えている。

1-1- 29 -

JAEA-Review 2023-040

本研究では、歴史的には大気 PM2.5 エアロゾルのオンライン化学組成観測に用いられてきた
ATOFMS[4][5]を応用し、ATOFMS を用いたオンライン質量分析法によって、飛散したアルファ微粒子の即時検知法を新たに開発することを目指している。ATOFMS は、フロー系の気体中に含まれる微粒子やエアロゾルに対し、その一個一個の粒径や含まれる物質の化学組成（質量）をオンラインで即座に測定できるという特徴を持つ。この質量分析法をアルファ微粒子に適用することにより、粒径や化学組成に加えて含有するウランやプルトニウムなどの放射性同位体も検出できると期待される。すなわち、燃料デブリ取り出しの際に発生するアルファ微粒子のリアルタイムモニ
タリングが可能になると期待される。
我々は、本分析法が最終的には 1F で標準的な微粒子検知法として用いられることを目指し、段階的に研究を進めている。これまで、令和元年度～令和 2 年度に英知事業共通基盤型原子力研究プログラムに採択され、まず開発の最初の段階として、保有する ATOFMS を用いてその微粒子検出に対する適用性の検討を行った[6]。具体的には、燃料デブリ環境を想定してウラン（U-238）を用いた固体・液体試料を調製し、アブレーションや噴霧によって生成した模擬アルファ微粒子を
ATOFMS を用いて測定した。その結果、ウランに由来する正負イオン質量ピークの検出に成功した。
ウランが微粒子内に均一に分布すると仮定して 238U の検出下限を 10-7-10-6 Bq/cm3 と評価し、原理的に ATOFMS をオンラインモニタリングに適用できると判断した。しかしその一方、現場でのATOFMS を用いたアルファ微粒子測定に対し、以下の二つの課題があることが判明した。
（1）一つは、微粒子検出効率が低いことである。実測した模擬アルファ微粒子の粒径は予想よりも小さく、50-300 nm 程度に分布を持っていたが、ATOFMS では、粒子飛行速度計測部での検出可能粒径がおおよそ 200-2000 nm であるため、一部の微粒子しか検出できなかった。また、同部での粒径測定に関する制約から、1 秒間に微粒子を 1 個しか検出できず、微粒子濃度が高くなると検出効率が低下してしまうことも問題である。
（2）もう一つの問題は、ATOFMS の飛行時間型質量分析部における、重いイオンの飛行時間の分解能である。模擬微粒子に対して観測したウランイオンピーク（U+・UO+・UO2+など）は、質量分解能（飛行時間の時間分解能）が悪いことが判明した。
そこで本研究では、アルファ微粒子のリアルタイムでの高感度検知を実現するため、上記の問題点を解決した改良型のアルファ微粒子測定システムの開発を行う。
（1）検出効率に関しては、
ATOFMS で検出できない粒径が約 200 nm 以下の微小なナノ微粒子を肥大化濃縮させて ATOFMS の測定範囲に適した粒径に変換する装置を開発して効率を改善する。また、（2）質量分解能に関して
は、ATOFMS の TOF-MS 部のイオン飛行距離の増加やイオン加速電圧の増強などにより質量分解能
ならびに飛行時間の安定性を高める。現在のウラン、プルトニウム等のα線放出核種の空気中の濃度はダストサンプラで空気中のダストを集塵し、集塵ろ紙のα線を測定しており、リアルタイ
ム性に欠けている。本研究は、燃料デブリ取り出し作業現場で、オンラインでしかも高感度で、モニタリングを実現するもので、人体および環境の放射線安全管理に重要である。令和 3 年度にエキシマレーザーは購入したものの、レーザー駆動用のガスがウクライナでの戦争により入手不可能となり当面使用できる状況にない。しかしながら、エキシマレーザーよりも性能は劣るものの、変更申請提案の YAG レーザー（50Hz）でも、肥大化濃縮法による効率改善により、239Pu 空気
中濃度限度の 7×10-7 Bq/cm3 のリアルタイム測定が可能である。また、YAG レーザーは固体レーザーであり、特殊ガス等の消耗品を必要としないので、実用機を考慮した時のランニングコストや取扱い容易さ等の利点がある。

1-2- 30 -

JAEA-Review 2023-040

2. 業務計画
2.1 全体計画
本業務の年度別全体計画図を図 2.1-1 に示す。項目(1)(2)(3)については大阪大学で、項目(4)は京都大学で実施している。項目(5)は全員で行っている。

図 2.1-1 本業務の全体計画図

2.1-1- 31 -

JAEA-Review 2023-040

2.2 実施体制
実施体制を図 2.2-1 に示す。
課題全体の取りまとめ
大阪大学

研究代表者

豊嶋厚史
装置開発
（古谷浩志、河井洋輔、
豊田岐聡）
・粒子検出部開発
・TOF-MS 装置開発

1. 改良型 ATOFMS の開発研究(1) ATOFMS 装置の開発研究(2) 性能試験

試験（河井洋輔、豊嶋厚史、
古谷浩志、豊田岐聡）
・検出試験
・質量分析試験
・性能評価

2. ナノ微粒子の肥大化濃縮法の研究(1) 濃縮法の開発研究(2) 肥大化法の開発研究

濃縮法の開発（豊嶋厚史、篠原厚）
・実験装置開発
・微粒子収集濃縮試験
肥大化法の開発（古谷浩志、豊嶋厚史）
・実験装置開発・微粒子肥大化試験

3. 模擬アルファ微粒子の粒径ならびに含有元素分布に関する研究(1) 微粒子の粒径と濃度測定

肥大化法の開発（永田光知郎、吉村崇）
・試料調製
・測定試験

再委託先（連携機関）
京都大学（4.模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究）

表面状態分析
(髙宮幸一)
・測定試験

図 2.2-1 本業務の実施体制図

2.2-1- 32 -

JAEA-Review 2023-040

2.3

令和 4 年度の成果の目標および業務の実施方法
令和 4 年度は、令和 3 年度に行った予備的な実験や装置の開発・整備を元に、本格的な開発や試験を開始することが目標である。図 2.2-1 に示したそれぞれの実施項目に対して、成果の目標と業務の実施方法を以下とした。

(1) 改良型 ATOFMS の開発研究（目標）改良型 ATOFMS の試作装置を製作し、最終装置の開発に向けた試験を行う。
（方法）50Hz 程度のイオン化用パルスレーザーを入手し、改良型 ATOFMS の試作装置を製作する。開発した粒子検出部の捕集効率、検出効率の測定ならびに簡易の TOF装置を用いた微粒子検出試験を行う。
(2)ナノ微粒子の肥大化濃縮法の研究（目標）肥大化濃縮法の開発を開始する。
（方法）PILS（Particle Into Liquid Sampler）などを組み合わせて肥大化濃縮装置を製作する。模擬微粒子生成装置を利用して模擬微粒子を製作し、肥大化濃縮装置を用いた際の効率や粒径変化を、走査式パーティクルサイザーを用いて測定し、実験条件を検討する。
(3)模擬アルファ微粒子の粒径ならびに含有元素分布に関する研究（目標）肥大化濃縮装置の性能を模擬微粒子中の元素定量を通じて検討する。
（方法）微粒子生成装置を用いて模擬微粒子を、肥大化濃縮装置を用いて肥大化した場
合と肥大化していない場合とで、インパクタならびに ICP-MS を用いて捕集測定する。微粒子に含まれる U や他の元素の濃度を定量する。
(4)模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究（目標）肥大化濃縮装置の性能を模擬微粒子の表面観察を通じて検討する。
（方法）微粒子生成装置を用いて生成した模擬微粒子を、肥大化濃縮装置を用いて肥大化させ、インパクタで捕集する。SEM-EDS を用いて、肥大化微粒子の表面状態を観察する。測定した模擬微粒子の表面状態から、考えられる肥大化濃縮による微粒子への影響を評価する。
(5)研究推進研究代表者の下で各研究項目間ならびに廃炉国際共同研究センター（CLADS）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。

2.3-1- 33 -

JAEA-Review 2023-040

3. 実施内容および成果
3.1 改良型 ATOFMS の開発研究（令和 3 年度～令和 4 年度）
3.1.1 改良型 ATOFMS 装置の開発研究（令和 3 年度～令和 4 年度）(1) 令和 3 年度までの概要
令和 3 年度には、ATOFMS の質量分解能の向上と高感度化に向けて、質量分析するイオン軌道や飛行距離を検討した。イオン光学設計シミュレーションソフト SIMION®
ver. 2020 (Scientific Instrument Services, USA) を用い、図 3.1-1 に示すような
イオン軌道シミュレーションによって最適化した結果、市販 ATOFMS と比べて 10 倍以上の質量分解能ならびに 9 倍以上のイオン透過率が得られる質量分析計の構造を得る
ことができた。質量分解能およびイオン透過率は、質量が大きくなるにつれて減少する傾向を示したものの、質量分解能 2,000 以上、イオン透過率 85 %以上を達成した。
238 +U と 239Pu+、238UO+と 239PuO+などを分離するのに必要な分解能は 1,000 程度であるため、設計した質量分析部は本研究目標を達成するのに十分な性能を有していることが確認できた。

図 3.1-1 SIMION® ver. 2020 を用いたイオン軌道シミュレーションの結果の一例
また、質量分析計の必要要件に合致する粒子検出部の設計では、高電圧印加部が真空チャンバー間とで異常放電（アーキング）を起こさないよう、2 つの光散乱式微粒子
検出器間の距離を 80 mm、光散乱式微粒子検出器と TOF-MS のイオン化部との距離を160 mm とした。また、微粒子の検出にはレーザー光の散乱を用い、散乱光を楕円ミラーによって集光し、光電子増倍管による方式を採用した。楕円ミラー口径を従来の 45
mm から 64 mm に拡大させ、散乱光をより多く集光できる設計とした。微粒子導入部は従来型と同じ形状とすることとした。
(2)

令和 4 年度実施内容および成果
令和 4 年度には、改良型 ATOFMS の試作装置を製作し、最終装置の開発に向けた試験を行った。具体的には、繰り返し周波数 50Hz のイオン化用パルスレーザーを入手し、令和 3 年度に設計した粒子検出部と簡易型の飛行時間型質量分析計（TOF-MS: Timeof-Flight Mass Spectrometer）の製作を行った。それらを組み上げ、粒子検出部の捕集効率、検出効率の測定ならびに TOF 装置を用いた微粒子検出試験を行った。
① イオン化用パルスレーザーの入手と性能評価入手したイオン化用 Nd-YAG レーザー（Ultra 20, Quantel laser, USA）の外観を
図 3.1-2 に示す。レーザーはコントロールユニットとレーザーヘッドから構成される。繰り返し周波数 50 Hz、波長 266 nm、パルス幅 10 ns、エネルギー4 mJ である。
パワーメーターで確認したところ、出力は約 270 mW であり、仕様とおりのエネルギー（270 mW/50Hz 〜 5 mJ）が出力されていることを確認した。

3.1-1- 34 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.1-2 イオン化用 Nd-YAG レーザーの外観写真
粒子検出部から質量分析計のイオン化部へ導入される微粒子に対し、タイミングを合わせてパルス光を照射するためには、レーザーの出力タイミングを外部制御する必要がある。ディレイパルスジェネレーターを用いた試験で、レーザーの外部制
御機能も正常に動作することを確認した。
レーザー光を微粒子にタイミングよく照射するため、外部入力に対し、実際に出力されるパルス光がどれくらい遅延するのかについて確認を行った。図 3.1-3 に信号入出力のタイミングチャートを示す。パルス光の射出には Flash と Q-switch の 2
つの信号を入力する。Flash-lamp in, Q-switch in が外部から入力する信号、Flashlamp out、Q-switch out が実際にレーザー内で回路が動作するタイミング信号である。Flash から Q-switch 間の遅延時間によって、出力されるレーザー光のエネルギーが変わる。
入手した製品では、エネルギーが最大となる遅延時間は 155 µs であり、時間を延ばしていくとエネルギーは小さくなっていく。実際の運用では、測定時には最大のエネルギーが得られる遅延時間（155 µs）で動作させ、レーザー光のアラ
イメント時などには遅延時間を長く取ってエネルギーを低くする。Flash-lamp in から Flash-lamp out までの遅延時間は約 500 ns、Q-switch in から Q-switch out までの遅延時間は 150 ns であった。外部制御による動作でエネルギーを厳密に設定するためには、この時間差 350 ns 分を考慮する必要がある。さらに、Q-switch out からパルス光までの時間差は、Flash - Q-switch 間の遅延時間（＝レーザー光のエネルギー）によって変化し、遅延時間 155, 200, 250, 300 µs 時において、時間差はそれぞれ、20, 25, 50, 100 ns であった。後述するように、粒子検出部からイオン化部へ導入される粒子の速度は約 100 m/s であり、100 ns の時間差は 10 µm に相当する。イオン化部におけるレーザー光の集光径が数百 µm であることを考えれば、この時間差については考慮する必要はない。また、Q-switch in からパルス光までのジッターは数 ns 以下であり、これについても考慮する必要はないと結論付けた。以上の結果に基づいて、TOF のスタート信号には、Q-switch out を使用することとした。

3.1-2- 35 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.1-3 レーザーに対する信号入出力のタイミングチャート② 粒子検出部の製作と性能評価
令和 3 年度に設計した粒子検出部の製作を行った。粒子検出部の 3D モデルを図3.1-4、製作した各部のパーツ写真を図 3.1-5、完成した粒子検出部の装置写真を図
3.1-6 に示す。粒子検出部は、吸引した微粒子を中心軸方向に収束させる粒子収束部と、粒子の通過速度から粒径を計測し、かつ質量分析計のイオン化部への到達時間を求める粒径計測部から構成される。

図 3.1-4 製作した粒子検出部の 3D モデル（左: 外観、右: 断面図）

3.1-3
- 36 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.1-5 製作した粒子検出部の各パーツの写真

図 3.1-6 完成した粒子検出部の装置写真
1) 粒子収束部の製作
図 3.1-7 に製作した粒子収束部の概略図とエアロダイナミックレンズの模式図を示す。粒子収束部は、微粒子の導入口にあたる開口径 100µm のクリティカルオリフィス、コンダクタンスの異なる 5 枚のオリフィスとイグジット
3.1-4- 37 -

JAEA-Review 2023-040

ノズルから成るエアロダイナミックレンズ、スキマーコーンおよびチャンバーによって構成される。チャンバーには排気速度 67 L/s のターボ分子ポンプ（HiPace® 80, Pfeiffer Vacuum, Germany）3 台が接続されており、エアロ
ダイナミックレンズ出口の真空度を保っている。

図 3.1-7 （左）粒子収束部の概略図と（右）エアロダイナミックレンズの模式図
クリティカルオリフィスから大気とともに導入された微粒子は、気流に乗って 5 枚のオリフィスを通過する（図 3.1-7（右））。気流は膨張と収縮を繰り返すが、粒子は慣性を持つため完全に気体の流れには従わない。結果として微粒子は、オリフィスを通過する毎に中心軸方向へ収束され、直径 1 mm 程度の粒子ビームが形成される。イグジットノズルから射出され、気体の超音速膨張によって加速された粒子は、粒径に依存する終端速度を得る。その後、スキマーコーンを通過して、粒径計測部へと導入される。エアロダイナミッ
クレンズの性能は、クリティカルオリフィスを通した大気の導入量、5 枚のオ
リフィスとイグジットノズルのコンダクタンスおよびエアロダイナミックレ
ンズ出口の真空度によって決まる。各パラメーターの値は、先行研究 [7] を参考に決定した。製作した装置において、大気導入時の真空度は、エアロダ
イナミックレンズ入口で 220 Pa、エアロダイナミックレンズ出口で 8.0×101

Pa であり、市販の ATOFMS [8] とほぼ同等の値となった。

2) 粒径計測部の製作
図 3.1-8 に製作した粒径計測部の概略図を示す。粒径計測部は、波長 532
nm の連続光を導入するレーザーインターフェース、連続光を対向で受けるビームダンパー、および微粒子が連続光を通過するときに発生する散乱光を集光し検出する光電子増倍管（PMT: Photomultiplier tube）アッセンブリと、微粒子を質量分析計へ導入するドリンキングストロー、およびチャンバーとターボ分子ポンプ（排気速度 67 L/s, HiPace® 80, Pfeiffer Vacuum, Germany）
から構成される。レーザーインターフェース、ビームダンパー、PMT アッセン
3.1-5
- 38 -

JAEA-Review 2023-040

ブリは、チャンバーの上部と下部それぞれに、80 mm の距離を開けて 1 セットずつ設置されている。

図 3.1-8 粒径計測部の概略図
レーザーインターフェースの概略図を図 3.1-9 に示す。レーザーインター
フェースは、ABS 樹脂製の 4 枚のアパチャーと光学ウィンドウおよび、光ファ
イバーポート（PAF2-A4A, Thorlabs, USA）から構成される。波長 532 nm の連続レーザー光（CW Green Laser GL-532-100, CrystaLaser, USA）は光ファ
イバーを通してレーザーインターフェースまで導入される。ファイバーポー
トは 5 自由度の調整が可能であり、連続光の取り回しと光軸のアライメントを容易にしている。
ビームダンパー（図 3.1-10（左））は、4 枚のアパチャーとビームダンプ（PL15,
Newport, USA）から構成される。レーザーインターフェースの対向に配置され、反射光や戻り光などによって生じる散乱光検出のノイズを軽減する。また
連続光の光軸のアライメント時には、ビームダンプの取り付け位置に、専用の治具（クロスヘア）を取り付けられるようになっている。

図 3.1-9 レーザーインターフェースの概略図

3.1-6- 39 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.1-10 （左）ビームダンパーの概略図と（右）アライメント用治具
PMT アッセンブリは（図 3.1-11）、楕円ミラー、アパチャー、光学ウィンド
ウおよび光電子増倍管（H11902-210, 浜松ホトニクス）で構成されている。微粒子が連続光を通過する際に生じる微弱な散乱光を検出するため、口径 64 mmの楕円ミラーを特注した。楕円の一方の焦点位置を微粒子と連続光が交差する点に置き、そこから生じた散乱光をもう一つの焦点位置に検出面を置いた
PMT で検出する。

図 3.1-11 PMT アッセンブリの概略図
レーザーインターフェース、ビームダンパー、PMT アッセンブリを 1 セット
として、チャンバーの上部と下部それぞれに、80 mm の距離を開けて設置されている。粒径に依存した一定の速度をもつ微粒子が、2 つのアッセンブリを通過する時刻を散乱光として検知し、粒子速度 = 粒径を計測する。さらに、得られた速度から、微粒子が質量分析計のイオン化部へ到達する時間を求め、
Nd-YAG パルスレーザー光の照射タイミングを同期させる。微粒子はその後、ドリンキングストローから質量分析計へと導入される。
粒径計測部のチャンバーは各アッセンブリが粒子ビームの軸および連続光の光軸に対して、位置および傾き精度が出るように加工を行った。粒径計測部
内の真空度は、大気導入時に 4.5×10-3 Pa であり、粒子収束部と同様、市販の ATOFMS [8] と同程度の値となった。図 3.1-12～図 3.1-15 に実際に組み立てた装置写真を示す。
3.1-7- 40 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.1-12 粒径計測部のチャンバーを上から見た様子

図 3.1-13 粒子検出部の全体写真

3.1-8- 41 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.1-14 図 3.1-13 とは別角度から撮影した粒子検出部の全体写真

図 3.1-15 粒径計測部の拡大写真

3) 粒子検出部の性能評価製作した粒子計測部の性能評価を行った。具体的には、実験室内の大気を導入し、その中に含まれる微粒子の検出を行った。上述したように、大気導入時の真空度は、エアロダイナミックレンズ入口で 220 Pa、エアロダイナミ
ックレンズ出口で 8.0×10-1 Pa、粒径計測部で 4.5×10-3 Pa となり、市販のATOFMS とほぼ同等の値となった。
3.1-9- 42 -

JAEA-Review 2023-040

粒子検出部による微粒子検出の一例を図 3.1-16 に示す。上流・下流の PMT
出力をオシロスコープ（WaveSurfer 452, LeCroy, USA）で取得した。粒径計
測部上流の PMT 出力が黄色、下流の PMT 出力が赤色である。この例では、微粒子の通過時間は約 800 µs、粒子速度に直すと 80 mm/800 µs = 100 m/s である。出力波形の立ち上がり時間は約 4 µs、立ち下がり時間は約 10 µs であった。図 3.1-17 は出力波形の強度の頻度分布である。微粒子の通過による散乱光の強度は、中央値で約 900 mV、最頻値で約 300 mV である。PMT 出力には迷光などにより数百 mV のベースラインが乗るが、信号検出のトリガ閾値をベースライン+100 mV 程度に設定すれば、微粒子の通過を取りこぼすことなく検知することができることがわかった。

図 3.1-16 粒子検出部による微粒子検出の一例

図 3.1-17 PMT 出力波形強度の頻度分布
微粒子の粒径を計測するためには、上流・下流の PMT 出力から、微粒子通過のイベントを検知してその時間差を取得する必要がある。さらに、微粒子をイオン化するためには、得られた時間差から、微粒子が質量分析計のイオン化部へ到達する時刻を計算して、Nd-YAG レーザーにトリガ信号を送る必要がある。
3.1-10- 43 -

JAEA-Review 2023-040

そのための信号検知・タイミング制御回路をコンパレーターと FPGA 評価用ボード（De0-Nano-SoC, Terasic, Taiwan）を使って作成した。全体写真を図 3.118 に、パルス成形回路の回路図を図 3.1-19 に示す。

図 3.1-18 信号検知・タイミング制御回路

図 3.1-19 パルス成形回路の回路図
パルス成形回路では、上述したベースライン+100 mV を閾値として、PMT からの出力波形を成形して FPGA に入力する。FPGA 内では、受け取った信号の時
間差 = 微粒子の通過時間（ΔtPMT）を計測する。計測においては、微粒子の追い越しなどを無視するようにロジックを設計した。粒子検出部における PMT の上流・下流間の距離 80 mm に対し、PMT 下流からイオン化部までの距離を 160mm と設計したため、FPGA では PMT 下流における信号検出からΔtPMT の 2 倍のタイミングで、上述した Nd-YAG レーザーの Q-switch へ信号を出力する。さらに Q-switch 信号よりもΔtFlash = 155 〜 300 µs 前にレーザーの Flashlamp へ信号を出力する。Nd-YAG レーザーの繰り返し周波数が 50 Hz である
ため、Q-switch 信号出力から次の PMT 信号検出まで 20 ms の不感時間を取る

3.1-11- 44 -

JAEA-Review 2023-040ようにした。回路全体の信号入出力について、実際にオシロスコープで観測したパルス信号を図 3.1-20 に示す。
FPGA には CPU が搭載されており、計測したΔtPMT の値をメモリに書き出し、その値を CPU で受け取る。CPU ではその値をテキストデータとして書き出し、さらにイーサーネットを介して PC に送信する。ΔtFlash の値は、PC から CPU、FPGA へと転送し、Flash-lamp から Q-switch 間の遅延時間 = パルスレーザーの出力エネルギーを PC から制御する。ΔtPMT の頻度分布をリアルタイムで書
き出し、またΔtFlash を送信する GUI も開発した（スクリーンショットを図 3.121 に示す）。

図 3.1-20 信号検知・タイミング制御回路のタイミングチャート

図 3.1-21 粒子検出 GUI のスクリーンショット
以上のシステムを使用して粒子検出部の性能評価を行った。開口径 100 µmのクリティカルオリフィスを通して実験室内の大気を導入し、微粒子の検出を行った。評価は 20 ms の不感時間がある場合とない場合の 2 つの条件で行った。同時に光散乱式粒子カウンター（OPC: Optical Particle Counter,3.1-12- 45 -

JAEA-Review 2023-040

Model3889, Kanomax, Japan）を用いた粒子検出も行い、粒子検出部との比較を行った（OPC の詳細については 3.2 節を参照）。
粒子検出イベントを、上流と下流で信号を検知しΔtPMT を計測したイベントと定義し、イベント間の時間間隔の頻度分布を求めた。結果を図 3.1-22 に示す。青色が不感時間がある場合、オレンジがない場合である。両条件において35,000 回分のイベントを取得し比較を行った。不感時間がない場合の最頻値
が約 4 ms であるのに対し、20 ms の不感時間がある場合、最頻値は約 23 msであった。35,000 回分のイベントを取得するのに必要な時間は、不感時間なしの場合約 35 分、不感時間ありの場合約 52 分であった。不感時間 20 ms は
Nd-YAG レーザーの繰り返し周波数 50 Hz による制約であるが、これにより約30% のイベントを取りこぼすことがわかった。また同時に、不感時間なしのデータから、時間間隔が 20 ms 以下のイベント数を取り除いた場合、35,000から 25,000 へとイベント数が減少し、こちらの試算でも不感時間があること
で約 30% のイベントの取りこぼしが発生することがわかった。
同時に行った OPC の計測では、約 21600 個/L の微粒子が検出された。クリ
ティカルオリフィスの開口径 100 µm から求められる粒子検出部の流量は0.05 L/min である。この値から粒子検出部における微粒子の検出数は、不感時間なしで約 18,000 個/L、不感時間ありで約 12,000 個/L となり、開発した粒子検出部は、微粒子の濃度が約 20,000 個/L の時において、捕集効率が約85 %、検出効率が約 60 %となることがわかった。

図 3.1-22 粒子検出イベント間の時間間隔の頻度分布
図 3.1-23 に粒子通過時間（ΔtPMT）の頻度分布を示す。不感時間のあるなし
で分布に大きな違いは見られない。最頻値は約 650 µs であり、このとき微粒子の粒子速度は、80 mm/650 µs = 123 m/s となる。頻度分布は最頻値よりも
ΔtPMT が大きな値に裾を引いている。微粒子の粒径と速度は反比例の関係があるため、最頻値に相当する粒径よりも大きな微粒子が測定した大気中に存在していることが示唆される。本実験では製作した粒子検出部の性能評価を行うため、実験室の大気を測定したが、具体的な粒径分布を得るためには、粒径の定まった標準微粒子を用いた較正が必要となる。
3.1-13- 46 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.1-23 粒子通過時間（ΔtPMT）の頻度分布③ 簡易型 TOF の製作と微粒子検出試験
簡易型 TOF の設計と製作を行い、粒子検出部を用いた微粒子検出試験を実施した。
粒子検出部と組み合わせた簡易型 TOF の模式図を図 3.1-24 に示す。粒径計測部のドリンキングストローから導入された微粒子は、イオン化部においてパルスレーザー
光を照射され、脱離イオン化される。生成された正イオンは -5 kV で加速され、700mm のフライトチューブ中を飛行して、イオン検出器（MCP: Microchannel Plate）
で検出される。令和 3 年度に設計した改良型 ATOFMS では、正負両イオンを検出する
ため、電位極性の異なる 2 つの TOF を配置するが、今年度は粒子検出部の性能評価を行うことが目的であるため、正イオン用の TOF のみを製作した。また同様の理由
から、改良型 ATOFMS で用いるリフレクトロン構造から、簡易型 TOF では直線型の構造とした。

図 3.1-24 粒子検出部と組み合わせた簡易型 TOF 質量分析計の模式図

3.1-14- 47 -

JAEA-Review 2023-040

1) 簡易型 TOF の製作製作した簡易型 TOF の装置写真を図 3.1-25 に示す。写真は図 3.1-24 を下から見た構図である。TOF はイオン源、フライトチューブ、イオン検出器（MCP）
から構成される。イオン源は令和 3 年度に設計した改良型 ATOFMS のイオン源の構造をそのまま採用した。図 3.1-26 に製作したイオン源の写真を示す。またメインチャンバーについても改良型 ATOFMS と同等のサイズのものを製作した。

図 3.1-25 簡易型 TOF の装置写真

図 3.1-26 製作したイオン源の写真
本装置では、イオン源をグランド電位で動作させるため、フライトチューブ
および MCP は加速電圧である-5kV でフローティング動作させる必要がある。
MCP にはフローティング動作が可能なモデル（F9892-31, 浜松ホトニクス）を入手し、TOF の各電極に電圧を印加する高圧電源システムは、開発実績のあるメーカーに特注した。令和 5 年度の研究目標を見越し、高圧電源システムには、リフレクトロン用の電源と負イオンを検出するための極性の異なる電源も搭載されている。図 3.1-27 に概念図を示す。赤枠で囲った箇所が、令和 4
年度用いる簡易型 TOF で必要な電源である。
3.1-15- 48 -

JAEA-Review 2023-040

Anode＋

Anode-

図 3.1-27 改良型 ATOFMS 用高圧電源システムの概念図
メインチャンバー全体は、キャスタ付きのアルミフレームの上に設置した。
光学定盤をアルミフレーム上に固定し、微粒子イオン化用 Nd-YAG レーザーとレーザー光導入のための光学系を定盤の上に設置した（図 3.1-28）。システム
全体（粒子検出部、イオン化用レーザー、TOF）を一つのフレーム上に置くことで、振動などによる光軸のずれを補償する。パルス光は 3 枚のミラーと焦点距離 250 mm の平凸レンズを通してイオン化部へと導入される。レンズはメ
インチャンバー側面に固定した X-Y-Z 軸ステージに取り付けられ、微粒子に対するレーザー光の照射位置を 3 軸方向で調整できるようにした。

図 3.1-28 イオン化用パルスレーザーの光学系

3.1-16- 49 -

JAEA-Review 2023-040

TOF 全体は排気速度 260 L/s のターボ分子ポンプ（HiPace® 300, Pfeiffer
Vacuum, Germany）で排気する。粒子検出部から微粒子を導入するドリンキン
グストローのコンダクタンスが小さいため、粒子検出部から大気を導入しても TOF の真空度はほとんど影響を受けない。真空度は 2.0×10-5 Pa となり、TOF として動作させるのに十分な真空度を達成した。完成した粒子検出部評価
用 ATOFMS システム全体の外観写真を図 3.1-29 に示す。

図 3.1-29 粒子検出部評価用 ATOFMS システムの全体写真

2) 簡易型 TOF を用いた微粒子検出試験
粒子検出部から導入される微粒子に対し、粒子速度に同期したレーザーパ
ルス光を照射、生成された正イオンを簡易型 TOF で検出する微粒子検出試験を行った。試験における装置動作のタイミングチャートを図 3.1-30 に、TOFの各電極と印加する電圧についての模式図を図 3.1-31 に示す。イオン化部では、2 枚のイオン引き込み電極の中心でイオンが生成される。2 枚の電極に極性の異なる引き込み電圧±Vex を印加することで、正イオンをイオン加速部へ引き込み、5 kV の加速電圧で加速する。遅延引き出し法[9]による質量分解能の向上を目的とし、Vex はパルス的に動作させる。イオンの空間的な広がりを収束させるため、静電レンズ（アインツェルレンズ）に Veinzel を印加した。上述したように、TOF のスタート信号には、Q-switch の動作タイミング信号を使用し、MCP からのイオン信号波形は、デジタルオシロスコープ（WaveSurfer
3074, LeCroy, USA）で取得した。

3.1-17- 50 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.1-30 微粒子検出試験のタイミングチャート

図 3.1-31 TOF の各電極と印加電圧

粒子検出部に、開口径 100 µm のクリティカルオリフィスを通して実験室内の大気を導入し、微粒子を検知、レーザーを同期させ、TOF スペクトルを取得した。簡易型 TOF に対して行ったイオン軌道シミュレーションから各電極に印加する電圧は、Vex = 500 V、Veinzel = 2000 V、VMCPout = 1600 V、VAnode = 450
V とした。Vex のスイッチングにより発生するノイズによってイオン信号波形が乱されるため、引き込み電圧は静的に電圧を印加し、遅延引き出し法は用いなかった。
図 3.1-32 に微粒子を導入していない条件で得られた TOF スペクトルを示す。レーザー1 ショットごとで得られる信号強度は微弱であるため 465 ショッ
ト分を積算した。これらのピークは、メインチャンバー内に残留しているガスに由来するものと考えられる。この常に現れるバックグラウンドの TOF スペ
クトルと微粒子由来のスペクトルを見分けるため、強度が 0.5 V 以上のピークをもつスペクトルを微粒子由来と設定し、500 ショット分から抽出した。得られた TOF スペクトルの例を図 3.1-33 に示す。左上のスペクトルには、図3.1-32 のバックグラウンドのスペクトルを比較のため赤色で重ねてプロットした。ピークの半値幅から得られる質量分解能は約 150 であった。この値は3.1-18- 51 -

JAEA-Review 2023-040

数値シミュレーションから得られる値とほぼ同程度であった。装置に導入している微粒子は実験室内の大気に含まれる塵であり、それぞれのスペクトルのピークについて m/z を同定することはできていない。しかしながら微粒子にレーザー光が照射されれば、非常に強いシグナルが得られることがわかった。微粒子由来と定義したスペクトルは、500 個のスペクトル中 32 個であり、現状において TOF における微粒子の検出効率は約 6 % であることがわかった。
しかしながら、このような強いシグナル強度は、微粒子のホットスポットにレーザー光が当たった時に得られることが、従来型の ATOFMS を用いた先行研究で示されており[10]、今回の粒子検出試験では、アウトライヤーだけを拾っている可能性が高い。先行研究[10]では、平均的なスペクトルに対するアウトラ
イヤーの割合は 10 %程度であり、この値が本装置においても当てはまるとす
れば、粒子の検出効率は約 60 %程度と試算することができる。先行研究[10]のように、パルスレーザー光のビームプロファイルがレーザー光照射位置で均質となるように光学系を構築すれば、より高い効率で微粒子を捉えることができると考えられる。

図 3.1-32 微粒子を導入していない条件で得られた TOF スペクトル

図 3.1-33 粒子検出部評価用 ATOFMS で得られた TOF スペクトルの例

3.1-19- 52 -

JAEA-Review 2023-040

3.1.2 まとめ令和 4 年度において、改良型 ATOFMS の試作装置を製作し、最終装置の開発に向けた試験を行った。具体的には、繰り返し周波数 50 Hz、波長 266 nm のイオン化用 Nd-YAG レーザーを入手し、その性能評価を行った。パルス光のエネルギーは最大 4 mJ で、flash-lamp とQ-switch 間の時間を変化させることで、エネルギーを調整可能であることを確認した。また微粒子をイオン化する上で重要な外部制御機能も正常に働くことを確認し、外部信号入力から実際のパルス光が発振するまでの遅延時間の確認も行った。さらに、令和 3 年度に設計した粒子検出部と簡易型の TOF の製作を行い、その性能評価を行った。製作した粒子検出部について、大気導入時の真空度は、エアロダイナミックレンズ入口で 220 Pa、エア
ロダイナミックレンズ出口で 8.0×10-1 Pa、粒径計測部で 4.5×10-3 Pa となり、市販のATOFMS とほぼ同等の値となった。実際に微粒子が連続光を通過する際に生じる散乱光を検出し、その信号特性に基づいて、信号検知・タイミング制御回路を製作し、粒子検出部の捕集効率、検出効率の測定を行った。OPC による微粒子計測との比較から、開発した粒子検
出部は、微粒子濃度が約 20,000 個/L 時において、捕集効率が約 85%、検出効率が約 60%となることがわかった。さらに、簡易型 TOF と組み合わせた微粒子検出試験も行った。改良型 ATOFMS と共通のイオン源と高圧電源システムからなる TOF を製作し、粒子検出部評価用ATOFMS システムを構築した。粒子速度と同期させたタイミングでパルス光を照射し、TOF
スペクトルを得た。シグナル強度が 0.5 V 以上の TOF スペクトルを微粒子由来と定義すると、TOF における粒子検出効率は約 6% と見積もられた。すなわち粒子検出部と合わせた微粒子の検出効率は約 3.6%となる。ただし、このような強いシグナル強度は、微粒子のホッ
トスポットにレーザー光が当たった時に得られることが、従来型の ATOFMS を用いた先行研究で示されており、この試算ではアウトライヤーだけを拾っている可能性が高い。レーザ
ー光のビームプロファイルが均質となるように光学系を構築すれば、より高い効率で微粒子を検出することができると考えられる。

3.1-20- 53 -

JAEA-Review 2023-040

3.2 ナノ微粒子の肥大化濃縮法の研究（令和 3 年度～令和 4 年度）
3.2.1 ナノ微粒子の肥大化濃縮法の研究（令和 3 年度～令和 4 年度）(1) 令和 3 年度までの概要
令和 3 年度には、微粒子の濃縮に用いる PILS 装置（Particle Into Liquid Sampler、
メトローム社）など、新たに開発する肥大化濃縮装置（図 3.2-1）に必要な装置や部品を購入し、濃縮部と肥大化部と結合した肥大化濃縮装置を設計した。試作した肥大化部を用いて、噴霧ならびに乾燥に関する予備的な実験を行い、溶液から乾燥微粒子を製造できることを確認できた。さらに、試料濃度が増えるにつれ、粒径がより大きな乾燥微粒子を得られることがわかった。

図 3.2-1(2)

肥大化濃縮装置の設計図

令和 4 年度実施内容および成果
令和 4 年度には、肥大化濃縮法の開発を開始した。具体的には、PILS 装置などを組み合わせて肥大化濃縮装置を製作した。模擬微粒子生成装置を利用して模擬微粒子を製作し、肥大化濃縮装置を用いた際の効率や粒径変化を、走査式パーティクルサイザーを用いて測定し、実験条件を検討した。図 3.2-1 に示す肥大化濃縮装置は、一体の装置として試験を行うと操作が複雑になり効率的でないため、濃縮部と肥大化部とで別々に試験を行った。
①
濃縮部の試験
1) KCl 微粒子を用いた PILS 装置の捕集効率測定
PILS 装置[11][12]の概略図を図 3.2-2 に示している。微粒子を含むエアーは左側の導入口から導入され、右側上部の排出口から輩出される。排気系に取り付けてあるクリティカルオリフィスによって、エアーの排気スピードは吸引ポンプの強さに関わらず、16.6 L/min の一定流量にコントロールされている。次に、蒸気導入口から導入した水溶液はスチームジェネレータを通過することで過熱水蒸気（150 oC）
として成長チャンバーに供給される。そのため、成長チャンバーでは水蒸気の飽和状態あるいは飽和に近い状態が形成されている。成長チャンバー上流から下流に向かって系内の温度が徐々に低下するため、エアーと共に導入された微粒子が通過す
3.2-1- 54 -

JAEA-Review 2023-040

る際、露点以下になった低温度領域で水蒸気が凝結し、水分を纏った大きな微粒子が形成される。その微粒子はテーパー部で中心に向かって収束し、ガラス製インパ
クタへと打ち付けられる。右側の溶液導入口から捕集溶液が流され、微粒子はガラ
ス壁から周囲に取り付けてある金属メッシュを通って溶液流路へと吸入され、捕集溶液と共に排出される。

図 3.2-2 PILS 装置の概略図
PILS 装置に導入、排出される溶液は全てチューブポンプによって同時に流れるよ
うに制御されており、チューブポンプに用いるチューブの内径とローラーの回転速度により流速が異なる。以下、ローラー速度の設定値 20 の時のそれぞれの箇所での溶液流速を示す。実際の使用では、設定ローラー速度値に比例して流速が増減する。
ドレイン 1、ドレイン 2：7.9 mL/min
蒸気導入口：4.6 mL/min
試料排出口、溶液導入口：1.4 mL/min
PILS 装置を用いて微粒子を溶解捕集後に、噴霧によって肥大化微粒子を作るためには、溶液量をできるだけ少なくする必要がある。そのため、溶液導入口からの導入流量に対する捕集効率を、アトマイザを用いて製作した KCl 微粒子を用いて行った。実験に用いた捕集装置の概略図を図 3.2-3 に示している。

図 3.2-3 PISL 装置を用いた捕集装置の概略図
まず、噴霧して生成される KCl 微粒子の全量を定量するため、フィルタ捕集を行った。エアーポンプ（イワキ）を用いて HEPA フィルタを通過させて微粒子を取り除いたエアーを流速 2.0 - 2.3 L/min で流して 1 M KCl 溶液をアトマイザで噴霧した。
ディヒュージョンドライヤー（直列 2 本）を通過させたのち、フィルタ（ADVANTEC、
3.2-2- 55 -

JAEA-Review 2023-040

PF040、47 mmφ）を用いて 10 分間捕集した。その下流側では、PILS 装置を KCl 捕集
実験と同様に用いた。ただし、捕集溶液と過熱水蒸気は流さなかった。PILS 装置のエアー排出側では、ミストセパレータ（SMC、AFD40）と HEPA フィルタを通過させた
後、ドライポンプ（樫山工業、NeoDry15E）で吸引した。フィルタ捕集後に、ビーカ
ー内でフィルタに蒸留水を 10 mL 加えて KCl を溶かし出し、イオンメータ（HORIBA、LAQUATION K-11）を用いて K イオン濃度を測定した。このイオンメータは 0.0001 0.1 M の KCl 溶液を用いて較正した。
次に PILS を用いて KCl 微粒子を捕集した。エアーポンプを用いて流速 2.5 L/min
で HEPA フィルタを通過させたエアーを流し、1 M KCl 溶液をアトマイザで噴霧してKCl 溶液から KCl 液滴を作製した。ディヒュージョンドライヤー（直列 2 本）を通過させたのち、HEPA フィルタを通過させたエアー（流速 14.1 L/min）と混ぜた後、PILS 装置に導入した。蒸気用溶液、捕集用溶液ともに超純水を用いた。KCl 微粒子の捕集を行う前に、水分を纏った大きな微粒子がインパクタに打ち付けられる様子（星とよぶ）を観測しながら、PILS 装置の蒸気溶液導入口での溶液流速が、星が観測される範囲で最小流速となるよう調整した。微粒子や水滴が打ち付けられる様子の写真を図 3.2-4 に示している。調整の結果、約 0.9 mL/min（チューブポンプの設
定値は 4）が最小値であった。また、インパクタへの導入溶液流速が遅いと溶液が上
手く排出口から流れなかったので、試料排出口の流速をチューブポンプで制御するのを止め、別のペリスタポンプ（アトー、AC-2120 ミニポンプ）をチューブに設置して最速でローラーを回転させ、排出溶液を引き出した。30 分間 KCl 微粒子を捕集した後、捕集した溶液をカリウムイオンメーターで測定し、捕集した KCl の量を定量した。

図 3.2-4 PILS 装置で微粒子や水滴がガラス製インパクタに打ち付けられる様子（中央部）の写真

3.2-3- 56 -

JAEA-Review 2023-040

導入溶液の流速 0.3 mL/min で測定した結果、30 分間のフィルタ捕集での KCl 捕
集量 13.8 mg に対して、PILS 捕集量は 16.8 mg であった。おそらく、フィルタ捕集の際、フィルタの設置によってチューブ内圧が増加し、KCl 微粒子の搬送量が低下したため、フィルタ捕集では全量が少なくなったと考えられる。そのため、PILS 捕集における KCl の排出口である排出試料溶液ならびに二つのドレインに含まれる KCl
をそれぞれ定量して試料溶液に捕集された KCl 微粒子の割合を評価した。その結果、98%の KCl 微粒子が試料溶液に捕集されることがわかった。
次に、排出溶液流速に対する捕集効率の測定結果を図 3.2-5 に示している。流速0.045 - 0.33 mL/min ではほぼ全ての KCl 微粒子が捕集されているが、流速を 0.025
mL/min に下げると収率が 0%と急激に下がった。ここで、流速 0.33 mL/min では図3.2-2 の溶液導入口から捕集溶液を流したが、0.07 mL/min 以下では溶液は導入せずに蒸気用溶液だけを用い、凝集した蒸気のみを捕集溶液として回収した。排出口での流速 0.025、0.045、0.072 mL/min に対応する蒸気用溶液の導入口での流速は 0.46、
0.69、0.92 mL/min であった。排出口の方がかなり少ないが、残りの水はドレインから排出されている。これらの結果から、蒸気用溶液を減らすことで蒸気が凝縮しな
くなり、水分を纏った大きな微粒子が生成されなくなることで捕集効率が下がったと考えられる。

Collection Yield / %

100
80
60
40
20
0

0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Flow rate / mL min-1

図 3.2-5 PILS 装置の排出溶液流速に対する捕集効率の変化
2) ZrO2 ならびに(Zr,U)O2 模擬微粒子の PILS 捕集
微粒子生成装置を用いて模擬アルファ微粒子の PILS 捕集実験を行った。微粒子生成装置の概略図を図 3.2-6 に示している。アブレーションチャンバー装置に ZrO2 ペレット試料（Y2O3 = 8 mol%、純度 99.9%、φ10 × 5 mm、YSZ、フルウチ化学株式会社）あるいは(U,Zr)O2 ペレット試料（φ10 × 2 mm）をセットした。(U,Zr)O2 ペレ
ット試料は、UO2 顆粒（原子燃料工業株式会社製、O/U=1.997）および ZrO2 粉末（フ3.2-4
- 57 -

JAEA-Review 2023-040

ルウチ化学製、99.99%、300 メッシュ）を粉砕・混合した後、放電プラズマ焼結装置
を用いて 1,500oC で焼結して製造したものである。これらのペレット試料をレーザ
ー照射によってアブレーションし、微粒子を生成した。チャンバー内に乾燥エアー
を 5 L/min で流し、生成した微粒子を導電性シリコンチューブを通じて PILS 装置に搬送した。

図 3.2-6

微粒子生成装置の概略図

PILS 装置では、微粒子生成装置から送られてきた微粒子含有エアーに HEPA フィ
ルタを通過させたエアー（流速 14.1 L/min）を混ぜた後、装置内に導入した。蒸気用溶液、捕集用溶液ともに超純水を用いた。蒸気用溶液の流速を 0.92 mL/min に設定し、試料排出口のチューブからペリスタポンプを用いて排出溶液を引き出し、ガラスバイアルに収集した。捕集時間は 30 分間～2 時間であった。
捕集後、それぞれの微粒子が溶液に捕集されているかどうかを確認するために、
DLS（Dynamic Light Scattering）測定装置（ELSZneo S、大塚電子株式会社）を用
いて、溶液中に含まれる微粒子の粒径測定を行った。DLS 測定では、レーザーを試料溶液に照射し、微粒子から散乱する光を検出することで散乱光のゆらぎを求める。
散乱光のゆらぎと微粒子のブラウン運動の速度には相関があり、ブラウン運動は小さな微粒子ほど速い特性を持つ。そのため、散乱光のゆらぎの変化の測定によって拡散係数を評価し、散係数と粒子の大きさの関係を示すストークス・アインシュタイン式を利用して粒子の大きさを算出する。
捕集溶液を 100 µL ずつ分取して別個の測定セルに入れ、それぞれについて DSL 測定を行った。また粒径 125 nm と 500 nm の PSL 標準微粒子（粒子径標準粒子 3000 シ
リーズ、Thermo Fisher Scientific）についても参照として測定を行った。図 3.27～図 3.2-13 に、粒径 125 nm の PSL 標準微粒子、粒径 500 nm の PSL 標準微粒子、
ZrO2、(U0.9,Zr0.1)O2、(U0.5,Zr0.5)O2、(U0.16,Zr0.84)O2、(U0.024,Zr0.976)O2 について、DSL 測
定した粒径分布を微粒子個数として示している。図 3.2-7 と図 3.2-8 に示す標準微粒子に対して観測された平均粒径はそれぞれ 130 nm と 450 nm であり、カタログ値とおおよそ一致している。ただし、DSL で測定される溶液中での粒径であるため、固体での粒径とは異なることに注意が必要である。また、ZrO2 微粒子ではデータのばらつきが大きいが、250 - 350 nm にピークを持つ。(U,Zr)O2 微粒子は、いずれも 130
nm 程度にピークをもっているが、Zr の含有量が多いほどデータはばらついた。これ
3.2-5- 58 -

JAEA-Review 2023-040

らの測定データは、一つの測定試料を複数回測定した際のばらつきであるため、Zrの含有率が高いほど粒径分布が不均一であることが示唆される。これらの測定により、微粒子として溶液に捕集できていることが示された。

図 3.2-7 粒径 125 nm の PSL 標準微粒子の DSL 測定結果

図 3.2-8 粒径 500 nm の PSL 標準微粒子の DSL 測定結果

3.2-6
- 59 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.2-9 ZrO2 微粒子の DSL 測定結果

図 3.2-10 (U0.9,Zr0.1)O2 微粒子の DSL 測定結果

3.2-7
- 60 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.2-11 (U0.5,Zr0.5)O2 微粒子の DSL 測定結果

図 3.2-12 (U0.16,Zr0.84)O2 微粒子の DSL 測定結果

3.2-8
- 61 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.2-13 (U0.024,Zr0.976)O2 微粒子の DSL 測定結果
② 肥大化部の試験
1) PSL 標準微粒子を用いた条件検討
実験に用いた肥大化実験システムの概略図を図 3.2-14 に示している。コンプレッ
サ（スーパーオイルフリーベビコン 0.75LE-8SB、日立）を用いてエアーを送り、超低露点エアドライヤー（QD20-50、アイ・エイ・シー）を用いて水分を除去した後、二経路に分けて、それぞれをマスフローコントローラ（FCST1005LC-4F2-F2L-N2、フジキン）を用いて流量を制御した。両経路ともインライン HEPA フィルタ（KUB-1、キッツ）を用いてエアーに含まれる微粒子を除去した。その流路の一つはシリンジ（81530、1005RN 5.0 mL SYR、ハミルトン社）の針周囲にエアーを流して微粒化す
るエアーアシスト型アトマイザ（噴霧）装置に接続した。シリンジポンプ（704500
PUMP 11 ELITE、Harbard 社）を用いて一定速度で溶液を流した。ペットボトル製の乾燥チャンバー（内容量 1.8 L）に噴出された液滴はチャンバー内で乾燥されつつ下流に送られる。もう一つの流路は、乾燥チャンバー通過後に合流させた。その後、ディヒュージョンドライヤーを通過させて乾燥微粒子を形成させ、粒径分布を測定
した。
超低露点
エアドラ
イヤー

図 3.2-14 肥大化実験システムの概略図
3.2-9- 62 -

JAEA-Review 2023-040

粒径分布計測には、20 - 950 nm を測定する走査型モビリティーパーティクルサ
イザー（SMPS: Scanning Mobility Particle Sizer）と 10 µm までの大きさの微粒子を 6 つの粒径区分で測定する光散乱式粒子カウンター（OPC: Optical Particle
Counter）を用いた。図 3.2-15 に本研究で用いた SMPS の外観写真を示している。

Differential Mobility
Analyzer (DMA)

Water-based Condensation
Particle Counter (WCPC)

図 3.2-15 走査型モビリティーパーティクルサイザー（SMPS）の外観写真

3.2-10- 63 -

JAEA-Review 2023-040

SMPS は特定の粒径の微粒子だけを選別する静電分級機（DMA: Differential
Mobility Analyzer Model3080、TSI Inc.、USA）ならびに選別された微粒子の個数を計数する水凝結粒子カウンター（WCPC: Water-based Condensation Particle
Counter、Model 3075、TSI Inc.、USA）から成る。3 分間で粒径 20 - 950 nm を掃引し、単位体積当たりの粒径範囲に存在する微粒子の個数を測定する。一方、OPC の外観写真を図 3.2-16 に示している。OPC では、検出系に導入された微粒子がビーム状の光の光路を通過した際に生じる、散乱光のパルス数やそれぞれの強度を検出することによって、微粒子の数とサイズを測定できる。SMPS は 1 回の粒径スキャンに 3
分、OPC は 1 回の測定当たり 3 分間積算の測定条件で行った。SMPS と OPC の吸引流量はそれぞれ 0.2 L/min と 2.8 L/min であった。

図 3.2-16 光散乱式粒子カウンター（OPC）の外観写真
測定試料溶液として、粒径 125、500、800 nm の PSL 標準微粒子を用いた。購入した標準微粒子の溶液濃度はいずれの粒径についても 1.05 g/mL であり、これを超純水で希釈してそれぞれの粒径のものを 0.63、6.3、63 mg/mL の微粒子濃度で用いた。
また、試料溶液の流量を 0.5 - 50 µL/min で変化させた。噴霧装置でのキャリアガ
ス流量は 2.0 L/min に、乾燥後の追加エアー流量も 2.0 L/min に固定した。微粒子数の測定は OPC を用い、一部条件で SMPS を用いた。
図 3.2-17～図 3.2-26 に OPC を用いて得られた粒径分布を示している。図 3.2-17に示す微粒子濃度 63 mg/mL の 125 nm PSL の結果を見ると、最も低い流速の 0.5µL/min では粒径 0.3 µm の小さな微粒子が最も多く、粒径が大きくなるにつれて粒子数が減少している。しかし、溶液流速を 10 µL/min 以上に増加させると、微粒子数が全体的に増加すると共に相対的に粒径範囲 0.3 - 0.5 µm 以上の微粒子の数が多くなるのがわかる。すなわち、この条件では一部の微粒子が肥大化を起こしていると期待される。図 3.2-18 に示した濃度 6.3 mg/mL の 125 nm PSL の結果では、それぞれの粒径範囲の粒子数は溶液流速の増加と共に単純に増加しているが、0.3 0.5 µm 以上の微粒子の数は粒径範囲が大きくなるほど少なくなり、全体的な傾向は

3.2-11- 64 -

JAEA-Review 2023-040

溶液流速によって変化していない。図 3.2-19 に示す粒径 125 nm PSL の微粒子濃度
0.63 mg/mL では溶液流速 50 µL/min の結果はないが、濃度 6.3 mg/mL での結果と同様に全体的な傾向に変化はないと思われる。これらの結果から、溶液中の微粒子濃度が高く、さらに溶液流速が大きい条件下において微粒子の肥大化が起こり得ることが分かる。本実験で採用しているエアーアシスト型アトマイザでは、噴霧の際に生成された液滴が水分の蒸発により乾燥することによって微粒子が形成される。そのため、流速が速いほど、微粒子を多く含む大きな液滴が相対的に多く生成され、肥大化が起こったと考えられる。また、同じ大きさの液滴でも微粒子の濃度が高いほど最終的な乾燥微粒子が大きくなるが、今回の結果では明確に見えていない。

0.5 μL/min
0.6 μL/min
0.8 μL/min
1 μL/min
5 μL/min
10 μL/min
50 μL/min

10

5Counts / min

103
101
10-1
10-3

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

3-5

5-10

図 3.2-17 微粒子濃度 63 mg/mL の 125 nm PSL の噴霧後の粒径分布

0.5 μL/min
5 μL/min
50 μL/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

3-5

5-10

図 3.2-18 微粒子濃度 6.3 mg/mL の 125 nm PSL の噴霧後の粒径分布
3.2-12- 65 -

JAEA-Review 2023-040

0.5 μL/min
5 μL/minCounts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

3-5

5-10

図 3.2-19 微粒子濃度 0.63 mg/mL の 125 nm PSL の噴霧後の粒径分布
次に、図 3.2-20 と図 3.2-21 に粒径 500 nm の PSL 標準微粒子、図 3.2-22 と図
3.2-23 に粒径 800 nm の PSL 標準微粒子の結果を示している。粒径 125 nm の標準微粒子の場合と同様に溶液濃度が高く、溶液流速が大きい時に肥大化が観測されている。また、単純に各溶液流速での粒子数を比較した場合、流速が速いほど粒子数は多い。用いた標準微粒子よりも小さい粒径の微粒子（例えば 500 nm PSL での 300 nm
以下の微粒子）も観測されているが、これが装置内の汚染が原因と推測される。
次に、標準微粒子を混合した際の粒径変化を OPC を用いて調べた。希薄な濃度の0.63 mg/mL の粒径 125 nm PSL 標準微粒子に 0.63、6.3、63 mg/mL の粒径 500 nm PSLを加え、微粒子濃度に対する違いならびに溶液流速に対する変化を調べた。その結果を図 3.2-24～図 3.2-26 に示している。図 3.2-23 に示す 6.3 mg/mL の粒径 800 nm
PSL 標準微粒子の場合、溶液流速の増加に伴い、粒子数の多い粒径範囲が 0.3 µm 以
下から 0.5 - 1 µm へとシフトしている。これは粒径 500 nm PSL のみを加えたときと似た変化である。粒径 125 nm PSL が粒径 500 nm の PSL の 100 分の 1 であるため、このような変化を示したと思われる。それぞれ図 3.2-25 と図 3.2-26 に示す 6.3、0.63 mg/mL の粒径 500 nm PSL の場合では、溶液流量を増加してもそれほど大きな変化を示しておらず、粒径 125 nm PSL の粒径分布がより大きく反映していると思われる。これらの結果から、粒径の小さな(U,Zr)O2 微粒子を肥大化する一つの方法として、粒径 500 nm PSL のようなより大きな微粒子を多く系内に加えることで、肥大化を促進できる可能性が考えられる。ただし、その場合は粒子濃度が高くなるため、
ATOFMS での検出効率低下につながるので注意が必要である。

3.2-13- 66 -

JAEA-Review 2023-040

0.5 μL/min
5 μL/min
50 μL/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

3-5

5-10

図 3.2-20 微粒子濃度 63 mg/mL の 500 nm PSL の噴霧後の粒径分布

106
0.5 μL/min
5 μL/min
50 μL/min

105

Counts / min

104
103
102
101
100
10-1

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

3-5

5-10

図 3.2-21 微粒子濃度 6.3 mg/mL の 500 nm PSL の噴霧後の粒径分布

3.2-14- 67 -

JAEA-Review 2023-040

0.5 L/min
5 L/min
50 L/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / m

3-5

5-10

図 3.2-22 微粒子濃度 63 mg/mL の 800 nm PSL の噴霧後の粒径分布

0.5 L/min
5 L/min
50 L/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / m

3-5

5-10

図 3.2-23 微粒子濃度 6.3 mg/mL の 800 nm PSL の噴霧後の粒径分布

3.2-15- 68 -

JAEA-Review 2023-040

0.5 L/min
5 L/min
50 L/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / m

3-5

5-10

図 3.2-24 微粒子濃度 0.63 mg/mL の粒径 125 nm PSL に濃度 63 mg/mL の粒径
500 nm PSL を混合した溶液の噴霧後の粒径分布

0.5 L/min
5 L/min
50 L/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / m

3-5

5-10

図 3.2-25 微粒子濃度 0.63 mg/mL の粒径 125 nm PSL に濃度 6.3 mg/mL の粒径
500 nm PSL を混合した溶液の噴霧後の粒径分布
3.2-16- 69 -

JAEA-Review 2023-040

0.5 μL/min
5 μL/min
50 μL/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

3-5

5-10

図 3.2-26 微粒子濃度 0.63 mg/mL の粒径 125 nm PSL に濃度 0.63 mg/mL の粒径
500 nm PSL を混合した溶液の噴霧後の粒径分布
次に、SMPS 測定の結果を図 3.2-27 と図 3.2-28 に示している。粒径 500 nm の PSL
標準微粒子を測定に用いた。図 3.2-27 に示す微粒子濃度 63 mg/mL、溶液流速 50µL/min では、500 nm の微粒子のピーク以外に、粒径の小さな部分に幅の広いピークと 250 nm のピークが観測された。おそらく装置内に含まれる汚染が原因と考えられる。図 3.2-28 に示す溶液流速 5 µL/min でも似た粒径分布が得られている。ただし、粒子数に関しては流速 50 µL/min に比べてかなり少ない。また、微粒子濃度 6.3、0.63 mg/mL でも実験を行ったが、検出された微粒子数が少なすぎて粒径分布を観測できなかった。
以上の標準微粒子を用いた条件検討により、溶液中の微粒子濃度が高く、噴霧における溶液流速が大きい場合、肥大化が起こることがわかった。

3.2-17- 70 -

JAEA-Review 2023-040

Numbernumber of particle / cm-3

14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0

0

200

400

600

800

1000

Particle diameter / nm
図 3.2-27 微粒子濃度 63 mg/mL の粒径 500 nm PSL を溶液流速 50 µL/min で噴霧して SMPS で測定した粒径分布

Numbernumber of particle / cm-3

500
400
300
200
100
0

0

200

400

600

800

1000

Particle diameter / nm
図 3.2-28 微粒子濃度 63 mg/mL の粒径 500 nm PSL を溶液流速 5 µL/min で噴霧して SMPS で測定した粒径分布

3.2-18- 71 -

JAEA-Review 2023-040

2) ZrO2 ならびに(Zr,U)O2 微粒子を用いた肥大化試験
3.2.1(2)①1)に示した、PILS 装置により ZrO2 、(U0.9,Zr0.1)O2 、(U0.5,Zr0.5)O2 、(U0.16,Zr0.84)O2、(U0.024,Zr0.976)O2 微粒子を捕集した溶液を用い、図 3.2-14 に示した肥大化実験システムを使用して肥大化試験を行った。試料溶液の流量を 0.5 - 50
mL/min で変化させて微粒子の粒径分布を測定した。噴霧装置のキャリアガス流量は2.0 L/min に、乾燥後の追加エアー流量も 2.0 L/min に固定した。微粒子数の測定は OPC を用い、一部条件で SMPS を用いた。
図 3.2-29～図 3.2-31 に、それぞれ ZrO2 捕集溶液の原液、原液を 50 分の 1 に希釈した溶液、500 分の 1 に希釈した溶液を噴霧して OPC で測定した微粒子の粒径分布を示している。いずれの溶液濃度においても、検出された微粒子数は、標準微粒子の場合と同様に溶液流速の増加と共に多くなっている。また、微粒子数は粒径の小さい方から大きい方に向かって単調に減少している。この結果を標準微粒子の結果と比較すると、ZrO2 微粒子の濃度が非常に低いため、肥大化が起きていない（あるいは観測されないほど少ない）ことが推測される。しかしながら、3.4 節の模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究では、ZrO2 や(U0.9,Zr0.1)O2 の噴霧捕集物の観察において大きな微粒子が観測されており、特に、(U0.9,Zr0.1)O2 に対しては肥大化した微粒子であることがわかった。その結果を踏まえると、本噴霧法によって肥大化した微粒子は存在すると言えるが、肥大化粒子の生成量が非常に少ないと言える。
次に、図 3.2-32～図 3.2-35 に、それぞれ(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子、(U0.5,Zr0.5)O2 微粒子、(U0.16,Zr0.84)O2 微粒子、(U0.024,Zr0.976)O2 微粒子の捕集溶液を噴霧して得られた粒径分布を示している。ZrO2 の結果を参考にして希釈はしていない。いずれの結果もZrO2 と非常に類似して、粒径範囲が大きくなるにつれ、単純に減少している。
(U,Zr)O2 微粒子の濃度が非常に低いため、やはり肥大化粒子は非常に少ないと推測される。
次に、図 3.2-36 に(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子の捕集溶液を噴霧して SMPS で測定した粒径分布を示している。粒径が小さい粒子が多いことがわかる。また、図 3.2-37 に(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子を微粒子生成チャンバーから直接 SMPS に搬送して測定した結果を示している。噴霧して得られた粒径分布での微粒子数が少ないため明確ではない
が、微粒子の粒径分布としては大きく変わらないように思われる。つまり、この結果からも肥大化粒子の生成は非常に少ないことが分かる。また、直接捕集測定（図3.2-37）に対して、噴霧した場合（図 3.2-36）での微粒子生成効率は、それぞれの分布が変わらないことから微粒子数の比を取ることで求まる。その際に、PILS 捕集での排出流速 0.074 mL/min と噴霧での溶液流速 0.05 mL/min の比率 1.5 を乗する必要がある。その結果、肥大化装置での微粒子生成効率は低く、1.3%であることがわかった。

3.2-19- 72 -

JAEA-Review 2023-040

5 μL/min
50 μL/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3
図 3.2-29

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

5-10

ZrO2 捕集溶液の原液を噴霧して OPC で測定した粒径分布

0.5 μL/min
5 μL/min
50 μL/min

105

Counts / min

3-5

103
101
10-1
10-3

<0.3

図 3.2-30

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

3-5

5-10

ZrO2 捕集溶液を 50 分の 1 に希釈した溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布

3.2-20- 73 -

JAEA-Review 2023-040

0.5 μL/min
5 μL/min
50 μL/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

図 3.2-31<0.3

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

5-10

ZrO2 捕集溶液を 500 分の 1 に希釈した溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布

0.5 μL/min
5 μL/min
50 μL/min

105

Counts / min

3-5

103
101
10-1
10-3

<0.3

図 3.2-32

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / μm

3-5

5-10

(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布

3.2-21- 74 -

JAEA-Review 2023-040

0.5 L/min
5 L/min
50 L/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

図 3.2-33

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / m

5-10

(U0.5,Zr0.5)O2 微粒子溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布

0.5 L/min
5 L/min
50 L/min

105

Counts / min

3-5

103
101
10-1
10-3

<0.3

図 3.2-34

0.3-0.5

0.5-1
1-3Particle size / m

3-5

5-10

(U0.16,Zr0.84)O2 微粒子溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布

3.2-22- 75 -

JAEA-Review 2023-040

0.5 μL/min
5 μL/min
50 μL/min

Counts / min

105
103
101
10-1
10-3

<0.3

0.5-1
1-3
Particle size / μm

3-5

5-10

(U0.024,Zr0.976)O2 微粒子溶液を噴霧して OPC で測定した粒径分布-3Number Concentration / (dN/dlogDp)/cm /cm-3

図 3.2-35

0.3-0.5

300
250
200
150
100
50

図 3.2-36

0
10

100

1000

Particle diameter / nm
(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子の捕集溶液を噴霧して SMPS で測定した粒径分布

3.2-23- 76 -

Number Concentration / (dN/dlogDp)/cm-3/cm-3

JAEA-Review 2023-040

15000

10000

5000

図 3.2-37010100Particle diameter / nm

1000

微粒子生成チャンバーで生成した(U0.9,Zr0.1)O2 微粒子を直接 SMPS で測定した粒径分布

3.2.2 まとめ令和 4 年度において肥大化濃縮法の開発を開始した。肥大化濃縮装置を製作し、濃縮部と肥大化部にわけて試験を行った。まず PILS 装置などを用いた濃縮部の試験を行った。KCl
微粒子を用いて PILS 装置の捕集効率を測定した結果 98%と非常に高い値を得た。また、微粒子生成装置を用いて製造した ZrO2 や(U,Zr)O2 微粒子の溶液中への捕集にも成功した。次に、肥大化部の試験を PSL 標準微粒子や ZrO2 や(U,Zr)O2 微粒子を用いて行った。PSL 標準
微粒子を用いた試験において、非常に高濃度の溶液では噴霧後の粒径分布が変化し、濃縮できる可能性が示唆されたが、ZrO2 や(U,Zr)O2 微粒子のような低濃度の溶液では濃縮は観測されなかった。また、肥大化部の効率は 1%程度と非常に低いことがわかった。
今回の条件検討により、今後、肥大化可能なほどに微粒子濃度を高くすること、肥大化部の効率を上げることが必要であることがわかった。また、後段に連結される ATOFMS の導入ガス速度が 0.1 L/min であるため、エアー流量を減らすことも必要である。まず PILS 装
置での排出溶液流速を減らすことによって、肥大化部で肥大化できるほど高濃度の微粒子溶液を排出できるように改良することが必要である。例えば、PILS 装置では過熱蒸気を導入し冷やすことで水分を纏った微粒子を生成させているが、水分の導入方法や冷却[13] に
よって飽和水分量を少なくし、排出溶液量を少なくさせることが考えられる。あるいは溶媒を変更することも有効かもしれない。次節（3.3）に PILS 捕集の際に U の一部が溶解してしまうことを示しているが、上記の開発により改善が見込まれる。また、肥大化部のエアー流量を減らすには、現在の微粒化に用いているエアーアシスト型アトマイザ（噴霧）を、超音波アトマイザなどに変更することが必要である。さらに肥大化部の収集効率を上げるためには、現在のエアーアシスト型アトマイザでは肥大化部のチャンバー壁などに液滴が付着して効率が悪い部分を、超音波アトマイザで直線的に噴霧させ、さらにチャンバ

3.2-24- 77 -

JAEA-Review 2023-040

ーに除湿可能なナフィオン膜などを取り付けることで、より効率的に乾燥微粒化することなどが改良策として考えられる。

3.2-25- 78 -

JAEA-Review 2023-040

3.3 模擬アルファ微粒子の粒径ならびに含有元素分布に関する研究（令和 3 年度～令和 4 年度）
3.3.1 模擬アルファ微粒子の粒径ならびに含有元素分布に関する研究（令和 3 年度～令和 4
年度）(1) 令和 3 年度までの概要
令和 3 年度には、模擬アルファ微粒子中に含まれるウラン(U)等の元素の定量に向けた準備を整えることを目標とし、模擬微粒子の元素の定量に用いる ICP-MS（Inductive
Coupled Plasma Mass Spectrometry）装置を整備した。ICP-MS の性能確認を行い、Zr,U標準溶液を用いて含有元素の較正曲線を作製したところ、Zr/Tl 比および U/Tl 比共に各濃度に対して良い直線性を示した。加えて、測定対象とする元素 Zr および U の定量下限値は ppt レベルであることがわかった。また、新たにフィルタに捕集した ZrO2 を簡便に溶液化し、ICP-MS 溶液試料とする方法を見出した。
(2)

令和 4 年度実施内容および結果
令和 4 年度には、肥大化濃縮装置の性能を模擬微粒子中の元素定量を通じて検討した。
本研究では微粒子生成装置を用いて模擬微粒子を、肥大化濃縮装置を用いて肥大化した
場合と肥大化していない場合とで、インパクタならびに ICP-MS を用いて捕集、測定を行った。捕集した微粒子に含まれる U や他の元素（Zr）の濃度を定量した。
① 実験器具、試薬および実験装置の名称一覧
実験器具：アズワン製 50 mL 石英ビーカー、アズワン製ホットスターラ、Thermo
Fischer Scientific 製ホットスターラ、Aldrich 製酸化ジルコニウム（ZrO2）、富士フ
イルム和光純薬製電子工業用硫酸（H2SO4）、富士フイルム和光純薬製 ICP 分析用過酸化水素（H2O2）、キシダ化学製特級塩化アンモニウム（NH4Cl）、富士フイルム和光純薬製電子工業用硝酸（HNO3）を用いた。超純水は Merck 社製超純水製造装置 EQ7000 から採水した。微粒子の捕集には東京ダイレック株式会社製カスケードインパクタ LP-20、カス
ケードインパクタの捕集用ろ紙は ADVANTEC 製 No.7 セルロースフィルタを用いた。元
素定量を行う ICP-MS の測定には Agilent 社製 ICP-MS 7850（He モード）を用いた。微粒子の粒径ならびに分布測定には大塚電子製 ELSZneo を用いた。超遠心分離には IKA
製 G-L を用いた。
② 分析装置、捕集装置の概要
1) 元素の定量：誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS）測定
アルゴンガスの誘導結合プラズマをイオン源とし、そのプラズマ（10000 K）中でイオン化された試料の質量を測定することで元素分析を行う方法である。液体もしくは固体などの多様なサンプルに適用でき、環境分野以外にも医療、工業など幅広い分野で用いられている。ヘリウムコリジョンガスの導入によって多原子イオン
干渉を除去し、内部標準法を用いて測定を行ってウランならびにジルコニウムを定量する（図 3.3-1）。

3.3-1- 79 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.3-1 ICP-MS 7850 の外観
2)

粒径分布測定：動的光散乱法
微粒子はその粒径に依存したブラウン運動をしているため、この粒子にレーザーを照射したときに得られる散乱光は、小粒子は素早い揺らぎを、大粒子はゆっくりした揺らぎを示す。この現象を利用した動的光散乱法を用いて、溶液中の微粒子分
布、粒径測定を行った。得られる散乱光は光子相関法によって解析することで、粒子径と粒度分布を求めている。この測定では 10 nm〜 1 µm 程度の粒径範囲を測定可能であり、今回生成したウランの微粒子は 100 nm〜 1 µm 程度の粒径分布を有すると予測されるため適用した。具体的には微粒子捕集装置（PILS）によって捕集し、水溶液中に分散した微粒子の粒径分布の測定を行っている（図 3.3-2）。

図 3.3-2 粒径分布測定装置 ELSZneo の外観

3.3-2- 80 -

JAEA-Review 2023-040

3) 分粒装置：カスケードインパクタ
エアロゾルを捕集するための粒子捕集器である。慣性衝突を利用しフィルタ上に微粒子の捕集を行う装置である。ノズルと衝突板を数段直列に組み合わせた装置で、一段ごとに分離粒子径が小さくなるようにノズル径を徐々に小さくしてある。このような構造を持っているため、カスケードインパクタ内に吸引された微粒子は、各段で粒子径別に捕集される。本装置は低圧条件 （73.3kPa）下で、捕集径 0.06 12µm の粒子の分級捕集が可能である（図 3.3-3）。

図 3.3-3 カスケードインパクタ LP-20 の外観
4)

超遠心分離機
超遠心分離機は遠心力を 10 万 g 以上に設定が可能な遠心機である。このような遠心力下では、nm サイズの物質でも沈降させることが可能であり、生物学分野においてはタンパク質の濃縮や細胞成分の単離等に用いられる。今回は nm サイズの微粒子が分散した捕集液から、微粒子と溶液を分離するために用いた（図 3.3-4）。

図 3.3-4 超遠心分離機 G-L の外観

3.3-3- 81 -

JAEA-Review 2023-040③ インパクタを用いた ICP-MS による元素定量した実験内容およびその結果
1) 微粒子溶解ならびに ICP-MS サンプリング工程
まず、本実験で行ったインパクタを用いた微粒子捕集実験後に、フィルタ上に捕集した微粒子を溶解し、ICP-MS 用にサンプリングした方法について述べる。インパ
クタで捕集した後のセルロースフィルタφ80 mm を 1/4 サイズにカットした。切断
したフィルタを 50 mL 石英ビーカーに移し濃 H2SO4 1 mL を加えた。発泡するため
H2O2(30wt%) 250 mL を 2 回に分けて加えた。1 回目添加時は褐色となり、2 回目で薄黄色の溶液となった。200℃のホットスターラ上にビーカーを置いて 5-10 分間反応させ、発泡が収まったら 250℃とし、溶液の色が無色透明になるまで 1 時間加熱した。この加熱により H2O2 を完全に分解させた。次に、ホットスターラの温度を350℃まで上げ、1.9 M NH4Cl (10 mL を 2 回)加えた。1 回目の添加から 30 分後に 2回目を加えて計 1 時間掛けて蒸発、減容を行った。溶液の体積が 50 mL 程度になったことを確認して HNO3 aq.(5wt%) 500 mL でビーカー内を 2 回洗浄し、その洗浄液を 15 mL PP 遠沈管に充填した。最終的に総重量 10.0 ± 0.2 g となるように HNO3
aq.(5wt%)を加えて ICP-MS の測定溶液とした。ICP-MS の検量線として用いる標準溶液を調製する際には、溶液のマトリックスを統一するため、H2SO4(1wt%)となるよ
うに標準液に濃 H2SO4 を加えて、HNO3(5wt%)で希釈した[14][15]。その他に、フィル
タを重量測定することでカウント値を補正した。また、PILS 等で捕集した微粒子を含む溶液の調製は、H2O2 を分解させる工程を省略して行った。
2) (Y0.08,Zr0.92)O2 ペレットを用いたレーザーアブレーション後の直接捕集実験の再現
性確認
ロープレッシャーインパクタの捕集で用いるフィルタを、令和 2 年度に行った同様の捕集実験[16]で用いた PTFE フィルタ（Advantec 製 PF050）からセルロースフ
ィルタに変更したため、このフィルタを用いて同様に捕集実験を行い、違いがない
ことをまず確認した。ICP-MS 測定によって定量した結果を図 3.3-5 に示す。次に、PTFE フィルタに捕集した結果を図 3.3-6 に示す。図 3.3-5 と図 3.3-6 の比較から、
セルロースフィルタ上に捕集しても、PTFE フィルタ上に捕集した場合と同様の粒径分布の結果を得ることができることがわかった。また、インパクタの全ての段でのZr:Y の比率はペレットの(Y0.08,Zr0.92)O2 の物質量比を概ね再現しており、こちらもPTFE フィルタでの結果と一致していた。つまり、セルロースフィルタは PTFE フィ
ルタの代わりに用いても良いことがわかった。

3.3-4- 82 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.3-5 (Y0.08,Zr0.92)O2 のペレットをレーザーアブレーションしセルロースフィル
タ上に捕集した粒径分布と物質量比の分布

図 3.3-6 (Y0.08,Zr0.92)O2 のペレットをレーザーアブレーションし PTFE フィルタ上に捕集した粒径分布と物質量比の分布(U0.5,Zr0.5)O2 ペレットを用いたレーザーアブレーション後の直接捕集実験
次に(U0.5,Zr0.5)O2 ペレットを用いてレーザーアブレーション後に捕集し、ICP-MS 測定を行った結果を図 3.3-7 に示す。フィルタに捕集された U:Zr の物質量比（U の%比率）を図中に示しているが、ペレットの物質量比（50:50）とは全く異なる値となった。前項 2)で示したように(Y,Zr)O2 ペレットを用いた場合には、レーザーアブレーシ
ョン後でもペレットの物質量比を再現していた。しかし、(U0.5,Zr0.5)O2 ペレットにレーザーアブレーションを行いながら捕集した場合、いずれの段にも U ならびに Zr はフィルタ上に捕集されたが、総じて元のペレットの U の比率が低く(<50%)なっている
ことがわかった。この結果に関する考察は本項 6)にて後述する。

3)

3.3-5
- 83 -

JAEA-Review 2023-040

ICP-MS で定量した U と Zr の濃度の粒径分布を図 3.3-8 に、Y と Zr の濃度の粒径分
布を図 3.3-9 に示している。これらの図の比較により、おおよそ同様の粒径分布を示すことがわかる。そのため、本研究で用いたレーザーアブレーションで生成した微粒子は、1 µm をピークトップに持つ微粒子であり、その粒径は元素に依存することは無
いと考えられる。

Zr
dM/dD [μg/μm]

U

図 3.3-7 (U0.5,Zr0.5)O2 のペレットをレーザーアブレーションしセルロースフィルタ
上に捕集した粒径分布と物質量比の分布

図 3.3-8 (U0.5,Zr0.5)O2 のペレットをレーザーアブレーションし直接インパクタへ捕集したときの測定溶液濃度と粒径分布

3.3-6- 84 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.3-9 (Y0.08,Zr0.92)O2 のペレットをレーザーアブレーションし直接インパクタへ捕集したときの測定溶液濃度と粒径分布
4)

微粒子捕集装置（PILS）で捕集した溶液の U と Zr の定量(U0.5,Zr0.5)O2 に加えて物質量比の異なるその他の 3 つの(U,Zr)O2 ペレットについても、PILS を用いて捕集した溶液中の U と Zr の定量を行った(表 3.3-1)。また、各溶液中の元素の物質量比を求め、ペレットの各物質量比[U:Zr= 90:10, 50:50,
16:84, 2.5:97.5]と比較した結果を図 3.3-10 に示す。元のペレットにおける U/Zr
比から大きく外れる結果となった。この結果についての考察は本項 6)にて後述する。

表.3.3-1 PILS を用いて捕集したときの Zr および U の溶液濃度

3.3-7- 85 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.3-10 (U,Zr)O2 ペレットの U:Zr 物質量比に対する PILS で捕集した溶液のU:Zr の物質量比

5) PILS と肥大化装置で生成した微粒子をインパクタで捕集した U と Zr の定量(U0.5,Zr0.5)O2 について、PILS で捕集した後に肥大化装置を通した後の粒径分布を図
3.3-11 に示す。肥大化装置に通した後の Zr の濃度は BG のカウントと同程度のカウント(200 - 300)しか得られなかったため Zr の定量はできなかった。一方で U については BG よりも有意なカウントが得られたため定量を行うことができた。肥大化濃縮装置を用いた微粒子の粒径分布と直接フィルタ捕集での粒径分布を図 3.3-11 に示す。
この結果から、レーザーアブレーション後、フィルタに直接捕集した場合には粒径 1µm を最大に持つ粒径分布であるのに対して、肥大化濃縮装置を通すと粒径 0.3 µm を最大に持つ粒径となっていることがわかった。そのため、この装置を通すことによって微粒子のサイズは減少していることが示された。
また、このときの U の捕集前後の結果を用いて肥大化装置の捕集効率を算出した。
まず、PILS でバイアルに捕集した U 濃度は 3.5±0.5 ppb であった。この溶液を用いて肥大化装置で溶液流速 50 µL/min で 2 時間捕集を行ったことから、肥大化装置内部に送液した合計の U の量は 21±3 ng であった。また、肥大化後に全フィルタ上に捕集された U 濃度の合計は 0.63±0.09 ppb であった。これをフィルタ切断による重量補正と調製した溶液の重量補正を行うと 0.025±0.004 ng となる。よって、肥大化装置での効率は非常に悪く、0.12±0.02%であった。
インパクタの到達効率とフィルタ上に捕集された粒径分布の結果から、肥大化濃縮装置に投入した溶液中の微粒子の多くは、インパクタまで到達していないことがわかった。そのため、粒子の肥大化が観測されなかったのではないかと考えられる。より効率的な肥大化濃縮装置の開発が必要である。

3.3-8- 86 -

denlargement treatment /JAEA-Review 2023-040

図 3.3-11 (U0.5,Zr0.5)O2 をレーザーアブレーション後に直接インパクタ捕集した場合と肥大化濃縮装置を通した後の粒径分布の比較

6) (Y0.08,Zr0.92)O2 ペレットと U:Zr ペレットの粒径分布の違いに関する考察(Y0.08,Zr0.92)O2 ペレットと(U0.9,Zr0.1)O2 ペレットを、各々レーザーアブレーションをしながら PILS に捕集した溶液の、DLS 測定による粒径分布をそれぞれ図 3.3-12 左な
らびに右に示している。(Y,Zr)O2 ペレットは粒径分布のピークトップが約 1 µm であった一方、(U,Zr)O2 ペレットの粒子径のピークトップは約 0.2 µm であった。
（(U,Zr)O2
ペレットの結果は 3.2 項の結果の再掲である。）前述した ICP-MS 測定では、フィルタ上に直接捕集した(Y,Zr)O2 ならびに(U,Zr)O2 ペレットは、それぞれ図 3.3-8、図 3.39 に示したように 1 µm を中心に粒径分布していた。(Y,Zr)O2 ペレットの結果は、図3.3-12 に示した結果と矛盾がないが、(U,Zr)O2 ペレットについては図 3.3-8 と図 3.312 で全く異なる。そこで、PILS で捕集する過程において捕集に用いた超純水に微粒
子中の U が溶解したため粒子がより小さくなり、粒径分布が変化したのではないかという仮説を立てて、検証を行った。PILS 捕集後にフィルタユニット（アミコンウルト
ラ遠心式限外ろ過フィルタユニット、10K 用）を用いて限外ろ過（10000 rcf）を 30分間行い、PILS 捕集液中の微粒子を除去して、超純水に溶解している U と Zr を定量した。また、限外ろ過の前後で DLS 測定により粒径分布を測定可能であり、微粒子成分の除去も確認可能であるため限外ろ過前後の DLS 測定も合わせて実施した。
(U0.9,Zr0.1)O2 と(U0.5,Zr0.5)O2 に対する結果をそれぞれ図 3.3-13 ならびに 図 3.3-14 に示す。これらの図から、限外ろ過前後において 0.2 µm 付近にピークトップを持つ微粒子は全く観測されてなく、限外ろ過後には粒子はろ過されていることがわかる。そのため、限外ろ過後には、超純水に溶解した成分のみが溶液中に存在していると考えて良い。そこで、これらの試料の ICP-MS 測定を行った。

3.3-9- 87 -

JAEA-Review 2023-040

限外ろ過前後の(U0.5,Zr0.5)O2 と(U0.9,Zr0.1)O2 の各元素濃度を定量した結果を表 3.3-2に示す。238U は限外ろ過前後ではその U 濃度についてオーダーでの変化はない。一方で 90Zr は限外ろ過前では 90Zr を定量可能であったが、限外ろ過後では 90Zr 由来のカウントが検出限界未満となった。この結果から、PILS 捕集後に、Zr はほぼ全て不溶性の微粒子として存在しているのに対し、U の一部は、(U,Zr)O2 から超純水に溶解した状態で存在していることが示された。この原因として、レーザーアブレーションの過程において、当初、4 価であった U が酸化を受けて 6 価のウラニル(UO22+)へと化学変化したことが考えられる。天然で基本的に U はウラニルとして地殻や海水に存在しており、特に水中にはイオンの形で溶解して存在している[16]。また、銅やニッケルなどの酸化還元応答性を持つ金属ターゲットについては、レーザーアブレーション（おおよそ 60 kJ/m2）を行った表面に化学変化が生じて、Cu+や Ni+へと電離することが報告されている [17][18]。今回の系においても同様に 4 価の U が 6 価のへと酸化されたと考えられる。また、レーザーアブレーションは生じた微粒子とターゲットの間の組成変化が生じにくいことが知られている。(U,Zr)O2 は(Y,Zr)O2 と違い、物質量比の異なる微粒子がフィルタ上に捕集されていた。この原因として、同じ箇所を研磨等で新たに面出しをせずに何度もレーザーで走査したことから表面の化学組成が変化し、異なる組成の微粒子が検出されたのではないかと推測している。

図 3.3-12（左）(Y0.08,Zr0.92)O2 ならびに（右）(U0.9,Zr0.1)O2 の PILS 捕集後の粒径
分布

図 3.3-13 (U0.9,Zr0.1)O2 の（左）限外ろ過前ならびに（右）限外ろ過後の粒径分布
3.3-10- 88 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.3-14 (U0.5,Zr0.5)O2 の（左）限外ろ過前ならびに（右）限外ろ過後の粒径分布

表 3.3-2 PILS 捕集溶液の限外ろ過前後の U と Zr の濃度変化

3.3.2 まとめインパクタによる微粒子捕集にはこれまで PTFE フィルタが用いていたが、これをセルロースに置き換えても問題なく捕集することができることを明らかにした。次に模擬微粒子を生成させるため、(UxZr1-x)O2[X= 0.9, 0.5, 0.16, 0.025]ペレットに対して、レーザーア
ブレーションを行い生成した微粒子について ICP-MS を用いた定量分析を実施した。直接インパクタに捕集した微粒子については 1 µm をピークトップに持つ粒径分布を示し、(Y0.08,Zr0.92)O2 での粒径分布と同様であった。しかし、肥大化装置で捕集した U の微粒子の粒径分布は 0.2 µm をピークトップに持っていた。加えて、これらの微粒子の物質量比がターゲットに用いたペレットの物質量比と異なることがわかった。レーザーアブレーションの過程で作製ペレットとは異なる組成へと変化することを示唆する結果が得られ、U が酸化するためと推定された。最後に、肥大化装置の効率を算出したところ約 0.1%であった。
肥大化装置に投入した溶液中の微粒子の多くはインパクタまで到達していないと考えられる。そのため、現在、肥大化させた微粒子の挙動を正しく観測できていない可能性が高い。
本装置の効率改善および捕集方法の改良が必要であるが、これらの結果について「ナノ微粒子の肥大化濃縮法」研究班と議論しながら進めており、3.2 節のまとめに記述した今後の改良に反映している。

3.3-11- 89 -

JAEA-Review 2023-040

3.4 模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究（令和 3 年度～令和 4 年度）
3.4.1 模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究（令和 3 年度～令和 4 年度）(1) 令和 3 年度までの概要
令和 3 年度には、改良型 ATOFMS の測定感度に影響する肥大化微粒子の化学状態として、表面状態や元素分布に関する知見を得ることを目的して、肥大化微粒子との比較
データとなる肥大化していない模擬アルファ微粒子の情報を取得した。U/Zr の比率が異なる(U,Zr)O2 固体試料から 模擬 アルフ ァ微 粒子を 生成 し、SEM/EDS（ScanningElectron Microscope/ Energy Dispersive x-ray Spectroscopy）装置を用いた観測を実施した。その結果、原料が気化、凝縮を経て生成したと考えられるサブ µm の粒径を持つ球状微粒子と、原料が小破片となって飛散したと考えられる不定形の粒子が存在することがわかった。また、粒子の元素組成分析においては、濃縮肥大化した粒子に対する表面状態等の性状分析も可能であることがわかった。濃縮肥大化した粒子の粒
径分布や形状分析を行うための手法を検討した結果、令和 4 年度以降、SEM 像の画像解析による手法が応用可能であると結論した。
(2)

令和 4 年度実施内容および結果
3.2 節と同様に、微粒子は ZrO2 あるいは(U,Zr)O2 試料をアブレーションして生成した。肥大化微粒子は 3.2 節の肥大化装置を用いて製造した。これらの微粒子をインパクタ装置に搬送し、カーボンテープに捕集して測定試料とした。肥大化の効果を評価するために、PSL 標準微粒子、ZrO2、(U0.9,Zr0.1)O2 を原料として生成した微粒子の表面状態の観察を、SEM-EDS を用いて行った。標準微粒子の観察では、複数の PSL 粒子による集合体の存在から肥大化の成功が示唆された。ZrO2 の観察では数 µm の大きさの ZrO2粒子が存在していることがわかったが、肥大化により生成したものであるかの判断はできなかった。一方で(U0.9,Zr0.1)O2 の観察では、大きさが 100 nm 程度の U を含んだ粒子による集合体が観測され、標準粒子と同様に肥大化が成功していることが示唆された。また、(U0.9,Zr0.1)O2 については約 1,000 個の肥大化したと考えられる粒子に対し形状分析を行い、中央粒径や平均粒径などを見積もり、今後肥大化条件を検討する上で必要な基礎情報が得られた。

① 模擬アルファ微粒子の表面状態の観察
肥大化の効果を評価するために、PSL 標準微粒子、ZrO2、(U0.9,Zr0.1)O2 を原料として生成した粒子の表面状態を、SEM/EDS 装置（Phenom 社製 Phenom ProX: 加速電圧
15 kV、最大倍率 130,000 倍）を用いて観察した。また表面の元素組成についても分析を行った。
1) 肥大化後の PSL 標準微粒子
肥大化の効果の評価の第一段階として、PSL 標準微粒子を用いて生成した粒子について、SEM による外観観察を行った。PSL 粒子は粒径が均一なポリスチレン製の真球状の粒子であるため、肥大化濃縮が効果的に行われていれば PSL 粒子の集合体が生成していることが期待される。PSL 粒子の粒子径が 800 nm、500 nm、125 nm のものを用い、肥大化装置を用いてそれぞれ 50 µL/min の流量にて 90 秒間の捕集をしたものを観察した。図 3.4-1～図 3.4-3 にそれぞれ粒子径が 800 nm、500 nm、125 nmの PSL 微粒子の SEM イメージを示す。図 3.4-1 および図 3.4-2 では多数の PSL 粒子
3.4-1- 90 -

JAEA-Review 2023-040が結合した集合体が見られ、個々に存在していた PSL 粒子が肥大化により数 µm の
大きさの集合体を形成したと推測される。もっとも小さな粒径の PSL 粒子（125 nm）を用いた実験の結果を示す図 3.4-3 においては、より多数の PSL 粒子から成る数十µm の大きさの集合体が見られた。
これらの PSL 粒子を用いた肥大化実験の結果から、いずれの粒径の PSL 粒子においても効果的な肥大化が行われていることがわかった。

図 3.4-1 粒径 800 nm の PSL 微粒子の肥大化後の SEM イメージ

図 3.4-2 粒径 500 nm の PSL 微粒子の肥大化後の SEM イメージ

3.4-2
- 91 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.4-3 粒径 125 nm の PSL 微粒子の肥大化後の SEM イメージ
2)

肥大化後の ZrO2 微粒子
次に ZrO2 を原料として生成した粒子について SEM による外観観察を行った。肥
大化時の流量および捕集時間は 5 µL/min にて 10 分、50 µL/min にて 10 分、50
µL/min にて 30 分の 3 つの条件にて捕集された試料を観察した。流量が 5 µL/min
で 10 分間捕集した試料については、ZrO2 粒子を見つけ出すことができなかった。
3.2 節や 3.3 節で示したように、肥大化部の効率が極めて悪く、十分量の ZrO2 を捕集できなかったことが原因と考えられる。図 3.4-4 および図 3.4-5 に流量 50µL/min にて 10 分間捕集した試料の SEM イメージを示す。図 3.4-4 においては、
中央付近とその右側に数 µm の大きさの粒子が 3 つ存在しており、これらの粒子に対して EDS 分析を行った結果、いずれの粒子も ZrO2 を数%含有することがわかった。図 3.4-4 の中央付近の粒子に対して EDS 分析を行った結果を図 3.4-6 および
表 3.4-1 に示す。また、
図 3.4-5 の微粒子に対して EDS 分析を行った結果を図 3.47 および表 3.4-2 に示す。図 3.4-4 には ZrO2 を含む微粒子以外に粒径が 1 µm 未満の球形の微粒子もみられ、これらの EDS 分析を行ったところ炭素を主成分とする微粒子であったため、試料中に PSL 粒子が混入したものと推測される。図 3.4-6
および図 3.4-7、表 3.4-1 および表 3.4-2 から、EDS 分析を行った粒子はいずれもZrO2 を含む。微粒子の構成元素として炭素が存在することが示されているが、この炭素の由来は混在した PSL 粒子であると考えられる。図 3.4-8 に流量 50 µL/min
にて 30 分間捕集した試料の SEM イメージを示す。図 3.4-8 では、粒径が 2-3 µmの粒子と 1 µm 未満の球状の微粒子とがみられる。このふたつの微粒子について
EDS 分析を行った結果を、それぞれ図 3.4-9 と表 3.4-3 および図 3.4-10 と表 3.44 に示す。これらの分析の結果から、大小いずれの粒子も図 3.4-4 および図 3.4-6

3.4-3- 92 -

JAEA-Review 2023-040で見られた ZrO2 を含んだ粒子と同じく PSL 粒子を由来とする炭素を含んだ粒子であると推測される。

図 3.4-4 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料のSEM イメージ①

図 3.4-5 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料のSEM イメージ②
3.4-4- 93 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.4-6 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-4 の中央付近）の EDS スペクトル表 3.4-1 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-4 の中央付近）の元素組成
Element

Atomic Concentration (%)

Error (%)

Zr

4.1

0.0

C

73.0

0.8

O

22.1

0.2

Y

0.9

0.0

図 3.4-7 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-5）の EDS スペクトル表 3.4-2 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 10 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-5）の元素組成
Element

Atomic Concentration (%)

Error (%)

Zr

8.0

0.0

Y

2.6

0.0

O

30.9

0.2

C

58.6

0.8

3.4-5
- 94 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.4-8 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料のSEM イメージ

図 3.4-9 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-8 の上側）の EDS スペクトル表 3.4-3 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4-8 の上側）の元素組成
Element

Atomic Concentration (%)

Error (%)

Zr

4.2

0.0

C

65.5

0.8

O

28.6

0.2

Y

0.9

0.0

Si

0.8

0.2

3.4-6
- 95 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.4-10 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4.8 の下側）の EDS スペクトル表 3.4-4 ZrO2 を原料とし流量 50 µL/min にて 30 分間捕集した肥大化後の試料中に存在する ZrO2 を含む粒子（図 3.4.8 の下側）の元素組成
Element

Atomic Concentration (%)

Error (%)

Zr

3.3

0.0

C

71.7

0.8

O

24.4

0.2

Y

0.6

0.0

以上の結果から、実験系に PSL 微粒子が混入したと考えられるが、肥大化後の試料にみられた ZrO2 および PSL 微粒子の両方の元素組成に由来する粒子は、肥大化のプロセスによって生成したと考えられるため、ZrO2 を原料とした場合においても肥大化の効果が確かめられた。しかし、流量を 5 µL/min とした際には肥大化した粒子がみられなかったことおよび流量が 50 µL/min であった場合においても、生成した粒子の大きさが PSL 微粒子を原料とした場合よりも小さかったことなどから、肥大化の効果は原料や流量に依存する可能性が示唆された。
3) 肥大化後の(U,Zr)O2
原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化を行い、生成した粒子を捕集して SEM による外観観察を行った。肥大化による試料調製時の流量および捕集時間は 50 µL/min にて約 30 分間であった。図 3.4-11 および図 3.4-12 に試料の SEM イメージを示す。
図 3.4-11 に示すように粒子径が数 mm の微粒子が多数観測された。図 3.4-12 は一部の粒子を拡大したものであり、粒子径が 100 nm 未満の粒子が多数集合して粒子を形成していることがわかった。集合体を形成していない単独の粒子も見られたが、これらが肥大化プロセスにおいて集合体を形成しなかったか、捕集後に集合体から分離されたものであるかは判断できない。また、図中の輝度の低い球状の粒子は、
EDS 分析により PSL 微粒子であると推測され、ZrO2 の肥大化実験と同様に(U,Zr)O2を原料とした実験においても PSL 粒子が混入したとみられる。図 3.4-13 および表
3.4-5 に図 3.4-12 の中心にある集合粒子の EDS 分析の結果を示す。集合体を形成す

3.4-7- 96 -

JAEA-Review 2023-040

る粒子には有意にウランが含まれており、原料である (U0.9,Zr0.1)O2 から生成した粒子が肥大化して集合体を形成したことを示している。

図 3.4-11 原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料の SEM イメージ①

図 3.4-12 原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料の SEM イメージ②

3.4-8- 97 -

JAEA-Review 2023-040

図 3.4-13 原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料中の微粒子の集合体（図 3.4-12 の中心）の EDS スペクトル表 3.4-5 原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料中の微粒子の集合体（図 3.4-12 の中心）の元素組成
Element

Atomic Concentration (%)

Error (%)

C

48.0

0.7

U

15.6

0.1

O

18.4

0.3

N

15.6

0.6

Zr

0.8

0.6

Si

0.7

0.3

Al

0.9

1.1

② 肥大化した(U, Zr)O2 粒子の形状分析
前節 3)にて表面分析を行った肥大化後の(U,Zr)O2 の集合体について、その形状分析を行った。分析はパーティクルメトリックソフトウェアを用い、取得した SEM イメージに対する画像解析により行った。粒径分布については、SEM イメージから粒子の集合体ごとに水平断面積を見積もり、集合体の形状を円であると仮定して見積もった直径を粒径（Circle equivalent diameter）として求めた。前述のとおり PSL 粒子の混入がみられたため、PSL 粒子が画像解析の対象とならないように、画像解析に用いる SEM イメージを取得する際にコントラスト調整を行った。なお、今回の画像解析
においては倍率を固定した 50 視野にて連続して SEM イメージを取得し、1022 個の粒子に対して解析を行った。図 3.4-14 に得られた粒径（Circle equivalent diameter）
分布を示す。用いた SEM 装置の画像解像度が数百 nm であるため、それ以下の大きさの粒子を計数することができないが、計数できる範囲の粒子における平均粒径は 312
nm であり、平均断面積は 0.0886 mm2 であった。個別の(U,Zr)O2 粒子の大きさを 100
nm と仮定すると、平均的な大きさの集合体は、おおよそ 20〜30 個の粒子で構成されていると推測される。また、最大で 1 mm を超える粒子も極少数ではあるが存在する
3.4-9- 98 -

JAEA-Review 2023-040

ことがわかった。つまり、肥大化プロセスにより数個〜数十個の粒子からなる集合体が形成されていると推測される。

図 3.4-14 原料に(U0.9,Zr0.1)O2 を用いて肥大化した試料中の粒子の集合体の粒径分布（赤色の実線は積算収率）

3.4.2

まとめ
肥大化の効果を評価するために、標準微粒子(PSL)、ZrO2、(U0.9,Zr0.1)O2 を原料として生成した微粒子の表面状態の観察を行った。PSL 微粒子および(U0.9,Zr0.1)O2 を原料とした際には、生成した粒子が集合体を形成することで肥大化した粒子が観察された。ZrO2 の原料とした場合においては数 µm の大きさの ZrO2 微粒子が観察されたが、PSL 微粒子や(U0.9,Zr0.1)O2
を原料とした場合と異なり、集合体の形成はみられなかった。また、(U0.9,Zr0.1)O2 については約 1,000 個の肥大化したと考えられる粒子に対し形状分析を行い、数個から数十個の粒子から成る集合体が形成されていることがわかった。部分的ではあるが、肥大化微粒子生成に成功していることについて「ナノ微粒子の肥大化濃縮法」研究班と議論し、肥大化法が原理的に成功していることを確認できた。

3.4-10- 99 -

JAEA-Review 2023-040

3.5 研究推進
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。また、以下のとおり、研究実施計画を推進するための打ち合わせや会議等を開催した。
〇 キックオフミーティング（令和 4 年 5 月 27 日）
・令和 4 年度の目標、内容の確認
・各班の進捗状況の紹介
・予算計画〇 定期ミーティング（毎週月曜日に実施）
・各班の進捗状況の報告
・研究上の課題点の議論
・予算執行の相談〇 PO との相談（令和 4 年 6 月 3 日）・エキシマレーザーに必須の Ne ガスが入手不能になり、代替案について説明、議論した。
〇 中間フォロー（令和 4 年 12 月 1 日）
・PO、リーチサポーター（RS）への現状報告と議論
・以下の提案を頂いた。
・本分析法の実装先について：作業場所には人は立ち入らず、遠隔で行うであろうが、メンテナンス等での立入りの可能性はある。連続監視のニーズはあるかもしれない。
・検出限界について：作業エリアにおけるα濃度基準の検討をするべき。
・測定核種について：マクロに見れば 1F における 238U と 239Pu の比率はわかっている。
238
U の検出によって下限値を下げられるのではないか。
学会発表として、令和 4 年 9 月 15～17 日に東京大学で開催された日本放射化学会第 66 回
討論会（2022）において、「燃料デブリ取り出し作業での生成を模擬したウラン微粒子の分析」との題目でポスター発表を行った。

3.5-1- 100 -

JAEA-Review 2023-040

4. 結言
令和 4 年度において、以下に示す 4 つの実施項目についての研究を実施した。
(1) 改良型 ATOFMS の開発研究では、改良型 ATOFMS の試作装置を製作し、最終装置の開発に向けた試験を行った。繰り返し周波数 50 Hz、波長 266 nm のイオン化用 Nd-YAG レーザーを入手し、パルス光のエネルギーは最大 4 mJ で、flash-lamp と Q-switch 間の時間を変化させることで、エネルギーを調整可能であることを確認した。また微粒子をイオン化する上で重要な外部制御機能も正常に働くことを確認し、外部信号入力から実際のパルス光が発振するまでの遅延時間の確認も行った。令和 3 年度に設計した粒子検出部と簡易型の TOFの製作を行い、その性能評価を行った。製作した粒子検出部について、実際に微粒子が連続光を通過する際に生じる散乱光を検出し、その信号特性に基づいて、信号検知・タイミ
ング制御回路を製作し、粒子検出部の捕集効率、検出効率の測定を行った。開発した粒子
検出部は、微粒子濃度が約 20,000 個/L 時において、捕集効率が約 85 %、検出効率が約 60 %となることがわかった。改良型 ATOFMS と共通のイオン源と高圧電源システムからなる TOFを製作し、粒子検出部評価用 ATOFMS システムを構築した。粒子速度と同期させたタイミン
グでパルス光を照射し、TOF スペクトルを得た。シグナル強度が 0.5 V 以上の TOF スペク
トルを微粒子由来と定義すると、TOF における粒子検出効率は約 6%と見積もられた。すな
わち粒子検出部と合わせた微粒子の検出効率は約 3.6%となる。ただし、このような強いシ
グナル強度は、微粒子のホットスポットにレーザー光が当たった時に得られることが、従来型の ATOFMS を用いた先行研究で示されており、この試算ではアウトライヤーだけを拾っている可能性が高い。レーザー光のビームプロファイルが均質となるように光学系を構築すれば、より高い効率で微粒子を検出することができると考えられる。これらの結果か
ら令和 4 年度の目標を達成することができた。
(2) ナノ微粒子の肥大化濃縮法の研究では、肥大化濃縮装置を製作し、濃縮部と肥大化部にわけて試験を行った。PILS 装置などを用いた濃縮部の試験を行い、KCl 微粒子を用いて捕集効率を測定した結果 98%と非常に高い値を得た。また、微粒子生成装置を用いて製造した
ZrO2 や(U,Zr)O2 微粒子の溶液中への捕集にも成功した。肥大化部の試験では、PSL 標準微粒子や ZrO2 や(U,Zr)O2 微粒子を用いて行った。PSL 標準微粒子を用いた試験において、非常に高濃度の溶液では肥大化できる可能性が示唆された一方、ZrO2 や(U,Zr)O2 微粒子のような低濃度の溶液では肥大化は観測されないことがわかった。また、現状の肥大化部の効率は 1%程度であることがわかった。これらの条件検討により、今後、肥大化可能なほどに微粒子濃度を高くすること、肥大化部の効率を上げることが必要であることを明らかとし、効率増加に向けた改良策を示すことができた。これらの結果から令和 4 年度の目標を達成することができた。令和 5 年度には、改良装置を用いて肥大化濃縮実験を実施する。
(3) 模擬アルファ微粒子の粒径ならびに含有元素分布に関する研究では、レーザーアブレーシ
ョンを行い生成した(U,Zr)O2 微粒子について ICP-MS を用いた定量分析を実施した。直接インパクタに捕集した(U,Zr)O2 微粒子の粒径分布と、肥大化装置で捕集した微粒子の粒径分布が異なり、さらに微粒子の物質量比も異なることを見出した。レーザーアブレーションの過程で U が酸化するためと推定された。肥大化装置の効率による効率を算出したところ約 0.1%であった。
「ナノ微粒子の肥大化濃縮法」研究班と議論することで今後の改良案に反映することができた。これらの実施内容から令和 4 年度の目標を達成できた。

4-1- 101 -

JAEA-Review 2023-040(4) 模擬アルファ微粒子の表面状態分析に関する研究では、改良型 ATOFMS の測定感度に影響する肥大化微粒子の化学状態として、表面状態や元素分布に関する知見を得ることが目的である。令和 4 年度は、肥大化の効果を評価するために、標準微粒子（PSL）、ZrO2 、(U0.9,Zr0.1)O2 を原料として生成した微粒子の表面状態の観察を行った。PSL 微粒子および(U0.9,Zr0.1)O2 を原料とした際には、生成した粒子が集合体を形成することで肥大化した粒子が観察された。ZrO2 の原料とした場合においては数 µm の大きさの ZrO2 微粒子が観察されたが、集合体の形成はみられなかった。(U0.9,Zr0.1)O2 については約 1,000 個の肥大化したと考えられる粒子に対し形状分析を行い、数個から数十個の粒子から成る集合体が形成されていることを見出した。すなわち、微視的に肥大化粒子の観測を行うことで、SMPS では観測できなかった肥大化粒子の表面状態観測に成功した。これらの結果から令和 4 年度の目標を達成することができた。

4-2- 102 -

JAEA-Review 2023-040

参考文献
[1]

原子力損害賠償・廃炉等支援機構, 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炉のための技術戦略プラン 2019, 2019 年 9 月 9 日, 2019.
[2] 廃炉・汚染水対策関係閣僚等会議, 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, 令和元年 12 月 27 日, 2019.
[3] 国際廃炉研究開発機構, 福島第一原子力発電所の原子炉格納容器内等で採取された試料の分析, 廃炉・汚染水対策チーム会合/事務局会議（第 66 回）報告資料, 2019 年 5 月 30 日,
2019.
[4] 古谷浩志, 単一微粒子質量分析法による粒径・化学組成の同時実時間計測と物質混合状態,
エアロゾル研究, vol.26, no.3, 2011, pp.183–194. DOI: 10.11203/jar.26.183[5] 古谷浩志, 単一微粒子質量分析法を用いた最近の応用エアロゾル研究, エアロゾル研究,
vol.27, no.4, 2012, pp.371-384. DOI: 10.11203/jar.27.371[6] 日本原子力研究開発機構,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（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 2020-050, 2021, 69p.
[7] Liu, P. et al., Generating Particle Beams of Controlled Dimensions and Divergence:
I. Theory of Particle Motion in Aerodynamic Lenses and Nozzle Expansions, Aerosol
Science and Technology, vol.22, no.3, 1995, pp.293-313.
[8] Su, Y. et al., Development and Characterization of an Aerosol Time-of-Flight Mass
Spectrometer with Increased Detection Efficiency, Anal. Chem., vol.76, no.3, 2004,
pp.712-719.
[9] Wiley, W. C. and McLaren, I. H., Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved
Resolution, Rev. Sci. Instrum., vol.26, no.12, 1955, pp.1150-1157.
[10] Wenzel, R. and Prather, K., Improvements in ion signal reproducibility obtainedusing a homogeneous laser beam for on-line laser desorption/ionization of single
particles, Rapid Commun. Mass Spectrom., vol.18, no.13, 2004, pp.1525-1533.
[11] Douglas A. Orsini, Yilin Ma, Amy Sullivan, Berko Sierau, Karsten Baumann, Rodney
J. Weber, Refinements to the particle-into-liquid sampler (PILS) for ground andairborne measurements of water soluble aerosol composition, Atmospheric
Environment, vol.37, nos.9-10, 2003, pp.1243-1259.
[12] Armin Sorooshian, Fred J. Brechtel, Yilin Ma, Rodney J. Weber, Andrew Corless,
Richard C. Flagan, and John H. Seinfeld, Modeling and Characterization of a
Particle-into-Liquid Sampler (PILS), Aerosol Science and Technology, vol.40, no.6,
2006, pp.396-409.
[13] Dongbin Wang, Jingkun Jiang, Jianguo Deng, Yuyang Li, Jiming Hao, A Sampler forCollecting Fine Particles into Liquid Suspensions, Aerosol and Air Quality Research,
vol.20, no.3, 2020, pp.654-662.
[14] 中根清, 高分解能誘導結合プラズマ質量分析法による高純度ジルコニア中微量不純物の定量, 分析化学, vol.53, no.3, 2004, pp.147-152.
[15] 東南雅尚，田畑智一，岡田忠司，ICP-MS による酸化ジルコニウム中の超微量成分分析, 東ソー研究報告, vol.37, no.1, 1993, pp.27-35.

5-1- 103 -

JAEA-Review 2023-040[16] 尾方昇, 井上信子, 垣花秀武, 海水中のウランの採取(X),日本原子力学会誌，vol.13,
no.10, 1971, pp.560-565.
[17] 西川幸男, 吉田善一, 植杉雄二, 水口信一,金属ターゲットの構造変化から見たレーザー・
アブレーションのメカニズム,日本金属学会誌, vol.58, no.8, 1994, pp.936-943.
[18] 橋田昌樹,フェムト秒レーザー加工の加工効率向上に関する基礎研究, FORM TECH REVIEW,
vol.28, 2018, pp.75-79.

5-2- 104 -