2016.03.26 第12回農学部報告会@農学部弥生講堂

福島の放射性微粒子の正体は何か

小暮敏博
東京大学 大学院理学系研究科地球惑星科学専攻

1

Contents
1. 福島の土壌中で放射性Csを吸着している物質
は何か
2. 汚染環境を考慮した粘土鉱物への放射性Csの吸着実験
3. 風化黒雲母中のCsの固定サイトはどこか
4．いわゆる“セシウムボール”について
2

Contents
1. 福島の土壌中で放射性Csを吸着している物質
は何か
2. 汚染環境を考慮した粘土鉱物への放射性Csの吸着実験
3. 風化黒雲母中のCsの固定サイトはどこか
4．いわゆる“セシウムボール”について
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The area where 134Cs and 137Cs morethan 10,000 Bq/m2 have deposited: ~ 8%of Japanese landMore than 1M Bq/m2
Fukushima

Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant
Accident, May, 2011Tokyo

http://gendai.ismedia.jp/articles/-/2350

Relationship between theradioactivity of Cs-137 andPSL of IP, measured using
radioactive soil particles of75 m from Fukushima

Concentration of Cs-137 in thesoil particles is only  20 ppb !
Motai et al., in preparation

土壌中の放射性Csの濃度は，微小領域分析の測定限界以下

X線組成分析（EPMA, XRF) ～ 1000 ppm

SR-XRF～ 10 ppm

Nano-SIMS～ 1 ppm

田野井 他 (2011)

Nakanishi et al. (2013)

まずはオートラジオグラフィで見られる輝点に何があるかを探しに行く7

レーザーマーカーにより形成されたマイクログリッド

放射性土壌粒子をマイクログリッド付きイメージングプレート（IP)上に分散させ、数日間感光させた後の読み取り画像 (Mukai et al., 2014)

9

真空ピンセット付きマイクロマニピュレータ
10SEM-EDS
Type Ⅰ(Fine mineral aggregate)

SiO

Type Ⅱ(Organic-inorganic composite)

Type Ⅲ(Weathered biotite)

COSi

AlO AlAlSiC Mg

TiMg

Ca Ti

FeType Ⅰ
14Type Ⅱ Type Ⅲ
20
16

K

FeTotal50

Mukai et al. (2014)

12

TEM analyses Type Ⅲ (Weathered biotite)
SiOAlMg

KTi

Fe

Contents
1. 福島の土壌中で放射性Csを吸着している物質は何か
2. 汚染環境を考慮した粘土鉱物への放射性Csの吸着実験
3. 風化黒雲母中のCsの固定サイトはどこか
4．いわゆる“セシウムボール”について
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10 ppb in solution
1 ppm in mineralhttp://www.data.jma.go.jp/obd/stats/etrn/

http://radioactivity.nsr.go.jp/ja/contents/7000/6749/24/191_258_0301_18.pdf

飯舘村に降った雨水中の137Cs濃度
1E6 Bq/ (0.012 m x 1m x 1m)  1E5 Bq/L = 2.3 E-10 mol/L = 0.23 nmol/L = 31 ppt
16

Rain drops with Cs+

Cloud

Reaction in equilibrium, between Cs solution
and individual mineral species

CB

A

Cs
Cs

Cs

Cs

Cs

GroundA

B

C

Reaction controlled by kinetics

Cs-137 sorption experiments
Mineral Phases
•••••
••
•

(particle size: 25-53 μm)

biotite (in granite, Ono, Fukushima)vermiculite (weathered biotite, Ono, Fukushima)kaolinite (Oguni, Yamagata)halloysite (Eureka, Nevada)
Illite (sericite, Nabeyama, Shimane)montmorillonite (Tsukinuno, Yamagata)allophane (Kitakami, Iwate)
imogolite (Kurayoshi, Tottori)

Cs-137 solutions• Reagent: non-carrier-added Cs-137 (3.7MBq/mL) Eckert & Ziegler Isotope Products,
Ca, USA (Cs-133: Cs-137 = 1.1 : 1.0)
• Diluted with reverse-osmosis-membrane-filtrated (RO) water
370 Bq/ml (1E-9mol/L, 100 ppt), 37 Bq/ml (10 ppt), 3.7 Bq/ml (1 ppt)
Sorption experiments• Volume of solution: 50 l (18.5 Bq, 1.85 Bq, 0.185 Bq)• Reaction time: 1h, 24h, 168h
IP autoradiography• IP: Fuji Film BAS-MS:
Exp. Time: 24 h
• Polyphenylenesulfide (PPS, 1.2 m) film was inserted between the specimens and IP• IP Reader: Fuji Film FLA-7000

FB: Fresh biotite
WB: Weathered biotite
K: Kaolinite
H: halloysite
IL: illite
M: montmorillonite
A: alophane
IM : imogolite

Mukai et al. (2016b)

19Radioactivity in solution : 1.85 Bq
Mono-mineral on the substrate
1h24 h168 h1h24 h

168 h

5.1 %

40.0 %

93.6 %

6.1 %

6.2 %

5.1 %

WB

SWa-1

WBは長時間にわたって吸着が続くが、スメクタイトは短時間で吸着が終わる

Mukai et al. (2016b)

Desorption experiment with several electrolyte solutions

Mukai et al. (2016b)

Desorption experiment with HCl (pH1)22
Mukai et al. (2016b)

Kato et al., 201523

Contents
1. 福島の土壌中で放射性Csを吸着している物質は何か
2. 汚染環境を考慮した粘土鉱物への放射性Csの吸着実験
3. 風化黒雲母中のCsの固定サイトはどこか
4．いわゆる“セシウムボール”について
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These data are for the uptake of extremely high concentration !

Mckinley et al., (2004)
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セシウムを吸着した雲母の高分解能STEM像（輝点が雲母の層間に入ったCsに対応）(Okumura et al., 2014)
このような高濃度での観察・実験は実際の福島の汚染とはまったく対応しない
26

Cutting out the edges of the grains by FIB
SiO

AlMg

Volume: 64%

K

Fe

FocusedIonbeam

Radioacitivity: 63%

Mukai et al. (2014)
放射性Csは粒子のエッジに濃集してはいないCs吸着箇所の探索

AType Ⅲ (Weathered biotite)

AC

B

Dc

~8.16×10-3 Bq~6.12×10-3 Bq

abc~1.24×10-3 Bq~1.85×10-3 Bq~1.29×10-3 Bq

DDCBABbdDB~4.64×10-3 Bq

aC~1.93×10-2 Bq

d~1.01×10-3 Bq

Daabab~8.72×10-3 Bq~8.24×10-3 Bq

1212~4.11×10-3 Bq~4.63×10-3 Bq

Mukai et al. (2016a)

Cs吸着箇所の探索(Organic-inorganic composite_type 2)
CcCAA

Bab

C

DcdB

CDa

Mukai et al. (2016a)

CcⅠb

Ⅲ
Ⅱ

ⅠcdⅠ

ⅡⅢ

Frayed edge site(FES)

Transition Zone(TZ)

Zaunbrecher et al. (2015)

風化黒雲母（weathered biotite）とは？
正確には黒雲母－バーミキュライト混合層鉱物 （biotite-vermiculite mixed-layer mineral）
花崗岩中の黒雲母が地表で風化 Fe（II)→Fe（III), Fe(III)やMgの溶出， K→Mg（H2O)6

Contents
1. 福島の土壌中で放射性Csを吸着している物質
は何か
2. 汚染環境を考慮した粘土鉱物への放射性Csの吸着実験
3. 風化黒雲母中のCsの固定サイトはどこか
4．いわゆる“セシウムボール”について
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田野井 他 (2011)

Nakanishi et al. (2013)

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Adachi et al., 2013

3.27 Bq for Cs-137, 3.31 Bq for Cs-134

Adachi et al., 2013

Radioactive microparticles found on the ground in Fukushima, by
Dr. Yamaguchi (NIAES)
NWC-1 (5.04 Bq for Cs-137) collected from non-woven fabric cloth (不織布）, fivemonths after the nuclear accident, before the sampling.

CB-8 ( 3.14 Bq for Cs-137)

collected from a needle of Japanese cedar, eight months
after the accident and before the sampling.

NWC-1

Yamaguchi et al. (2016)

NWC-1

The material of the Cs-balls is silicate glass !

O, Si, Cl, K, Fe, Zn, Rb, Sn, Cs

Yamaguchi et al. (2016)

スギの葉から採集された放射性微粒子（8ヶ月後）

殻の部分ではアルカリがかなり減少している（最表面では多い）

Yamaguchi et al. (2016)

謝辞
本成果は以下の方々の共同研究・ご協力よって得られたもので、ここに感謝の意を表します。
東京大学 大学院理学系研究科地球惑星科学専攻
高橋 嘉夫 教授
向井 広樹 博士
甕 聡子 博士
藤井 英子氏菊池 亮佑 氏倉又 千咲 氏東京大学 大学院農学生命科学研究科
中西 友子 教授
田野井 慶太朗 准教授
廣瀬 濃 特任助教
小林 南通子 助教

農業環境技術研究所
山口紀子 博士
物質・材料研究機構
長谷川 琴音 氏
三留 正則 博士
原 徹 博士田村 堅志 博士

日本原子力研究開発機構
矢板 毅 博士

また本研究は、日本原子力研究開発機構の受託研究「土壌中で放射性セシウムを吸着している粘土鉱物種の特定とその吸着機構の解明」及び科研費 24340133，15H04222，15H02149の支援のもとに行われた。

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