第４章

4-1

プラズマを用いた除染技術とその特長 …………… 32

4-2

酸化皮膜の除去と推奨処理条件 …………………… 33

4-2-1

適用可能な酸化皮膜種類

4-2-2

減圧アークの推奨処理条件

4-3

Co-60 含有腐食生成物皮膜に対する除染性能 …… 34

4-3-1

配管形状小試験片を用いた場合における評価

4-3-2

Co の汚染形態に対する依存性

第４章

放射性廃棄物乾式
表面除染技術への応用

4-1 プラズマを用いた除染技術とその特長

除染
物理的方法

化学的方法

原子力施設などで行われる除染は、様々な目的や対象があり、これらに合わせ多くの種類がある（1）。このうち、移行形アーク法

プラズマジェット法

非平衡プラズマ法

表面溶
融法

RF
プ
ラズ
マ法

主な既存の技術は、化学除染液を使用するものと、ブラスト処理によるものがある。比較的新しい除染技術として、レーザーを用いた方法（2）（3）やプラズマを用いた方-法（4）（5）がある。
原子力発電所の冷却水系統に化学除染液を循環させ行う系統除染は、数週間に及ぶ大規模な除染工程であるが、その効果も大きい。しかし、除染工程によって発生する一部研究に着手されている

二次放射性廃棄物として化学除染液が発生するという課題が指摘されてきていた。この様な中で、炭酸ガスと水

第４章

図4-1

プラズマを用いた表面除染技術の分類に分解できる CORD 法（6）などのように二次廃棄物を低減した除染方法も開発されており、浜岡原子力発電所などに適用されている（1）。一方、ブラスト除染に関しては、アークプラズマを指す。図 4-2 ⒜に減圧アークの写真を

美浜発電所における蒸気発生器への適用例がある示す。その内部に輝度が高い陰極点が観察できる。また、。

（1）

ブラスト除染に対する二次廃棄物低減対策としては、耐図 4-2 ⒝に減圧アーク除染原理の模式図を示す。表面に摩耗性に優れたブラスト材を用い、除染後に付着物を除酸化皮膜を持つ金属基板を陰極とすると、酸化皮膜を選去後、再利用したり、氷、ドライアイスといったブラス択的に溶融 ･ 蒸発させ、熱的に効率良く除去する特長をト材を用いた除染方法が開発されたりしている。こ持つことが古くから知られている（9）。陰極点が酸化皮れらの除染技術に関しては、その技術の向上は目覚まし膜を求めて動く現象が起こる理由は、酸化皮膜に覆われいている箇所からは電子が効率良く放出されるため、陰極（1）（7）が、依然として二次廃棄物の低減が課題になって点がここを探し動き回るからと推定されている（9）。一方、いる。
プラズマを用いた除染技術は、化学除染液やブラスト

酸化皮膜で覆われた陰極からの電子の放出のメカニズム材が必要ないため潜在的に二次廃棄物を低減できる、熱に関しては様々なものがあり（10）、また、仕事関数の厳的な作用により除染を行うため比較的処理対象の性状を密な測定が困難であることなどからその詳細は不明であ選ばない、発生方法が多様であるので除染原理としてると考えられる。また、酸化皮膜を除去するのが得意な様々な種類がある、といった特長がある。図 4-1 に種々減圧アークであるが、酸化皮膜が除去された後の金属基のプラズマを用いた除染の分類を示す。高温で熱的板上に対しても形成し得る。このため、母材金属中に存に除染する方式のものは、処理速度が速い反面、対象物在するコバルト（Co）も、その母材金属と共に溶融 ･への熱負荷などが大きく、例えば、表面組織の変化や凹蒸発、除去することができる。ただし、電子放出のメカ凸などの影響が現れると予想される。一方、プラズマ中ニズムは、酸化皮膜で覆われた金属基板を陰極としていのラジカルを利用するような方法は、プラズマの重粒子る場合と酸化皮膜が除去された金属基板を陰極としてい（中性の分子や原子、イオン）の温度が相対的に低く、る場合とで異なっていると考えられる（10）。

（8）

処理速度が遅いが、対象物への熱負荷が少ない。
減圧アークは、図 4-1 における気中アーク法の一種で、減圧下で処理対象を陰極（逆極）とした直流の移行形

32

本章では、減圧アークが、原子力発電所の高温・高圧の冷却水環境下で形成される放射性腐食生成物皮膜の乾式表面除染技術へ適用できることを示す。

減圧アーク

10ｍｍ

陽極

処理対象(陰極)

陰極点(a) 減圧アークの写真（アーク電流：60A、チャンバー内の圧力：20（Pa）、ガス種：Ar）※陽極内の輝点は陰極点の反射である。

減圧アーク
酸化皮膜

放射性核種

放射性ダスト

陰極点

母材金属

熱流束
(2) 着火(3) 酸化皮膜の蒸発(4) 陰極点の移動(6) 母材金属上での陰極点の形成(7) 母材金属内の放射性核種の蒸発(8) 母材金属内の放射性核種の除去（1） 処理前(5) 酸化皮膜の除去

第４章(b) 減圧アークの除染原理の模式図

図4-2

4-2

減圧アークとそれを用いた除染技術の原理

酸化皮膜の除去と推奨処理条件

板、非放射性 Co 付き熱酸化皮膜試験片を併用した。
はじめに、減圧アークを腐食生成物皮膜に適用しこの4-2-1適用可能な酸化皮膜種類除去を試みた。
実験後の試験片の写真例、SEM 写真例を処理条件と供試試料は、Co-60 を含む腐食生成物皮膜試験片とし共に図 4-3 に示す。図に示すように除去後の試験片の表た。この他に、実験の目的に合わせ、黒皮付き炭素鋼鋼

面には、何れも腐食生成物特有の黒色が消失しており、5μm50μm(a) 減圧アーク処理前

50μm(b) 減圧アーク処理後（処理条件：ガス種：Ar、圧力：40（Pa）、電流：60（A））

図4-3

減圧アークの適用前後の試験片の写真およびSEM画像

電中研レビュー No.54 ● 33

表4-1

酸化皮膜の除去を確認した模擬放射性廃棄物試験片
平板 10×20mm～100mm角
配管 φ39×100mm～φ114×200mm

形 状
母材の金属材質

SUS304、SUS316L、SUS430
インコネル 600、S50C、SS400

酸化皮膜の種類（組成、膜厚）Co－60含有腐食生成物皮膜（Fe2O3、FeCr2O4など、1～2μm）
熱酸化皮膜（FeCr2O4など、1～2μm）、黒皮（Fe3O4、7μm）

り高い Co 除去率を達成できた。ガスと Co との化学反応による除染効果は確認できなかった。

4-3 Co-60 含有腐食生成物皮膜に対する除染性能
4-3-1

配管形状小試験片を用いた場合における評価

金属光沢が観察された。SEM 写真において、試験片表面の様相を除去前後で比較すると、除去後には試験片表面の数ミクロンオーダーの結晶粒界が消失している。そ放射性廃棄物には、配管形状の廃棄物も多く発生する。の他の X 線回折法、オージェ電子分光分析などの表面

例えば、軽水炉の解体廃棄物では、金属廃棄物のうち約分析結果を併せ、腐食生成物が除去されたことが確認で２割が配管形状であり、このうち 100A（f 114）以上のきた。

内径のものが９割以上を占める。特に内径が小さい配管

当研究所において、酸化皮膜除去の実績がある試験片第４章を表 4-1 にまとめる。の場合、陽極の掃引などと共に、除染時に発生するダストが既に処理済みの表面に付着する再汚染などの懸念がある。

4-2-2

減圧アークの推奨処理条件

そこで、Co-60 を含む腐食生成物をその内面に持つ配管形状試験片（内径 f 39 × 100mm）を選択し、これを減圧アークの処理条件としては、減圧アークのガス種用いて Co-60 に対する除染性能を評価した（13）。この時類などがある。これらは、処理速度などに影響を及ぼす。の処理条件は、表 4-2 にまとめた推奨処理条件を参照しこれらのパラメータに対して、実験的に見出した推奨処た。陽極は、配管内面を広く処理できる様、掃引した。

理条件を表 4-2 に示す。例えば、Co 除去率の減

図 4-4 に減圧アーク繰返し処理時における Co 除去率

圧アークのガス種に対する依存性としては、腐食生成物の向上の様相を示す。図内の括弧付きの番号は、図 4-2

皮膜を除去した時点で比較すると、圧力 50Pa 程度では、⒝中の番号に対応する。腐食生成物皮膜除去時におけるいずれのガスの場合も大差なかった。しかし、その後、Co 除去率は 60% 程度であった。この理由は、処理前の減圧アークの繰返し処理により母材金属表面に残留した試験片の母材金属表層内に試験片全体の約 30% の Co がCo を除去する際には、H2 が最も処理速度（ここでは、含まれていることと、酸化皮膜除去時に酸化皮膜内の単位クーロン量当たりの Co 除去率）が速く、Ar はほCo の一部が母材金属内に移行し残留するためである（14）。

ぼ同程度であった。単位クーロン量あたりの母材金属のすなわち、酸化皮膜内の Co-60 に対する割合としては、蒸発量を高くできたガス種が同じクーロン量に対してよ85％程度が除去でき、15％程度が母材金属内に移行した

（11）
（12）

こととなる。この後、減圧アークの繰返し処理により
表4-2項目推奨条件

減圧アークの推奨処理条件成することができた。
備考

ガス種

Ar

Arに加え、エンタルピーが高いなどの特長を持つH2、Coとの化学反応による除染効果が期待されるCOとCF4/O2混合ガスを選択した。H2が最も処理速度が速く、Arはほぼ同程度である。ただし、不活性であるため、工学的にはArの方が使い易い。

電流60A

除染性能は40～60Aの範囲では電流に依存しない。
処理量はほぼクーロン量に比例するので、電流値が大きい方が処理時間を短くできる。

電極−試験片距離

1～短い方が、減圧アークの陰極点が極端に分散せず、20mm 集中した処理領域が得られる。

雰囲気ガスの圧力

50Pa

34

Co 除去率は向上し、最終的に Co 除去率 90％以上を達

低圧の方が陰極点がよく動き回り、処理速度が速い。

配管の形状としては、この f 39 × 100mm に加え、非放射性 Co を含む熱酸化皮膜をその内面に付与した f114 × 200mm の試験片によっても Co 除去率を評価し、約 90% の除去率を確認した。処理過程では、一度除染された箇所が別の箇所の処理時に再汚染されている可能性があるが、再汚染された Co も含めて除去でき、最終的に約 90% の除去率を達成できたことが確認できた。
また、この時に要した電荷量は、Co-60 含有腐食生成(6)母材金属上での陰極点の形成→(7)母材金属内の放射性核種の蒸発
100

φ60

(5)酸化皮膜の除去

40(3)酸化皮膜の蒸発→(4)陰極点の移動

39

100

Co-60除去率 (%）

8020(1)処理前→(2)着火002468
電荷量(×104 C）

1012(a) Co-60除去率(b) 配管形状試験片（a）図の（ ）の数字は、図4-2（b）中の番号に対応している。
（ガス種：Ar、アーク電流：60A、ギャップ長：2mm、圧力：約50Pa）

第４章

図4-4

Co-60含有腐食生成物皮膜付き配管に対する減圧アークの除染性能物皮膜試験片に対して、単位面積あたり 310A・s/cm2であった。これは 1 ～ 2cm 角の平板形状の小試験片の100

場合の 400A・s/cm2 に比較して、同等もしくは小さく80Co除去率(%)

なる方向であった。これらの結果から、本除染技術の大型廃棄物への適用に際して、処理に必要とする電荷量は、小試験片に対して必要な電荷量から予測できると考えられる。

6040
雰囲気ガス：Ar
圧力：約50Pa
アーク電流：60A
ギャップ長：2mm
処理時間：3秒

204-3-2

Co の汚染形態に対する依存性0

例えば、腐食生成物皮膜などの場合のように、Co がる場合では、放射性核種による処理対象の汚染の状況は顕著に異なっている。そこで、これらの相違を想定し、20406080100

酸化皮膜内でCoが分布している
表面からの深さ(%)

酸化皮膜内に深く分布している場合と、定期点検などで使用する工具などのようにその表面のみが汚染されてい0

図4-5減圧アーク除染性能の酸化皮膜内のCo分布深さに対する依存性（酸化被膜の厚みは1〜2μm）

Co の汚染形態が除染性能に及ぼす影響を調べた（12）。
この結果、図 4-5 に示す様に、酸化皮膜内で Co が分布している深さが母材金属との境界付近まで深く分布し参考文献ている汚染形態であると、酸化皮膜除去時の母材金属表（1） 社団法人 日本原子力学会 編、原子炉水化学ハンドブッ
ク、コロナ社、（2000）（2） 上原実、伊藤俊行、豊田正三郎、岩崎行雄、原邦男、
宮尾英彦：B205 パルスレーザーによる表面除染、日本機械学会第 7 回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集、p341（2000）（3） 小川竜一郎、福井康太、谷本健一：レーザー除染技術の開発、サイクル機構技報、vol. 15、No. 6、p59（2002）（4） 中澤修、田代清、須藤収、｢ 真空アーク放電による除層への Co の移行が顕著になることがわかった。ただし、この様な場合でも、図 4-4 に前述した様に、母材金属表層内の Co を除去できることから、最終的に処理可能であると判断できる。

電中研レビュー No.54 ● 35

染技術の開発 ｣、日本原子力学会 ｢2000 年秋の大会 ｣、（10）武田進：気体放電の基礎、東京電機大学出版局、（1990）

J5（2000）（11）古川静枝、足立和郎、藤原和俊、天川正士、神戸弘巳：（5） M.Suzuki, H.F.Windarto, T.Matsumoto, K.Sakagishi,‘Microwave plasma decontamination of radioactive
material operated at atmospheric pressure’，15 th

第４章

International Symposium on Plasma Chemistry, II-623（2001）（6） 山内章義、高木敏夫、佐藤義雄、加藤裕明、藤田剛：
浜岡原子力発電所 1 号機における原子炉再循環系システム化学除染 [I] －除染方法と適用結果－、日本原子力学会「1994 年秋の大会」、Q52（1994）（7） 谷本健一、照沼誠一：核燃料サイクル施設のデコミッ
ショニング技術に関する研究開発、デコミッショニン
グ技報、vol. 18、No. 11、p37（1994）（8） 足立和郎、天川正士、古川静枝、藤原和俊、神戸弘巳：
プラズマを用いた放射性廃棄物表面除染技術に関する調査、電力中央研究所調査報告、W00030（2001）（9） 安藤弘平、長谷川光雄：溶接アーク現象 増補版、株式会社 産報、（1962）36

プラズマを用いた放射性廃棄物の表面除染技術の開発－減圧アークを用いた非放射性腐食生成物の除去に関する基礎検討－、電力中央研究所研究報告、W01004（2001）（12）古川静枝、神戸弘巳、天川正士、足立和郎：プラズマを用いた放射性廃棄物の表面除染技術の開発（その 7）－減圧アーク乾式表面除染技術における除染能力の総合評価－、電力中央研究所研究報告、H08001（2007）（13）古川静枝、神戸弘巳、天川正士、足立和郎：プラズマを用いた放射性廃棄物の表面除染技術の開発（その 6）－減圧アーク除染技術の配管形状廃棄物への影響－、
電力中央研究所研究報告、H05012（2006）（14）神戸弘巳、藤原和俊、足立和郎、古川静枝：プラズマを用いた放射性廃棄物の表面除染技術の開発（その 3）－減圧アークによる放射性腐食生成物の除染性能－、
電力中央研究所研究報告、T02026（2003）