Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
## (2) セシウムの動態に基づく除染シナリオの構築 (サブテーマ2)

土壌を中心にした除染対象物の特性、除染作業の環境と条件を考慮して除染シナリオを作成し、適切な除染、保管などの方法を決定する。これらの決定においては、大量の除染によって生じた除去土壌の分布と本研究で開発する除染方法の処理能力を勘案し、その除染方法やその後の保管方法などのコストも考慮して、適切な除染範囲、減容化の方法、保管等の方法を決定する。

## (3) 磁気力制御型除染法の開発(サブテーマ3)

磁気力制御による高度な除染手法の適用可能性を検討する。自然界中で強くセシウムを吸着する物質の磁場中での物性を評価し、連続処理、高速分離、選択的な分離に必要とされる磁場、磁場勾配、流速等の条件を明らかにする。

### 3. 研究開発の方法

## (1) 環境中のセシウムの動態解析

## (1-1)建材におけるセシウムの沈着状態と吸着強さの検討

建材におけるセシウムの吸着動態を、①吸着形態、②深さ分布、③吸着強さ、の3つの観点から明らかにし、住宅地の空間線量率を効果的に低減する手法を提案することを目的とした。住宅建材としては、セメント瓦、木材、トタン材を用いた。福島県内で採取した実汚染建材を加工し、試料片A、B（各50 mm × 50 mm）を作製した。始めに試料片A、Bともに、蒸留水で10分間超音波洗浄し、放射線測定を行った。洗浄後、80 ℃で乾燥させ、試料片Aを硝酸（0.01 mol/L）に1時間浸漬・振とうし、放射線測定を行った。測定後、硝酸（0.05 mol/L、0.1 mol/L）を用いて同様の処理を行い、放射線量を測定した。試料片Bについては、試料片Aと同様の手順で、塩化カリウム溶液（0.01 mol/L、0.05 mol/L、0.1 mol/L）に段階的に浸漬、振とうし、放射線測定を行った。測定結果から、各洗浄段階におけるCs脱離率を算出した。

## (1−2) 土壤におけるセシウムの沈着状態と吸着強さの検討

半透膜と模擬試料を用いて、土壌におけるCsの微視的動態について検討した。特に①土壌沈着直後のCsの存在状態、②土壌沈着後のCsの存在状態に与える雨水の影響、③雨水により溶出したCsの挙動、の3点について検討した。まず、①土壌沈着直後のCsの存在状態を明らかにすることを目的とし、Csが土壌に添加された際の各成分への分配挙動を調査した。試料としては、土壌の大部分を占める砂と有機物の一種であるフミン酸、1:1型、2:1型粘土鉱物の代表的なものとしてカオリナイト、バーミキュライトの4種を用いた。半透膜に包んだ各試料2 gを全て同時に、10000 Bq/LのCsCl溶液200 mLに1時間浸漬した。溶液から取り出し、24時間乾燥させた各試料(試料Aとする)のCs吸着量をGe検出器により測定した。次に、②土壌沈着後のCsの存在状態に与える雨水の影響について調査した。雨水は陽イオンを含むため、イオン交換反応によってCsを溶出すると考えられる。試料Aを全て同時に、雨水を模擬した溶液(Ka⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、各5 mg/L)200 mLに1時間浸漬した。溶液から取り出し乾燥させ、Cs吸着量を測定した(試料を取り出した後の溶液をBとする)。最後に、③雨水により土壌から溶出したCsの挙動について調査した。溶液Bに新たに別の砂、フミン酸、カオリナイト、バーミキュライトを1時間浸漬した。溶液から取り出し、乾燥させた各試料のCs吸着量を測定した。

## (2) セシウムの動態に基づく除染シナリオの構築

## (2-1)除染範囲の最適決定手法の提案

汚染地域の除染が進行するにつれて，膨大な量の除染廃棄物が発生し，その仮置き場の確保が困難になりつつある。また，除染を行っても，必ずしも目標値まで線量が下がらないこともしばしば起こっている。従って，除染計画の策定には，客観的シミュレーションを用いて，適切な除染範囲・除染方法を選択する必要がある。本研究では，除染作業による線量率の低減効果を評価するフリーソフトウェアCDE(Calculation system for

Decontamination Effect, 日本原子力研究開発機構)を利用して, 更に感度解析的手法を導入することにより, 対象地域の空間線量率を目標値以下にできる最小の除染範囲を計算するソフトウェアを開発した。本研究で開発したソフトウェアの除染範囲最適計算手法のアウトラインを以下に示す。

① まず, 対象地域の航空地図データとそれに対応する空間線量率のモニタリングデータを入手する。これに基づき, CDEを利用して, 地図データから空間メッシュを作成し, 各メッシュに対する汚染源(Cs134とCs137)の密度分布データを求める。

② 同時にCDEを利用して, ある5m×5mの空間メッシュに存在する単位汚染源密度による別の空間メッシュ上に与える空間線量率を距離の関数として求めておく。CDEでは, これを応答行列と呼ぶ。

③ 空間線量率を目標値以下に低減したい対象区域（例えば，居住地など。以下，「対象区域」という）に最も大きな影響を与えている周辺区域（例えば，耕作地など。以下，「周辺区域」という）のセルを検索し，
そのセルを適当な方法で除染する。

④ 周辺区域で最も影響の大きい1つのセルを除染する(③のプロセス)たびに, 対象区域の空間線量率を再計算する。

⑤ 対象区域の空間線量率が目標値を下回るまで，③及び④を繰り返す。

## (2−2)除染の経済性・効率性のシミュレーション

本研究の目的は、放射性セシウムに汚染された土壌の特性、除染作業の環境と条件を考慮した除染シナリオの作成である。除染シナリオの作成にあたり、本報告書では、住宅や公共施設などの生活圏内の表土の剥ぎ取り、天地返しや反転耕などの除染作業を一次除染と定義する。また、剥ぎ取られた表土である汚染土壌に対し、湿式あるいは乾式の分級、磁気分離、化学的脱離吸着といった減容処理を二次除染と定義する。この一次と二次の除染の組み合わせで、除染シナリオは構成される。適切なシナリオを選定するためのには、除染によって生じた除去土壌の放射能濃度、取扱量をパラメータにして、本研究で開発している磁気分離による減容処理を含めたシナリオごとのコストが算定されなければならない。このために、本研究の磁気分離による減容処理の実験結果に基づき、除去土壌の処理能力が毎時1トンでのプラント設計を行い、1トン当たりの処理コストを推定した。また、環境省の主管する除去土壌などの輸送、中間貯蔵を検討する委員会、福島県庁の関連部門に問い合わせを行いながら、それらの組織の公開資料や提供いただく除去土壌の放射能濃度、取扱量に基づき、除染シナリオの事例解析を行った。

これにより、除去土壌に対して、そのまま保管した場合と、磁気分離を使った減容処理を行った場合について、処理のコストなどを試算できる。また、除去土壌の放射能濃度に応じて適切なシナリオ選定を支援できる方法を確立し、その方法の有用性を検証した。

## (3) 磁気力制御型除染法の開発

## (3-1)磁気分離の前処理としてのセシウムの移行

磁気分離の前処理方法として、粒径の大きな砂礫や1:1型粘土鉱物の放射能を低減させるCs移行処理として、砂礫の表面研磨とK^{+}イオンを含む肥料溶液でCs吸着力の弱い砂礫から吸着力の強い2:1型粘土鉱物にCsを移行する処理を同時に行った。初めに、福島県の汚染土壤1kgをK^{+}イオン濃度を0.1 mol/Lに調整したKCl水溶液2Lに添加し、ボールミル装置に設置して60 rpmの速さで2時間処理を行った。ボールミル後、懸濁液をふるいによって粒径毎に湿式分級し、乾燥後に重量と放射能を測定した。Cs移行処理前後の放射能の測定結果から、Cs移行処理による汚染土壤の減容化について検討した。

## (3-2)高勾配磁気分離システムの検討

高勾配磁気分離システムによる汚染土壌の減容化のためには、2:1型粘土鉱物のみを高効率に分離、回収できることが必要である。そこで実用に向けた土壌の磁気分離条件の検討のため、超電導ソレノイド磁石を用いた実用化に向けた基礎実験を行った。

粘土のモデル物質として、2:1型粘土鉱物であるバーミキュライトと、1:1型粘土鉱物であるカオリナイトを用いた。まず常磁性体であるバーミキュライトの分離条件を調べるため、粒径が75 μm未満のバーミキュライト5.0 gに蒸留水1.5 L加え、固液比1:300の懸濁液を調製した。超電導ソレノイド磁石を用いて、最大中心磁束密度2 T、5 T、7 Tを印加し、流速を3.0 cm/sとして高勾配磁気分離を行った。磁気フィルターとしてSUS430（線径0.4 mm、外径36 mm、メッシュ数20）のものを30枚用いた。分離後の粒子はろ過、乾燥後に質量を測定した。さらに、混合系からの2:1型粘土鉱物の選択的分離条件について調べるため、バーミキュライト5.0 gとカオリナイト5.0 gを混合し、蒸留水を1.5 L加えた。超電導ソレノイド磁石を用いて、7 Tを印加し、流速3.0 cm/sで高勾配磁気分離を行った。実験1と同様にろ過、乾燥後に質量と吸光スペクトルを測定した。

### 4. 結果及び考察

## (1) 環境中のセシウムの動態解析

## (1-1)建材におけるセシウムの沈着状態と吸着強さの検討

福島県内で採取した実汚染建材を用いて、建材（セメント系材料、木材、粘土瓦、トタン屋根）におけるセシウムの吸着動態を、①吸着形態、②深さ分布、③吸着強さ、の3つの観点から検討を行った。セメント系材料におけるこれら3つの観点から検討した。超音波処理、切削処理、薬品処理の結果から、固体を介して間接的に吸着している粒子態のものは全吸着量の4％であることが分かった。また、切削処理の結果から、セシウムは表面から1.6 mm以内に99％が分布することが分かった。さらに、硝酸と塩化カリウムを用いた溶出実験により、薬剤によって溶出させることが可能なイオン交換態のセシウムは全吸着量の12％であり、粒子態、イオン交換態を差し引いた全吸着量の84％がイオンとして沈着し、しかも溶液では溶出できない強い相互作用で吸着していると考えられ
る。そのため、事故後およそ3年半の時点で、大部分のセシウムはセメント系材料にかなり強く吸着しており、今後も雨水等により他の吸着サイトに移行する可能性は低いと言える。そのため、たたきなどの切削可能な場所にある場合については、セメント系材料の除染の場合は、表面切削が効果的であると考えられる。

上記のセメント材料と同様の手法で、木材、粘土瓦、トタン削についての検討も行った。その結果を表1に示す。木材、粘土瓦、トタン材のいずれも、事故後3年半の経過の時点で、固定態がほとんどを占めており、今後雨水での存在状態の変化は少ないと考えられる。そのため、今後の除染の手法で効果的な手法は、セシウムの吸着深さに依存し、表面からの深さ方向分布が深い場合は除染よりも取り換えなどの処理が効果的であり、一方で表面からの深さ分布が浅い場合は表面切削処理が効果的であると考えられる。このような観点から、セメント系材料は表面から数mmの切削、トタン材は腐植部部分の切削除去、木材と粘土瓦については除染は不可能であるため、取り換えが最も有効であると考えられる。

表 1 各建材における $ ^{137} $ Cs の存在状態

セシウムの空間分布(CSI)	セシウムの吸着機構
直接的吸着(NAI)	间接的吸着(SM)
セシウト系材料	垂直方向	表面から約1.6mm以内に約99％が分布	・イオン交換態(表面電荷等)：約15％・固定態(セシウト水和物の層間)：約85％	粘土や有機物を介して吸着したCsが存在→表面汚染への寄与は低い(ほとんどがイオンとして直接的に吸着)
水平方向	細孔部分に吸着量大
木材	垂直方向	表面から約4mm以内に約97％が分布	・固定態(セルロース等が持つ水酸基、カルボキシル基+分子構造による捕捉)：約100％
水平方向	縁維方向の拡散性大→拡散の異方性
粘土瓦	垂直方向	表層約200μmに約30％(約70%は全体に拡散)	・表面に吸着：約3～4％・ほとんどが固定態(粘土層が強固に吸着)
水平方向	均一な汚染ではなくホットスポットが存在
トタン材	垂直方向	腐食度合に依存(表面から約100μm以内に約91％が分布)	＜サビ部分への吸着＞・イオン交換態(表面電荷等)：約15％・固定態(サビの多孔質構造内部)：約85％
水平方向	腐食部分(サビ)へ吸着

(1−2) 土壤におけるセシウムの沈着状態と吸着強さの検討

土壤中のセシウムの動態を調べるため，イオンのみを通すことができる半透膜に各土壌成分（砂，フミン酸，カオリナイト，バーミキュライト）を封入し，それらを放射性セシウム溶液中に一定時間共存させたのち、個々に取り出して放射線計測を行うことで，土壌成分間のセシウムの移行動態を実験的に追跡できる手法を構築した。その結果を図1に示す。

図 1（a）土壌に存在するセシウムの状態変化に与える雨水の影響、(b)模擬雨水溶液中に新たに別の砂・フミン酸・カオリナイト・バーミキュライトを添加した際の各成分のセシウム吸着量

図1(a)に示すように、土壌成分に模擬雨水を添加することで、1時間後には全ての試料のセシウム吸着量が減少した。これは、雨水中に含まれるカリウムイオン等との交換反応が考えられる。砂に比べ、フミン酸・粘土鉱物からはセシウムが溶出しにくいことが分かる。また図1(b)に示すように、溶出したセシウムは新たに添加した試
料に吸着され、特に吸着能が優れ、強くセシウムを固定化する2:1型粘土鉱物に吸着されたことが確認できた。したがって、雨水の影響で下層に溶出したセシウムは、1時間以内の短時間のうちに他の成分、特に2:1型粘土鉱物に移行する傾向が実験的に確認された。事故後の年月が経過した現在ではほとんどのセシウムが2:1型粘土鉱物に固定化されているため、事故直後よりも湿式・乾式分級などの分級の有効性が高まっていると考えられる。

実土壌の分級と磁気分離でも類似の傾向が確かめられたが、実土壌成分を完全に成分ごとには分離することはできないため、セシウムの微視的動態を調べる為には、上記の手法によるモデル実験と実土壌の調査が有用であると考えられる。

## (2) セシウムの動態に基づく除染シナリオの構築

## (2-1)除染範囲の最適決定手法の提案

## 開発したソフトウェアを用いて、伊達市における除染実証実験のデータ

(http://www.jaea.go.jp/fukushima/kankyoanzen/guideline_report/3.1.pdf)に適用して、妥当性の検証を行った。まず、実証試験サイトの航空写真を入手し、メッシュ分割を行い、実証試験で得られているモニタリングデータを用いて、図2に示すように、汚染密度データを設定した。分割したメッシュとモニタリングポイントは必ずしも一致しないところがあるので、1メッシュ（5m×5m）内で平均値として用いた。まず、全エリアを実証実験で行われた方法と同じ方法で除染した後の6つの家屋の線量率を計算した。本ソフトウェアで計算した結果は、概ね実証実験で得られたデータの範囲に入っていることが分かる。実証実験のデータには極めて局所的なホットスポットの線量データが含まれており、一方、本ソフトウェアではそのような局所的なホットスポットを考慮できないことが差異の要因と考えられる。図3には、目標線量率を変化させた時の除染範囲の変化について示してある。目標線量率を僅かに変えただけで、除染範囲が大きく変化することが示された。

図２ 生成した空間メッシュとエリア分割

(http://www.jaea.go.jp/fukushima/kankyoanzen/guideline_report/3.1.pdf)

図 3 目標線量率を変化させた時の除染範囲の変化
(2−2)除染の経済性・効率性のシミュレーション

除染により生じた除去土壤をそのまま保管した場合と、磁気分離を使った減容処理を行った場合について、処理のコストなどを試算した。また、除去土壤の放射能濃度に応じて適切なシナリオ選定を支援できる方法を確立した。本手法については、複数の除去土壤処理の指針を立案した事例解析を行い、適切な除染シナリオを検討し、本研究の有用性を検証した。

適切なシナリオとは、法令、安全を遵守しつつ、中間貯蔵施設での受入管理区分である8,000 Bq/kg以下のI型施設、8,000 Bq/kgを超え10万Bq/kg以下のⅡ型施設、10万Bq/kgを超える廃棄物貯蔵施設といった管理区分に対して合理的であり、それぞれの施設貯蔵コストと減容処理コストのトレードオフ問題の解である。一例として、本研究で開発している分級洗浄と磁気分離からなる減容処理と中間貯蔵施設の関係をモデリングした。

まず、本研究で開発している減容処理を構成する分級洗浄、磁気分離それぞれの重量分離比、放射能分離比から、投入土壤の放射能濃度と減容処理の排出土壤特性の関係を調べた。表2に示すように、除去土壤が減容処理されずに、そのまま濃度に応じてI型、Ⅱ型、廃棄物貯蔵施設へ搬入されるところを、減容処理により中間貯蔵施設において1区分簡易な施設へ少しでも貯蔵することを指針とするならば、本研究の減容処理は、放射能濃度Csが8,000 Bq/kgを超え32,000 Bq/kg以下の除去土壤に対して有用であることが分かった。

表2 投入土壤の放射能濃度と減容処理の排出土壤特性の関係

投入除去土壤
1トンのセシ
ウム濃度Cs	分級洗浄工程c	磁気分離工程m
排出土壤	高濃度排出土壤	低濃度排出土壤
土壤量	濃度Ccl	土壤量	濃度Cmh	土壤量	濃度Cml
[Bq/kg]	[t]	[Bq/kg]	[t]	[Bq/kg]	[t]	[Bq/kg]
4,000	0.80	1,000	0.04	48,000	0.16	8,000
8,000	0.80	2,000	0.04	96,000	0.16	16,000
8,333	0.80	2,083	0.04	100,000	0.16	16,667
32,000	0.80	8,000	0.04	384,000	0.16	64,000
50,000	0.80	12,500	0.04	600,000	0.16	100,000
100,000	0.80	25,000	0.04	1,200,000	0.16	200,000
400,000	0.80	100,000	0.04	4,800,000	0.16	800,000

次に、減容処理コストの算定のために、毎時1トンの除去土壌を減容処理できるプラントの基本設計を行い、コストを概算した。プラント概算金額を5年間で償却するものと仮定し、この償却を含めて1カ月22日、1日8時間の稼働としてランニングコストを算定した。

環境省「除染情報サイト」では、福島県内にある中間貯蔵施設へ搬入する8,000 Bq/kg超10万Bq/kg以下の放射能濃度の土壌は、約1,035 m³あるとされている。重量換算で15,525,000 tとし、8,000 Bq/kg超10万Bq/kg以下の範囲で一様に等量分布すると仮定した。図4は、この対象土壌の減容処理後の排出土壌量を、中間貯蔵施設の管理区分ごとに示したものである。4,050,000tがⅡ型施設で貯蔵されるところを、割高な廃棄物貯蔵施設へ47,250t移行してしまうものの3,240,000tを貯蔵コストが安価なⅠ型施設へ移行できる。施設の貯蔵トン単価を、Ⅰ型施設をUI、Ⅱ型施設をUII、廃棄物貯蔵施設をUIII、減容処理トン単価をUrとし、次式が成立すれば、本研究で開発している減容処理が有効であり、減容処理を実施する事例シナリオが適切であると判断できる。

$$ 3,240,000UI+\left(573,750+189,000\right)U_{II}+47,250U_{III}+4,050,000Ur<4,050,000U_{II} $$

図4 減容処理後の排出土壌量の中間貯蔵施設管理区分ごとの分布
このように、除去土壌の状況に応じて適切なシナリオ選定を支援できる方法を確立した。本手法は実証試験が行われているさまざまな減容化技術に適用できると考えられる。

## (3) 磁気力制御型除染法の開発

## (3-1)磁気分離の前処理としてのセシウムの移行

ボールミルと洗净処理を同時に行った場合の粘土(粒径75μm未満)と砂礫(粒径75μm以上)の放射能と重量比を図5に示す。砂礫分の放射能は、処理前の1200 Bq/kgからCs移行処理により、400 Bq/kgに低下した。環境影響の少ない肥料のみを添加物として使用し、クリアランスレベルである100 Bq/kgに近づけることができたため、非汚染の土壌と混合して希釈することを想定すれば、埋め戻すことが可能である。Cs移行処理後の砂礫の土壌の重量比は88%であるため、それらの土壌を埋め戻すことで汚染土壌を初期量の12%程度に減容化できる可能性が示された。

図 5 Cs 移行処理後の砂礫および粘土の重量と放射能

## (3-2)高勾配磁気分離システムの検討

今回用いた超電導ソレノイド磁石を用いた高勾配磁気分離システムの概略を図6に示す。超電導ソレノイド磁石はボア径100 mm、最大中心磁束密度が約10 Tのソレノイドコイルであり、ボア内の鉛直方向に緩やかな勾配を持ち、水平方向に一様な磁場分布を持つ。ソレノイド磁石のボア内に磁気分離領域用の配管（外径42 mm）を用意し、そこに磁気フィルターを設置した。磁気フィルターとしてSUS430（線径0.4 mm、外径36 mm、メッシュ数20）のものを5 mm間隔で30枚設置した。

バーミキュライトのみの高勾配磁気分離実験では、測定した質量からフィルターによる分離率を算出した。分離率は2 T、5 T、7 Tの順に、75%、90%、97%となり、5 T以上で高い分離率が得られた。バーミキュライトとカオリナイトの混合系の実験結果を図7に示す。投入したバーミキュライトの92%がフィルターに捕捉され、磁気力を用いたバーミキュライトの選択的分離に成功した。

図6 実験装置の概要図

図 7 磁気分離前後の粘土鉱物の割合の変化
### 5. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

## 1 )環境中および吸着剤中のセシウムの動態解析(サブテーマ1)

土壤中のセシウムは事故後の降雨により2:1型粘土鉱物の永久電荷に移行することが実験的に確認された。建材中のセシウムは、どの種類でも粒子態での付着は少なくイオン態がほとんどであることが明らかになった。また浸透深さや吸着強さは建材の種類により大きく異なることが明らかになった。

## 2 ) セシウムの動態に基づく除染シナリオの構築 (サブテーマ2)

除染範囲を最適化するための手法を確立し、実証実験のデータを用いてその妥当性を検証した。3つの放射能濃度の区分のそれぞれの土壌量に基づき、減容化処理の有無、減容化の手法に応じてコストを試算する手法を確立した。

## 3 )磁気力制御型除染法の開発(サブテーマ3)

自然界における雨水による土壌中成分間でのセシウム移行の調査結果を元に、土壌中のセシウムの2:1型粘土鉱物の移行を促進する低濃度カリウム溶液での前処理が、磁気分離の分離率向上に効果的であることが示された。

## (2) 環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

## (1) 環境中および吸着剤中のセシウムの動態解析(サブテーマ1)

事故後の時間経過によるCsの移行（2:1型粘土鉱物への固定化）は土壤分級や磁気分離による汚染土壤の減容化に有利であることが明らかになった。また建材のうち金属やコンクリートは浸透深さが比較的浅く、切削や錆除去処理が有効である一方、木材や粘土瓦など内部まで浸透して除染不可能なものがあることが分かった。

## (2) セシウムの動態に基づく除染シナリオの構築 (サブテーマ2)

周辺区域からの放射線を加味して、対象区域を目的線量まで下げるための最適な周囲の除染範囲を策定できる手法を確立した。また汚染土壤の状況に応じて減容化処理の有無、その手法や実施場所等、適切なシナリオ選定を支援できる方法を確立した。

## (3) 磁気力制御型除染法の開発(サブテーマ3)

7Tの超電導磁石で97％のバーミキュライトが分離可能であることが確認された。また実浄染土壌を用いた現地での永久磁石を用いた実験により線量低減が確認され、前処理として低濃度カリウム肥料溶液を用いたセシウム移行処理を行うことによるさらなる線量低減が見込まれた。

#### 6. 研究成果の主な発表状況（別添.報告書作成要領参照）

## (1) 主な誌上発表

## く査読付き論文>

1) K. SEKIYA, H. KUWAHARA, Y. YOSHIDA, S. IGARASHI, N. NOMURA, F. MISHIMA, Y. AKIYAMA and S. NISHIJIMA,: IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 24, 3, 3700205 (2014)

"Study on Decontamination of Contaminated Soils by Magnetic Separation"

2) Y. YOSHIDA, K. SEKIYA, N. NOMURA, F. MISHIMA, Y. AKIYAMA and S. NISHIJIMA.: IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 25, 3, 3700505 (2014)

“Study on Volume Reduction of Contaminated Soil by Radioactive Cesium Using the Magnetic Separation”
## (2) 主な口頭発表 (学会等)

1) 関谷一輝、吉田有輝、野村直希、三島史人、秋山庸子、西嶋茂宏: 第3回環境放射能除染研究発表会、福島県郡山市(2014.7.3)

「汚染土壤減容化のためのセシウム移行処理に関する研究」

2) 吉田有輝、関谷一輝、野村直希、三島史人、秋山庸子、西嶋茂宏: 第3回環境放射能除染研究発表会、福島県郡山市(2014.7.3)

「土壌におけるセシウムの動態に関する研究」

3) Y. YOSHIDA, K. SEKIYA, N. NOMURA, F. MISHIMA, Y. AKIYAMA and S. NISHIJIMA: 2014 Applied Superconductivity Conference, Charlotte, USA, (2014.8.10–15)

“Study on volume reduction of contaminated soil by radioactive cesium using the magnetic separation

4) S.NISHIJIMAJ: The 5th International Forum on Magnetic Force Control in Beijing, Beijing, China, (2014.10.30–31)

“Application of Superconducting Magnetic Separation for Decontamination Soil in Fukusima”

5) 福井聡, 斉藤公世, 秋山庸子, 西嶋茂宏, 三島史人, 長屋重夫, 渡部智則: 第90回2014年度秋季低温工学・超電導学会、福島県福島市(2014.11.5-7)

「除染範囲の最適決定手法の検討」

6) 福井聡: 低温工学・超電導学会 2014年度第3回材料研究会シンポジウム、福島県福島市(2014.11.4)「効果的な除染のためのサイトの決定方法」

7) 岡田俊介、野村直希、三島史人、秋山庸子、西嶋茂宏: 第90回2014年度秋季低温工学・超電導学会、福島県福島市(2014.11.5-7)

「セシウム動態に基づいた除染技術の研究 その1.住宅建材におけるセシウムイオンの動態に関する研究」

8) 野村直希、吉田有輝、関谷一輝、三島史人、秋山庸子、西嶋茂宏：第90回2014年度秋季低温工学·超電導学会、福島県福島市(2014.11.5-7)

9) Y.HONDA and S.NISHIJIMA.: 11th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry, Goa, India, Nov.9–14,2014

“Application of localized annihilation of positron and $ \sigma $ -Ps”,

10) Y.YOSHIDA: 27th International Symposium on Superconductivity (ISS2014), Tokyo, Japan, 2014.11.25–27

“My research and prospect of future energy; Study on decontamination of contaminated soil by radioactive substances using magnetic separation”

11）岡田俊介、三島史人、秋山庸子、西嶋茂宏：日本放射線安全管理学会 第13回学術大会、徳島県徳島市(2014.12.3-5),

「建材におけるセシウムの動態に関する研究」

12）野村直希、吉田有輝、関谷一輝、三島史人、秋山庸子、西嶋茂宏：電気学会 超電導機器研究会、東京都(2015.1.21)

「磁気力制御を用いた除染土壤の減容化に関する研究」

### 7. 研究者略壓

課題代表者: 秋山 庸子

大阪大学大学院工学研究科修了、博士（工学）、現在、大阪大学大学院工学研究科准教授

研究分担者

1) 西嶋 茂宏

大阪大学大学院工学研究科修了、博士（工学）、現在、大阪大学大学院工学研究科教授

## 2 ）三島 史人

大阪大学大学院工学研究科修了、博士（工学）、現在、大阪大学大学院工学研究科助教

## 3 ）誉田 義英

大阪大学大学院工学研究科修了、博士（工学）、現在、大阪大学産業科学研究所准教授

## 4 ) 矢坂 裕太

室蘭工業大学工業化学科卒業、現在、大阪大学環境安全研究管理センター講師
## 5 ) 樋口 良之

長岡技術科学大学大学院工学研究科修了、博士（工学）、現在、福島大学理工学群共生システム理工学類教授

## 6 ）福井聡

横浜国立大学大学院工学研究科修了、博士（工学）、新潟大学工学部教授
# 5Z-1301 セシウムの動態解析に基づく除染シナリオの構築と 磁気力制御型除染法の開発

## （１）環境中のセシウムの動態解析

大阪大学

大学院工学研究科 環境・エネルギー工学専攻 秋山 庸子

西嶋 茂宏

三島 史人

産業科学研究所 量子ビーム科学研究施設 誉田 義英

環境安全研究管理センター 矢坂 裕太

〈研究協力者〉

京都大学原子炉実験所 芝原 雄司

エヌ・エム・ピイビジネスサポート株式会社

高橋 正二

平野 靖浩

平成25～26年度累計予算額：53,380千円

（うち、平成26年度予算額：33,384千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

本サブテーマの目的は、住民帰還に密接に関わる生活圏の除染対象である土壌と建材に関するセシウムの微視的動態を明らかにすることで、効果的な除染、或いは減容化の方法を提案することである。

まず土壌については、137-Csの標準溶液を用いた学内RI施設での実験、および福島県内での実汚染土壌を用いたセシウム吸着状態の解析、および成分間での移行動態の解析を行った。その結果、土壌中では、セシウムは一旦すべての土壌成分に吸着するが、その後、雨水に含まれる陽イオンによる吸着力の弱い吸着サイトからの脱離と、より吸着力の強い吸着サイトへの移行が繰り返されることにより、2：1型粘土鉱物にセシウムが徐々に濃縮されることが実験的に示された。さらに、実汚染土壌の実験によって、上記の2：1型粘土鉱物への移行を促進できることが示され、サブテーマ（3）の磁気力制御による除去土壌の減容化の前処理として、カリウムイオンを含む希薄溶液を用いた移行処理が有効であることが示された。ここでは自然界中での動態を主な研究対象としているため、この人工的な移行の検証実験の詳細については、サブテーマ（3）にて述べる。

一方、非汚染建材を用いた137-Csの吸着・脱離実験、および福島県内での実汚染建材を用いた汚染状況の調査により、セシウムの沈着状態について、①吸着形態、②深さ分布、③吸着強さ、の3つの観点から検討を行った。その結果、建材の種類によりセシウムの沈着状態が大きく異なるこ
とが分かり、この結果に基づき、それぞれの建材の特性に応じた線量低減のための対応法を提案した。

## [キーワード]

セシウム、土壌、建材、吸着、移行

### 1. はじめに

福島第一原子力発電所事故に伴い放出された放射性物質により広範囲の地域が汚染され、深刻な環境汚染を引き起こしている $ ^{1} $ 。事故当時、主な核種は、セシウム134と137であったが、現在は半減期30年のセシウム137が主要な核種となりつつある。政府は事故後から、汚染土壤の表土はぎ取りや建物の除染作業を実施しており、表土剥ぎ取りで排出された土壤は、中間貯蔵施設で保存、減容化した後、最終処分場に保管される予定である $ ^{2} $ 。

このような状況下において、土壌中や建材中におけるセシウムの存在状態・移行動態を理解することは重要である。なぜならば、事故後から現在、将来にわたってセシウムがどこに、どのような形態で存在するかを明らかにすることにより、事故後の経過時間に応じて最も適切な除染や、廃棄物の減容化のためのシナリオを構築することができるからである。

土壤中での存在状態に関しては、セシウム137が土壌に長期間存在すると、植物・微生物への取り込みを通じた食物連鎖や、水相への浸出の可能性があるが、時間経過に伴い、土壌中におけるセシウムの生物利用能は減少するという報告がある $ ^{3} $ 。これは土壌中において、セシウムの存在状態が経時的に変化していることを示唆し、今後長期間、汚染土壌を安全に保管し、効率的に減容化するためには、このような時間変化に伴う状態変化の原因を明らかにする必要がある。

一方、住宅除染では空間線量率の上昇に寄与する放射性Csが問題となっている。庭土については、表土の剥ぎ取りにより容易にCsを除去できるが、建材の中にはCsを強固に吸着するものが存在し、現在用いられている汎用的な手法では効率的な除染が困難であり、それぞれの建材のセシウム吸着特性に応じた適切な除染方法の提案が求められている。

このように、同じく放射性物質に汚染された土壌と建材であるが、除染や廃棄物減容化にかかる問題点は異なる。図(1)-1に土壌と建材の問題点と課題をまとめている。土壌に関しては、表土剥ぎ取りで汚染部分を除去することで、除染は可能であるが、排出された大量の土壌をどう減容化するかが課題である。一方、建材に関しては、建築物をそのままの状態で洗浄する場合は、いかにして線量を下げるかということが課題であるが、内部まで放射性物質が浸透している等の場合で除染が不可能である場合は、それらが廃棄物となるため、その廃棄物をどう処理するかが問題となる。建材が除染可能かどうかの判断、および土壌や建材の除染・減容化の適切な手法の選択のためには、土壌や建材中でセシウムがどのような形態でどこに存在し、それが時間とともにどのように変化しているかということを明らかにすることが重要になる。

そこで本サブテーマでは、（1）土壌におけるセシウムの沈着状態と吸着強さの検討、（2）建材におけるセシウムの沈着状態と吸着強さの検討を行った。
図(1)-1 土壤と建材の除染・廃棄物減容化に係る問題点と課題

## (1) 土壤におけるセシウムの沈着状態と吸着強さの検討

## 1 ）セシウム吸着要素としての土壌の性質

土壌は様々な物質によって構成されており，気相，液相と固相が存在する。土壌構成を図(1)-2に示す。

図(1)-2 土壤の構成成分

土壤空気は，窒素と酸素が大半を占めるが，大気と比較して酸素が少なく二酸化炭素が多いところが特徴である。土壤水は土壤空気や土壤粒子の様々な成分が溶解した水溶液である。土壤粒子は無機物である鉱物と有機物で構成され，大部分は無機物が占めている。鉱物は粒径によって
表(1)-1に示すように，礫，粗砂，細砂，シルトと粘土に分類される $ ^{4)} $ 。

表(1)-1 鉱物の粒径による分類 $ ^{4)} $

名称	粒径[mm]
礫	2以上
粗砂	0.2~2
細砂	0.02~0.2
シルト	0.002~0.02
粘土	0.002以下

図(1)-2で示したように土壌は様々な物質によって構成され，その中でセシウムがどの部分に吸着されているかを理解することは，汚染土壌を減容化するために重要である。

平成23年6月に農林水産省が福島県相馬郡飯館村伊丹沢で粒径ごとの放射性セシウム濃度の調査を行った結果 $ ^{5)} $ を表(1)-2に示す。これより粒径の小さな粘土が最もセシウムを吸着し，粒径が大きくなるほど，セシウム吸着量が小さいことが分かる。粒径の大きな砂礫のセシウム吸着力は弱いため，水や環境負荷の少ない化学薬品によって容易に脱離させることが可能であることが分かっている。それに対して，セシウム吸着量が大きなシルトや粘土のセシウムを強固に吸着するため，脱離させることが困難である。

これらを踏まえると，砂礫に吸着されたセシウムを吸着量の大きな粘土鉱物に移行させ，シルトと粘土を分級によって土壌から取り除くことで，3分の1程度に減容化が可能であると考えられる。

表(1)-2 土壤表層（0-2.5 cm，飯館村伊丹沢）の粒径別の放射性セシウム濃度の測定結果 $ ^{5)} $

名称	粒径[mm]	組成割合[%]	放射性セシウム濃度[Bq/kg]
粗砂	0.2~2	20.4	25900
細砂	0.02~0.2	45.2	48000
シルト	0.002~0.02	29.6	103300
粘土	0.002以下	4.8	174300

粘土鉱物とは層状ケイ酸塩鉱物のことであり，シリカ四面体シートとアルミナハ面体シートが層状に積み重なった構造 $ ^{6)} $ をしている。図(1)-3に示すように，シリカ四面体シートとは，ケイ素を中心として四面体の頂点部分に4つの酸素が存在する構造が，シート状に並び形成されている。またアルミナハ面体シートはアルミニウムを中心としてハ面体の頂点部分に8つの酸素が存在し，それがシート状に並び形成されている。

図(1)-3 シリカ四面体シートとアルミナ八面体シートの模式図
粘土鉱物は，大きく1:1型粘土鉱物と2:1型粘土鉱物に分類される。それぞれの鉱物の模式図を図(1)-4に示す。1:1型粘土鉱物とは，1枚のシリカ四面体シートと1枚のアルミナハ面体シートが結合したものを指す。代表例としてカオリナイトが挙げられる。これに対して2:1型粘土鉱物とは，2枚のシリカ四面体シートと1枚のアルミナハ面体シートが結合した鉱物であり，代表例としてバーミキュライト，イライトやモンモリロナイトが挙げられる。

1:1型粘土鈊物 2:1型粘土鈊物

図(1)-4 1:1 型粘土鉱物と 2:1 型粘土鉱物の模式図

セシウムは1価の陽イオンとなり土壌中に存在し，その多くが粘土鉱物に吸着されるが，粘土鉱物の種類によってその吸着機構は異なる。粘土鉱物における吸着機構 $ ^{7)} $ は，変位電荷による吸着と永久電荷による吸着に大別される。

変位電荷とは，図(1)-5に示したように粘土鉱物末端のOH基や有機物の官能基が，溶液のpHやイオンの種類，濃度などによって影響を受けて変化する電荷のことである。セシウムイオンは陽イオンであるため，OH基や有機物の官能基が負電荷を帯びるときに吸着されやすい。しかし，pHを変化させることで電荷を変えることが可能であるため，セシウムイオンの脱離が比較的容易である。具体的には，酸性条件下では水素イオンが官能基に多く吸着されるため，変位電荷に吸着されたセシウムイオンが置換され，脱離されやすいことが分かる。

図(1)-5 変位電荷の模式図
それに対して永久電荷とは，2:1型粘土鉱物で主に発生する構造由来の電荷である。シリカ四面体シートのケイ素やアルミナハ面体シートのアルミニウムが他の陽イオンに置き換わることを同形置換という。2:1型粘土鉱物ではSi^{4+}がAl^{3+}に，Al^{3+}がMg^{2+}やFe^{2+}に置換することで，電荷のバランスが保たれず負電荷が発生する。それに伴って粘土鉱物の層間が負に帯電し，ここにセシウムイオンを吸着する。同形置換は四面体シートで発生する場合と八面体シートで発生する場合があるが，それぞれのセシウムイオン吸着強度が異なる。

アルミナ八面体シートが同形置換する場合，負電荷の発生部分が層間から遠いためセシウムイオンは弱く吸着される。それに対して，シリカ四面体シートで同型置換が起こる場合は，負電荷の発生部位が層間に近いため，セシウムイオンは層間により強く吸着される。

さらに，多くのセシウムイオンが層間に吸着されると，セシウムを介して四面体シート同士が引き寄せられ，静電相互的作用以外にも，四面体シートの形状的特徴がセシウムイオンの吸着に影響を与える。四面体シートには，半径が約0.13 nmの空孔が存在する。層間が閉じると，この2つの空孔が合わさって空洞を作る。セシウムイオンのイオン半径は約0.16 nm $ ^{4} $ であるため，層間に静電気的に吸着されたセシウムイオンはこの空洞に固定される。これによりセシウムイオンを層間に閉じ込め，固定するメカニズムである。

以上より，四面体シートに永久電荷を持つ2:1型粘土鉱物は，静電相互的作用と形状的特徴が合わさることで，セシウムイオンを強固に吸着・固定するため，容易に脱離させることは難しい。これに対して，1:1型粘土鉱物はシートの電荷不足が少ないため，ほとんど負電荷を生じない。そのため，永久電荷によるセシウムイオンの吸着は少なく，変位電荷によってセシウムイオンを吸着する。よって，1:1型粘土鉱物の外部条件を変化させることで，容易に脱離が可能である。

## 2 ）土壤中のセシウムの微視的動態の解析

これらの背景を元に、本研究ではまず、東北地方の一般的な土壌に含まれる各成分をモデル物質として用い、事故後から現在までの、土壌におけるセシウムの存在状態、移行動態の解明を目的とした模擬実験を行った。本研究の特徴は、半透膜を用いたことにある。これにより、様々な成分・吸着サイトが混在する実土壌体系において、イオンのみが通過できる膜に隔てられた状態に各土壌成分を保持したままで浸漬・乾燥・分析することで、セシウムの成分間での移行を調査可能とした。

本研究で行った実験は、大きく3つに分けられる。まず予備実験として、本研究に用いた試料（れき、砂、フミン酸、カオリナイト、イライト、バーミキュライト、モンモリロナイト）のセシウム吸着特性を評価した。これらは、福島県の土壤を構成する代表的な成分である。各試料に個別に同量のセシウムを添加することで、セシウム吸着量を求めた。次に、事故直後のセシウムの存在状態として、実際の土壤を模擬した土壤混合系にセシウムを添加し、土壤沈着後まもないセシウムの各土壌成分への吸着挙動を調査した。最後に、事故後のセシウムの移行動態として、土壌に存在するセシウムの状態変化に与える雨水の影響について調査した。以上の実験結果をもとに、事故後から現在までの、土壌におけるセシウムの動態について考察を行った。

さらに、粘土鉱物のセシウム吸着能についてナノスケール構造や空孔内の電荷について実験的に推定することができる手法として、陽電子消滅法を用いた寿命測定と消滅ガンマ線のドップラー広がり測定を行った。
## (2) 建材におけるセシウムの沈着状態と吸着強さの検討

住宅地における除染作業では、庭土の表土剥ぎ取り、屋根や壁等の高压水洗浄や拭き取りが行われている。しかし、除染特別地域内の高線量地域では、除染後も追加被曝線量限度である1 mSv/年(0.23 μSv/h)を満たしていない地域が広範囲に存在している。

住宅地において庭土の除染を行う場合、表土2～6 cmを除去することでおよそ90％のセシウムを除去可能である $ ^{8,9} $ 。しかし、建材の中にはセシウムを強固に吸着するものが存在し、現在用いられている汎用的な手法では効率的な除染が困難である。このように除染後も建材表面に残存したセシウムが、宅地において空間線量率を引き上げる主な要因の一つになっていると推測される。また追加被曝線量1 mSv/年から、一時間当たりの追加被曝線量(μSv/h)を算出する際、一日の3分の2を屋内で過ごすと想定して計算が行われている。この推定の基礎となる屋内の空間線量率は、建材表面の汚染状況に大きく依存すると考えられ、被曝線量を効果的に低減するためにも、放射線源となっている建材の除染が有効である。現在問題となっている放射性セシウムの多くは、CsOHやCsClの形態で放出され、水溶性のエアログル粒子を輸送担体として大気中を移動した $ ^{10} $ 。その後、住宅地に沈着したセシウムは、雨水に溶解してイオンの状態で建材に吸着したと考えられる。しかし、土壌に沈着したセシウムは、有機物粒子や土壌粒子等を輸送担体として再飛散を繰り返しており $ ^{11,12} $ 、粒子を媒介して間接的に吸着したセシウムも建材表面の汚染に寄与していると推測される。

これらのセシウムのうち、粒子の状態で吸着したセシウムは比較的容易に除去可能であるが、イオンの状態で吸着したセシウムは建材と強固に結合している $ ^{13)} $ 。このように先行研究では、セシウムと建材の相互作用について一定の見解が示されているが、建材の特性に応じた具体的な除染手法を提案している研究は数少ない。そこで本研究では、さらなる空間線量率低減のために、各建材表面におけるCs動態解析に基づいた除染プロセスについて検討した。

図(1)-6にCs動態解析に基づいた建材除染の流れを示す。動態解析の結果、除染が可能であると判断された建材(A)については、溶液等を用いた化学的な手法や、表面切削等の物理的な手法により線量低減を行う。しかし建材の中には、こういった手法によっても除染が困難なもの(B)が存在すると想定される。そのような建材のうち、取り換えが可能なものについては廃棄物として処理し、取り換えが困難なものについては、遮蔽材によって放射線の遮蔽を行う。このように各建材の特性に応じて適切な処理方法を選択し、住宅地における空間線量率を1 mSv/年以下まで低減することを目指すのが望ましいと我々は考えている。また本研究成果は、福島第一原子力発電所の廃止措置に向けた環境改善作業のうち、ガレキによる空間線量の低減にも資する基礎的知見となると考えられる。

本研究は、住宅建材の中でも比較的高線量である屋根材に用いられているセメント系材料、木材、粘土瓦、トタン材を対象とした。まず、各建材におけるCs動態を明らかにするために、(i) セシウムの吸着形態、(ii) 深さ方向の分布、(iii) 吸着強度の3つの観点から調査を行った。次に、これらの実験結果を基に、それぞれの建材に最適な除染プロセスについて検討した。
図(1)-6 セシウムの吸着状態に応じた建材の除染方法のフロー図

### 2. 研究開発目的

本研究開発の目的は、土壌や建材などの生活圏を中心とした環境中のセシウムの動態解析を行うことで、それぞれの除染対象物質・対象地域に対して最も効果的な除染、減容化および保管の方法を明らかにし、除染対象地域の追加被ばく線量を最小限の労力、予算、期間で最終的に1 mSv/年以下にするための除染シナリオを構築することである。そのために、本サブテーマでは、特に生活圏周辺に存在する土壌および建材中のセシウムの微視的な動態について、以下のことを明らかにすることを目的とする。

土壤や建材を中心とした除染対象について、Csの沈着状態、微構造、結合の強さについて分析し、どのような形態のCsがそれぞれどのくらい存在するか、またどのような手法によって除去することが可能であるかを検討し、効果的な除染方法を明らかにする。また、サブテーマ3と連携して、土壤において、1：1型粘土鉱物中の変異電荷に吸着している比較的脱離の容易なCsイオンを、強く固定化するサイトである2：1型粘土鉱物のフレイドエッジサイトに移行するための条件を検討する。特に、事故から現在までの経時的なセシウムの移行、および将来的なセシウムの移行について検討し、自然界での移行条件に基づいた効率的な除染・減容化方法の検討を行う。

### 3. 研究開発方法

## （1） 土壌におけるセシウムの沈着状態と吸着強さの検討

半透膜と模擬試料を用いて、土壌におけるCsの微視的動態について検討した。特に1）土壌沈着直後のCsの存在状態、2）事故後のセシウムの移行動態（特に雨水による移行動態）の2点について検討した。さらに、陽電子消滅分光法（PAS）を用いて、フレイドエッジサイトのような欠陥や交換したカチオンの検出に有効であるかどうかを調べた。それぞれの詳細な実験方法を以下に示す。

## 1 ）土壤沈着直後のCsの存在状態

まず予備実験として、本研究で用いた各試料のセシウム吸着量を調査した。セシウム吸着量は、
各試料に、個別に同量のセシウムを添加することで求めた。まず各試料2 gを半透膜（UC36-32-100, Viskase Companies, Inc.）で包んだ。半透膜の孔径は500 nm、透過分子量は14000である。半透膜に包んだ各試料2 gを、セシウム濃度10000 Bq/LのCs-137溶液50 mL（（公）日本アイソトープ協会，セシウム137放射能標準溶液（CS010），Cesium chloride in 0.1 M HCl，9.65×104Bq/gを蒸留水により希釈して使用）に、それぞれ個別に、固液比1:25で添加し、1時間静置した。浸漬時間を1時間に設定した理由として、雨水は経時的に鉛直方向に浸透していくため、一般的な土壌の透水係数から大まかに定めた。溶液から取り出した半透膜から溶液と懸濁した状態にある試料の一部を回収し、ろ紙上で乾燥するまで静置した。その後、各試料の重量と放射線量をGe半導体検出器（GEM-25P, ORTEC）により測定した（測定時間10分）。この結果から、各試料のセシウム吸着量を算出した。ただし、各試料に対し、有機物除去処理は行っていない。これは処理過程において、過酸化水素・加熱により、粒子構成が破壊・変形し、吸着特性が変化することを防ぐためである $ ^{14} $ 。

なお本研究ではすべての実験で、半透膜に各土壌成分のサンプルを入れて、そのまま乾燥させて吸着量を計測している。まず半透膜を用いた理由は、溶液中にすべての成分を混合して分散させると、各成分への再分離が不可能となるため、それぞれの成分を分離した状態で、しかも同じ溶液中に共存した状態を作り、浸漬後に再分離して各成分間の移行を追跡するためである。また吸引濾過を用いず、ろ紙上で乾燥させたのは、雨水が浸透したのちに室温付近で徐々に乾燥するという、実土壌での降雨-乾燥サイクルを模擬するためである。なお予備実験により、半透膜に包んだままの状態と取り出した状態で同じサンプルを計測し、線量の測定値の違いが数%程度であることをあらかじめ確認した。

次に、土壌沈着直後のCsの存在状態を調べるため、7試料（れき、砂、フミン酸、カオリナイト、イライト、バーミキュライト、モンモリロナイト）の混合系にCsを同時に添加した際の、各試料のセシウム吸着量を調査した。本実験は、福島第一原子力発電所事故後まもない段階での、土壌におけるセシウムの存在状態を明らかにすることを目的としている。半透膜に包んだ各試料2gを、全て同時に、セシウム濃度10000Bq/LのCs-137溶液（Cesium chloride in 0.1M HCl）350mLに添加した（7つの試料を1つの溶液に同時に添加した）。7試料（2g×7）と溶液（350mL）の固液比は1:25である。その後、1時間静置し、溶液から半透膜を取り出し、半透膜から試料を回収して乾燥させた。各試料の重量と放射線量をGe半導体検出器により測定した（測定時間10分）。この結果から、各試料のセシウム吸着量を算出した。

## 2 ）事故後のセシウムの移行動態

土壌に存在するセシウムの状態変化に与える雨水の影響について調査した。雨水中には、カリウム・ナトリウム・マグネシウム・カルシウムイオン等、陽イオンが数mg/L程度含まれる、これらはセシウムの挙動に影響すると考えられる $ ^{15} $ 。本実験の試料としては、土壌の大部分を占める砂、代表的な有機物としてフミン酸、1:1型・2:1型粘土鉱物としてカオリナイト・バーミキュライト、の4種類を用いた。手順は大まかに、1. 雨水添加前のCs存在量の算出、2. 雨水添加後のCs存在量の算出の2つに分けられる。

まず、半透膜に包んだそれぞれの試料2.0 gを、全て同時に、セシウム濃度10000 Bq/Lの塩化セシウム溶液200 mLに添加した（4つの試料を1つの溶液に同時に添加した）。1時間静置後、溶液から試料を包んだ半透膜を取り出し、キムタオル上で24時間、20℃で乾燥させた。その後、Ge半導体
検出器を用いて、半透膜に包んだ状態のまま各試料の放射線量を測定した。測定時間は10分である。本結果を、雨水添加前のCs存在量とする。このとき、半透膜内の試料重量は2.0 gであった。

次に、先ほどの半透膜に包んだ各試料を同時に、雨水を模擬した溶液200 mLに添加した。本溶液は、カリウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウムイオン濃度をそれぞれ5 mg/Lに調製したpH=6.9の溶液である。1時間静置した後、溶液から各試料を包んだ半透膜を取り出し、キムタオル上で24時間、20℃で乾燥させた。その後、半透膜に包んだままの状態で各試料の放射線量を測定した。本結果を、雨水添加後のCs存在量とする。このとき、各試料の重量は2.0 gであった。さらに、各試料から溶出したセシウムが、セシウムをまだ吸着していない土壌下層に移動した際の挙動について検討するため、試料を取り出した模擬雨水溶液中に、新たに別の未処理の砂・フミン酸・カオリナイト・バーミキュライト2.0 gを同時に添加した。本過程は、実際の土壌において、雨水の影響により、土壌成分から水相に溶出したセシウムが、水相を介して、あるいは雨水自体の浸透に伴い、他の成分に移行する可能性について検討している。1時間静置後、同様の方法で各試料を乾燥させ、放射線量を測定した。

また、本実験結果について考察するため、各試料のセシウム吸着強度を調査した。半透膜に包んだ各試料2.0 gを、10000 Bq/Lの塩化セシウム溶液50 mLに、それぞれ個別に、固液比1:25で添加した。1時間静置した後、キムタオル上で24時間、20℃で乾燥させた。乾燥後、半透膜に包んだ状態で各試料の放射線量を測定した。本結果を、セシウム吸着量(I)とする。続いて、先ほどの半透膜に包まれた各試料を0.5 mol/Lの酢酸アンモニウム溶液に、固液比1:25で添加し、1時間静置した。酢酸アンモニウム溶液は、粘土鉱物や有機物に吸着されている交換態セシウム量を評価する際に用いられる試薬である $ ^{16,17} $ 。静置後、24時間、20℃で乾燥させ、半透膜に包んだままの状態で各試料の放射線量を測定した。本結果を、セシウム吸着量(II)とする。以下の式(1)-1を用いて、各試料からのセシウム抽出率を算出した。

セシウム抽出率[\%]=(1-(セシウム吸着量(II))/(セシウム吸着量(I))) $ \times $ 100[\%] (1)-1

## 3 ) 陽電子を用いたセシウム吸着性能に係る鉱物評価

陽電子消滅分光法（PAS）を用いて、フレイドエッジサイトのような欠陥や交換したカチオンの検出に有効であるかどうかを調べた。測定した試料は1：1型粘土鉱物のカオリナイト、2：1型粘土鉱物のバーミキュライト（焼成の有無）、モンモリロナイト、イライトであり、特にイライトに関してはイライト65%、カオリナイト25%の混成品であった。また園芸店で販売している土壌も測定した。粘土鉱物の構造変化を避けるため、前処理をせずに計測した。X線回折実験とTEMによる電子顕微鏡像の観察も行った。消滅γ線の計測には約420 kBqのNa-22線源を用い、寿命測定には通常のコインシデンスシステムを用い、時間分解能は220-240 psであった。コインシデンスドップラー拡がり測定（CDB）も2台のゲルマニウム半導体検出器を用いて行った。これらの結果と、上記の手法で行った実際の放射性Csの吸着能との関係を照合して考察を行った。