並列タイトル等Investigation of effects of nano interfacial phenomena on dissolution aggregation of alpha nanoparticles by using micro nano technologies (Contract research); FY2023 Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project
一般注記出版タイプ： NA
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5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4年度に採択された研究課題のうち、「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」の令和5年度分の研究成果について取りまとめたものである。安全で合理的な燃料デブリ取出しを進めるためには、デブリ加工時に発生するアルファ微粒子の溶解や変性挙動の把握は不可欠である。本研究は、金属酸化物ナノ粒子の凝集、溶解、変性挙動を熱力学的・速度論的に解明しうるマイクロ・ナノデバイスを創出すると共に、数理科学と組み合わせることで、アルファ微粒子の溶解・凝集・変性プロセスのメカニズム解明と反応モデル化を実現することを目的としている。具体的には、(1)ナノ粒子溶解特性評価、(2)溶解ダイナミクス分析、(3)凝集ダイナミクス分析、(4)表面微構造解析、(5)数理科学的モデリングの5項目を日本側・英国側で分担し、互いに有機的に連携しながら推し進める。令和5年度には、模擬燃料デブリ微粒子(UO$_{2}$メカニカル微粒子、UO$_{2}$ケミカル微粒子及び(U,Zr)O$_{2}$微粒子)のバルク及びマイクロ溶解試験を実施し、これらナノ粒子の溶解挙動に与える粒子サイズ、反応時間、H$_{2}$O$_{2}$濃度の効果について解析することに成功した。特に、(U,Zr)O$_{2}$デブリ微粒子では、H$_{2}$O$_{2}$濃度に応じてZrの触媒反応の進行度合いが異なり、H$_{2}$O$_{2}$濃度に依存してガス発生量とU溶解量が変化することを明らかにした。また、ナノ粒子分散液と反応溶液とを瞬時に反応させ、動的な凝集・溶解挙動の評価及び溶出したUを定量することができるマイクロ流体デバイスを構築し、マイクロ流路内でのH$_{2}$O$_{2}$処理によるUの凝集・溶解速度を算出した。英国側研究者と連携を密にして研究を進め、所期の目標を達成した。
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 FY2023. The Project aims to contribute to solving problems in the nuclear energy field represented by the decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, 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 and Technology 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 and consecutively implemented. Among the adopted proposals in FY2022, this report summarizes the research results of the "Investigation of effects of nano interfacial phenomena on dissolution aggregation of alpha nanoparticles by using micro nano technologies" conducted in FY2023. To ensure the safety of retrieval and storage management of nuclear fuel debris generated by the Fukushima-Daiichi Nuclear Power Station accident, understanding of dissolution-denaturation behavior of the fuel debris alpha particles is one of the most crucial issues. This research aims to create novel microfluidic real-time measurement device for elucidating dissolution, aggregation, and denaturation processes of metal oxide nanoparticles under various solution environments, and clarify their nano-size and interfacial effects. In this year, we conducted bulk and micro dissolution tests of simulated fuel debris particles (UO$_{2}$ mechanical-treated nanoparticles, UO$_{2}$ chemical-treated nanoparticles, and (U,Zr)O$_{2}$ nanoparticles), and successfully clarified that the effects of particle sizes, reaction times, and H$_{2}$O$_{2}$ concentrations on the dissolution behavior of each nanoparticle. In particular, it was found that (U,Zr)O$_{2}$ nanoparticles have different degrees of Zr catalytic reactions depending on H$_{2}$O$_{2}$ concentrations, resulting in the generation of different amounts of gas and U. Moreover, we developed a new microfluidic device which enables to instantly react the nanoparticles with H$_{2}$O$_{2}$ solutions, and determined dynamic aggregation and dissolution rates of the nanoparticles. The research was carried out in close collaboration with UK researchers, and achieved the expected goal of this year.
一次資料へのリンクURL/JAEA-Review-2025-026.pdf （fulltext）
連携機関・データベース国立情報学研究所 : 学術機関リポジトリデータベース（IRDB）（機関リポジトリ）
提供元機関・データベース日本原子力研究開発機構 : JOPSS:JAEA Originated Papers Searching System