【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.16】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24AE0019

利用課題名 / Title

放射光XAFS測定を用いた軽水炉燃料溶融現象における構造・電子状態解明

利用した実施機関 / Support Institute

日本原子力研究開発機構 / JAEA

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

超高温XAFS/XRD,その場観察,核燃料材料溶融,次世代原子炉の高温安全性評価,軽水炉過酷事故,放射光/ Synchrotron radiation

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

伊藤 あゆみ

所属名 / Affiliation

東京科学大学　科学技術創成研究院

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

小無　健司,有田　裕二,生田　陸人,山下　京也,水間　友清

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

矢板　毅,谷田　肇,小林　徹,小畠　雅明,福田　竜生

利用形態 / Support Type

（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

AE-003：高輝度放射光XAFSシステム

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

軽水炉過酷事故における炉心燃料の溶融機構を解明するために、模擬燃料物質CeO₂-ZrO₂混合物質と燃料物質UO₂-ZrO₂について「高温放射光XAFS/XRD法」を用いて高温反応過程の構造変化を評価した。

実験 / Experimental

ウラン試験専用のグローブボックス内に試料を密閉した加熱チャンバを設置した状態でX線照射実験を行った。グローブボックスにはX線の透過を妨げないように窓が設置されており、測定データの品質に影響を与えないことを確認した。また、試料温度はグローブボックス外から二色放射温度計を用いて測定した。今期実施した試料組成はUO₂：ZrO₂ = 40：60 (wt%) = 23：76 (mol%)、CeO₂：ZrO₂ = 40：60 (wt%) = 33：67 (mol%)であった。回折画像を一次元プロファイル化して得られたXRDパターンのピークフィッティングから各温度における結晶構造を同定し状態図と比較した。XAFSスペクトルは吸収端近傍の形状変化から価数状態の定性的理解を、EAFS振動から金属－酸素原子に関する局所構造を解析した。

結果と考察 / Results and Discussion

UO₂-ZrO₂試料のXRDスペクトル解析から、ZrO₂単斜晶→正方晶の相転移が確認された。相転移後はUO₂立方晶のピークパターン（111、200）およびZrO₂正方晶のピークパターン（101、110、002）が明瞭にみられた。ピークフィッティングからそれぞれの格子定数をもとめ体積に換算し温度に対してプロットしたところ、約1850 K以上でUO₂の体積減少が確認された。これはZrO₂-UO₂固溶反応が進んだことによるものと考えられる。前期に行ったUO₂-ZrO₂試験でも1800 K以上でUO₂立方晶の格子定数が減少することが確認された。UO₂-ZrO₂擬二元系状態図では立方晶との相境界線が1800 K近傍で平らになっている。このことから、立方晶へのZrO₂固溶が起こりやすい温度域であることが推定されて、実験結果と整合している。一方、CeO₂-ZrO₂試料ではXRD解析の結果から2200 K以上で蛍石型立方晶に類似した準安定相κ-CeZrO₄のパターンが観察された。一次プロファイル化したXRDパターンには反映されない程度の薄く細い回折リングであったため、κ-CeZrO₄の結晶構造を用いてXANESスペクトルを多重散乱理論解析ソフトウェア（FEFF9.6）で計算し、測定で得られたXANESスペクトルを比較した。その結果、蛍石型立方晶である(Ce, Zr)O₂に比べてκ-CeZrO₄はホワイトピークがつぶれたような形状になる特徴が酷似しており、回折像とあわせて準安定相が形成されたと考えられる。ZrO₂はUO₂に比べてCeO₂との反応は酸素分圧に対する感度が高いことや、複雑な原子構造をとる傾向があることが改めて確認された。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

特になし

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 小無 健司, “放射光分析手法を駆使した事故時核燃料の研究”，第38回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム，令和7年1月12日.
2. 伊藤　あゆみ, “高温放射光XAFSによる燃料デブリ生成過程の解明”， 第38回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム，令和7年1月12日.
3. 有田 裕二, 生田　陸人，山下　京也，小無 健司, 矢板 毅, 小林　徹，谷田　肇，福田　竜生，小畠　雅明，伊藤 あゆみ, "核燃料の超高温その場観察技術の開発　(6) UO2含有試料の高温XAFSおよびXRD同時測定", 日本原子力学会春の年会, 令和7年3月13日.
4. 伊藤 あゆみ, 小無 健司, 有田 祐二, 矢板 毅, 芝田　悟郎"核燃料の超高温その場観察技術の開発　(8)UO2-ZrO2系反応の温度変化過程における状態と平衡状態図の比較評価", 日本原子力学会春の年会, 令和7年3月13日.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件