原子炉内での放射性物質のふるまい予測をめざす~重大事故時のセシウムの「化学」をデータベース化~

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2020-03-26 日本原子力研究開発機構

【発表のポイント】

  • 東京電力福島第一原子力発電所の廃炉を安全に進めるにあたっては、燃料デブリ取出し等各種作業における被ばく管理が重要である。このために必要となるセシウム等放射性物質の原子炉内での付着状態等を知るためには、放射性物質が事故時にどのようにふるまうかを正確に評価することが重要。
  • そこで、事故時の原子炉内における放射性物質のふるまいに大きな影響を与える「化学挙動」を予測可能なデータベース「ECUME」を構築した。この「ECUME」をシビアアクシデント解析コードに適用することを通じて、放射性物質のふるまいのより正確な予測をめざす。
  • このデータベースは、既存の軽水炉や様々な原子力施設における予測にも適用可能で、これらのさらなる安全性向上へつながることができる。

【概要】

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長:児玉敏雄)原子力基礎工学研究センター軽水炉基盤技術開発ディビジョン性能高度化技術開発グループの逢坂正彦グループリーダー、中島邦久研究主幹、三輪周平研究副主幹らは、軽水炉の重大事故時におけるセシウム1)等の放射性物質の事故時ふるまい2)に大きな影響を与える化学挙動3)を予測可能な核分裂生成物化学挙動データベース「ECUME(エキューム; Effective Chemistry database of fission products Under Multiphase rEaction)」を構築しました。

東京電力福島第一原子力発電所(1F)では、原子炉内・原子炉建屋内に大量の放射性セシウムが残っていることがわかっています。しかし、その分布は不明なため、燃料デブリ4)取出し等の各種廃炉作業における作業員の被ばく管理で大きな課題となっています。これは、セシウムが化学的に反応しやすいという性質を持っており、配管等の構造材と様々な化学反応を生じて付着すること等の「事故時ふるまい」が複雑で予測が困難なためです。

セシウムの事故時ふるまいは、他の元素とどのような化合物をつくっているかに大きく影響されます。従って、事故時ふるまいを正確に予測するためには、事故で想定される多様な条件において、高温で核燃料から放出されたセシウムが原子炉内を移行する中で、どのような化学反応を生じ、その結果どのような化合物となっているかを評価すること、すなわち化学挙動を評価することが不可欠です。しかしながら、事故時ふるまいの予測に使用される現状のシビアアクシデント解析コード5)では、化学挙動を考慮した解析ができませんでした。

そこで研究グループは、実際に原子炉内で起こり得る化学挙動に関するデータやモデルを整備して、新たにデータベースを構築しました。「ECUME」と名付けたこのデータベースをシビアアクシデント解析コードに適用することにより、多様な条件に応じた化学挙動の予測が可能となりました。

本成果は、セシウムの事故時ふるまい、さらには、原子炉内におけるセシウム化合物の付着状態等のより正確な予測に向けての足掛かりとなるものです。これにより、1F廃炉作業における作業者の被ばく低減策の検討等の安全対策立案へつながることが期待できます。

さらに、「ECUME」には、セシウムのみならず、既設軽水炉の継続的な安全性向上の観点で重要なヨウ素6)や、再処理施設の事故で重要なルテニウム7)のデータも組み込んでいます。今後さらに、放射性廃棄物管理において重要なストロンチウム8)のデータを組み込むことで、既存軽水炉を含め様々な原子力施設の安全性向上へつながることも期待できます。

「ECUME」は、以下のURLより3月26日に公開します。

Fission product chemistry database ECUME version 1.1

【研究開発の背景】

1Fの燃料デブリ取出しや廃炉に向けた今後の作業の推進に際しては、原子炉内・原子炉建屋内の高線量の主要因となっている放射性セシウムの分布や付着状態を把握することが不可欠です。セシウムの分布や付着状態を評価することができれば、1Fの燃料デブリ取出しの各種作業における被ばく管理等、1F廃炉に向けての効果的な安全対策立案に役立ちます。セシウムの分布や付着状態は、シビアアクシデント解析コードを用いた事故時ふるまい解析の結果、プラントパラメータ等の実測値、線量調査等の現場の実態に関する情報等の様々な情報を総合的に分析することにより評価されるため、各情報の精度を継続的に上げていくことが重要です。

化学的に反応しやすい(活性が高い)セシウムは、事故時の原子炉内の雰囲気や温度に応じてその化学形態が容易に変化すること、配管等の構造材との様々な化学反応を生じて付着すること等、「事故時ふるまい」が複雑で予測が困難です。特に原子炉内で表面積が非常に大きい鋼製構造材に多くセシウムが付着することが予想されており、これを正確に予測できるかどうかが分布や付着量の評価において重要となります。

これらのセシウムの事故時ふるまいを正確に予測するためには、化学挙動を評価することが必要です。しかしながら、事故時ふるまいの予測に使用されるシビアアクシデント解析コードにおいて、現状では、セシウムは化学反応を起こさないと仮定している等、化学挙動を考慮した解析ができず、セシウムの事故時ふるまい予測における大きな課題でした。

【研究開発の内容】

そこで、シビアアクシデント解析コードを用いて事故時に実際に原子炉内で起こり得ると考えられるセシウム等の化学挙動を予測可能とするため、核分裂生成物化学挙動データベース「ECUME」を構築しました(図1)。「ECUME」には、主に以下の3つが格納されています。

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