原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　成果報告会資料集

低除染TRU燃料の非破壊・遠隔分析技術開発
−研究開発の総括と今後の計画−

１．研究開発の背景とねらい

図１　規格化スペクトルのデコンボリューションによるＵ中Caの発光スペクトル解析例

　資源の有効利用、環境負荷低減、核拡散抵抗性、サイクルコストの低減等の観点から、次世代炉燃料として低除染のTRU含有燃料の利用が検討されている。燃料の組成、濃縮度に関するデータは基本的情報であるが、従来の分析手法では、精密な分析が可能である一方で、分析操作が複雑で長時間を要することから、被ばく線量の増大、放射性廃棄物の発生等の問題が生じ、人的・経済的負担が大きくなることが予想される。一方、Puについては原子力の平和利用及び核不拡散を目的とした保障措置の観点から、管理の徹底と透明性が求められる。現在のMOX燃料の保障措置分析では、FPの除去率が高い高除染燃料であることから、Puからの自発核分裂による中性子計測による評価法が確立されている。しかし、TRUを含有させる次世代燃料では、特にCmからの中性子量がPuの10⁴倍と高いことから、従来の中性子計測によるPuの保障措置検認が困難となり、TRU含有燃料の導入そのものが国際的に認められない可能性も危惧される。安全で経済的かつ保障措置上透明性の高い低除染TRU燃料の導入を図るためには、炉心開発や燃料開発だけでなく、中性子計測に依らない、迅速で遠隔、直接しかもその場で短時間に分析が可能な新たな分析手法の確立が強く求められる。
　以上のような背景を踏まえ、本研究開発では、広範囲な元素分析が可能なレーザーブレークダウン発光分光法と同位体分析が可能なレーザーアブレーション共鳴吸収分光法とを、レーザーアブレーションという共通の素過程において機能的に組み合わせることで、核燃料物質中の組成、不純物分析と濃縮度評価を一連の操作で実施可能な手法として確立することに注目した。模擬FP、模擬MAを含有した未照射核燃料物質を対象として、核燃料物質をマトリックスとしたレーザー励起ブレークダウン発光分析法の最適化と、アブレーションにより生成される原子（イオン）雲に対するレーザー共鳴吸収法による濃縮度測定法の開発を主たる研究開発課題とし、次世代燃料の候補である「低除染TRU燃料」の遠隔直接分析に必要な技術基盤の形成を目指した。
　本報告では、ウラン酸化物試料中の組成・不純物分析特性、高感度手法の検討、同位体分析特性に関する成果について総括的にまとめるとともに、本研究成果を基にしてMOX試料の分光特性の取得を目的に新たに開始した「次世代燃料の遠隔分析技術開発とMOX燃料による実証的研究」の概要について述べる。

２．研究開発成果

2.1 ブレークダウン発光分光法による分析特性

図２　発光分光における検量線と検出下限の評価

図３　Ｕ中のNd（2.6%）のスペクトル識別例

　レーザープラズマ発光からの不純物分析では、様々な条件変化に伴う発光強度のばらつきが存在する。これを補正するため、母材の特定のスペクトル強度に対する不純物のスペクトル強度の比をとった規格化スペクトルによる評価手法を導入した。特に、母材と不純物とで発光に係る光学遷移の上準位が同程度のエネルギー準位である発光スペクトルを比較することにより、レーザー強度変動、ガス種・圧力等の環境影響や、母材と不純物の発光特性の時間的・空間的影響をほぼ相殺できることを確認し、安定なスペクトルの取得に成功した。
　ウランの発光スペクトルは極めて多数で複雑であることから、不純物のスペクトルが母材であるウランのスペクトルに混入し、発光強度の単純な比較が困難となる。そこで、個々のスペクトル成分を分解して評価する、デコンボリューションの手法を導入した。測定結果をウランのスペクトル強度で規格化し、デコンボリューションによりスペクトル成分を評価した。ウラン中の金属不純物を摸擬したCaの評価例を図１に示す。ここでは60本余りの発光線を仮定し、評価対象とするCaの発光成分強度を求めた。低濃度における検量線を求めた結果、図２の●に示すように、濃度に対する直線性が確認できた（Uを摸擬したGd中のCuの例も■で示した）。不確定さが標準偏差程度として検量線から検出下限を求めた結果、70ppm（Gd中のCuの場合は36ppm）が得られた。また、ウラン中のTRUを摸擬するため、分光的な性質が良く似たランタノイドの一つであるNdを2.6％、その他スペクトルの複雑な元素としてFeを5600ppm混入させたウラン酸化物試料の発光スペクトルを観測した結果、図３に示すように、元素識別の可能な規格化スペクトルを得ることに成功した。Caの場合と同様に検量線を評価した結果、図４に示すように％オーダーでの感度の直線性と150〜500ppmの検出下限が得られ、当初の目標（金属不純物：100ppmオーダー、ランタノイド：0.1％程度）を上回る性能が達成できた。さらに、複数元素混在環境（ランタノイド6種）でも元素識別が可能であること、図５に示すようにPuを摸擬したランタノイド（Eu）において組成比50％近傍までの感度の直線性と、繰り返し測定精度±2％が達成できる可能性も示した。

図４　Ｕ中のNdの代表的スペクトルに対する検量線と検出下限評価

図５　30％を超える高濃度までの検量線と測定誤差の評価例

2.3 同位体の共鳴吸収分光分析特性

図６　水平方向運動評価のためのドップラー分裂観測例

図７　共鳴対象準位密度の空間・時間変化評価例

　同位体の共鳴分光を実現するためには、波長可変の安定したレーザー光源が不可欠となる。そこで精密分光用光源を開発した。この結果、発振幅が1時間平均で20MHz以内の単一波長性と周波数変動が1時間当り88kHz未満の長時間波長安定性、100GHzの広帯域波長掃引性の実現及び絶対波長での波長設定、任意波長への波長切り替え性能を有した共鳴分光用光源の構築に成功し、共鳴分光分析試験に供した。
　アブレーションプルームの挙動解析では、共鳴吸収波形の時間・空間変化から垂直方向の運動速度を、共鳴スペクトルのドップラー分裂から水平方向の運動速度を評価し、共鳴吸収対象となる状態密度分布の時間・空間変化を導出してプルーム挙動の可視化する評価法を確立した。ドップラー分裂の観測例を図６に示す。共鳴波長に対して対称に分裂することから、密度の高い層がレーザー入射方向（水平方向）に対して反対称的な運動をすることが示唆された。さらに吸収波形の時間・空間変化から垂直方向の運動を評価した例を図７に示す。レーザー入射後早い時間では高速で移動している様子は図６と矛盾しない。これらにより、状態密度分布の膨張がドラッグモデル的な振る舞いをすること、状態密度の濃い部分はシェル状に膨張・減速し、停止・滞留した後、減衰していく様子を観測することに成功した。この評価結果を基に、共鳴分光の最適化では、プルームが停止・滞留する場合に高感度・高分解能が両立できることを確かめ、これから希ガス減圧条件、観測位置、観測時刻を決定することにより、ほぼ室温のドップラー幅での測定分解能（750MHz）を達成した。Ce同位体や天然ウラン中の235U（存在率0.72％）の測定に適用した例を図８、図９に示す。また図10に示すように濃縮同位体を用いた測定から感度の直線性を確認するとともに、光学遷移の選定、計測法の最適化により、検出下限値として350ppmから500ppmを得、当初の目標（1〜5％の識別性能）を十分上回る分析性能を達成した。さらに、35核種以上の複数元素・同位体が同量程度混在した複雑な環境下でも、同位体の識別が可能であることを実証するとともに、10％台の高濃度においては概算値として±5％以内の繰り返し測定精度が得られる可能性も示した。

図８　Ce同位体のスペクトル測定例

図９　天然ウランの同位体スペクトル測定例

図１０　同位体比測定における検量線と検出下限の評価例

2.4 元素分光・同位体分光に要する操作時間の検証

　発光分光と共鳴分光を組み合わせた総合試験を実施し、一連の操作に要する時間を評価した。発光分光試験直後に雰囲気ガスを交換して共鳴分光を行う方法を採用することにより、分析操作に要する時間が15分程度（確度を上げた場合で25分程度）となることを示し、目標（1時間程度）より十分短時間で測定が完了できることを実証した。

３．今後の展望

図１１　MOX分光用レーザー遠隔分光装置の模式図

図１２　研究開発の目標と次期計画へのロードマップ

　ウラン酸化物試料を用いた試験により、本研究開発の最重要課題であるウラン中の元素組成・不純物分析性能及びウラン濃縮度分析性能の目標が達成され、レーザー遠隔分析技術の有効性が示された。本成果を足がかりとし、未照射少量MOX試料を用いたウラン、プルトニウムの分光分析に適用し、遠隔分析システムの構築と実燃料分析の実証に不可欠な基本データを取得することを目的として、原子力システム研究開発事業により「次世代燃料の遠隔分析技術開発とMOX燃料による実証的研究」を新たに開始した。この研究では、図11に示すように、実際にグローブボックスを用いた遠隔分析システムを構築し、遠隔操作によるMOX試料の分光試験を実現する。これによりU、Puの識別性能、同位体識別性能を実証するとともに、存在率30%において5%程度の測定精度を1時間以内の分析操作時間で実現することを主たる目標とした。研究開発の概要を図12に示す。本計画では、MOX分光に加えて、従来手法の粉体分析への適用性評価と、レーザーアブレーションとマイクロ波を組み合わせ、プラズマ発光を長時間持続させることで分光性能の向上を図る新しい遠隔分光法の可能性を試みる。さらに、溶液系を対象として、層流液体シートの気液境界におけるレーザープラズマ発生法、レーザー液体気化とブレークダウン発光を組み合わせた二重照射法、ロングパルスレーザーを用いたプラズマ発生法等を適用し、溶存元素組成分析の可能性についても評価することで、固体・粉体のみならず、液体も分析対象とした研究開発を推進していく計画である。