原子力システム　研究開発事業　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
−不純物分析性能、同位体分析性能の総括−

１．研究開発の背景とねらい

　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、原子力の平和利用及び核不拡散の観点から、Puの量は国際原子力機関（IAEA）によって厳密に管理されている（保障措置）。現在の燃料は、FPの除去率が高い高除染燃料であることから、MOX燃料においてはPuからの自発核分裂による中性子計測により評価されている。しかし、次世代燃料ではTRUを含み、特にCmからの中性子量はPuの104倍であることから、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、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。このため、安全で経済的かつ公正な低除染燃料の利用推進を図るためには、中性子計測に依らない、迅速で遠隔に直接しかもその場で実施できる分析手法の確立が強く求められる。
　レーザーブレークダウン発光分光分析法は、パルスレーザー光を試料に照射して励起・生成されるプラズマからの発光を分光することで元素組成を分析する方法で、非接触遠隔分析の方法として最も有望な方法の1つである。ウラン酸化物、プルトニウム酸化物中の不純物分析及びウラン濃縮度分析等の研究が行われており、不純物について数百ppmの適用例がある。さらに、再処理工程の管理分析の一つに導入しようという検討も始まっている。同位体分析については、高濃縮ウランへの適用例が、また、発光スペクトル線を狭線化し、濃縮プルトニウムの同位体比測定を実現した報告もあるが、元素の同時分析が容易である半面、発光波長の極めて近い同位体を識別分析することは一般に困難である。このため同位体の分析については、試料表面にレーザー光を照射して表面から試料を遊離させた後（アブレーション）、特定の同位体のみが吸収する波長のレーザー光を入射し、得られる蛍光を測定するレーザー励起共鳴蛍光法や、その時のレーザー光の吸収により同位体の存在量を評価するレーザー共鳴吸収法（両者を合わせてアブレーション共鳴分光法と呼ぶ）の開発が行われている。
　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すものである。
　本研究ではこれまで、素過程に関する基礎的な研究、摸擬試料を用いた分光研究、ウラン酸化物による分光・分析特性に関する研究を実施してきた。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た。

２．研究開発成果

2.1 ブレークダウン発光分光法によるウラン酸化物中の不純物分析特性

【測定条件による変化】
　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が用いられる。これまでの研究成果から、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れば、レーザー強度変動等の影響や、母材と不純物の発光特性が時間的にも空間的にも同じ振る舞いをすることが確認された。

【スペクトルの評価方法、検量線、検出下限】
　母材がウランである場合、極めて多数で複雑な発光スペクトルを持つため、不純物のスペクトルが母材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、スペクトル全体を構成するスペクトルピーク成分を考え、その成分の総和が観測されたスペクトルに一致するようスペクトル成分の強度を決定する、デコンボリューションの手法を導入した。本研究では、酸化ウラン中に濃度の異なる酸化Caを混入させた仮焼結試料を製作し、分析特性を評価した。
　測定により得られたスペクトルを規格化し、デコンボリューションした測定例を図１に示す。ここでは60本余りの発光線を仮定した。得られたCaの発光成分強度から検量線を求めた結果、図２中の赤で示すように、濃度に対する直線性が確認できた（より多くの濃度変化を測定したGd中のCuの例も青で示した）。
　検出下限については、スペクトル強度の不確定さを標準偏差から評価し、検量線から検出下限を求めた。スペクトル強度変動がスペクトル強度や波長によらず、ランダムに発生すると仮定すれば、強度の不確定さは波長全域にわたる発光強度の標準偏差から評価できる。測定領域における標準偏差を導出し、検出下限を評価した結果、不確定さが標準偏差程度とした場合で70ppm（Gd中のCuの場合は36ppm）が得られた。この結果は、ウラン中の不純物感度で100ppmとした本研究の目標を達成するものである。

【酸化ウラン中のランタノイドの評価】
　Caのように、スペクトルの単純な不純物の場合に加え、ウラン中のTRUを摸擬するため、TRU（アクチノイド）に分光的な性質が良く似たランタノイドを混入させた試料を用い、ウラン中のTRU分析の可能性を評価した。試料として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を製作し、発光スペクトルを観測した。Ndはウラン同様、発光線が多く、複雑なスペクトル構造を持つ。このため、ウランや比較的発光線の多いFeと識別できる発光線を選定することが重要となる。Ndの識別観測に成功した測定例を図３に示す。赤で塗りつぶしたNdのスペクトルは、ウランやFeとの干渉が少なく、S/Nからの単純な評価により、0.1%（1000ppm）程度の分析が可能であることが示された。これは、ウラン中のランタノイド感度で0.1％とした本研究の目標を達成するものである。

2.2 高感度化手法の検討（レーザー二重照射ダブルパルス法の特性）

　発光強度の増大による高感度化を目指し、レーザーアブレーションによる試料の発生と、プラズマ生成とをそれぞれ独立のレーザー入射により行うダブルパルス法の発光特性を取得し、従来法と比較した。酸化Gdを用いた発光特性試験の結果、図４に示すように、アブレーション後プラズマを再加熱する方式では、アブレーションレーザーの焦点位置が試料表面に一致した場合に発光強度が最大になるとは限らないことが確認された。また、発光体積が大きく発光強度も従来に比べ20倍以上改善でき、高感度化法の一つとして有用であることが示唆された。

2.3 同位体の共鳴吸収分光分析特性

【アブレーションプルームの運動特性】
　アブレーション共鳴吸収分光により同位体の識別分光を実現するためには、プルームの運動特性を把握することが不可欠である。そこで共鳴吸収波形の時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た。観測されたドップラー分裂スペクトルの観測例を図５に示す。これらの解析から、プルームの膨張運動は理論式として最も単純化されたドラッグモデルに従うこと、プルーム膨張がほぼ停止する条件で吸収量が大きくスペクトル分解能も高いことが判明し、同位体識別条件の評価を可能とした。

【検量線と検出下限の評価】
　共鳴吸収スペクトル強度の濃度に対する直線性を確認するために、Gd中に濃度の異なるセリウム（Ce）を混入させた摸擬同位体試料を作成し、Ce濃度と140Ceの共鳴吸収スペクトル強度（原子数換算値）との関係を評価した。結果を図６に示す。この結果から、吸収スペクトル強度と濃度の直線性が確認できた。同位体比の検出下限については、測定におけるバックグランドノイズの大きさから評価した。本計測におけるノイズレベルを検量線で評価した結果、使用したCeの共鳴線においては、0.2％程度が得られた。アブレーション強度を上げることにより、S/Nを数倍上げられることが判明しており、0.1％以下の検出感度が得られるものと評価される。Ce同位体自体の濃縮度を変えた測定も実施しており、同様の直線性と感度が得られている。

【天然ウラン中の235Ｕの識別観測】
　ブレークダウン共鳴吸収分光法を天然ウラン酸化物仮焼結試料に適用し、Ar雰囲気100Paの減圧雰囲気で共鳴吸収スペクトルを測定した。235Ｕは238Ｕから約9GHz離れた位置に存在することから、レーザーの波長掃引領域を18GHzとして238Ｕと235Ｕの識別分光を行った。その結果、図７に示すように、天然ウラン中の235Ｕ（存在率：0.72%）の有意なスペクトルを確認することに成功した。本結果は、濃縮度測定性能1%〜5%とした本研究での分析目標の下限を実現したものである。現在、5％、10％の２種類の低濃縮ウラン試料を用いた分析特性を取得中である。

３．今後の展望

　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、今後は、分析の安定性や精度の向上に配慮しつつ、システムの簡略化と分析プローブとしての確立を図り、図８に示すような分析システムを構築してMOX燃料に適用し、実試料における性能実証を行っていくことが求められる。また、再処理・燃料製造工程で現れる気体、液体、粉体、固体といった様々な状態への適用を目指した研究もあわせて実施し、工程分析や保障措置分析への工学的適用を図っていくことが、本技術を次世代核燃料サイクルを支える基盤技術として発展させるために不可欠である。