Crドープ（Ln,U）O2使用済み燃料モデル材料内のCrおよびLn「グレーフェーズ」の存在形態と放射線耐性

この研究が原子力にとって重要な理由

原子力は将来のエネルギー体系の低炭素な中核候補としてよく挙げられますが、燃料が役割を終えた後に何が起きるかは依然大きな課題です。本研究は、微量のクロムや他元素で改善された新世代の二酸化ウラン（UO₂）燃料を対象としています。これらの添加剤は炉内での性能を高め、使用済み燃料の体積を減らすのに寄与しますが、長年の放射線によって形成される微視的な内部構造も変化させます。こうした変化を理解することは、数十年にわたる貯蔵や処分条件下で使用済み燃料がどのように振る舞うかを予測するうえで不可欠です。

目に見えない助っ人を抱えた賢い燃料ペレット

現代の炉用燃料は、いわゆる先進技術燃料を用いることが増えており、従来のUO₂を巧妙に改良しています。クロムを数百ppm程度添加するだけで、燃料ペレット内部の微視的な結晶粒が大きく成長します。大きな結晶粒は核分裂ガスをより効果的に閉じ込めるため、燃料はより長く、より高いバーンアップで使用できます。電力会社はまた、炉運転中の出力制御に寄与するガドリニウムなどの希土類元素を添加することがあります。これらの工夫は炉内性能を向上させますが、燃料が強く被ばくして使用済み燃料となった後に、これらの添加元素がどのように再配列されるかについてはまだ不明な点が多く残っています。

鋭いX線で燃料内部の化学を探る

高放射性の使用済み燃料を直接実験することは技術的に困難なため、研究者たちは厳密に制御されたモデル材料を作製しました。微量のクロムと、重要な核分裂生成物や転換生成物の挙動を模倣するプラセオジムまたはガドリニウムのいずれかを大きめに含む二酸化ウランを合成しました。高エネルギーのシンクロトロンX線と高分解能技術であるHERFD‑XANESを用いることで、ウランが結晶内のどこにあるかだけでなく、その酸化状態やクロムや希土類元素の結合状態まで識別することができました。これらの測定は、三価の希土類イオンを導入すると一部のウランが酸化され、結晶格子がわずかに収縮し電荷の内部バランスが変化することを示しました。

予期せぬグレーフェーズの島の形成

最も注目すべき発見は、クロムと希土類元素が単純な溶解度限界から期待されるように均一にUO₂中に溶けたままではないことです。むしろ、かなりの割合のクロムがプラセオジムまたはガドリニウムおよび酸素と結びつき、化学式でLnCrO₃と表されるペロブスカイト型構造を持つ一群の混合酸化物を形成していました。これらの化合物は従来の使用済み燃料で知られる「グレーフェーズ」に非常に類似していますが、ここでは本来なら燃料マトリックスに溶けているはずの元素から構成されています。高度なスペクトル解析により、全体のクロム含有量が別個のクロム相が出現するはずのレベルよりもはるかに低いにもかかわらず、クロムの約3分の2から4分の3がこれらグレーフェーズ様領域に移動していることが示されました。

強烈なイオン照射下での耐性の試験

新たな微視的相の形成は直ちに疑問を投げかけます：これらの小さな島は燃料内の極端な放射線場や長期貯蔵下でも安定なのか？この点を検証するため、研究チームは2種のペロブスカイト化合物、PrCrO₃とGdCrO₃の純粋なペレットを合成し、その研磨面を高エネルギーの金イオンビームで照射して激しい放射線損傷を模擬しました。電子顕微鏡像は、表面近傍の鮮明だった結晶粒構造が滑らかでガラス状になったことを示し、部分的な非晶化を示唆しました。しかし、浅い表面層を探るグレージング入射X線回折では、元のペロブスカイト結晶の特徴的な回折ピークが依然として観測され、ピークは広がりとシフトを示していました。これは材料が大きな損傷を受ける一方で、基礎となる構造と相の同一性は残ることを意味します。

使用済み核燃料の将来に対する意味

非専門家向けに要点をまとめると、炉内で燃料性能を高めるために導入された微量のクロムが、使用済み燃料となったときに新たで非常に安定な混合酸化物の島を形成させる可能性があるということです。これらのグレーフェーズ様ポケットはクロムと特定の核分裂生成物に類似した元素を構造内に閉じ込め、熱や化学反応、放射線に対して抵抗性を示します。これは放射性物質を封じ込める観点では安心材料ですが、同時にクロムドープされた先進燃料由来の使用済み燃料の内部組成は従来のUO₂とは異なることを意味します。旧来燃料向けに設計された処分・溶解モデルは、この新しい相の化学を反映するよう更新が必要となるかもしれません。つまり、炉内での燃料性能を改善することは、使用後の燃料の長期的な挙動の物語を必然的に変えるのです。

引用: Shirokiy, D., Bukaemskiy, A., Henkes, M. et al. Speciation and radiation stability of Cr and Ln “Grey-Phases” within Cr-doped (Ln,U)O₂ spent fuel model materials. npj Mater Degrad 10, 39 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00752-5

キーワード: クロムドープ核燃料, 使用済み燃料のグレーフェーズ, 二酸化ウランの微細構造, ペロブスカイト混合酸化物, 放射線損傷耐性