東京工業大学 科学技術創成研究院 先導原子力研究所

物質理工学院応用化学系原子核工学コース

鷹尾研究室

Tel & FAX: 03-5734-2968
E-mail: ktakao@lane.iir.titech.ac.jp
(@を半角に変更してください)

研究内容

鷹尾研究室では、ウランをはじめとしたアクチノイド元素および様々な関連元素の錯体化学および溶液化学に基づき、いわゆる【核のゴミ】である使用済み核燃料や高レベル放射性廃棄物などの適切な処理・処分ならびに資源化を目指しています。昨今、原子力にまつわるニュース・話題として例えば廃炉・廃止措置・放射性廃棄物処理および処分など、どちらかというと一般にはネガティブな印象を生むワードを含むものが多い点が否めません。原子力エネルギーの恩恵を享受してきた現代社会全体の責任としてこれらの課題に取り組んでいかなければならないのは確かですが、最初から後始末に特化した研究開発だけではどうしても魅力に欠けてしまいます。これからの社会を担う将来ある若い世代の学生さん達には、単に応用だけでなく重要な基礎研究・学究の場である大学ならではの研究として、学術的価値が高くかつ将来の展望が大いに期待出来る夢のある研究テーマに取り組んでもらいたいと考えています。

1. 核燃料物質選択的沈殿法(Nuclear Fuel Materials Precipitation, NUMAP法)に基づく使用済み核燃料簡易再処理技術の開発

今後ますます増加する世界のエネルギー需要を満たす上で、使用済み核燃料の再処理および核燃料サイクルの実現が重要と考えます。我々が見出したN-アルキル-2-ピロリドン(NRP, 図左)等の環状アミド化合物が硝酸水溶液からアクチノイド(VI)を選択的に沈殿させる現象に基づき、使用済み核燃料に対する簡易再処理技術基盤構築のための基礎研究を実施しています。

使用済み核燃料に含まれる核分裂生成物(FP)等からウランやプルトニウム等核燃料としてまだ使用可能な物質を分離・回収し、それらを新燃料としてリサイクルすることが「再処理」の目的です。我々はこれまでに様々なNRPを開発し、使用済み核燃料簡易再処理技術の開発を行ってきました。【図中】に示したように、ウランと模擬FPを含む硝酸水溶液にNRPを加えると、ウランのみが選択的に淡黄色粉末として沈殿します。これに対し、模擬FPについてはNRP添加後も上澄み液に溶解した状態が保持されます。【図右】は、ウラン沈殿の単結晶X線回折により明らかになった分子構造です。[O=U=O]2+という"ウラニルイオン"を軸としてその赤道面上に2個の硝酸イオン(NO3-)および2個のNRP分子がトランス型に配位した錯体構造を示します。この構造はウランを初めとした高酸化数アクチノイドに特徴的であり、その特徴を活かすことにより硝酸水溶液からのNRP添加に伴うウランの選択的沈殿が達成されます。

             

(左)N-アルキル-2-ピロリドンの構造式. (中)模擬FP元素およびU(VI)を含む3 M硝酸溶液にNRP (R = iso-propyl)を加えた際の選択的U(VI)沈殿生成の様子. (右)沈殿中に含まれるウラン(VI)錯体の分子構造(青:ウラン, 赤:酸素, 紫:窒素, 灰色:炭素).

2. アクチノイド錯体化学に基づく高レベル放射性廃棄物地層処分のための技術基盤形成

ガラス固化された高レベル放射性廃棄物の超長期にわたる地層処分が現在検討されていますが、この技術基盤を形成するためには地層中でのアクチノイド元素を含む放射性核種の移行挙動を十分に理解しておく必要があります。最も妥当な経路は地下水との接触であると考えられるため、地下水を模擬した水溶液中におけるアクチノイド元素の錯形成挙動を解明することが重要になります。特にU, Np, Puなどはf電子系には珍しく多様な酸化状態を示し、また配位子として働きうる様々な無機・有機化合物が地下水中に存在するため、アクチノイド錯体化学は複雑を極めます。しかし、その中にも5f電子系特有の普遍性・系統性が内在しており、それらを様々な分析手法及び計算化学を駆使した多角的観点から明らかにすることによって、地層処分環境下でのアクチノイド錯体化学を極めることを目指しています。

近年、我々はTh(IV), U(IV), Np(IV)がカルボン酸もしくはアミノ酸類を含む水溶液中においてChevrel型正八面体構造を持つ6核錯体を生成することを明らかにしました。Np(IV)とギ酸及び酢酸の組については、安定度定数を求めることにも成功しており、不溶性のアクチノイド(IV)酸化物が生成するpH領域においてもこの6核錯体が安定に存在可能であることを見出しています。

架橋グリシン及び3架橋オキソ/ヒドロキソ配位子から成るトリウム(IV)6核錯体(左)及びギ酸存在下における同様のNp(IV)6核錯体生成の様子(中: EXAFS動径構造関数のpH依存性, 右: 錯体分布図).
(Eur. J. Inorg. Chem. 2009, 4771-4775; Dalton Trans. 2012, 41, 12818-12823; Inorg. Chem. 2012, 51, 1336-1344.)

 

3. イオン液体の拓く放射性廃棄物処理・除染技術新展開

イオン種のみから成り常温付近で液体状態の塩(常温溶融塩)であるイオン液体は、不揮発性・難燃性という性質を併せ持つことから環境調和型媒体として近年原子力を含む幅広い分野での応用が期待されています。当研究室では、イオン液体自体の創製からそれらを溶媒とする各種金属イオンの錯体化学・溶液化学研究を行うことにより、先進的核種分離及び除染技術へのイオン液体の応用を目指しています。具体的には、誰でも簡単に出来るイオン液体合成法の開発、高レベル廃液のガラス固化時に問題となる白金族(Ru, Rh, Pd)の迅速分離研究、福島原発事故で発生した汚染伐採木表面の除染に対する検討などを行っています。

初期と比べてそれなりに広く普及してきたとは言え、依然としてイオン液体のコストの高さが実用化におけるハードルとなっています。また、低融点かつ不揮発性という性質から、再結晶や蒸留といった通常の精製法を適用することも非常に難しいため、高純度なイオン液体を得ることが難しいという点も課題です。イオン液体を合成する上で最もポピュラーな手法は、N,N'-ジアルキルイミダゾリウム等のハロゲン化物塩の前駆体とBF4-, PF6-, CnF2n+1SO3-, (CnF2n+1SO2)2N-などの金属塩のアニオン交換反応ですが、この反応では金属ハライド(MX)が副生成物として目的のイオン液体に混入することが避けられません。銀塩を用いて不溶性のAgXを生成させることにより分離を可能にする等の手法もありますが、高コストになります。このような課題を解決するため、我々はイオン液体前駆体と導入したい陰イオンの共役酸をオルトエステル中で反応させることを提案しています。これにより、アニオン交換反応をスムーズに進行させることに成功し、残留ハロゲン化物イオン(主にBr-)濃度を101-102 ppm程度まで低減できることを確認しました。詳しくは論文に譲りますが、この合成法によって誰でも(ある程度の化学実験における素養と経験をもつ人なら)簡単に高純度なイオン液体を得られるものと期待されます。

       

イオン液体簡易合成法概念図(左), イオン液体中におけるアクチノイド化学の主要分野(中), いくつかの3d遷移金属イオンの水及び[emim]BF4中における呈色の違い(右)
(Bull. Chem. Soc. Jpn. 2014, 87, 974-981; Inorg. Chem. 2013, 52, 3459-3472; Inorg. Chem. 2012, 51, 4850-4854.)

 

4. ウラン錯体化学の深化:劣化および回収ウラン資源の平和的有効活用法開拓研究

核燃料製造時に大量に生成される劣化ウランや使用済み核燃料の再処理に伴って発生する回収ウランを単に廃棄物とするのではなく資源として利用することがより望ましいと言えます。原子力分野においては高速増殖炉のブランケット燃料や再度軽水炉核燃料としての利用がそれぞれ検討されていますが、同位体組成にほぼ依らないウランの化学的特性をうまく応用することで直接的な原子力以外の用途においても有効活用できるのではないかと考えられます。当研究室では、劣化及び回収ウラン資源の平和的有効活用法を探索するため、例えば有機合成反応における触媒活性の発現やイオン液体電解質を用いた夜間電力貯蔵用湿式電池構築のための基礎研究など、長年培ってきたウランの錯体化学・溶液化学に基づく新たな機能開拓を行っています。

  

様々なウラニル(V)錯体のEXAFSを用いた構造解析(左)及びウラニル(VI)錯体中でレドックスノンイノセントなgha2-配位子.
(left: Inorg. Chem. 2009, 48, 9602-9604; right: Inorg. Chem., 2014, 53, 5772-5780.)

 

5. 高レベル放射性廃棄物ガラス固化体湿式処理技術の開発

内閣府革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)「核変換による高レベル放射性廃棄物の大幅な低減・資源化」において、現時点では10万年オーダーの超長期にわたる地層処分が必要な高レベル放射性廃棄物ガラス固化体から長寿命核種を再度取り出すための湿式処理技術の開発を行っています。

ガラス固化体湿式処理技術開発の概要.