JP2017062204A

JP2017062204A - コンクリート中の微量元素の分析方法および分析装置

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Publication number: JP2017062204A
Application number: JP2015188500A
Authority: JP
Inventors: 琢真能任; Takuma Noto; 哲一木下; Tetsuichi Kinoshita
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP6528279B2

Abstract

【課題】化学的な前処理を行わずに、同重体干渉の影響を抑えて高確度に分析することができるコンクリート中の微量元素の分析方法および分析装置を提供する。【解決手段】蛍光Ｘ線分析法によりコンクリート試料中に含まれる主要元素の含有率を測定する第１ステップＳ１と、コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素を含み、含有量が既知の標準試料を共鳴イオン化質量分析法により分析し、各元素の検出効率を求める第２ステップＳ２と、コンクリート試料を共鳴イオン化質量分析法により分析する第３ステップＳ３と、第３ステップＳ３で分析した結果と、第２ステップＳ２で求めた検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、第１ステップＳ１で測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める第４ステップＳ４とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート中に含まれる微量元素を分析するコンクリート中の微量元素の分析方法および分析装置に関するものである。

従来、原子炉などで用いられるコンクリート遮蔽体では、中性子捕獲反応によりコバルト−６０（^６０Ｃｏ）とユーロピウム−１５２（^１５２Ｅｕ）といった放射性核種が長期に渡り残存しており、その存在量は計算により見積もられる。その計算をする上で、非放射性のコバルトとユーロピウムの存在量の把握が必要不可欠になる。

コンクリート遮蔽体の放射線量は、原子炉の過去の運転履歴と、コバルトおよびユーロピウムを含むコンクリートの組成から評価することができる。また、コバルトとユーロピウムの元素組成分析法としては、ＩＣＰ−ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析）、蛍光Ｘ線分析、放射化分析などの手法が適用可能である。

ＩＣＰ−ＭＳで試料中のコバルトおよびユーロピウムの含有率を調べる場合は、分析前に試料を酸で溶かすといった化学的な前処理を要する。また、対象元素を単離しない場合は、同重体干渉が測定に影響を及ぼす。

また、蛍光Ｘ線分析や放射化分析により組成の分析を行う場合は、分析前に試料の前処理を必要としないが、蛍光Ｘ線分析では他の手法に比べ、特に微量成分の定量性に劣る。また、放射化分析では中性子照射のための実験炉が必要であるが、２０１１年の原子力発電所事故後に稼働している原子炉は国内には殆どない。

一方、試料中に含まれる微量元素の分析手法として、例えば、特許文献１に示すような発光分光分析法と蛍光Ｘ線分析法を併用したものが知られている。また、例えば、特許文献２、３、４に示すようなレーザーイオン化質量分析を用いたものや、特許文献２に示すようなレーザー共鳴イオン化質量分析を用いたもの、特許文献６に示すようなレーザー脱離イオン化質量分析を用いたものなどが知られている。

特開平１０−１０１１８号公報特開２００６−７１３６７号公報特開２００７−３２７９２９号公報特開平１１−６４２９１号公報特開平１１−６４２９０号公報特開２０１０−１５１７２７号公報

上述したように、コンクリート中に存在するコバルトとユーロピウムのような微量元素の分析法としては、ＩＣＰ−ＭＳ、蛍光Ｘ線分析、放射化分析などの手法が適用可能であるが、ＩＣＰ−ＭＳでは分析前に試料の前処理を要し、同重体干渉が測定に影響を及ぼすおそれがあった。一方、蛍光Ｘ線分析や放射化分析は、前処理を必要としないものの、微量成分の定量性に劣るなどの問題があった。

こうしたことから、コンクリート中の微量元素を、分析前に試料の前処理を行わずに、同重体干渉の影響を抑えて高確度に分析することができる技術が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、分析前に試料の前処理を行わずに、同重体干渉の影響を抑えて高確度に分析することができるコンクリート中の微量元素の分析方法および分析装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法は、コンクリート中に含まれる微量元素を定量的に分析する方法であって、蛍光Ｘ線分析法によりコンクリート試料中に含まれる主要元素の含有率を測定する第１ステップと、前記コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素を含み、含有量が既知の標準試料を共鳴イオン化質量分析法により分析し、前記各元素の検出効率を求める第２ステップと、前記コンクリート試料を共鳴イオン化質量分析法により分析する第３ステップと、第３ステップで分析した結果と、第２ステップで求めた検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、第１ステップで測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める第４ステップとを有することを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析装置は、コンクリート中に含まれる微量元素を定量的に分析する装置であって、コンクリート試料中に含まれる主要元素の含有率を測定する蛍光Ｘ線分析手段と、前記コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素を含み、含有量が既知の標準試料を分析し、前記各元素の検出効率を求める一方、前記コンクリート試料を分析する共鳴イオン化質量分析手段と、前記共鳴イオン化質量分析手段による前記コンクリート試料の分析結果と、検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、前記蛍光Ｘ線分析手段で測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める微量元素含有率分析手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法によれば、コンクリート中に含まれる微量元素を定量的に分析する方法であって、蛍光Ｘ線分析法によりコンクリート試料中に含まれる主要元素の含有率を測定する第１ステップと、前記コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素を含み、含有量が既知の標準試料を共鳴イオン化質量分析法により分析し、前記各元素の検出効率を求める第２ステップと、前記コンクリート試料を共鳴イオン化質量分析法により分析する第３ステップと、第３ステップで分析した結果と、第２ステップで求めた検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、第１ステップで測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める第４ステップとを有するので、コンクリート中の微量元素を、分析前に試料の前処理を行わずに、同重体干渉の影響を抑えて高確度に分析することができるという効果を奏する。

また、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析装置によれば、コンクリート中に含まれる微量元素を定量的に分析する装置であって、コンクリート試料中に含まれる主要元素の含有率を測定する蛍光Ｘ線分析手段と、前記コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素を含み、含有量が既知の標準試料を分析し、前記各元素の検出効率を求める一方、前記コンクリート試料を分析する共鳴イオン化質量分析手段と、前記共鳴イオン化質量分析手段による前記コンクリート試料の分析結果と、検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、前記蛍光Ｘ線分析手段で測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める微量元素含有率分析手段とを備えるので、コンクリート中の微量元素を、分析前に試料の前処理を行わずに、同重体干渉の影響を抑えて高確度に分析することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法の実施の形態を示す概略手順図である。図２は、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法の実施の形態におけるレーザー共鳴イオン化質量分析の概念図である。図３は、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析装置の実施の形態を示す概略構成図である。

以下に、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法および分析装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［コンクリート中の微量元素の分析方法］
まず、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法の実施の形態について説明する。

本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法は、蛍光Ｘ線分析法と、レーザー共鳴イオン化質量分析法（共鳴イオン化質量分析法）を使用して、コンクリート中に含まれる微量元素（例えばコバルトやユーロピウムなど）を定量的に分析する方法である。

図１に示すように、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法は、第１ステップＳ１〜第４ステップＳ４の工程により構成されている。

第１ステップＳ１は、蛍光Ｘ線分析法によりコンクリート試料中に含まれる主要元素（例えばケイ素など）の含有率を測定するものである。ここで、蛍光Ｘ線分析法は、微量成分の定量性に劣るが主要元素の分析に適しており、分析前の試料に対する化学的な前処理を必要としない。

第２ステップＳ２は、コンクリート試料中に含まれる主要元素（例えばケイ素など）と分析対象の微量元素（例えばコバルトやユーロピウムなど）を含み、各含有量が既知の標準試料をレーザー共鳴イオン化質量分析法により分析し、各元素の検出効率を求めるものである。

ここで、レーザー共鳴イオン化質量分析法は、特定の原子、分子あるいは同位体を選択的に検出し、これらを質量分析する手法として知られている。この分析法は、原子、分子の特定の準位間のエネルギーに対応する波長のレーザー光の共鳴吸収励起を基本としており、数個の光子によってイオン化ポテンシャルを越えるまで励起してイオン化させた後に質量分析するものである。

本実施の形態のレーザー共鳴イオン化質量分析法では、図２に示すように、コンクリート試料に特定波長の１本以上のレーザー光を当て、元素に固有の励起準位により共鳴励起して、さらにイオン化ポテンシャルを超えるエネルギーを受けてイオン化したイオンを、質量分析計により測定する。このレーザー共鳴イオン化質量分析法は、分析前に試料の化学的な前処理を行わずに、同重体干渉の影響を抑えて分析することが可能である。

第３ステップＳ３は、第１ステップＳ１の分析に使用したものと同じコンクリート試料を、上記のレーザー共鳴イオン化質量分析法により分析するものである。

第４ステップＳ４は、第３ステップＳ３で分析した結果と、第２ステップＳ２で求めた各元素の検出効率から主要元素（例えばケイ素など）に対する分析対象の微量元素（例えばコバルトやユーロピウムなど）の比を求める。そして、求めた比と、第１ステップで測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める。こうすることで、分析対象の微量元素の含有率を高確度で迅速かつ簡易に取得することができる。

このように、本実施の形態の分析方法によれば、前処理を要しない蛍光Ｘ線分析法およびレーザー共鳴イオン化質量分析法を用いており、分析前の試料に対する化学的な前処理を行わずにコンクリート中の微量元素の分析が可能になるため、測定が迅速・簡易化し、前処理に伴う廃液処理等が不要となる。また、同重体干渉の影響を抑制し、高確度な分析が可能である。本発明の分析対象はコバルトやユーロピウムといった微量元素に限るものではなく、これら以外の全ての元素にも適用可能である。

なお、今後、原子力発電所の一般廃炉が増加すると考えられる。廃炉に伴う原子炉解体時には大量のコンクリート廃材が発生すると予想されるが、本発明は、このコンクリート廃材の放射能レベルを迅速かつ高確度に評価する分析技術として有効である。

［コンクリート中の微量元素の分析装置］
次に、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析装置の実施の形態について説明する。

図３に示すように、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析装置１０は、上記のコンクリート中の微量元素の分析方法を装置として具現化したものであり、蛍光Ｘ線分析手段１２と、レーザー共鳴イオン化質量分析手段１４（共鳴イオン化質量分析手段）と、微量元素含有率分析手段１６とを備えるものである。

蛍光Ｘ線分析手段１２は、コンクリート試料中に含まれる主要元素（例えばケイ素など）の含有率を、蛍光Ｘ線分析法により測定するものである。蛍光Ｘ線分析手段１２は、周知の蛍光Ｘ線分析装置で構成することができる。ここで、蛍光Ｘ線分析法は、微量成分の定量性に劣るが主要元素の分析に適しており、分析前の試料に対する化学的な前処理を必要としない。

レーザー共鳴イオン化質量分析手段１４は、コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素（例えばコバルトやユーロピウムなど）を含み、各含有量が既知の標準試料をレーザー共鳴イオン化質量分析法により分析し、各元素の検出効率を求める一方、コンクリート試料をレーザー共鳴イオン化質量分析法により分析するものである。レーザー共鳴イオン化質量分析手段１４は、レーザー光照射部と、イオン化部と、質量分析部とを備えるレーザー共鳴イオン化質量分析装置で構成することができる。レーザー共鳴イオン化質量分析法の動作原理については、上記の図２で説明したとおりである。

微量元素含有率分析手段１６は、レーザー共鳴イオン化質量分析手段１４によるコンクリート試料の分析結果と、検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、蛍光Ｘ線分析手段１２で測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求めるものである。微量元素含有率分析手段１６は、コンクリート試料の分析結果、各元素の検出効率、および主要元素の含有率を入力するための入力部と、主要元素に対する分析対象の微量元素の比、および分析対象の微量元素の含有率を演算する演算部と、演算部による演算結果を出力するための出力部を備えるコンピュータ装置で構成することができる。

このように、本実施の形態の分析装置１０によれば、前処理を要しない蛍光Ｘ線分析手段１２およびレーザー共鳴イオン化質量分析手段１４を用いており、分析前の試料に対する化学的な前処理を行わずにコンクリート中の微量元素の分析が可能になるため、測定が迅速・簡易化し、前処理に伴う廃液処理等が不要となる。また、同重体干渉の影響を抑制し、高確度な分析が可能である。なお、本発明の分析対象はコバルトやユーロピウムといった微量元素に限るものではなく、これら以外の全ての元素にも適用可能である。

以上説明したように、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法によれば、コンクリート中に含まれる微量元素を定量的に分析する方法であって、蛍光Ｘ線分析法によりコンクリート試料中に含まれる主要元素の含有率を測定する第１ステップと、前記コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素を含み、含有量が既知の標準試料を共鳴イオン化質量分析法により分析し、前記各元素の検出効率を求める第２ステップと、前記コンクリート試料を共鳴イオン化質量分析法により分析する第３ステップと、第３ステップで分析した結果と、第２ステップで求めた検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、第１ステップで測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める第４ステップとを有するので、コンクリート中の微量元素を、化学的な前処理を行わずに、同重体干渉の影響を抑えて高確度に分析することができる。

また、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析装置によれば、コンクリート中に含まれる微量元素を定量的に分析する装置であって、コンクリート試料中に含まれる主要元素の含有率を測定する蛍光Ｘ線分析手段と、前記コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素を含み、含有量が既知の標準試料を分析し、前記各元素の検出効率を求める一方、前記コンクリート試料を分析する共鳴イオン化質量分析手段と、前記共鳴イオン化質量分析手段による前記コンクリート試料の分析結果と、検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、前記蛍光Ｘ線分析手段で測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める微量元素含有率分析手段とを備えるので、コンクリート中の微量元素を、化学的な前処理を行わずに、同重体干渉の影響を抑えて高確度に分析することができる。

以上のように、本発明に係るコンクリート中の微量元素の分析方法および分析装置は、原子炉などで用いられるコンクリート遮蔽体に残存するコバルト−６０やユーロピウム−１５２などの核種の存在量を見積もるために必要不可欠な非放射性の微量元素の含有量を把握するのに有用であり、特に、化学的な前処理を行わずに、同重体干渉の影響を抑えて高確度に分析するのに適している。

１０コンクリート中の微量元素の分析装置
１２蛍光Ｘ線分析手段
１４レーザー共鳴イオン化質量分析手段（共鳴イオン化質量分析手段）
１６微量元素含有率分析手段

Claims

コンクリート中に含まれる微量元素を定量的に分析する方法であって、
蛍光Ｘ線分析法によりコンクリート試料中に含まれる主要元素の含有率を測定する第１ステップと、
前記コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素を含み、含有量が既知の標準試料を共鳴イオン化質量分析法により分析し、前記各元素の検出効率を求める第２ステップと、
前記コンクリート試料を共鳴イオン化質量分析法により分析する第３ステップと、
第３ステップで分析した結果と、第２ステップで求めた検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、第１ステップで測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める第４ステップとを有することを特徴とするコンクリート中の微量元素の分析方法。
コンクリート中に含まれる微量元素を定量的に分析する装置であって、
コンクリート試料中に含まれる主要元素の含有率を測定する蛍光Ｘ線分析手段と、
前記コンクリート試料中に含まれる主要元素と分析対象の微量元素を含み、含有量が既知の標準試料を分析し、前記各元素の検出効率を求める一方、前記コンクリート試料を分析する共鳴イオン化質量分析手段と、
前記共鳴イオン化質量分析手段による前記コンクリート試料の分析結果と、検出効率から主要元素に対する分析対象の微量元素の比を求め、求めた比と、前記蛍光Ｘ線分析手段で測定した主要元素の含有率から分析対象の微量元素の含有率を求める微量元素含有率分析手段とを備えることを特徴とするコンクリート中の微量元素の分析装置。