Experimental and Numerical Studies on Colloid-enhanced Radionuclide Transport: The Effects of Kinetic Radionuclide Sorption onto Colloidal Particles

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黒澤 進; 油井 三和; 吉川 英樹; 茨木 希*; 上田 真三*

Kurosawa, Susumi; Yui, Mikazu; Yoshikawa, Hideki; Ibaraki, Motomu*; Ueta, Shinzo*

本研究では、コロイドおよび岩石亀裂表面への放射性核種の収着の影響を評価するため、セシウムと粘土コロイドの混合溶液を人工的に作製した単一亀裂を有する花崗岩カラムに対して注入する実験を実施した。その実験結果に関しては、不連続な亀裂性媒体中のコロイドに促進された溶質の移行をシミュレートすることが可能な数値解析コードCOLFRACを使用して解析した。一連の実験および数値解析では、亀裂中をセシウムは可動性のコロイドに収着することによってその移行が促進されることが示された。また、解析結果は、コロイドからのセシウムの脱着が遅いプロセスである場合、セシウムの移行は著しく促進されることを示し、速度論プロセスについて記述するパラメーターを評価する重要性を例証した。さらに、放射性核種を収着した可動性のコロイド粒子が亀裂表面でろ過される場合、放射性核種の移行は遅延される可能性がある。

Many studies have shown that colloidal particles which exist in ground water can facilitate radionuclide transport in subsurface environments. We conducted a series of laboratory experiments to investigate the effects of radionuclide sorption onto colloids and the surfaces of rock fractures. We focused on overall effects related to the kinetic behavior of those sorption processes. A mixed solution of cesium and clay colloids was injected into an artificially-created single fracture in a granite column. The fracture aperture and length are 0.5 mm and 50 cm, respectively. Numerical simulations were conducted to analyze the experiment results using a numerical code COLFRAC which can simulate colloid-facilitated solute transport in discretely-fractured porous media. The numerical formulation allows for either equilibrium or kinetic sorption onto the fracture walls, and the mobile and filtered colloidal particles. A series of experimental and numerical analyses shows that migration of cesium is facilitated by mobile colloidal particles which can sorb cesium and migrate in the fracture. The analyses also demonstrate that cesium migration is significantly enhanced if desorption of cesium from the colloids is a slow kinetic process and illustrate the importance of evaluating the parameters which describe such kinetic processes. Furthermore, radionuclide transport is likely to be retarded if mobile colloidal particles which sorb radionuclides are vigorously filtered on the fracture surfaces.