人工バリア中の核種移行挙動に関する研究

Study on migration behavior of radionuclides in engineered clay barrier

北海道大学*

Hokkaido University*

地層処分の安全評価の基礎研究として、粘土緩衝材の長期にわたる健全性を、Na型モンモリロナイトのCa型化に伴うバリア性能の変化から検討した。Na/Ca混在型モンモリロナイト中のCs+イオンの見かけの拡散係数を、拡散温度およびCa2+イオン当量分率を変数として測定した。Cs+イオンの見かけの拡散係数は、拡散温度323および313KではCa2+イオン当量分率に依存せず、ほぼ一定の値を示した。しかし、298および288KではCa2+イオン当量分率の増加とともに減少する傾向が認められた。Cs+イオンの拡散の活性化エネルギーは、Ca2+イオン当量分率が0(Na型)から0.75の間で、34kJmol-1から38kJmol-1に徐々に増加する傾向を示したが、その後急激に増加し、Ca2+イオン当量分率0.94および1.0(Ca型)で49kJmol-1を示した。活性化エネルギーのこうした急激な変化は、細孔拡散あるいは外表面拡散では説明できず、Cs+イオンが主にモンモリロナイト層間を拡散していることを示唆する結果となった。ベントナイト中の鉄の腐食及び腐食生成物の移行挙動に及ぼす黄鉄鉱の酸化の影響を、放射化した鉄箔及び乾燥時間を変えたベントナイト試料を用いた腐食実験より評価した。ベントナイトの乾燥時間とともに、ベントナイトの黄鉄鉱含有量およびベントナイト懸濁液のpHが低下するとともに、ベントナイト懸濁液中の硫酸イオン濃度の増加が認められた。このことは、乾燥中において黄鉄鉱の酸化が徐々に進行することを示している。ベントナイト中の鉄の平均腐食速度および鉄の腐食生成物の見かけの拡散係数は、乾燥時間の違いによって異なった値を示した。これらの原因として、黄鉄鉱の酸化にともなうpHの低下が考えられる。1,10-フェナントロリン吸光光度法を用いた化学分析より鉄腐食生成物の主たる化学形態としてFe2+が考えられた。また、ET-IRによる分析の結果、鉄箔近傍の2価の鉄の一形態が硫酸第一鉄であることが示唆された。

As a basic research for geological disposal of high-level radioactive wastes, long-term durability of clay buffer materials was studied from the viewpoint of performance of clay as barrier, which would be changed when exchangeable cations (Na ions) of Na-montmorillonite were replaced with Ca ions. The apparent diffusion coefficients of Cs ions were determined as functions of the diffusion temperature and the ionic equivalent fraction of Ca ions. The apparent diffusion coefficients were almost constant at higher temperatures, 323 and 313 K, while they decreased with increasing ionic equivalent fraction at lower temperatures, 298 and 288 K. The activation energy increased from 34 kJ mol to 38 kJ mol as the ionic equivalent fraction increased from zero to 0.75, after which it increased steeply and reached 49 kJ mol at the ionic equivalent fractions of 0.94 and 1.0. These findings cannot be explained by the pore water or surface diffusion model. Interlayer diffusion is suggested as the most probable explanation for the diffusion of Cs ions. Corrosion experiments were carried out using neutron-activated iron foils and bentonite specimens with different drying periods to evaluate the effects of oxidation of pyrite on the corrosion rates of iron and the apparent diffusion coefficients of the corrosion products in bentonite. There was a decrease in the quantity of pyrite in the bentonite during drying, together with a decrease in pH, and an increase in SO concentration in bentonite-water suspension. These results indicate that the oxidation of pyrite proceeded gradually during the drying process. It was found that the average corrosion rate of iron and the apparent diffusion coefficients of iron corrosion products in the compacted bentonite increased with the drying period. It is likely that the decrease of pH caused by the oxidation of pyrite affects the corrosion rates and the apparent diffusion coefficient.