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ニアフィールドにおける酸化還元状態変遷の解析のためのモデル開発

Model development to evaluate evolution of redox conditions in the near field

笹本 広  ; 油井 三和; 千葉 保*; 三木 崇史*; 稲垣 学*

Sasamoto, Hiroshi; Yui, Mikazu; Chiba, Tamotsu*; Miki, Takahito*; Inagaki, Manabu*

高レベル放射性廃棄物の地層処分の対象となる地下深部において、地下水は、一般的に溶存酸素濃度が低く、還元性であると考えられる。しかしながら、処分場の建設・操業期間中、坑道周辺の領域(岩盤および地下水)は大気に開放されるため、大気中の酸素が岩盤中に拡散し、処分場閉鎖後においても残存する可能性があると考えられる。その場合、処分場の閉鎖後に生ずる可能性のある過渡的な酸化状態は、地層処分システムの安全性確保の観点では好ましくない。そのため、坑道周辺を含むニアフィールドにおける酸化還元状態の変遷挙動を把握しておくことは重要であると考えられる。本資料では、坑道の掘削に伴い変化すると考えられるニアフィールド母岩や緩衝材中の酸化還元状態の変遷挙動を評価するため、汎用の解析ツールを使用し、基本的な化学場の変遷を解析するためのモデルを構築した。今回、モデル化した対象領域は、ニアフィールド母岩および緩衝材である。ニアフィールド母岩では、(1)堆積岩を想定する場合、対象領域を多孔質媒体近似とし、(2)結晶質岩を想定する場合、対象領域中の亀裂の取り扱いによって、多孔質媒体近似または平行平板亀裂近似を併用したモデルを考慮した。緩衝材については、多孔質媒体近似のモデルを考慮した。また、今回構築したモデルでは、これらの対象領域中での地下水中の溶存酸素およびFe2+の変化を推測する。地下水中の溶存酸素とFe2+の挙動については、(1)多孔質媒体近似の場合、拡散による化学種の移動を考慮し、(2)亀裂性媒体近似の場合、母岩マトリクス部における化学種の拡散および亀裂内部での地下水の移流に伴う化学種の移動(今回構築したモデルでは、地下水中の溶存酸素のみ)を考慮した。なお、いずれのケースにおいても、地下水中の溶存酸素とFe2+の反応および母岩に含まれる含鉄鉱物からのFe2+の供給を速度論的に取り扱った。

Deep underground is thought to be a potential place for high level radioactive waste repository. It is believed that the chemical condition of deep groundwater is generally anoxic and reducing. However, during construction and operation phase of repository, oxygen will diffuse some distance into the surrounding rock mass, and diffused oxygen may remain in the surrounding rock mass even after repository closure. In such a case, the transitional redox condition around the drift is not preferable in view point of safety assessment for HLM disposal. Hence, it is very important to evaluate evolution of redox conditions in the near field. This report describes the status of model development to evaluate evolution of redox conditions in the near field. We use the commercial solver to equate the mathematical equations which mean evolution of redox condition in the near field. The target area modeled in this report are near field rock mass and engineered barrier (buffer). In case of near field rock mass, we consider the following two geological media : (1) porous media for sedimentary rock, (2)fractured media for crystalline rock. In case of the engineered barrier, we the regard buffer as porous media. We simulate the behavior of dissolved oxygen and Fe$$^{2+}$$ in groundwater during evolution of redox condition in the near field rock mass and the buffer. In case of the porous media, we consider diffusion of chemical species as dominant transport mechanism. On the other hand, in case of the fractured media, we consider diffusion of chemical species in rock matrix and advection of that (only dissolved oxygen considered in this model) in fracture as transport mechanism. We also use the rate raw of iron oxidation reaction and dissolution of Fe-bearing minerals in this model besides.

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