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Development of Thermodynamic Databases for Geochemial Calculations

地球化学計算のための熱力学データベースの開発

Arthur, R. C.*; 笹本 広; 柴田 雅博; 油井 三和; 根山 敦史*

Arthur, R. C.*; Sasamoto, Hiroshi; Shibata, Masahiro; Yui, Mikazu; Neyama, Atsushi*

本報告書では、高レベル放射性廃棄物地層処分の研究開発をサポートする地球化学計算のための2種類の熱力学データベースについて報告する。一つは、SPRONS.JNCであり、この熱力学データベースは、SUPCRTモデル・ソフトウェアの中で考慮されている熱力学的な関係式を基にしており、SUPCRTソフトウェアを用いることで、広範囲にわたる圧力・温度条件(圧力:1$$sim$$5000 bars,温度:0$$sim$$1000$$^{circ}C$$)下での鉱物、ガスおよび水溶液化学種の標準モル熱力学特性・部分モル熱力学特性を計算することができる。SPRONS.JNCは、195種類の鉱物・16種類のガスについて、25$$^{circ}C$$、1barの条件下での生成標準モルギブス自由エネルギー、生成標準モルエンタルピー、標準モルエントロピーおよび体積に関するデータを含むと共に、Maier-Kelly式による熱容量の温度依存式を適用した場合の各係数についても整備している。またSPRONS.JNCは、1147種類におよぶ無機・有機イオンや錯体について、25$$^{circ}C$$、1barの条件下での生成標準モルギブス自由エネルギー、生成標準モルエンタルピー、標準部分モルエントロピーおよびHelgeson-Kirkham-Flowers(HKF)式による温度依存に係わる係数も整備している。SPRONS.JNCは、1991年以降に公開された新たなデータや改訂されたデータを取り入れたものであり、他の同様な熱力学データベースの拡張版である。もう一つのデータベースは、PHREEQE.JNCであり、これは、地球化学計算コードである「PHREEQE」で用いることができる熱力学データベースである。PHREEQE.JNCは、鉱物の溶解反応、ガスの溶解反応、水溶液化学種を含む反応、酸化還元反応について、25$$^{circ}C$$、1barの条件下での平衡定数を算出できる様に反応エンタルピーあるいは平衡定数(log K)の温度依存に係わる各係数についても整備している。PHREEQE.JNCに含まれる平衡定数、反応エンタルピーおよび平衡定数の温度依存に係わる係数の全ては、SUPCRTソフトウェアおよびSPRONS.JNCを用いて計算されているので、PHREEQE.JNCとSPRONS.JNCは、同一の熱力学データベースである。またこれらの熱力学データベースに含まれる全てのデータは、基本的な熱力学の定義やSUP

Two thermodynamic databases for geochemical calculations supporting research and development on geological disposal concepts for high level radioactive waste are described in this report. One, SPRONS.JNC, is compatible with thermodynamic relations comprising the SUPCRT model and software, which permits calculation of the standard molal and partial molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species and reactions from 1 to 5000 bars and 0 to 1000$$^{circ}$$C. This database includes standard molal Gibbs free energies and enthalpies of formation, standard molal entropies and volumes, and Maier-Kelly heat capacity coefficients at the reference pressure (1 bar) and temperature (25$$^{circ}$$C) for 195 minerals and 16 gases. It also includes standard partial molal Gibbs free energies and enthalpies of formation, standard partial molal entropies, and Helgeson, Kirkham and Flowers (HKF) equation-of-state coefficients at the reference pressure and temperature for 1147 inorganic and organic aqueous ions and complexes. SPRONS.JNC extends similar databases described elsewhere by incorporating new and revised data published in the peer-reviewed literature since 1991. The other database, PHREEQE.JNC, is compatible with the PHREEQE series of geochemical modeling codes. It includes equilibrium constants at 25$$^{circ}$$C and 1 bar for mineral-dissolution, gas-solubility, aqueous-association and oxidation-reduction reactions. Reaction enthalpies, or coefficients in an empirical log K(T) function, are also included in this database, which permits calculation of equilibrium constants between 0 and 100$$^{circ}$$C at 1 bar. All equilibrium constants, reaction enthalpies, and logK(T) coefficients in PHREEQE.JNC are calculated usig SUPCRT and SPRONS.JNC, which ensures that these two databases are mutually consistent. They are also internally consistent insofar as all the data are compatible with basic thermodynamic definitions and functional relations in the SUPCRT ...

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