Oxidation-Reduction reactions: Overview and implications for repository studies

酸化還元反応: 概説と処分研究への関わり合いについて

笹本 広   ; 油井 三和; Randolph C Arthu*; Apted, M. J.*; 岩月 輝希  

Sasamoto, Hiroshi; Yui, Mikazu; Randolph C Arthu*; Apted, M. J.*; Iwatsuki, Teruki

本報告書の目的は、特に高レベル放射性廃棄物の地層処分への関わり合いに着目し、酸化還元反応「redox」について調査・レビューを行うことである。概説としては、基本的理論や問題点および日本の高レベル放射性廃棄物地層処分におけるredox評価に関連する調査の提案について焦点をおいている。Redoxについてのより包括的な論述や多数の関連する問題点については、本報告書で引用した教科書等を見て頂きたい。日本における高レベル放射性廃棄物の地層処分研究に係わる第2次取りまとめ(H12)において、深部地質環境における強還元状態は、要所となる仮定である。深地層処分場からの多価の放射性元素(例えば、Tc、Se、U、Pu、Npなど)やその娘核種の浸出挙動は、酸化還元状態に鋭敏である。さらに、オーバーパックや緩衝材の様なバリア材料の性能は、酸化還元状態に影響を受けるかもしれない。この様な重要性から、本報告書では、サイト特性調査や処分場の性能評価をサポートするため、今後行うべき研究のトピックスについて以下の様にまとめた。・対象とするシステムのEhに関する概念モデルを完全にテストするためには、地下水および反応性のある鉱物について、微量元素や同位体に関する情報の取得や評価が必要になるであろう。・酸化還元反応における揮発性化学種(例えば、酸素や水素など)の重要性および処分場が設置される様な500m1000mという深度での高い圧力のため、redoxの調査を室内で行う上では、実際の処分条件下を模擬できる様な加圧機能を備えた試験装置が必要になるであろう。・酸化性地下水の浸入による酸化還元境界の潜在的な変化に対する処分システムの安定性(redox capacity:酸化還元能力)について実験的に確認しておくべきである。・潜在的な処分サイトに対し、redox index、およびredox kineticsを一体化した総括的な概念モデルを確立する必要がある。

The purpose of this report is to provide a survey and review on oxidation-reduction ("redox") reactions, with particular emphasis on implications for disposal of high-level waste (HLW) in deep geological formations. As an overview, the focus is on basic principles, problems, and proposed research related specifically to the assessment of redox for a HLW repository in Japan. For a more comprehensive treatment of redox and the myriad associated issues, the reader is directed to the cited textbooks used as primary references in this report. Low redox conditions in deep geological formations is a key assumption in the "Second Progress Report on Research and Development for the Geological Disposal of HLW in Japan" (hereafter called "H12"). The release behavior of multivalent radioelements (e.g., Tc, Se, U, Pu, NP), as well as daughter radioelements of these radioelements, from a deep geological repository are sensitively related to redox conditions. Furthermore, the performance of certain barrier materials, such as overpack and buffer, may be impacted by redox conditions. Given this importance, this report summarizes some key topics for future technical studies supporting site characterization and repository performance as follows : (1)To fully test the conceptual models for system Eh, it will be necessary to measure and evaluate trace element and isotopic information of both coexisting groundwater and reactive minerals of candidate rocks. (2)Because of importance of volatile species (e.g., O, H etc.) in redox reactions, and given the high total pressure of a repository located 500 to 1000 meter deep, laboratory investigations of redox will necessarily require use of pressurized test devices that can fully simulate repository conditions. (3)The stability (redox capacity) of the repository system with respect to potential changes in redox boundary condition induced by oxidizing waters intrusion should be established experimentally. (4)An overall ...