圧縮ベントナイトにおける重水の実効拡散係数の活性化エネルギー -透過試験と分子動力学シミュレーションの比較-

Activation energy of diffusivities for deuterated water in compacted sodium-bentonite; Through-diffusion experiment and molecular dynamics simulation

鈴木 覚; 佐藤 治夫; 石寺 孝充 ; 藤井 直樹*; 河村 雄行*

Suzuki, Satoru; Sato, Haruo; Ishidera, Takamitsu; Fujii, Naoki*; Kawamura, Katsuyuki*

圧縮ベントナイト中における重水の実効拡散係数の活性化エネルギーを取得するために、温度298-333Kの条件下で透過拡散試験を行った。クニピアFベントナイトを圧縮成型(乾燥密度0.9および1.35Mg/m3)すると、スメクタイト粒子が圧縮方向に垂直に選択的配向性を示す。そこで、配向方向に平行な方向と垂直な方向のそれぞれの拡散方向について拡散試験を行った。重水の実効拡散係数は異方的であり、その乾燥密度に対する変化はトリチウム水の結果と調和的であった。また、実効拡散係数の活性化エネルギーは、19-25kJ/mol程度であり、バルク水中の重水の拡散の活性化エネルギー(18kJ/mol)よりもやや大きな値であった。スメクタイト-水混合物の分子動力学シミュレーションにより、水分子の活性化エネルギーの間隙水中における空間分布を計算したところ、スメクタイト表面近傍(2nm以内)の水の活性化エネルギー(18-23kJ/mol)は、沖合のそれ(16kJ/mol)に比べ大きかった。拡散経路の乾燥密度に対する変化を考慮すると、シミュレーションの結果は、乾燥密度とともに活性化エネルギーが増加することを示しており、拡散試験の結果をよく再現していた。

In order to quantify effect of temperature on diffusivity of deuterated water (HDO) in compacted sodium-bentonite, through-diffusion experiments were conducted at elevated tempemture from 298 to 333 K. Kunipia F (Na-montmorillonite content 98 wt. %; Kunimine Industly Co.) was compacted to a dry density of 0.9 and l.35 Mg/m. Since smectite flakes were perpendicularly oriented to a direction of compaction, anisotropy of diffusivity was investigated parallel and normal to the preferred orientation of smectite. Effective diffusion coeficient D of HDO was larger for a diffusional direction parallel to the preferred orientation than normal to that for both dry densities. These results well agreed to the previously reported ones for tritiated water. Activation energies of D in compacted bentonite increased with increasing dry density in the range of 19 - 25 kJ/mol which was slightly larger than that in bulk water (18 kJ/mol). This relationship can be considered to be due to both the pore structure development and high activation energy of water (18-23 kJ/mol) in the vicinity of smectite surface (within 2 nm) on the basis of molecular dynamics simulations.