ガラス固化体の長期鉱物化に関する研究(II)

Fundamental study on HLW glass corrosion and mineralization, II; Document prepared by other organization, based on the trust contract

稲垣 八穂広*

Inagaki, Yaohiro*

ガラス固化体の溶解/鉱物化とそれに伴う核種浸出の機構を定性的、定量的に明らかにし長期浸出モデルの信頼性を高めることを目的とし、模擬ガラス固化体P0798を用いて各種条件において浸出/鉱物化実験を行った。浸出/鉱物化実験は反応を加速するために主に高温のアルカリ水溶液中(NaOH、KOH、脱イオン水)で行い、反応温度、時間、Na濃度等をパラメータとした。実験後、生成された鉱物(変質)相をXRD、電子顕微鏡を用いて分析し、また、溶液中に浸出した元素量をICP-MSを用いて定量した。これらの実験、解析から以下の結論を得た。1)ガラス固化体の変質鉱物として、浸出条件により方沸石またはNa-バイデライト(スメクタイト)またはその両者が生成する。2)生成鉱物の種類、生成速度は条件によって異なり、溶液pH、Na濃度、HSiO濃度および温度が重要な因子となる。3)鉱物の生成は単純な熱力学計算のみでは正確に評価できない。4)Na-バイデライトのみが生成する条件ではガラスの溶解/変質は遅いが、方沸石の生成する条件ではガラスの溶解/変質が加速される。5)Na-バイデライトのみが生成する条件ではガラスの溶解量は時間の平方根に比例して増加し、何らかの拡散過程に律速される。6)ガラス固化体から浸出したCsの多くは、生成鉱物へ固定化され、その浸出量は小さい。方沸石にはその構成元素であるNaとの置換により、Na-バイデライトにはイオン交換による吸着により固定化されると考えられる。

The purpose of this study is to understand, qualitatively and quantitatively, the alteration-phase formation and associated elemetal release during aqueous corrosion of HLW glass in order to establish the validation for long-term corrosion/leaching model. Static corrosion tests were performed with a simulated HLW glass, P0798 glass, in alkalline solutions (NaOH, KOH, DIW) at elevated temperatures, in order to accelerate the reaction, as a function of temperatute, time and alkalline concentration. Crystalline alteration-phases formed in the corroded glass were analyzed by use of XRD and electron microscopies, and the solution concentrations of dissolved elements were measured by use of ICP-MS. The results indicated that; (1)Analcime or Na-beidellite or both of them form during the corrosion depending on the conditions, (2)In addition to solution pH, temperature, solution concentrations of alkalline elements and silicic acid sensitively affect formation of analcime and Na-beidellite, (3)Thermodynamic calculation based on the published data of equilibrium constant cannot evaluate the empirical alteration phase formation, (4)At the conditions where only Na-beidellite forms, the glass dissolution rate is slow, while at the conditions where analcime forms the glass dissolution rate is extremely fast, (5)At the conditions where only Na-beidellite forms, the glass dissolution proceeds in proportion to square root of time, which suggests the process is diffusion-controlled, (6)Most of Cs in the glass is retained in the alteration-phases by sorption onto Na-beidellite or incorporation into analcime.