Development of Thermodynamic Databases for Hyperalkaline, Argillaceous Systems

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Arthur, R. C,*; 笹本 広   ; 小田 治恵  ; 本田 明; 柴田 雅博 ; 吉田 泰*; 油井 三和

Arthur, R. C,*; Sasamoto, Hiroshi; Oda, Chie; Honda, Akira; Shibata, Masahiro; Yoshida, Yasushi*; Yui, Mikazu

本報告書では,超ウラン(TRU)元素を含む廃棄物や他の放射性廃棄物の地層処分におけるベントナイトとセメントとの反応に関連する鉱物,ガス,水溶液化学種についての3種類の熱力学データベースについて報告する。これらデータベースは,地球化学コードであるSUPCRT, PHREEQCおよびGWBで用いることができる。各データベースの名称は,SPRONS.TRU(SUPCRT),JNC-TDB.TRU(PHREEQC)およびTHERMO_JNCTRU(GWB)である。これらデータベースの信頼性については,高アルカリ-粘土系における現状の知見の限界を踏まえ検討する。高アルカリ-粘土系で重要な鉱物は複雑で,非常に多様な組成を持つ準安定固相の傾向がある。このような準安定固相は,実験的にも熱力学的にも明確にされていない。また高アルカリ-粘土系において重要な水溶液化学種についても,現状では関連する実験データが不足しており,データの不確実性が大きい。このように利用できるデータが限られているという現状を考慮すると,本研究で開発したデータベースは,高アルカリ-粘土系で重要あるいは代表的であると認識されている鉱物を含んでおり,また計算値と実験値の比較が行われているデータについては概ね妥当であることが示されている点で信頼できるものと言える。今回開発したデータベースは,理想的な内部整合性のとれたものではない。むしろ,内部整合性よりもデータの精度や完全性を重視し,開発されたデータベースである。本報告書の中で報告したデータベースの将来的な改良・改訂に向けて推薦するアプローチとしては,信頼性のある実験データが不足している場合,熱力学的特性を慣例的に評価できる一貫した経験的手法を開発することである。またこのような手法開発にあたっては,ベントナイト-セメント間での長期挙動モデルにおける概念やパラメータの不確実性の重要度を評価する不確実性解析と連携して行なうことが必要である。

This report describes three thermodynamic databases for minerals, gases, aqueous species and reactions of relevance to bentonite and cement barriers in geologic repositories for transuranic (TRU) and other nuclear wastes. The databases support calculations using the SUPCRT, PHREEQC and GWB geochemical codes, and are referred to as SPRONS.TRU (SUPCRT), JNC-TDB.TRU (PHREEQC) and THERMO_ JNCTRU (GWB). The reliability of these databases should be considered in the context of basic limitations in current conceptual models of clay-bearing, high-pH systems. Minerals that are important in such systems tend to be complex, possibly metastable solid solutions having highly variable compositions that have not been well characterized experimentally or thermodynamically. There is also considerable uncertainty regarding important aqueous species in such systems due to the paucity of relevant experimental data presently available. With these limitations in mind, the databases developed in this study are considered to be reliable insofar as they include data for minerals that are known to be important or representative of hyperalkaline, argillaceous systems, and because the data are in general demonstrably accurate in cases where comparisons can be made between calculated values and their experimental counterparts. The databases may not meet the ideal standard of an internally consistent database because more weight has been given in this study to the accuracy and completeness of the data than to their internal consistency. An approach recommended for future improvements and revisions of the databases described in this report includes the development of a consistent set of empirical methods permitting routine estimation of thermodynamic properties in cases where reliable experimental data are lacking, combined with uncertainty analyses to assess the importance of conceptual and parameter uncertainties on models of the long-term behavior of bentonite and cementitious barriers.