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First-principles calculation studies on cesium in environmental situations; Hydration structures and adsorption on clay minerals

環境中のセシウムに対する第一原理計算による研究; 水和構造と粘土への吸着

町田 昌彦 ; 奥村 雅彦  ; 中村 博樹 ; 櫻本 和弘*

Machida, Masahiko; Okumura, Masahiko; Nakamura, Hiroki; Sakuramoto, Kazuhiro*

福島第一原子力発電所から放出された放射性セシウムの環境中での物理化学的性質を明らかにするため、本発表では二つの課題について第一原理計算手法によって研究した成果を発表する。課題の一つ目は、セシウムイオンの水和構造であり、二つ目は、セシウムイオンの粘土鉱物に対する吸着形態である。一つ目の課題については、第一原理計算手法の中でもボルンオッペンハイマー第一原理分子動力学法と呼ばれる計算手法を用い、他のアルカリ元素イオンの水和構造と異なり、第二水和殻がほとんどないことを明らかにし、二つ目の課題については、ほつれたエッジと呼ばれている粘土層間が開いたモデルを構築し、それに対してイオン交換エネルギーを計算した結果を示すことで、セシウムが選択的にそのエッジに吸着されることを明かにする。

In order to clarify physicochemical behaviors of radioactive Cs released into environment from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants, we study on two issues, i.e., hydration structures of Cs$$^{+}$$ and its adsorption on a specific edge in a clay particle (mica) by employing first principles calculations. In this paper, firstly, we report on hydration structures of Cs$$^{+}$$ by using Born-Oppenheimer first-principles molecular dynamics. Our striking finding in the hydration structures is that Cs$$^{+}$$ has no clear second hydration shell in contrast to any other alkali cations. Secondly, we construct a model of the Frayed Edge Site and confirm that the model actually becomes selective for Cs when expanding the interlayer distance from that of the original crystal structure through the calculation of the ion-exchange energy.

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