Interaction of rare earth elements and components of the Horonobe deep groundwater

希土類元素と幌延深部地下水中に含まれる物質との相互作用に関する研究

桐島 陽*; 久野 温*; 雨宮 浩樹; 窪田 卓見*; 紀室 辰伍*   ; 天野 由記   ; 宮川 和也   ; 岩月 輝希  ; 水野 崇   ; 佐々木 隆之*; 佐藤 修彰*

Kirishima, Akira*; Kuno, Atsushi*; Amamiya, Hiroki; Kubota, Takumi*; Kimuro, Shingo*; Amano, Yuki; Miyakawa, Kazuya; Iwatsuki, Teruki; Mizuno, Takashi; Sasaki, Takayuki*; Sato, Nobuaki*

高レベル放射性廃棄物地層処分における性能評価上重要な核種である3価マイナーアクチニド(MA(III))は、天然の地下水中に存在する懸濁粒子や溶存イオン、コロイドなどと吸着反応や錯形成反応などの相互作用を起こし、見かけ上の溶解度が増加する可能性が知られている。このため、これらの放射性核種と地下水中に含まれる物質との相互作用を理解しておくことは、地層中でのこれらの放射性核種の移行評価を行う上で重要である。本研究では、堆積岩地域である幌延地域の深部地下水を用いて、MA(III)のナチュラルアナログである希土類元素(REEs)を添加し、フィルターでろ過することにより、REEsの天然地下水中における挙動を調べた。その結果、イオン半径の小さいREEsほど地下水中に多く溶存している傾向が明らかになった。また、比較的大部分のREEsはリン酸塩として存在している可能性が強く示唆された。この結果は、高レベル放射性廃棄物の廃棄体から遠い将来に放出されると予想されているMA(III)の移行挙動を予測する上で、リン酸陰イオンが重要な役割を果たすことを示唆している。

For better understanding of the migration behavior of minor actinides (MA) in deep groundwater, the interaction of doped rare earth elements (REEs) and components in Horonobe deep groundwater was studied. Appx. 10 ppb of rare earth elements, i.e., Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Tm and Yb were doped to the sample groundwater collected from a packed sections in borehole drilled from 140 m depth experiment drift of Horonobe underground research laboratory (URL), Hokkaido, Japan. Then, that groundwater was sequentially filtrated by 0.2 micron pore filter, 10 kDa, 3 kDa and 1 kDa of nominal molecular weight limit (NMWL) ultrafilters by keeping inert condition. After that, the filtrate solutions were analyzed by ICP-MS to determine the concentrations of retained REEs at each filtration steps, while the used filters were analyzed by the neutron activation analysis (NAA) and TOF-SIMS element mapping to know the amount and chemical speciation of trapped fraction of the REEs on each filter. A remarkable relation between the retention ratios of REEs in the filtrate solutions and the ionic radius was observed, i.e., smaller rare earth element solves more in liquid phase under the Horonobe groundwater condition. NAA and TOF-SIMS analyses revealed that certain portions of REEs were trapped by 0.2 micron pore filters as rare earth phosphates which corresponded with the predicted predominant species by a chemical equilibrium calculation for the Horonobe groundwater condition, while small portions of colloidal REEs were trapped by 10 kDa and 3 kDa NMWL ultrafilters. The result suggested that phosphate anion plays an important role in the chemical behavior of REEs in saline (seawater based) groundwater, which could be referred for the prediction of migration behavior of trivalent actinide released from the repository of radioactive waste in far future.