A Review on the effect of iron on bentonite stability

ベントナイトの安定性における鉄の影響に関わるレビュー

Wilson, J.*; 笹本 広   ; 舘 幸男  ; 川間 大介*

Wilson, J.*; Sasamoto, Hiroshi; Tachi, Yukio; Kawama, Daisuke*

高レベル放射性廃棄物の処分場では、鉄または鋼製ベースの容器/オーバーパック及びベントナイト緩衝材が用いられる。25年以上にわたり、鉄とベントナイトの相互作用に関わる研究が行われ、その中では、特に膨潤性粘土(スメクタイト)の鉄に富んだ層状珪酸塩(膨潤能が欠落する鉱物も存在)への変質可能性について検討がなされた。このような変質が生じると、人工バリア材の一つである緩衝材に期待されている膨潤性の欠落或いは低下を引き起こし、せん断応力に対するオーバーパックの保護性、水や溶質の移行抑制にも影響を与える。鉄とベントナイトの相互作用に関わるデータの多くは、実験及び地球化学モデリングによるものであり、ナチュラルアナログによるデータには乏しい。これらの既往データによれば、スメクタイト(アルミ質のモンモリロナイト)が鉄に富んだ固相(層状珪酸塩を含む)に変質したものや、グリーンラスト又は磁鉄鉱のような腐食生成物を伴う鉄に富んだ変質ゾーンが生成される可能性が示唆される。一方、このような変質ゾーンについての実態は複雑であり、現状での理解は不十分な部分もある。25年以上にもわたり研究が行われているにもかかわらず不確実な部分も多いが、今回のレビューにより、鉄とベントナイトの相互作用に伴い生じる尤もらしいシナリオが認識され、考えられ得る緩衝材特性への影響についても提示された。

High-Level Radioactive Waste (HLW) repositories include iron or steel-based containers/overpack and bentonite buffers. Over the last 25 years or so, research efforts have attempted to elucidate the nature of iron-bentonite interactions, especially the potential for the deleterious alteration of the swelling clay component (smectite), to iron-rich layer silicates, some of which lack the capacity for intracrystalline swelling. This could result in a reduction or loss in swelling pressure in the bentonite buffer which is designed to protect waste containers from shear forces and also acts to restrict water and solute transport, as part of an engineered barrier system. Most data on iron-bentonite interactions come from experimental and geochemical modelling studies, as natural analogue data are lacking. The data suggests that there is the potential for the development of an iron-rich bentonite alteration zone with smectite (generally present as the aluminous montmorillonite type) undergoing alteration to iron-rich solids, including layer silicates and steel corrosion products such as green rust or magnetite. The evidence available is complex, arguably incomplete, with many potential complex couplings. Many uncertainties remain despite efforts taken over the last 25 years, but plausible scenarios for iron-bentonite interactions have been identified and possible implications for buffer properties have been suggested.