Molecular dynamics simulations of free energy profiles of cesium ions on adsorption to interlayers of Na-montmorillonite with different composition

異なる組成のNa型モンモリロナイト層間へのセシウムイオンの吸着に関する自由エネルギープロファイルの分子動力学シミュレーション研究

平口 敦基; Zheng, X.*; Underwood, T. R.*; 小林 恵太 ; 山口 瑛子  ; 板倉 充洋  ; 町田 昌彦  ; Rosso, K. M.*; Bourg, I. C.*; 奥村 雅彦   

Hiraguchi, Atsuki; Zheng, X.*; Underwood, T. R.*; Kobayashi, Keita; Yamaguchi, Akiko; Itakura, Mitsuhiro; Machida, Masahiko; Rosso, K. M.*; Bourg, I. C.*; Okumura, Masahiko

高レベル放射性廃棄物の地層処分の長期安全性を確保するためには、緩衝材として用いられる粘土鉱物中の放射性核種の移行挙動を明らかにする必要がある。大型計算機で分子動力学法を用いることで、粘土鉱物および水系におけるセシウムイオンおよびナトリウムイオンの拡散・吸着挙動を分子レベルで調べることができる。本研究では、メソポア中のバルク水からNa型モンモリロナイト層間へのセシウムおよびナトリウムイオンの吸着の自由エネルギープロファイルを評価した。その結果、これらの陽イオンの自由エネルギープロファイルの極小値はNa型モンモリロナイト層間に位置し、セシウムイオンの自由エネルギープロファイルの極小値はナトリウムイオンのそれよりも低いことがわかった。この結果は、Na型モンモリロナイトに対するセシウムイオンの親和性がナトリウムイオンよりも強いことを示している。さらに、塩分濃度の増加とともにNa型モンモリロナイトに対する両陽イオンの親和性は低下することがわかり、これらの陽イオンが吸着機構を維持することを確認した。本発表では、これらの陽イオンの自由エネルギープロファイルに対する層電荷と層サイズの依存性について説明する。

The migration behavior of radionuclides in clay minerals used as buffer material must be clarified for the long-term safety of geological disposal of high-level radioactive waste. We can investigate diffusion/adsorption behavior of cesium ion and sodium ion in clay minerals and water systems at molecular scale using molecular dynamics simulation on a supercomputing system. In this study, we evaluated the free energy profiles of cesium and sodium ions adsorption to the interlayer of Na-montmorillonite from bulk water in mesopore. As a result, we found that the minimum of free energy profiles of these cations locates in the interlayer of Na-montmorillonite, and the minimum of free energy profile of cesium is lower than that of sodium. This result shows that the affinity of cesium ion to Na-montmorillonite is stronger than that of sodium ion. Moreover, we confirmed that the affinities of both cations to Na-montmorillonite decrease with salinity increase, and these cations maintain their adsorption mechanism. In the presentation, we discuss layer charge and layer size dependence on the free energy profiles of these cations.