古典分子動力学シミュレーションによるモンモリロナイト層間へのセシウムイオン吸着機構の解明

Elucidation of the adsorption mechanism of cesium ions into montmorillonite interlayers by classical molecular dynamics simulations

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

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

高レベル放射性核種の地層処分において、ベントナイトは陽イオンを吸着し核種移行を遅延させる。特にセシウムイオン(Cs)は主成分モンモリロナイトに強く吸着するが、その吸着様態と吸着機構は未解明である。我々は古典分子動力学法を用いて、Cs及びナトリウムイオン(Na)のバルク水からNa型モンモリロナイト層間への吸着現象の自由エネルギープロファイルを計算し、これらの未解明問題に挑んだ。この計算により、Csは内圏錯体を、Naは外圏錯体を形成し、CsがNaよりもNa型モンモリロナイト層間に強く吸着することを初めて明確に示した。講演では、上記に加え、古典分子動力学法の基礎、自由エネルギープロファイルの物理的起源と吸着機構の詳細、実験との比較について述べる。

In the geological disposal of high-level radioactive waste, bentonite plays a crucial role in retarding radionuclide migration by adsorbing cationic species. Cesium ions (Cs), in particular, are strongly adsorbed by montmorillonite, the main component of bentonite. However, the detailed adsorption states and mechanisms remain unclear. We employed classical molecular dynamics simulations to investigate the adsorption behavior of Cs and sodium ions (Na) from bulk water into the interlayer of Na-montmorillonite, by evaluating free energy profiles. Our results revealed that Cs adsorbs more strongly into the interlayer than Na due to the formation of the inner- and outer-sphere complexes of Cs and Na, respectively. In the presentation, we will also discuss the fundamentals of classical molecular dynamics, the physical origin of the free energy profiles, detailed adsorption mechanisms, and comparisons with experimental data.