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小池 彩華*; 田窪 勇作*; 安楽 総太郎; 川喜田 竜平
NUMO-TR-25-03; 技術開発成果概要2024, p.79 - 82, 2025/10
地層処分事業の実施主体である原子力発電環境整備機構(NUMO)が、日本原子力研究開発機構(JAEA)をはじめとする関係研究機関及び大学との共同研究等により実施した2024年度の技術開発成果の概要を取りまとめ、報告する。本報告は、NUMOとJAEAの共同研究「ニアフィールドシステムの状態変遷に伴うバリア材及び核種の長期挙動評価のための研究」で2024年度に実施したセメント系材料と緩衝材との相互作用による長期変質挙動の検討に関する成果についての概要をまとめたものである。
= 0.01-600
C, 
= 1-3000 bars, 
= 0.35-1.1 g cm
, and 
= 0
Walker, C. S.*; Arthur, R. C.*; 安楽 総太郎; 笹本 広; 三原 守弘
Applied Geochemistry, 175, p.106086_1 - 106086_17, 2024/11
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Geochemistry & Geophysics)水和した単量体シリカ(Si(OH)
(aq), SiO(OH)
及びSiO
(OH)
)及び脱水状態を想定した単量体シリカ(SiO(aq), HSiO及びSiO)化学種の状態パラメータに関わる修正Helgeson-Kirkham-Flowers式(r-H-K-F EoS)と熱力学特性は、シリカを含む全ての構成物の生成及び分解反応におけるpH、組成、温度及び圧力依存性を表すために幅広く用いられている。そのため、水和及び脱水状態の単量体シリカ化学種の生成反応に関わる平衡定数の実験値を文献から収集し、イオン相互作用理論に基づきイオン強度0へ外挿し、熱力学特性及びr-H-K-F EoSパラメータを導出した。同一の研究で全ての生成反応を考慮することで、単量体シリカ化学種の熱力学特性及びr-H-K-F EoSパラメータが見直され、これにより、温度=0.01-100C、圧力=1-3000 bars,水の密度=0.35-1.1 g cmの条件において、十分に合致するようになった。これらの温度・圧力は、放射性廃棄物の地層処分が想定される深さ1km程度までの温度(0.01-100C)及び圧力(1-270 bars)を包括している。
花町 優次*; Walker, C.*; 安楽 総太郎; 笹本 広
NIMS微細構造解析プラットホーム利用報告書(インターネット), 4 Pages, 2024/10
日本の放射性廃棄物地層処分では、産業副産物であるフライアッシュとシリカフュームを高含有する低アルカリ性セメント(High-volume Fly ash Silica fume Cement, HFSC)の使用が検討されており、我々はHFSCの主成分であるカルシウムアルミニウムシリケート水和物(C-A-S-H)ゲルを合成し、それらの化学的安定性についての研究を行っている。また、より基礎的な情報を得るため、普通ポルトランドセメントの成分であるカルシウムシリケート水和物(C-S-H)ゲルの結晶化鉱物の安定性も研究対象としている。この研究において信頼性の高いデータを得るためには、なるべく高収率の方法で目的物質の合成を行い、その元素組成や構造を正確に知る必要がある。C-A-S-Hゲルについては、先行課題(課題番号JPMXP1222NM0075)で、クリンカー鉱物を水に28日間または6カ月間浸漬させる方法(以下クリンカー法とする)で合成したサンプルを対象に
Al及び
Si NMRスペクトルを取得し、Al及びSiの分配状態を同定したが、それらの浸漬期間ではC-A-S-Hゲル以外の副鉱物の生成が多く、所期のAl/Siモル比を有するC-A-S-Hゲルの合成には至らないことが明らかとなった。C-A-S-Hゲルの収率を高くするためには、浸漬期間をさらに長くするほか、別の合成方法も検討する必要がある。本分析では、浸漬期間を1.5年まで延長したクリンカー法、及び、カトアイト飽和溶液を用いる代替法で合成したサンプルについて、AlおよびSi NMRスペクトルを取得し、それらサンプル中の実際のC-A-S-Hゲル組成を決定した。C-S-Hゲルの結晶化鉱物については、先行研究で、11
及び14トバモライトが、酸化カルシウム及び二酸化ケイ素を高温状態(120C及び60C)で水に浸漬させることで合成できることがX線回折によって確認されている。本分析ではさらに、それらの合成トバモライトのポリマー構造を確認するためにSi NMRスペクトルを取得した。
小池 彩華*; 田窪 勇作*; 安楽 総太郎; 川喜田 竜平
NUMO-TR-24-03; 技術開発成果概要2023, p.62 - 64, 2024/10
地層処分事業の実施主体である原子力発電環境整備機構(NUMO)が、日本原子力研究開発機構(JAEA)をはじめとする関係研究機関及び大学との共同研究等により実施した2023年度の技術開発成果の概要を取りまとめ、報告する。本報告は、NUMOとJAEAの共同研究「ニアフィールドシステムの状態変遷に伴うバリア材及び核種の長期挙動評価のための研究」で2023年度に実施したセメント系材料と緩衝材との相互作用による長期変質挙動の検討に関する成果についての概要をまとめたものである。
- and K-montmorillonite川喜田 竜平; 齋藤 彬人*; 佐久間 博*; 安楽 総太郎; 菊池 亮佑*; 大竹 翼*; 佐藤 努*
Applied Clay Science, 231, p.106722_1 - 106722_7, 2023/01
被引用回数：6 パーセンタイル：43.96(Chemistry, Physical)Montmorillonite (Mt) expansion and swelling are key factors for barrier performance of bentonite in trans-uranic (TRU) and high-level radioactive waste disposals. In the case of co-located geological disposal of TRU waste with high level waste, ammonium ion (NH
) which is changed from nitrate ion leached from TRU waste has possibility to contact with bentonite, exchange interlayer cation of Mt to form NH-Mt, and deteriorate its performance. Because of similar hydration energy of NH to K, NH-Mt could have lower expandability or change to non-expandable mineral as reported on K-Mt. Therefore, expansion and alteration behaviors of NH-Mt, especially comparison to the behaviors of K-Mt, are necessary to understand for safety assessment of the waste disposal. In this study, the hydration behavior of NH-Mt was investigated by XRD and molecular dynamics (MD) simulation in comparison with K-Mt. XRD profiles under Relative Humidity (RH) control showed that expansion of NH-Mt was similar to that of K-Mt at more than RH40% with slightly different d-values. However, expansion of NH-Mt kept at lower than RH20%, while K-Mt easily dehydrate at the same RH. MD simulation revealed that hydrogen bonding (HB) in NH molecules causes the difference in hydration behavior between NH- and K-Mt, as HB cause larger basal spacing at dehydrated state and easier hydration. This gap on hydration may attribute the difference in alteration to non-expandable minerals after dehydration, indicating that NH have lower possibility for alternation and smaller effect on barrier performance of bentonite than K.
安楽 総太郎; Walker, C.*; 小田 治恵; 三原 守弘; 本田 明
Proceedings of 15th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC 2019) (Internet), 11 Pages, 2019/09
Ordinary Portland cement based materials used to construct a repository for the geological disposal of nuclear wastes in Japan, have the potential to form a hyperalkaline (pH 
12.5) plume that would affect the performance of other repository components. A High volume Fly ash (FA = 40 wt.%) Silica fume (SF = 20 wt.%) Cement (HFSC424) has therefore been developed to avoid the formation of a hyperalkaline plume. Hydration of HFSC424 in ion exchanged water (IEW) at liquid/solid (L/S) mass ratio = 0.5 caused the loss of portlandite within 56 days by the pozzolanic reaction of SF and FA. Hydrated solid phases included calcium (aluminate) silicate hydrate (C(-A)-S-H) gel and ettringite, and the expressed porewater had a pH = 11.7 after a year of hydration at 20C. Leaching of HFSC424 in IEW was consistent with the dissolution of C(-A)-S-H gel and a decrease to pH = 11.1 at L/S = 1000. Leaching of HFSC424 in SW caused the loss of C(-A)-S-H gel and ettringite for L/S 
30 and a rapid decrease in pH = 10.2. This was followed by the precipitation of hydrotalcite, calcite and magnesium silicate hydrate (M-S-H) and a further decrease to pH = 8.8. These hydration and leaching tests demonstrate that HFSC is a suitable material for repository construction to avoid the formation of a hyperalkaline plume.
Walker, C.*; 安楽 総太郎; 小田 治恵; 三原 守弘; 本田 明
Proceedings of 15th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC 2019) (Internet), 11 Pages, 2019/09
Reaction of cationic metals (M) and anionic ligands (L) to form ML complexes can alter the dissolution of minerals and the concentration levels of elements in solution. A provisional assessment of ML complex formation in ordinary Portland cement (OPC) porewater and leachates was made with the assistance of the geochemical computer program PHREEQC and the Japan Atomic Energy Agency (JAEA) thermodynamic database for geochemical reactions. Thermodynamic properties of ML complexes were either compiled from the literature or estimated by X-Y weighted linear correlation methods. Simulation of OPC hydration and degradation experiments demonstrated that ML complex formation had little effect on the concentrations of K, Na and Ca, and so too therefore the pH of OPC porewater and leachates. Formation of NaL, CaL and MgL complexes caused a significant increase in the concentrations of Mg, Al, Fe, Si, S, and C. Increased concentrations of these elements meant that OPC hydrates were more soluble and more rapidly consumed during the course of OPC degradation.
安楽 総太郎
原子力バックエンド研究(CD-ROM), 24(1), p.65 - 68, 2017/06
バックエンド週末基礎講座は、広範な原子力のバックエンド分野に関する基礎的な知識を身につけるとともに、参加者相互の交流の機会を提供することを主な目的とし、バックエンド部会の主催で2003年から年1回開催されている。2016年10月15日(土)、16日(日)の2日間、岐阜県土岐市のセラトピア土岐(土岐市産業文化振興センター)にて今回で13回目を迎えたバックエンド週末基礎講座が開催された。講座には大学や企業などから参加があり、6件の講義とグループディスカッションが行われた。また、講座に先立って、希望者を対象に、岐阜県瑞浪市の瑞浪超深地層研究所(日本原子力研究開発機構東濃地科学センター)にて見学会が併催された。
安楽 総太郎; 松原 勇武*; 森本 和也*; 佐藤 努*
粘土科学, 55(2), p.17 - 30, 2017/00
放射性廃棄物処分場の高pH環境下で生成が予想される主要な鉱物であるブルーサイトとLDHが、それぞれ違うサイトにおいて確認された。LDHの生成が確認されたサイトでは、ブルーサイトに関しても過飽和であったが、その生成は確認されなかった。つまり、一定のAl濃度が溶存している環境では、Mgの消費先として、LDHがブルーサイトよりも優先的であるということが明らかとなった。これは、陰イオン交換能をもつLDHの生成する条件が広がることを意味するため、処分評価上重要な知見である。また、生成したLDH相の陰イオン交換サイトを設定することで、各種陰イオンの層間へのインターカレーションを計算した。その結果、Siの選択係数が非常に高いことが必要になることから、その消費先としては、溶液組成から過飽和であることが確認されたMgとSiの非晶質な鉱物であるMSHの生成の可能性も示唆された。カルシウム炭酸塩の生成に関しては、アラゴナイトの生成が支配的であったため、本研究においては、カルサイトの生成を除外した平衡モデルによりその生成量を予測したが、概ね良い一致を示した。カルサイト生成がMgの濃度により速度論的に抑制されているのであれば、上述のLDHとブルーサイト、さらにはMSHの生成によるMgの消費の記載がより正確になることで、Mg濃度をパラメーターとしてカルサイトとアラゴナイトを含めたカルシウム炭酸塩の生成を速度論的に表現することが可能と考えられる。
Walker, C.; 安楽 総太郎; 三ツ井 誠一郎; 小田 治恵; 三原 守弘; 本田 明
no journal, ,
Solubility behavior of calcium silicate hydrate gel is modeled at temperatures up to 90C, which is high temperature for cementitious material.
安楽 総太郎; 花町 優次*; Walker, C.*; 三原 守弘
no journal, ,
In the present study, fifteen calibration minerals were used to define a polyhedral model that provided estimates for the missing Gibbs free energy of formation (
) of layered iron silicates. Entropy (
) and heat capacities (
) were estimated by additive methods. Enthalpy of formation (
) could then be calculated. Molar volumes (
) were calculated from lattice parameters reported in the literature. These methods were carefully used to maintain internal consistency with the JAEA thermodynamic database for geochemical reactions (https://migrationdb.jaea.go.jp). The polyhedral model resulted in a maximum 0.1% error in estimates for the known values of the fifteen calibration minerals. Using the polyhedral model with estimation of and , and calculation of and , a full suite of thermodynamic properties was derived for the layered iron silicates berthierine, cronstedtite, greenalite, minnesotaite, and odinite. These thermodynamic properties were tested in a reactive transport simulation of steel-bentonite interaction. Steel corrosion formed magnetite and siderite, montmorillonite and chalcedony in Kunigel V1textregistered dissolved and sepiolite and greenalite precipitated at the steel-bentonite interface. More detailed studies on the thermodynamic properties of the minerals siderite, sepiolite and greenalite, and their use in reactive transport simulations is ongoing. This work was partly funded by the Ministry of Economy, Trade and Industry (METI) of Japan through the project "The project for validating assessment methodology in geological disposal system" in JFY 2016.
Walker, C.*; 安楽 総太郎; 笹本 広; 三原 守弘
no journal, ,
In the present study, experiments were conducted to investigate changes in the OPC mineral assemblage and leachate compositions during their degradation in increasingly larger liquid/solid mass ratios of commercially available synthetic seawater (SW). SW was used as a saline groundwater analogue. Geochemical modeling of the experiments was performed using the computer program PHREEQC (v3.7.3) with the JAEA TDB (v2018) for geochemical reactions (https://migrationdb.jaea.go.jp/). The model included distribution coefficients to account for the uptake of alkali metals and the development of three binary solid solutions to describe the solubility behaviors of calcium silicate hydrate (C-S-H) gel, magnesium silicate hydrate (M-S-H) gel and hibschite. OPC degradation in SW was characterized by the rapid dissolution and loss of the hydrated OPC mineral assemblage and the precipitation, dissolution and loss of Friedel's salt, secondary ettringite, secondary brucite, M-S-H gel & hydrotalcite, and calcite. These sequential changes are consistent with the known chloride, sulfate, magnesium, and carbonate forms of chemical attack. Geochemical modeling was able to provide a satisfactory match to this sequence of dissolution/precipitation reactions, and also to the corresponding changes in the pH values and element concentrations of the leachates. Similar experiments are being planned to underpin the ongoing development of geochemical models to describe the degradation of OPC and high content fly ash silica fume cement (HFSC) in other invasive groundwaters relevant to the geological disposal of radioactive wastes in Japan. This work was partly funded by the Ministry of Economy, Trade and Industry (METI) of Japan through the project "Advanced technology development for geological disposal of TRU waste (Grant Number JPJ007597)" in JFY 2018.
石渡 翔丸*; 菊池 亮佑*; 川喜田 竜平; 安楽 総太郎; 三ツ井 誠一郎
no journal, ,
The engineered barrier system (EBS) in the geological disposal of high-level radioactive waste includes the iron- or steel-based overpack and a compacted bentonite buffer. Over long timescales, interactions between iron and bentonite may alter the barrier's performance. To ensure the long-term stability of the EBS, it is essential to quantitatively evaluate these interactions, providing fundamental data for predictive modelling. In this study, we performed a quantitative micro-scale analysis of mineralogical alterations and their spatial distributions across the steel-bentonite interface after 21 years of contact under controlled conditions, thereby providing a reliable basis for validating the observed alterations and supporting predictive modelling.
川喜田 竜平*; 齋藤 彬人*; 佐久間 博*; 安楽 総太郎; 小田 治恵; 三原 守弘; 佐藤 努*
no journal, ,
NH型モンモリロナイト(MMT)の膨潤特性を評価するため、相対湿度(RH)制御XRD分析と分子動力学計算を用い、Na, K, NH型MMTの膨潤挙動を比較した。RH制御XRD分析の結果、NH型MMTはRH30%以上でK型MMTと同様な膨潤挙動を示すが、RH30%以下ではNa, K型MMTよりも高い膨潤性を示すことが分かった。NH型MMTが低湿度側で高い膨潤性を示す原因について分子動力学計算により検討した結果、層間のNHと結晶層面の底面酸素が水素結合を形成することで底面間隔が広がったためであると考えられた。
川喜田 竜平*; 齋藤 彬人*; 佐久間 博*; 安楽 総太郎; 小田 治恵; 三原 守弘; 佐藤 努*
no journal, ,
NH型モンモリロナイトの膨潤特性を評価するために、相対湿度(RH)制御XRDと分子動力学計算を用い、一価の陽イオン(Na, K, Cs, Rb, NH)を層間にもつMMTの膨潤挙動を比較した。RH制御XRD分析の結果、RH30%以下ではNa, K型では膨潤しにくいのに対し、NH, Cs, Rb型が高い膨潤性を持つことが分かった。イオン半径や水和エネルギーの近いNHとKの膨潤挙動が低湿度側で違うことを説明するため、分子動力学計算を行った。動径分布関数を検討した結果、アンモニウムイオンは底面酸素と水素結合を形成し、底面間隔が広がることで高い膨潤性を示すことが分かった。
安楽 総太郎; 佐藤 久夫*; Walker, C.*; 天野 由記; 櫻井 彰孝; 中山 雅; 舘 幸男
no journal, ,
High content Fly ash Silica fume Cement (HFSC) has been developed as an alternative to ordinary Portland cement (OPC) to minimize the adverse effects caused by the formation of a hyperalkaline plume. In situ experiments were conducted at the Horonobe underground research laboratory (Hokkaido, Japan) where HFSC and OPC concretes were aged for 5.5 to 9.5 years in mudstones. Samples of the concrete/mudstone interface were then collected and characterized by EPMA, SEM and micro-XRD to evaluate the mineralogical changes. Similar mineralogical changes were observed across the concrete/mudstone interface for both HFSC and OPC experiments, and were associated with Ca depletion from the concretes and Ca diffusion into the mudstone. Ca depletion from HFSC and OPC was driven by the dissolution of C-A-S-H gel and portlandite, respectively. The higher solubility of portlandite led to greater Ca depletion and the mineralogical changes being more pronounced in the case of the OPC experiment. A crust of calcite formed at the concrete/mudstone interface by the reaction of Ca with the Na-HCO dominant mudstone porewater. Ca diffusion into the mudstone caused the precipitation of secondary C-A-S-H minerals with compositions equivalent to the zeolite minerals clinoptilolite and/or phillipsite. Although the mineralogical changes were similar, they were more pronounced in the OPC experiment. HFSC is therefore considered a better alternative to OPC to minimize the adverse effects caused by the formation of a hyperalkaline plume.
Walker, C.*; 安楽 総太郎; 笹本 広; 三原 守弘
no journal, ,
熱力学的に信頼できるカルシウム-(アルミニウム)-水和ケイ酸ゲルの溶解度モデルの開発では、構造・組成・相境界・測定或いは推定された熱力学特性・モル体積・CASHゲル組成に対するpHやCa, AlおよびSiの挙動・温度・イオン強度等の様々な特徴や条件を考慮しなければならない。本報告では、前述したような特徴や条件を踏まえたデータをもとにしたCASHゲル溶解度モデルの開発について紹介する。フライアッシュ高含有シリカフュームセメント(HFSC)の溶脱に係る原子力機構の研究は、CASHゲル溶解度モデルの開発の必要性を強調する上で有効な例となる。
安楽 総太郎; 川喜田 竜平; 花町 優次*; 三ツ井 誠一郎; 笹本 広; 三原 守弘
no journal, ,
OPCまたはHFSCとベントナイトを接触させた試験において、界面近傍で観察されたベントナイトの変質と二次鉱物の生成を評価するため、コンピュータモデリングコードCABARETを用いた1次元反応性輸送モデルを構築した。OPCとクニゲルV1の接触試験の解析では、OPC中のCaがポルトランダイトの溶解により枯渇し、クニゲルV1中のSiがカルセドニーの溶解により枯渇し、XRDでの観察と同様、界面にC-S-Hゲルが析出することが確認された。80Cの条件では、C-S-Hゲルの析出により界面が閉塞し、拡散とそれに伴うクニゲルV1の変質が制限されることが確認された。HFSCとクニゲルV1の接触試験の解析では、OPCと比較してpHが低いHFSCの間隙水によるクニゲルV1の変質が著しく少ないことが示され、これは実験結果とも一致した。HFSCは、C-A-S-Hゲルとエトリンガイトの溶解によって界面近傍で空隙率を増加させ、クニゲルV1は、カルセドニーのわずかな溶解によって空隙率を増加させるといる解析結果が示された。
安楽 総太郎
no journal, ,
ハイドロタルサイト(HT)はTRU廃棄物処分で大量に使用されるセメント系材料により生ずる高アルカリ環境で安定な鉱物であり、セメントの初期水和物に含有されるとともに処分場のセメントとベントナイトまたは岩石との相互作用でも生成する。HTは陰イオン交換能(AEC)を有することから、処分環境でのHTの生成はTRU廃棄物処分で生物圏における線量を支配するヨウ素をはじめとした陰イオン核種の移行遅延挙動に大きな影響を与えうる。そこで、処分環境でのHTの存在量や組成を推定するために必要なHTの沈殿や溶解の判定に用いる熱力学データを整備することが、ニアフィールドにおける人工バリア変質挙動を評価する上で重要である。本研究では大気雰囲気での合成が可能であるCO型HT(CO-HT)を対象に試験を実施した。処分環境では異なるMg/Al比のHTが生成することが予想されるが、溶解度をはじめとした熱力学データにMg/Al比が与える影響に関する情報は限られていた。そこで、異なるMg/Al比で合成したCO-HTを浸漬溶解し、溶解度データを取得し、固溶体モデル構築によりMg/Al比が2から3のCO-HTの熱力学データを整備した。
, HSiO and SiOWalker, C.*; 安楽 総太郎; 小田 治恵; 三ツ井 誠一郎; 三原 守弘
no journal, ,
SiO, HSiO及びSiOの熱力学特性は、それぞれの生成反応の平衡定数(
)から求めることができる。しかしながらこれら化学種のについて、SiOは石英の不正確な溶解度データに基づいている、HSiOはイオン強度ゼロへの外挿がなされていない、SiOは13を超える高pHの溶液でのみ優勢となるため通常は考慮されない、といった問題がこれまであった。本研究では、石英と水のデータを基準として用いて、上記3つの化学種の値の修正値を算出し、得られた値からそれぞれの熱力学特性、及び改良型Helgeson-Kirkham-Flowers状態式(r-H-K-F EoS)のパラメータを求めた。これらの特性とパラメータは、ケイ素を含有する他の溶存化学種/錯体の熱力学特性及びr-H-K-F EoSのパラメータ、放射性廃棄物の地層処分に関連するセメント系材料, 粘土材料, ゼオライト, 造岩鉱物の熱力学特性の導出、ならびに地下水組成の計算に役立てることができる。
