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松原 竜太*; 上野 吹佳*; 岩田 孟; 稲垣 八穂広*; 大窪 貴洋*
NUMO-TR-24-03; 技術開発成果概要2023, p.55 - 61, 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年度に実施したガラス変質層による溶解度速度の低減現象に係る根拠情報の拡充に関する成果についての概要をまとめたものである。
松原 竜太*; 田窪 勇作*; 岩田 孟; 稲垣 八穂広*; 大窪 貴洋*
NUMO-TR-24-01; 技術開発成果概要2022, p.104 - 108, 2024/05
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2022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2022年度に実施したガラス変質層による溶解速度の低減現象に係る根拠情報の拡充に関する成果についての概要をまとめたものである。
斉藤 拓巳*; 元川 竜平; 大窪 貴洋*; 三浦 大輔*; 熊田 高之
Environmental Science & Technology, 57(26), p.9802 - 9810, 2023/07
被引用回数：1 パーセンタイル：9.13(Engineering, Environmental)Aggregation of humic acids (HAs) were studied by small-angle neutron and X-ray scattering techniques. The combination of these techniques enables us to examine aggregation structures of heterogeneous HA particles. Two HAs with distinctive compositions were examined; a commercial HA (PAHA) and a HA extracted from deep sedimentary groundwater (HHA). While macroscopic coagulation tests showed that these HAs were stable in solutions except for HHA at pH 
6, small-angle neutron scattering (SANS) and X-ray scattering (SAXS) revealed that they formed aggregates with the sizes exceeding sub-micrometer length scale. The SAXS curves of PAHA remarkably varied with pD, whereas the SANS curves did not. With the help of theoretical fittings, it was revealed that PAHA aggregates consisted of two domains: poorly hydrated cores and well-hydrated proton-rich shells. The cores are (dis)aggregated with pD inside the aggregates of the shell. The SANS and SAXS curves of HHA resemble each other, and their intensities at low q increased with a decrease of pD, indicating the formation of homogeneous aggregates. This study revealed that distinctive aggregation behaviors exist in humic substances with heterogeneous structures like PAHA, which is invaluable for their roles in the fate of contaminants or nutrients in aqueous environments.
松原 竜太*; 石田 圭輔*; 三ツ井 誠一郎; 稲垣 八穂広*; 大窪 貴洋*
NUMO-TR-22-02; 技術開発成果概要2021, p.65 - 67, 2023/03
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2021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」において2021年度に実施した「ガラス固化体の変質層による溶解速度の低減現象に係る根拠情報の拡充」に関する成果の概要を取りまとめたものである。
Cs NMR chemical shift of clay minerals via machine learning and DFT-GIPAW calculations大窪 貴洋*; 武井 滉洋*; 舘 幸男; 深津 勇太; 出口 健三*; 大木 忍*; 清水 禎*
Journal of Physical Chemistry A, 127(4), p.973 - 986, 2023/02
被引用回数：6 パーセンタイル：69.12(Chemistry, Physical)粘土鉱物へのCsの吸着サイトの特定は、環境化学の分野で研究されてきた。核磁気共鳴(NMR)実験によって、吸着されたCsの局所構造を直接観察することが可能である。固体NMR実験から得られたCsのNMRパラメータは、吸着されたCsの局所的な構造に敏感である。しかしながら、NMRデータだけからCsの吸着位置を決定することは困難であった。本研究では、機械学習と実験的に観察されたケミカルシフトを組み合わせることにより、粘土鉱物に吸着されたCsの吸着位置を特定するためのアプローチについて提示する。原子配置の記述子とNMRによるケミカルシフトの第一原理計算結果を関連付けて評価する機械学習の線形リッジ回帰モデルを構築した。これにより、原子配置の構造データからCsのケミカルシフトを高速で計算することが可能となった。機械学習モデルによって、実験的に観察された化学シフトから逆解析を行うことにより、Cs吸着位置を導き出すことが可能になる。
Cs
, and 
I
in compacted Ca-montmorillonite; Experimental and modeling approaches深津 勇太; 四辻 健治*; 大窪 貴洋*; 舘 幸男
Applied Clay Science, 211, p.106176_1 - 106176_10, 2021/09
被引用回数：22 パーセンタイル：88.96(Chemistry, Physical)Mechanistic understanding and predictive modeling of radionuclide diffusion in Na- and Ca-montmorillonite are essential to evaluate the long-term evolution of the bentonite barrier and their impact on radionuclide migration during geological disposal of radioactive wastes. Thus, the diffusion behavior of Cs, I, and tritiated water (HTO) in compacted Ca-montmorillonite was investigated as a function of porewater salinity and dry density via both experiments and models. The effective diffusion coefficient (De) followed in the order of Cs 
HTO I. The De of Cs decreased with increasing salinity, whereas the dependence of De of I on salinity was uncertain. The cation excess and anion exclusion effects for Ca-montmorillonite were lower than those for Na-montmorillonite. The integrated sorption and diffusion (ISD) model, assuming the homogeneous pore structure and the electrical double layer (EDL) theory for 2:1 electrolyte (CaCl
), could account for the observed trends for De in Ca-montmorillonite. The lower dependence of De on the porewater salinity in Ca-montmorillonite was caused by the reduction of the EDL thickness for divalent cations (Ca
) in comparison with that for monovalent cations (Na). The multipore model could improve the fit for De of I at low salinity due to the reduction of interlayer pore volumes and anion exclusion effect, however, the disparity at higher densities was considerably larger. From these results, cation diffusion for compacted Ca-montmorillonite could be mainly explained by the electrostatic interactions in the homogeneous pore model; in contrast, anion diffusion was sensitive to both electrostatic interactions and heterogeneous pore structures. The proposed ISD model is an effective tool to evaluate the radionuclide diffusion and sorption behavior in both compacted Ca-montmorillonite and Na-montmorillonite.
大窪 貴洋*; 山崎 秋雄*; 深津 勇太; 舘 幸男
Microporous and Mesoporous Materials, 313, p.110841_1 - 110841_11, 2021/01
被引用回数：12 パーセンタイル：48.84(Chemistry, Applied)Ca型モンモリロナイト中の間隙分布が、乾燥密度(0.8-1.6g/cm
),間隙水塩濃度(脱イオン水、0.1及び1M CaCl),温度(233-303K)の条件下で、
H NMR測定によって調査された。圧縮Ca型モンモリロナイト中の2層及び3層水和を含む層間間隙と層間外間隙の体積割合が、緩和時間
及び
分布の分析に基づくNMR緩和時間測定法によって定量評価され、さらに、NMR凍結間隙測定法及びX線回折法による結果と比較された。これらの分析によって、Na型モンモリロナイトと比較可能な、Ca型モンモリロナイト中の間隙分布の状態を把握することができた。圧縮Ca型及びNa型モンモリロナイト中の間隙分布に影響を及ぼす主要な因子は圧縮密度であり、間隙水塩濃度の影響は相対的に小さい結果となった。CaとNaの層間陽イオンの影響は高密度条件では小さいが、低密度ではその影響は顕著であった。
Cs solid-state NMR and density functional theory calculations大窪 貴洋*; 岡本 拓也*; 河村 雄行*; Gu
gan, R.*; 出口 健三*; 大木 忍*; 清水 禎*; 舘 幸男; 岩舘 泰彦*
Journal of Physical Chemistry A, 122(48), p.9326 - 9337, 2018/12
被引用回数：15 パーセンタイル：56.66(Chemistry, Physical)モンモリロナイトに吸着したCsの吸着構造を核磁気共鳴法(NMR)によって調査した。Cs置換率や含水率の異なるCs型モンモリロナイトのNMRスペクトルを測定するとともに、Cs吸着構造とNMRパラメータの関係を明らかにするために、第一原理計算に基づいてNMRパラメータを評価した。NMR実験と第一原理計算との比較の結果、Cs置換率が低いモンモリロナイトでのCs吸着形態は4面体シートでAl置換されたサイトの近傍に吸着したCsであること、Cs置換率と含水率が高い条件においてもCsの一部は脱水和状態で吸着していることを明らかにした。
四辻 健治; 舘 幸男; 大窪 貴洋*
CMS Workshop Lectures, Vol.21, p.251 - 257, 2016/06
処分環境における圧縮ベントナイト中の核種の拡散係数や収着分配係数等の整合的な推定評価を目指し、原子力機構では統合収着・拡散モデル(ISDモデル)の開発を進めてきた。ISDモデルは、圧縮ベントナイト中の間隙水化学および核種の収着・拡散挙動を整合的に評価するモデルである。特にISDモデルの拡散パートは電気二重層理論と均質間隙モデルに基づいており、カチオンの過剰な実効拡散係数と細孔間隙でのアニオン排除を整合的に説明できる。現状のISDモデルは1価カチオン/アニオンの実効拡散係数をある程度定量的に評価できるが、多価カチオンや錯体形状の化学種に対しては実測データの再現性が悪い。モデルを改良するには、溶質・溶媒および粘土鉱物間の相互作用を分子レベルで高度化するとともに、不均質間隙構造を考慮したモデル化を進める必要がある。そこで本研究では、多重間隙構造を考慮して現状ISDモデルの高度化を検討した。多重間隙モデルによる解析の結果、実効拡散係数の塩濃度依存性が、現状の均質間隙モデルより緩和され、拡散モデルが改善されることがわかった。
大窪 貴洋*; 茨城 萌*; 舘 幸男; 岩舘 泰彦*
Applied Clay Science, 123, p.148 - 155, 2016/04
被引用回数：35 パーセンタイル：75.70(Chemistry, Physical)含水飽和圧縮粘土(3種類の塩濃度で含水飽和された密度0.8および1.4g/cmのNa型モンモリロナイト)中の間隙構造をNMR緩和法と凝固点降下法により評価した。4層状態までの層間水と層間外水との割合がそれぞれの緩和時間の閾値から計算された。低密度試料では、層間外水の割合が55%までの高い割合を示した。凝固点降下を利用した低温条件でのNMR測定の結果は、熱量測定から得られた約4nmのメソポアが、層間外水の閾値として評価された。凝固点降下とNMR緩和法で評価された層間外水の割合は、10%以内の差で一致した。-10
Cでの縦緩和時間(
)と横緩和時間(
)の相関性評価から、密度1.4g/cmの条件下においても、高い移動度をもつバルクに近い水分子が存在することが示唆された。
中島 克樹*; 大窪 貴洋*; 舘 幸男
no journal, ,
モンモリロナイトに吸着したCsの吸着構造を核磁気共鳴法(NMR)によって調査した。Cs置換率や含水率の異なる条件でCsを吸着させたモンモリロナイト試料のNMR測定結果から、水和に伴うCsの吸着構造の変化を明らかにした。
Cs, I and HTO in compacted Ca-montmorillonite by experimental and modelling approaches深津 勇太; 四辻 健治*; 大窪 貴洋*; 舘 幸男
no journal, ,
A compacted bentonite is an engineered barrier material in the geological disposal of radioactive waste. Na-montmorillonite (Na-MMT), which is main component of the bentonite, might be altered to Ca-montmorillonite (Ca-MMT) due to interaction with cementitious materials used in the geological repository. The alteration of the montmorillonite possibly causes decreasing the barrier performance of compacted bentonite such as a less swelling property and sorption capacity. The diffusion and sorption of various radionuclides were investigated by the integrated sorption and diffusion (ISD) model that we previously developed, as target on compacted Na-MMT. In this study, in order to evaluate influence of the alteration from Na-MMT to Ca-MMT on diffusion of radionuclides, diffusion behaviors of Cs, I and HTO in compacted Ca-MMT were investigated by experimental and modelling approaches.
松井 直樹*; 大窪 貴洋*; 舘 幸男; 杉浦 佑樹; 四辻 健治*
no journal, ,
地層処分環境においてCs等の放射性核種は緩衝材中のスメクタイトの層間および粒子間の空隙を拡散により移行すると考えられるが、スメクタイトの層表面に近い領域では電気二重層の影響のためその移行を実験的に解析することは困難である。本研究では、分子動力学計算を用いてスメクタイトの粒子間空隙におけるCsと水の移行挙動の解析を行った。スメクタイトの組成をパラメータとして計算した結果、四面体シートのAl置換量が最もCsの滞留時間に影響を与えており、置換量が増加すると滞留時間が増加した。また、滞留時間の長さに基づいてCsをCs
とCs
に分類して水の配位構造を解析したところ、CsはCsよりも配位数が少なかった。このことから、Csはスメクタイトの層表面において内圏型錯体として存在していると考えられた。
樋口 敬太*; 大窪 貴洋*; 根岸 久美*; 柴田 真仁*; 舘 幸男
no journal, ,
福島事故廃棄物を含む放射性廃棄物の処分の評価において、様々な処分概念で用いられるセメント系材料と放射性核種の相互作用についての理解が必要である。セシウム(Cs)等の放射性核種は、セメント中の主要な成分であるC-S-Hへ収着すると考えられる。収着試験によって、C-S-Hの化学組成であるCa/Si比がCsの収着量に与える影響は明らかになっているが、詳細な吸着機構については不明な点が多い。本研究では、異なるCa/Si比のC-S-Hに対するCs収着試験を行い、Cs MAS NMR測定により吸着構造の解明を試みた。
大窪 貴洋; 山口 真*
no journal, ,
磁場勾配NMR法により、粘土ゲルが充填したガラスビーズ層中の水の自己拡散係数の拡散時間依存性を測定した。測定にあたっては、6ms以下の短い拡散時間に対して振動磁場勾配を用いる手法、6
200msといった長い拡散時間に対しては、対磁場勾配パルスを適用して測定を行った。これら測定から得られた水の自己拡散係数の拡散時間依存性を解析することにより、粘土ゲル充填ガラスビーズ層の比表面積及び屈曲度を評価した。
松嶋 奏翔*; 石寺 孝充; 深津 勇太; 江口 綾乃; 四辻 健治*; 舘 幸男; 大窪 貴洋*
no journal, ,
Understanding the interaction of clay minerals with natural organic matter, such as humic acid (HAs) incorporating radionuclides, is an important research area for radioactive waste confinement. Nevertheless, the adsorption and migration behavior of HAs on the coexistence of clay minerals remains unclear. Herein, molecular dynamics (MD) simulations are applied to understand the adsorption behavior of HAs on clay minerals.
松原 竜太*; 藤崎 淳*; 石田 圭輔*; 石黒 勝彦*; 稲垣 八穂広*; 大窪 貴洋*; 三ツ井 誠一郎; 岩田 孟; 関根 伸行*
no journal, ,
放射性物質の溶出を抑制することで、長期間にわたり放射性物質を地層処分施設に閉じ込める機能(安全機能)が期待されている。そのため、安全機能の程度を評価(性能評価)することは、処分場の安全性を確認するうえで重要である。この発表では、ガラス固化体の溶解速度に影響し得る重要なプロセスに関する理解、およびガラス固化体の長期挙動に関するモデルの高度化に向けた研究開発の状況を紹介する。
松井 直樹*; 大窪 貴洋*; 舘 幸男; 四辻 健治*; 杉浦 佑樹
no journal, ,
地層処分環境においてCs等の放射性核種は緩衝材中のスメクタイトの層間空隙および粒子間空隙(外表面)を拡散により移行する。スメクタイトのbasal面に近い領域では層の負電荷に由来する電気二重層の影響でカチオンの移行挙動は複雑化しており、その移行メカニズムは不明な点が多い。そこで、本研究では分子動力学(MD)計算を用いてスメクタイトの外表面におけるカチオンの自由エネルギーを計算し、得られた自由エネルギーマップから移行経路を考察した。
舘 幸男; 四辻 健治*; 深津 勇太; 杉浦 佑樹; 大窪 貴洋*
no journal, ,
放射性廃棄物の地層処分の安全評価において、ベントナイト緩衝材や岩石中に含まれる粘土鉱物中の核種移行現象の理解が重要となる。粘土鉱物中の核種移行モデルを構築するうえで、中核となるのは層状構造をもつ粘土鉱物によって形成される間隙構造と粘土鉱物表面での静電的な相互作用である。本報告では、セメント系材料の共存によるベントナイトの状態変遷(Na型からCa型への変化)の影響を評価するため、圧縮ベントナイト中の間隙構造と静電的な相互作用の双方の効果を考慮した核種の拡散・収着モデルの開発成果を報告する。
松原 竜太*; 石黒 勝彦*; 石田 圭輔*; 稲垣 八穂広*; 大窪 貴洋*; 岩田 孟
no journal, ,
NUMO has been developing a more realistic glass dissolution model incorporating the coupling of chemical reaction in groundwater and ionic transport through the alteration layer were implemented by using GoldSim and PhreeqC codes. NUMO has been conducting three joint studies with universities and Japan Atomic Energy Agency to further develop the model. Molecular Dynamics simulations are employed to understand the formation mechanisms of the alteration layer and ionic transport within the layer. Micro-Channel Flow Through (MCFT) tests have been performed to comprehend the relationships between the characteristics of the alteration layer, solution conditions (composition, pH, temperature) and the glass dissolution rate. Long-term (up to ca. 10 years) immersion tests have also been conducted to validate our realistic model. In this presentation, we will explain the progress of model development with the recent results of the joint studies.
