In situ reaction and alteration of mudstone-cement interfaces at the Horonobe URL; Comparison between ordinary Portland cement and low alkaline cement

出井 俊太郎; 柴田 真仁*; 根岸 久美*; 杉浦 佑樹; 天野 由記; Bateman, K.*; Wilson, J.*; 横山 立憲; 鏡味 沙耶; 武田 匡樹; et al.

Results in Earth Sciences (Internet), 3, p.100097_1 - 100097_16, 2025/12

https://doi.org/10.1016/j.rines.2025.100097

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、セメントと泥岩の相互作用による化学的擾乱領域が形成され、岩盤中の核種移行特性に影響を及ぼす可能性がある。本研究では、11年前に幌延深地層研究センターの140m調査坑道に施工されたセメント(普通ポルトランドセメント(OPC)および低アルカリ性セメント(LAC))と泥岩の界面における変質状態について調査した。複数の分析手法を組み合わせることで、セメントの溶解、方解石やC-(A-)S-H相などの二次鉱物の析出、モンモリロナイトの陽イオン交換、泥岩の空隙率の低下など、セメントと岩石の界面における主要な反応が特定された。また、空隙率の低下による拡散の低下や、変質した泥岩中の二次鉱物への取り込みによる収着の促進など、セメントと泥岩の相互作用が放射性核種の移行に及ぼす影響についても明らかになった。

U(VI) sorption on illite in the presence of carbonate studied by cryogenic time-resolved laser fluorescence spectroscopy and parallel factor analysis

Mei, H.; 青柳 登; 斉藤 拓巳*; 田中 万也; 杉浦 佑樹; 舘 幸男

Applied Geochemistry, 162, p.105926_1 - 105926_8, 2024/02

https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2024.105926

The sorption of U(VI) on illite at different pH and dissolved inorganic carbon (DIC) levels was investigated by using batch experiments, surface complexation modeling, and cryogenic time-resolved laser fluorescence spectroscopy (cryo-TRLFS) combined with parallel factor analysis (PARAFAC). The inhibiting effect of DIC on U(VI) sorption was revealed by the macroscopic batch experimental results. An updated 2-site protolysis non-electrostatic surface complexation and cation exchange model considering the formation of two uranyl-carbonate sorption complexes was able to reproduce the experimental results well. Based on the PARAFAC analysis on the cryo-TRLFS spectra, there was clear correspondence in the variation trend of the derived components with the sorption species from the modeling results, validating the formation of ternary uranyl-carbonate sorption species.

Uranium (VI) sorption on illite under varying carbonate concentrations; Batch experiments, modeling, and cryogenic time-resolved laser fluorescence spectroscopy study

Mei, H.; 青柳 登; 斉藤 拓巳*; 香西 直文; 杉浦 佑樹; 舘 幸男

Applied Geochemistry, 136, p.105178_1 - 105178_8, 2022/01

https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2021.105178

Dissolved inorganic carbonate ions (DIC) present in groundwaters may affect both the aqueous and surface species of U(VI) due to its strong complexation ability with U(VI). However, it is still not clear how DIC affects U(VI) sorption on illite, which is one of the critical components in argillaceous rocks. In this study, the sorption of U(VI) on conditioned illite du Puy in presence of varying DIC concentrations (up to 250 mM DIC) as a function of pH was investigated by combining batch sorption experiments, surface complexation modeling, and the cryogenic time-resolved laser fluorescence spectroscopy (TRLFS). The distribution coefficients of U(VI) were sensitive to the DIC concentration, which decreased with an increase of DIC. There is no sorption of U(VI) under relatively high DIC concentrations (100 mM DIC). The U(VI) sorption behavior on illite was modeled by using the 2 Site Protolysis Non-Electrostatic Surface Complexation and Cation Exchange model. Two ternary surface complexation reactions with carbonate were needed to depict the experimental sorption data in addition to binary and ternary hydroxo surface complexation reactions employed for the description of U sorption to illite without carbonate. The cryogenic TRLFS revealed that U(VI) did sorb to illite in presence of high DIC concentration (up to 10 mM DIC). The spectra were unchanged with DIC at pH 8.5, suggesting the surface speciation of U(VI) remained the same. The decay curves were biexponential, which further indicated that at least two species were responsible for the sorption. Our finding will help to predict the transport and retention behaviors of U(VI) near radioactive waste repositories.

Surface complexation of Ca and competitive sorption of divalent cations on montmorillonite under alkaline conditions

杉浦 佑樹; 石寺 孝充; 舘 幸男

Applied Clay Science, 200, p.105910_1 - 105910_10, 2021/01

https://doi.org/10.1016/j.clay.2020.105910

In the geological disposal system, increase of Ca concentration with the alteration of cementitious materials would affect the retention of other radionuclides by competitive sorption. Batch sorption experiments were performed to investigate sorption behavior of Ca and competition with other divalent cations (Sr and Ni) on the edge site of montmorillonite under alkaline conditions. Ca and Sr formed surface complexation with the edge site at higher pH region compared to Ni. Sr sorption decreased with Ca concentration in alkaline pH region, whereas Ni sorption was not affected by Ca concentration. These results indicate that Ca and Sr sorb onto the same site while Ca and Ni sorb onto different sites, and competitive sorption depends on the chemical similarity such as hydrolysis behavior. Sorption model parameters obtained from the single element batch sorption experiments successfully reproduced the results of competitive sorption experiments.

Development of JAEA sorption database (JAEA-SDB); Update of sorption/QA data in FY2019

杉浦 佑樹; 陶山 忠宏*; 舘 幸男

JAEA-Data/Code 2019-022, 40 Pages, 2020/03

JAEA-Data-Code-2019-022.pdf:2.22MB

放射性廃棄物地層処分の性能評価において、放射性核種の緩衝材, 岩石及びセメント系材料中での収着現象は、その移行遅延を支配する重要な現象の一つである。今回、性能評価における収着分配係数(K)設定のための統合的手法の構築の基礎として、収着データベース(JAEA-SDB)のデータ拡充を行った。本報告ではK設定や収着モデル開発の最近の取り組みにおいて課題として抽出された以下に示す3つの系(粘土, 堆積岩及びセメント系材料)に着目して実施した、Kデータと信頼度情報の拡充について報告する。今回の更新において、60の文献から6,702件のKデータとその信頼度情報が追加され、JAEA-SDBに含まれるKデータは69,679件となり、全データのうちの約72%のデータに対して信頼度情報が付与されたこととなる。今回更新されたJAEA-SDBによって、今後の性能評価における収着パラメータ設定に向けて、有効な基盤情報を提供するものと期待される。

幌延URLにおける泥岩とセメントの原位置での相互作用と変質挙動; 普通ポルトランドセメントと低アルカリセメントの比較

出井 俊太郎; 天野 由記; 杉浦 佑樹; 柴田 真仁*; 根岸 久美*; 横山 立憲; 鏡味 沙耶; 武田 匡樹; 望月 陽人; 櫻井 彰孝; et al.

no journal, , 

放射性廃棄物の地層処分において、支保工などにセメント系材料が使用される。セメント系材料と地下水との反応によって高pHや高Ca濃度の間隙水が拡がり、岩石構成鉱物の溶解や二次鉱物の析出による泥岩-セメント界面の変質をもたらし、岩盤中の放射性核種の移行挙動に影響を及ぼす可能性がある。本研究では北海道の幌延深地層研究センター地下施設(幌延URL)の地下深部に坑道支保工として施工されたセメントと泥岩の原位置での相互作用に着目し、様々な分析手法を適用することにより、セメントと泥岩の原位置での相互作用について検討した。

Competitive sorption of divalent cations onto montmorillonite under high pH condition

杉浦 佑樹; 石寺 孝充; 舘 幸男

no journal, , 

We measured the sorption of Ca and its competitive sorption with Sr and Ni at high pH and ionic strength conditions. Sorption data were then evaluated using a thermodynamic sorption model. values of Ca increased with increasing pH values in alkaline pH region and the tendency was more pronounced at high ionic strength, indicating sorption onto edge sites. Fitting analyses show that Ca sorbs onto SOH sites, with CaOH sorption onto planar sites contributing at high alkaline pH regions. In competitive sorption experiments, Sr sorption onto the edge site decreased with increasing Ca concentration. In contrast, Ni sorption onto the edge site was independent of Ca. These results indicate that Sr sorbs onto the same edge sites (SOH) as Ca, while Ni sorbs onto different edge sites (SOH). Model calculations using the obtained sorption parameters reproduce the results of competitive sorption experiments.

北海道幌延地域の深部地下環境におけるセレンの長期的な収着・保持メカニズム

出井 俊太郎; 舘 幸男; 天野 由記; Francisco, P. C. M.; 杉浦 佑樹; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

高レベル放射性廃棄物中に含まれるセレン(Se;約30万年)は、岩盤への収着分配係数が小さいため、地層処分の核種移行評価上は遅延効果が期待できない核種として位置付けられている。一方で、二次鉱物生成に伴う共沈反応は、セレンの移行遅延に寄与する反応として期待できる可能性がある。本研究では、セレンの移行遅延に関する天然事例研究として、北海道幌延地域で得られた深部堆積岩を対象にセレンの長期的な収着・保持メカニズムを明らかにすることを目的とした。セレンの存在形態および局所構造を明らかにするために実施した逐次抽出試験とXAFS分析の結果から、セレンが黄鉄鉱の結晶構造中の硫黄と置換する形で取り込まれていることが明らかになり、黄鉄鉱の共沈反応によってセレンが岩盤中に保持されていることが示された。以上の結果より、深部堆積岩中では、共沈反応によりセレンが移行しづらい形態で岩盤に保持される可能性が示された。

分子動力学計算によるスメクタイト外表面でのカチオン移行経路解析

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。

北海道幌延地域における堆積岩中のセレンの存在形態

出井 俊太郎; 宮川 和也; 笹本 広; 舘 幸男; 天野 由記; Francisco, P. C. M.; 杉浦 佑樹; 高橋 嘉夫*

no journal, , 

高レベル放射性廃棄物の地層処分の安全性評価において、セレン(Se;半減期: 300kyr)は人工バリアや天然バリアである岩盤に収着されにくいと考えられる。一方で、セレンは鉄水酸化物に収着することが室内試験より報告されている。本研究では、深部地下環境におけるセレンの長期的な収着挙動を理解するために、北海道幌延地域の堆積岩を対象にセレンの化学形態分析を実施した。堆積岩中のセレンの化学形態について、逐次抽出試験およびXAFS分析を実施した結果、セレンは-I価または0価の還元的な形態で堆積岩中に存在することが明らかになった。XRF分析より、セレンはパイライトに濃集していることが示唆された。セレンはパイライト中の硫黄と置換し、固体中に取り込まれることが報告されており、同様の形態で初期続成作用時からセレンが長期間保持されている可能性が考えられる。今後、堆積岩中のパイライトへのセレン収着メカニズムを明らかにする予定である。