Natural systems evidence for the effects of temperature and the activity of aqueous silica upon montmorillonite stability in clay barriers for the disposal of radioactive wastes

Savage, D.*; Wilson, J.*; Benbow, S.*; 笹本 広; 小田 治恵; Walker, C.*; 川間 大介*; 舘 幸男

Applied Clay Science, 179, p.105146_1 - 105146_10, 2019/10

https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.105146

本研究では、モンモリロナイトの安定性における温度及び溶液中のシリカ活量の影響に係る天然事例について評価を試みた。異なる熱力学データベースを用いた熱力学的モデルにより、モンモリロナイトの安定領域は、0140Cの温度領域であると推測された。一方、溶液中のシリカ活量が低い場合、モンモリロナイトの安定領域の一部は、イライトが安定な領域に変わることも示唆された。また、日本の沖合におけるODPサイトで得られた堆積物中の間隙水や鉱物組成に係るデータでは、60C程度の温度までは、モンモリロナイトと非晶質シリカが安定であるが、より高温の条件では、イライトと石英の組み合わせが安定であることも示唆された。一方、百万年を越えるような長期においても、80Cよりも低温の条件では、スメクタイトの一種であるモンモリロナイトは、イライトに変換されないことも示唆された。

Natural systems evidence for the alteration of clay under alkaline conditions; An Example from Searles Lake, California

Savage, D.*; Benbow, S.*; Watson, C.*; 高瀬 博康*; 小野 香理*; 小田 治恵; 本田 明

Applied Clay Science, 47(1-2), p.72 - 81, 2010/01

https://doi.org/10.1016/j.clay.2009.08.024

サールズレーク(カリフォルニア州の湖)では、300万年の期間、アルカリ性の条件(pH9からpH10)でスメクタイトを含む泥岩が変質を被ってきた。300万年間に渡る堆積に伴う湖底面の上昇を取り入れながら、この自然事象のシミュレーションを実施した。さらに、シミュレーションでは、過去300万年間の水質の変化,高塩濃度に対応するためのPitzerモデル,堆積後の泥岩の圧密をモデル化して取り込んだ。スメクタイトの溶解速度式としては、スメクタイトの平衡からの離れ具合を反映した2種類の溶解速度式、地下水中のSiの濃度に依存した溶解速度式1種類の合計3種類の溶解速度式を適用した。その結果、サールズレークの現在のスメクタイトの残存量は"Cama-TST"モデルによって最もよく再現された。

The Effect of iron on montmorillonite stability, 2; Experimental investigation

Wilson, J.*; Cressey, G.*; Cressey, B.*; Cuadros, J.*; Ragnarsdottir, K. V.*; Savage, D.*; 柴田 雅博

Geochimica et Cosmochimica Acta, 70(2), p.323 - 336, 2006/01

https://doi.org/10.1016/j.gca.2005.09.023

鉄製容器とモンモリロナイトが接触する地層処分システムにおけるモンモリロナイトの安定性を調べるために、水熱条件下でモンモリロナイトを金属鉄やマグネタイトと共存させた2種類の試験を実施した。1)NaCl溶液にNaモンモリロナイトと鉄を混合し(マグネタイトand/or方解石を混合するケースも実施)、250Cで約100日間反応させた。2)FeCl溶液に、Naモンモリロナイトと金属鉄を混合し、温度を80250Cとして、約90日間反応させた。1)の試験では、金属鉄を十分量添加した条件でのみ、モンモリロナイトはFeスメクタイトに変化した。Fe(II)スメクタイトが生成し、大気に晒らされることで、Fe(III)に酸化した。反応生成物のエチレングリコール処理による膨張性は、出発物質に比べて劣る。TEM像では、部分的に4面体層が失われ、7の繰り返し構造の生成物となっていた。膨張性の低下は、この構造変化によるものと考えられる。溶液の活量は、Fe(II)サポナイトの安定領域であった。2)の試験では、スメクタイトの顕著な変質は250Cでのみ認められ、反応生成物は7の繰り返し構造を持つ。溶液の活量はバーチェリンの安定領域であった。これらの試験から、鉄とベントナイトの接触境界では、モンモリロナイトの変質により、ある程度の膨張性の低下は想定されるものの、それでもなおベントナイトが緩衝材/埋め戻し材として好ましいことを示している。

An Analysis of the interaction between bentonite and hyperalkaline fluids with regard to mineral paragenetic uncertainty

小田 治恵; 佐々木 良一; 高瀬 博康*; Savage, D.*; 本田 明

Proceedings of International Workshop on Waste Management in Sapporo, p.163 - 165, 2005/08

None

核種の溶解度評価に関する地下水の地球化学パラメータの感度解析

Metcalfe, R.*; Savage, D.*; Bath, A. H.*; Walker, C.*

JNC TJ7400 2004-013, 148 Pages, 2004/03

JNC-TJ7400-2004-013.pdf:6.11MB

調査や分析等を通じて既往データが持つ不確実性,地下水の地球化学特性の3次元的不均一性,性能・安全評価の時間スケールで地下水の地球化学特性が有する不確実性に関して,これらが放射性核種の溶解度および核種移行に与える影響について評価し,地球化学特性の調査における要求品質について検討した。

Models of Cement-Water Interaction and a Compilation of a Associated Thermodynamic Data

Savage, D.*; Lemke, K.*; 笹本 広; 柴田 雅博; Arthur, R. C,*; 油井 三和

JNC TN8400 2000-004, 30 Pages, 2000/01

JNC-TN8400-2000-004.pdf:1.26MB

本報告書では、セメント-水反応に係わるモデルのレビューおよび収集したセメント系鉱物の熱力学データについて報告する。本報告書でまとめた熱力学データには、鉱物およびセメントを構成する化合物の標準モル熱力学特性、関連する水和反応の平衡定数を含む。また、高アルカリ性環境下で安定な鉱物(例えば、沸石など)についても同様にデータ整備を行った。これらの鉱物は、放射性廃棄物処分場におけるセメント系材料から流出する高アルカリ性溶液と処分場周辺の岩盤との反応の結果生成すると考えられる。標準モル特性(すなわち、生成標準モルギブス自由エネルギー、生成標準モルエンタルピー、標準モルエントロピー)、関連する水和反応の平衡定数については、以下の文献による。・セメント鉱物および関係する混合物(Reardon,1992;Glasserほか、1999)・カルシウム-珪酸水和鉱物(Sarkarほか、1982)・沸石(熱量測定の値、様々なデータからの推定値)これらの全データは、個々の値としてとらえるべきものであり、データ全体としての内部整合性はとれていないかもしれない点に注意すべきである。また、本報告の中では、これら個々のデータの精度については評価していない点も留意する必要がある。近年、セメント-水系における幾つかの適切なモデルが提案されている。これらのモデルの多くは、CSHゲル-水系の室内実験データへの経験的な適合を示すものであり、熱力学的に正当化されているものではない。一方、近年、CSHゲルに適した固溶体挙動の熱力学的理論に基づいたモデル化手法が提案されている。この手法については、本報告書の中でレビューすると共に、JNCが行ったセメント-水反応に係わる実験結果と比較することにより検証した。固溶体モデルは、CSHゲルをポルトランダイトとカルシウム-珪酸塩を端成分組成とした非理想固溶体として表現する熱力学的・構造的に妥当なモデルである。2つの端成分の混和性の違いや溶解度は、固溶体の溶解挙動を調べるためのコンピュータコードである「MBSSAS」を求めた。MBSSASを用いて作られたLippmann相図は、ゲルの固溶体と平衡にある溶液組成を計算するPHREEQCへのデータを入力するために用いられた。ゲルの固溶体モデルで計算された溶液組成とCSHゲル-水系に係わる文献の実験データはよく一致している。

QA issues for site hydrochemical data used for groundwater evolution models

笹本 広; 油井 三和; Savage, D.*; Bille, B.*

JNC TN8400 99-025, 32 Pages, 1999/06

JNC-TN8400-99-025.pdf:1.94MB

地下水水質形式のモデル化の対象となるサイトや処分場の変遷過程を評価するために地下水データを用いる場合、データを用いる前に、データの品質や目的にあったデータであるかどうかについての評価を行う必要がある。本報告書では、データの品質保証に係わる事項・内容について整理した。その結果、地下水地球化学に関するモデル化を行う上では、以下の点に留意することが必要であると考えた。・どの様にして地下水試料がサンプリングされたか(試錐孔掘削中にサンプリングされた地下水か、水理試験の間にサンプリングされた地下水か、原位置での測定値か、試錐孔からポンプで汲み上げられた地下水か、原位置での圧力状態を保ったままサンプリングされた地下水か)。・掘削水の影響等を受けていない地下水試料をどの様にしてサンプリングしたのか。また、その手法に伴う地下水試料への影響(誤差)は、どの程度なのか。・地下水サンプリングの間に脱ガスの影響を受けていないか。もし脱ガスの影響を受けているならば、もとの状態の(正確な)地下水組成を推定するため、地球化学モデルによる補正がなされているか。・地下水の酸化還元状態の非平衡の度合いを把握するため、キーとなるサンプルに対して、異なる手法(例えば、電極によるEhの測定や酸化還元反応に鋭敏な化学種濃度の測定等)による酸化還元状態の調査が行われているか。・地下水試料の濾過方法はどの様にして行われたか。また、室内での水質分析のために、地下水試料をどの様に保存していたか。・低濃度である溶存アルミニウム(通常、0.2mg/L未満)の測定にあたり、精度良く、再現性のあるデータを得るため、地下水試料の濾過(0.1m)や化学分析について、十分信頼できる方法が採用されているか。・地下水試料の化学分析における誤差や検出限界はどの程度なのか。また、測定値に誤りが無いかどうかを確かめるため、電荷バランスのチェックや全溶解成分に関する測定値と計算値の比較等を行っているか。・キーとなる地下水試料が採取された場所での岩石試料に対して、詳細な鉱物学的分析が行われているか。

緩衝材のアルカリ変質評価研究における天然事例の適用; カリフォルニア州Searles Lakeの事例,2; 地球化学・物質移動連成モデル

小田 治恵; Savage, D.*; Benbow, S.*; Watson, C.*; 高瀬 博康*

no journal, , 

カリフォルニア州Searles Lakeにおける湖沼堆積物の変質現象を対象として、地球化学・物質移動連成モデル解析と、コアデータとの比較を行った。天然事例から、粘土鉱物のアルカリ変質における速度論的地球化学反応と物質移動の連成プロセスに対して、地下水組成と移流が重要因子であることを示すことができた。

Alteration scenario for bentonite under hyperalkaline conditions with regard to mineral paragenetic uncertainty

小田 治恵; 佐々木 良一; Arthur, R. C,*; Savage, D.*; 本田 明

no journal, , 

TRU廃棄物処分では大量にセメント系材料を用いることから、緩衝材とセメント反応水との反応により緩衝材の化学的・鉱物学的変化が生じ、その結果として緩衝材の物質移動特性が変化する可能性がある。このような緩衝材の化学的・鉱物学的変遷過程には不確実性があり、変遷経路を一つに定めて化学的・鉱物学的変化や特性変化を議論することは難しい。しかしながら、生起し得る複数の変遷経路を緩衝材の鉱物学的長期変遷シナリオとして抽出し、この複数のシナリオに基づいた物質移動・化学反応解析を実施することによって、緩衝材の鉱物学的変化と特性変化の幅を評価することが可能である。そこで、既往の知見に基づき、セメント反応水の影響を受けた緩衝材の鉱物学的長期変遷シナリオを作成した。

Using natural systems data to test models of transformation of montmorillonite

Savage, D.*; Wilson, J.*; Benbow, S.*; 笹本 広; 小田 治恵; Walker, C.*; 川間 大介*; 舘 幸男

no journal, , 

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、緩衝材の主成分であるモンモリロナイトが長期にわたり変化(変質)しなければ、性能評価で緩衝材に期待される機能は長期にわたり維持されうる。モンモリロナイトの非膨潤鉱物への変化については、これまでに半経験的速度論モデルによる評価がなされている。一方、このような評価方法は、ニアフィールドで生じる化学反応と物質移行の連成現象をモデルにより評価する方法とはアプローチが異なる。本研究では、モンモリロナイトのイライト化への変化を例に、海洋掘削プログラム(ODP Site1174)で得られた岩石コアを対象とし、上述した2つのモデルによる評価の比較を試みた。既往の研究により、半経験的速度論モデルでは、深度の増加に伴い、徐々にイライト化が進行する傾向がモデル化されており、岩石コアで認められた天然のデータ(イライト化率)とも整合的であった。一方、化学反応と物質移行の連成モデルによる評価では、より速くイライト化が進展するような結果が得られ、この要因として、緩衝材中にモンモリロナイトと共存する非晶質シリカが石英に変化することで間隙水中のシリカ濃度が低下し、イライト化を加速させる可能性が示唆された。今後は、イライト化への変化(変質)機構に関わるモデルの見直しを図ると共に、これら2つのモデルによる評価の違いの要因について、さらに考察を深める予定である。