Evolution of the reaction and alteration of mudstone with ordinary Portland cement leachates; Sequential flow experiments and reactive-transport modelling

Bateman, K.; 村山 翔太*; 花町 優次*; Wilson, J.*; 瀬田 孝将*; 天野 由記; 久保田 満*; 大内 祐司*; 舘 幸男

Minerals (Internet), 11(9), p.1026_1 - 1026_23, 2021/09

https://doi.org/10.3390/min11091026

The construction of a repository for geological disposal of radioactive waste will include the use of cement-based materials. Following closure, groundwater will saturate the repository and the extensive use of cement will result in the development of a highly alkaline porewater, pH 12.5. This fluid will migrate into and react with the host rock. The chemistry of the fluid will evolve over time, initially high [Na] and [K], evolving to a Ca-rich fluid and finally returning to the groundwater composition. This evolving chemistry will affect the long-term performance of the repository altering the physical and chemical properties, including radionuclide behaviour. Understanding these changes forms the basis for predicting the long-term evolution of the repository. This study focused on the determination of the nature and extent of the chemical reaction; the formation and persistence of secondary mineral phases within an argillaceous mudstone, comparing both data from sequential flow experiments with the results of reactive transport modeling. The reaction of the mudstone with the cement leachates resulted in small changes in pH but the precipitation of calcium aluminium silicate hydrate (C-A-S-H) phases of varying compositions. With the change to the groundwater secondary C-(A-)S-H phases re-dissolved being replaced by secondary carbonates. This general sequence was successfully simulated by the reactive transport model simulations.

Optimization for SEU/SET immunity on 0.15 m fully depleted CMOS/SOI digital logic devices

槇原 亜紀子*; 浅井 弘彰*; 土屋 義久*; 天野 幸男*; 緑川 正彦*; 新藤 浩之*; 久保山 智司*; 小野田 忍; 平尾 敏雄; 中嶋 康人*; et al.

Proceedings of 7th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application (RASEDA-7), p.95 - 98, 2006/10

RHBD(Radiation Hardness by Design)技術を用いてSEU(Single Event Upset)/SET(Single Event Transient)対策ロジックセルを、沖電気の完全空乏型0.15m CMOS/SOI民生プロセスを用いて設計し、製造したサンプルデバイスの放射線評価を実施した。SETフリーインバータと呼ばれるSET対策付きインバータ構造を有するロジックセルは、非常に優れたSET耐性を示すが、面積・動作スピード・消費電力のペナルティも大きいため、本研究では、最低限の耐性を維持しつつペナルティを低減するための設計の最適化をMixedモードのTCAD(Technology Computer Aided Design)シミュレータを用いて行った。その結果、LET(Linear Energy Transfar)が64MeV/(mg/cm)までは、本研究により最適化されたロジックセルが宇宙用として有用であることを示した。

遠隔操作式高分解能走査型電子顕微鏡の開発

安田 良; 西野 泰治; 三田 尚亮; 仲田 祐仁; 原田 克也; 野沢 幸男; 天野 英俊

JAERI-Tech 2002-081, 34 Pages, 2002/10

JAERI-Tech-2002-081.pdf:11.76MB

発電コストの効率化及び廃棄物の低減を目的として軽水炉燃料の高燃焼度化が計画されているが、高燃焼度化に伴う燃料挙動の変化に関する情報が、燃料の安全評価上必要とされている。燃料を高燃焼度化した場合、燃料ペレット及びジルカロイ被覆管にリム組織,水素化物などさまざまな微細組織が形成され、燃料の燃焼挙動に影響を及ぼすことが懸念されている。これらの微細組織の形成機構を検討するために、燃料・材料の表面微細組織の形状,寸法及び組成に関する知見が重要となる。日本原子力研究所ホット試験室では、微細組織の観察に有効である高分解能走査型電子顕微鏡を燃料試験施設に開発・整備した。本装置は、高放射性物質を試料として使用するため、遠隔操作式であり、遮へい能力,耐震性及び負圧維持を十分に担保した遮へい体並びにマニプレータ等の付属機器を設置し、安全性及び操作性を考慮した構造とした。また、組成分析するために可変型コリメータなどを組み込んだ高放射性試料対応エネルギー分散型検出器(EDS)を設置した。ジルカロイ水素吸収管及び酸化膜形成管を用いた特性試験を行った結果、高倍率10,000~30,000倍でも鮮明な撮影が可能であり、所期性能が維持されていることを確認した。

Production and verification of the MCNP cross section library FSXLIB-J3R2 based on JENDL-3.2

小迫 和明*; 山野 直樹*; 前川 藤夫; 大山 幸夫

Proc., 1996 Topical Meeting on Radiation Protection and Shielding, 1, p.1088 - 1095, 1996/00

JENDL-3.2に基づくMCNP用連続エネルギー断面積ライブラリFSXLIB-J3R2を、修正を加えた断面積処理コードNJOYを使って作成した。FSXLIB-J3R2ライブラリはJENDL-3.2に与えられている全340核種の断面積を300Kの温度で処理したデータが収納されている。本ライブラリの妥当性を示すために元のJENDL-3.2のデータとの比較、及びいくつかのベンチマーク実験の解析を行った結果、その妥当性が実証された。

完全空乏型0.15m CMOS/SOIプロセスデバイスへの放射線対策の最適化

槇原 亜紀子*; 浅井 弘彰*; 土屋 義久*; 天野 幸男*; 緑川 正彦*; 新藤 浩之*; 久保山 智司*; 小野田 忍; 平尾 敏雄; 中嶋 康人*; et al.

no journal, , 

RHBD(Radiation Hardness by Design)技術を用いてSEU(Single Event Upset)/SET(Single Event Transient)対策ロジックセルを、沖電気の完全空乏型0.15mCMOS/SOI民生プロセスを用いて設計し、製造したサンプルデバイスの放射線評価を実施した。SETフリーインバータと呼ばれるSET対策付きインバータ構造を有するロジックセルは、非常に優れたSET耐性を示すが、面積・動作スピード・消費電力のペナルティも大きいため、本研究では、最低限の耐性を維持しつつペナルティを低減するための設計の最適化を行った。その結果、論理セルのみにRHBD手法を用いることで十分な放射線耐性を維持できることを明らかにした。

Study of complex magnetic structures in frustrated magnets by means of polarized neutrons

加倉井 和久; 脇本 秀一; 松田 雅昌*; 石渡 晋太郎*; 奥山 大輔*; 田口 康二郎*; 十倉 好紀*; 西 正和*; 中島 多朗*; 満田 節生*; et al.

no journal, , 

In studying modern functional materials, one is often confronted with complex spin configurations, for example, non-collinear, incommensurate magnetic structure such as helimagnetic structure as a result of frustrated magnetic interactions. Since the giant functional responses in these materials are direct consequences of these complicated magnetic structures, the detailed knowledge of the structure is mandatory to understand the essence of the magnetic functional materials. In this presentation some recent results on complex magnetic materials such as frustrated and multiferroic systems are reported, where the polarized neutron investigations provided important insight into the complex behavior of these functional materials.

Use of natural analogues to develop and test models of radionuclide release and transport in uplift / erosion scenarios

Klein, L.*; Hardie, S.*; McKinley, I.*; 舘 幸男; 柴田 雅博; 天野 由記; 高瀬 博康*

no journal, , 

地層処分の安全評価において、隆起・侵食は重要な変動シナリオとして考慮され、日本の地質環境の場合、隆起の影響は起こりうる処分場の状態変遷の一部として考慮する必要がある。最初の検討として、主要核種の溶解度や収着の変化を考慮して、単純な隆起・侵食シナリオが評価された。ここで重要な課題となるのは、岩盤力学, 水理地質学, 生物地球化学的な変化が、人工バリアと岩盤中の放射性核種の移行に及ぼす影響を定量評価するためのモデルと関連データベースを開発することである。これらのプロセスの調査検討において、室内実験には大きな不確実性を伴うため、ナチュラルアナログが重要な役割を果たす。本報告では、安全評価上考慮すべき主要なプロセスと可能性のあるアナログ研究について、既存の知見の活用と新たなプロジェクトの可能性の両方の観点から抽出と議論を行う。

北海道幌延地域に分布する深部地下水を用いたコロイドの元素収着特性評価

遠藤 貴志; 天野 由記; 根本 一昭; 伊藤 剛志; 舘 幸男

no journal, , 

地下環境における微生物コロイドの核種移行影響評価技術開発を目的として、北海道幌延町において地下水を採取し、地下水中の全コロイドおよび微生物コロイド密度に関するデータを取得した。また、嫌気的条件下にて希土類元素の収着試験を行い、全コロイドに対する元素の収着特性を評価するとともに、微生物と元素の相互作用について考察した。

In situ interactions of concretes with mudstones from Horonobe URL

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.

Evolution of the reaction and alteration of mudstone with cement leachate; Flow experiments and reactive-transport modelling

Bateman, K.; 天野 由記; 舘 幸男

no journal, , 

The use of cement for geological disposal repository will result in the development of a highly alkaline porewater, pH 12.5 in the case of Ordinary Portland cement (OPC). The fluid will migrate into and react with the host rock. The chemistry of the migrating fluid will evolve over time, initially being high in Na and K, evolving to a Ca rich fluid and finally returning to the groundwater composition. This evolving fluid chemistry will affect the long-term performance of the repository altering the physical and chemical properties of the host rock. This study focused on the alteration due to OPC-type leachates on mudstone from the Horonobe URL, Hokkaido, Japan, by coupling the sequential flow tests and the reactive transport modelling. The reaction of the mudstone with the successive OPC leachates demonstrated its chemical buffering capacity, leading to a reduction in pH, the dissolution of primary minerals with Ca and Si concentrations being controlled by C-S-H phase precipitation. However, when the fluid returns to the natural background groundwater composition the C-S-H phases re-dissolve, which would potentially release any sorbed radionuclides. The experimental data was used to validate a reactive transport model generating increased confidence in its predictive capabilities.