2013 Fiscal Year Annual Research Report
自己修復機能を冠水地下環境において発現する核種閉じ込めセメントバリアの開発
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25249136
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Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
新堀 雄一 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90180562)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三村 均 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10091753)
桐島 陽 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (00400424)
千田 太詩 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30415880)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 放射性廃棄物 / 処分システム / 原子力エネルギー / セメント系材料 / 核種閉じ込め |
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| Research Abstract |
・検討項目(1) カルシウムシリケート水和物(以下CSH)の合成と収着実験
陰イオン核種としてヨウ素に着目し，乾燥過程を経ずに液固比20以下においてヨウ化物イオンとCSHとの相互作用を追跡した。また，骨材としてハイドロタルサイトをCSHに混合した場合も検討した。合成した試料は、a)CSHを合成後に核種を吸着させる試料(表面収着試料)。b)CSHの合成時にあらかじめハイドタルサイトを加え，養生後に核種を添加する試料（表面収着混合試料）。c)CSHの合成時にハイドロタルサイトおよび核種を投入し，養生する試料（共沈試料）である。なお，実験は室温，窒素雰囲気下において行った。その結果，液固比の低いCSHほどヨウ素を収着することが何れの試料においても確認された。また，ハイドロタルサイトとCSHとの共存による収着の阻害効果はないことが明らかになった。
・検討項目(2) CSHの構造変化および収着イオンの化学種の同定
CSHの構造に及ぼす陰イオン性核種やハイドロタルサイトの混入の影響をラマンスペクトルにより評価した。その結果，ケイ素四面体の重合度は養生時間に左右され，ヨウ素の収着による構造の変化およびハイドロタルサイトの共存によるCSHの構造変化は小さく，CSHが安定に存在していることが明らかになった。また，表面収着試料へのヨウ化物イオンの収着挙動は時間と伴に共沈試料のそれに近づいた。さらに，エネルギー分散型2次元元素マッピングによる固相表面の同定より，CaおよびSiが何れのCa/Si比の試料においても安定に存在することを確認した。
・検討項目(3) 核種の収着した状態におけるCSHの安定性の評価および処分システム性能評価への適用手法の確立
上述(1)および(2)による知見をセメントバリアの最適化に活用するために，CSHによるヨウ素の希釈効果を考慮した核種遅延効果モデルを作成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
CSHの形成とその核種との相互作用については、Ca/Si比の劣化を考慮した検討をも行い、その相互作用を明らかにしつつある。したがって、次の関心事は、地下流路において、CSH自体が下流に流されることなく、留まることができるか否かになる。そこで、本研究では、流動系において、CSHの析出効果について予備的な実験を行った。その結果、黒雲母、斜長石などの珪酸塩鉱物に安定してCSHが形成され、地下水流速のような比較的緩慢な流れでは、CSHが系外に流出することがない、あるいは検出限界以下であることを確認した。このことは、本年度に得られたヨウ化物イオンとCSHあるいはハイドロタルサイトとの相互作用が、地下の流動系においても核種遅延に大きく寄与することを意味する。また、上述したように、ハイドロタルサイトをセメントの骨材としてCSHに混合しても、ハイドロタルサイトとCSHは独立して、ヨウ化物イオンのような陰イオン核種の閉じ込め効果を示した。加えて、地下環境のように液固比が小さい場合、室内実験系において行われてきた液固比の大きい場合に比較して、ヨウ化物イオンの収着効果が大きいことを確認した。これらはいずれも、セメント系材料が、地圏環境においてひとつのバリアとして核種閉じ込めに大きく貢献することを意味する。すなわち、現在、放射性廃棄物の処分システムの止水などに検討されるポルトラントセメントは、埋設完了後にカルシウムイオンが溶脱しても、陰イオン核種の遅延効果として機能する。これらの総合的な知見が得られたことは当初予定より本研究が進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画の変更はなく，平成26年度および27年度は，昨年度に引き続き，乾燥過程を経ずに液固比20以下においてヨウ素とCSHとの相互作用を追跡する。その際，淡水系と塩水系地下水との違い，CaとSiとのモル比，液固比に加え，新たにヨウ素の濃度および環境温度を実験パラメータとする。また，骨材としてハイドロタルサイトの添加を引き続き検討する。ヨウ素のイオン形態は高pH環境ではヨウ化物イオンやヨウ素酸イオンがあり，これらの違いを考慮するために，イオンクロマトグラフを利用する。加えて，X線吸収端近傍構造解析(XANES)を用いてCSH内に固定された化学種の同定を行い、昨年度から進めているラマン分光法によるCSHの構造解析と合わせて、CSH内における陰イオン性核種の状態を評価する。また，溶液中の核種濃度の時間変化から，表面からの収着から共沈状態になる過程を追跡する。さらに，実験終了時ではエネルギー分散型2次元元素マッピングによる固相表面の同定等により，総合的に収着の動的挙動を解析する。
一方，核種の収着した状態におけるCSHの安定性の評価および処分システム性能評価への適用手法の確立するために、得られた実験データを基にして，収着機構の時間変化を表すモデルを構築する。また，ヨウ素イオンが吸着したCSHおよびハイドロタルサイトの安定性を把握するために溶解実験を行う。
平成28年度は，本研究の最終年度として得られた実験結果を統合化することにより，CSHへの核種の取り込み機構を整理し，これまで未知であった自由水存在下におけるCSHの自己修復機能についての学術基盤の構築を行う。また，陰イオン性核種の閉じ込め性に最適なCSHのCa/Si比および吸着材の種類･混合率を提案する。そこでは高・低レベル放射性廃棄物の各処分場への本バリア材の適用方法を検討する。これらにより最終取りまとめを行う。
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