2014 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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| 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) |
桐島 陽 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (00400424)
三村 均 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10091753)
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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| Outline of Annual Research Achievements |
検討項目(1) カルシウムシリケート水和物の合成と収着実験：昨年度に引き続き、乾燥過程を経ずに液固比20以下（窒素雰囲気、温度298 K）において陰イオン核種であるヨウ素とCSHとの相互作用を追跡した。その結果、1)塩水系地下水を模擬するNaCl 0.6 Mの溶液においても、ヨウ素は、液固比が小さくなるにつれてCSHに固定化されること、2)その挙動に及ぼすCa/Siモル比（0.4から1.6の範囲）の影響およびハイドロタルサイト共存の影響は僅かであること、3)ヨウ素の初期濃度0.5 mMから50 mMの範囲においてヨウ素の収着分配係数Kdは1 L/kgを維持する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：ラマンスペクトルからCSHにおけるシリカ四面体のシロキサン結合は、ヨウ素の初期濃度が大きくなるほど解重合することが明らかになった。この結果と上述(1)3)のKdの傾向は、CSHがヨウ素との共存により冠水環境において構造を変化させ、収着サイトを増加させることを示唆する。また、ヨウ素をCSH養生後に投入する場合もヨウ素はCSHに収着され、その安定化に少なくとも2週間以上を要すること、イオンクロマトグラフおよびこれまでのX線吸収端近傍構造解析の結果より、ヨウ素は溶液中およびCSH内において共にヨウ化物イオンであることが確認された。
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：ヨウ素イオンが吸着したCSHの溶解実験を行い、その安定性を検討したところ、通常の地下水のpHである8程度では、CSHは直ちに分解することを確認した。このことは、処分システムの性能評価においてCSHによるヨウ素の遅延効果が、処分場周辺の長期にわたる高pH領域の時間的、空間的な分布によって支配されることを意味する。
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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
従来の検討より、TRU廃棄物の処分場近傍では1万年後もpH>10が維持される。このことを踏まえ、これまでの得られた成果を統合すると次のようになる。すなわち、CSHは長期にわたり処分場近傍において安定であり、ヨウ素の移行を遅延させる効果を持つ。その効果はCa/Siモル比が少なくとも0.4まで低下（劣化）した後も維持され、今年度得られたKdの値から遅延係数を求めると間隙率を10%と大きく見積もっても地下水の流動速度に比較して1/20以下となる。なお、地下水流動のような比較的緩慢な流れにおいてCSHは流路表面に滞留することが昨年度確認されている。さらに、CSH形成後にヨウ素を投入しても、ヨウ化物イオンはCSHに固定化された。すなわち、核種の漏えいとCSHの形成時期が異なる場合でもCSHの遅延効果が維持される。本研究で得られたこれらの知見は、処分システムを建設する際にセメントの成分比をサイトの状況に併せて柔軟に設定しても、埋め戻し後、セメント系材料の力学的な安定性を必要としない時期において、セメント系材料の成分がバリア性能を持つことを意味し、骨材の混在材としてのハイドロタルサイトに関する知見と併せ、予想以上の成果と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画の変更はなく、陰イオン核種としてヨウ素に着目し，ヨウ化物イオンに加え、次年度以降は、オキソ酸イオンであるヨウ素酸イオンを用いて、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。また、昨年度まで液固比の設定には液相の量を固定して、固相の量を変化させていたが、固相の量を固定して、液相の量を変化させ、冠水環境における水和物(CSH)の形成と核種収着挙動に及ぼす液固比の影響を調査する。さらに、淡水系と塩水系地下水との違い、CaとSiとのモル比に加え、ヨウ素の初期濃度および温度を実験パラメータとする。
また、CSHの構造解析および核種の結合状態を定量化するために，ラマンスペクトルの測定を継続する。本研究では生成するCSHの構造が、オキソ酸イオンを含む陰イオン性核種の存在によりどのように変化するかを、陽イオン性の核種との比較からも考察する。加えて，溶液中の核種濃度の時間変化から，CSHの合成、養生後に核種を吸着させる試料がどの程度の時間が経過すれば、CSHの合成時に核種も投入して養生する試料の状態になり得るのかを引き続き追跡する。さらに、これらの知見を処分システム性能評価への適用するために、流動場を伴う反応系を作成し、デジタルマイクロスコープによりCSH形成およびその滞留を確認する。
以上の結果を核種収着モデル（数学モデル）に反映させることにより処分システム性能評価へ核種閉じ込め効果を導入する。また、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。特に、冠水環境におけるCSHの水和水と自由水との流動場における区別について整理する。さらにH28年度（最終年度）では、実験検討を継続すると共に、陰イオン性核種の閉じ込め性に最適なCSHのCa/Si比の範囲および吸着材の種類や混和率をも提案し、成果の取りまとめを行う。
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Research Products
(6 results)
