| 研究課題/領域番号 |
21H04664
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
新堀 雄一 東北大学, 工学研究科, 教授 (90180562)
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| 研究分担者 |
千田 太詩 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30415880)
渡邉 則昭 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (60466539)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| キーワード | 放射性廃棄物 / 処分システム / セメント系バリア / 核種移行抑制 / 自己修復機能 |
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| 研究実績の概要 |
当該年度では申請に従い検討課題(1)から(3)を行った。
検討課題(1)地下温度および共存塩類を考慮したCSHによる核種閉じ込め機能の速度論:本研究では、塩水系地下水を念頭にNa濃度を0.6 Mまでの範囲でCs、Ba, EuおよびIのCSHへの収着挙動を追跡した。その結果、反応期間を7日、14日、30日としても収着挙動に大きな変化はないものの、ヨウ化物イオンについては反応期間に従って収着が進む傾向を示した。また、Ca/Siモル比が高い場合(1.2や1.6)において温度の上昇に伴い（25℃～60℃の範囲において）CsのCSHへの吸着率が明らかに上昇した。これは、ラマンスペクトルの結果から、温度上昇に伴うCSHの重合によるCaの一部溶出に起因することが示唆された。なお、EuとCSHとの相互作用は、蛍光スペクトルおよび寿命から確認した。
検討課題(2)セメント系バリア(CSH)の地下水流動場内生成のダイナミクス:本研究では、地下水環境を模擬した流動実験により、花崗岩表面のCSHへの形成からケイ酸の溶解速度定数を算定したところ、花崗岩ブロックを用いた回分式から得られた値に比較して2桁ほど大きな値が算出された。これは、流路でのCSHの形成が局所的であることを意味する。また、形成されるCSH内へのCaの拡散速度と花崗岩からのSiの溶解速度との比較より、CSHの形成の律速は後者であり、CSHと花崗岩との接触面からCSHが成長していくことが明らかになった。
検討課題(3)最適なセメント成分および細骨材の組み合わせ:CSHとIとの相互作用は陽イオンに比較しては弱いことから、陰イオンとの相互作用が期待されるハイドロタルサイト(HT)等を細骨材として混入することも想定している。天然に見られるHTは炭酸型になっており、熱より炭酸成分を溶脱させないと陰イオンは収着しない。そこで、本年度は熱分解後の水和過程をXRDおよびラマンスペクトルに加えて示差熱分析からも調べ、HTの構造が復元することを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
検討課題(1)では、前述のように60℃においてCSHの重合が進むことがラマンスペクトルから定量化でき、そのことがCsとの収着に影響を及ぼすことが示唆された。このことは、CSHのCa/Siモル比が小さいとCSHの重合が進み、Csの収着が増加することに調和的であり、温度上昇に伴うCSHにおける一部Caイオンの溶脱がCsの収着を上昇させることを意味する。すなわち、地下深部での温度上昇を考慮してもCSHとCsとの相互作用を期待することができる。
検討課題(2)では、流動に伴うCSHの形成と間隙幅の減少、さらに透水性の減少との関係に関する数学モデルにより定量的に関連付けることができたことも大きな進捗と言える。そこでは、流量一定の条件を考慮し、CSHの形成に伴う圧力上昇を踏まえたCSHの系外への押し出しを考慮している。加えて、これまでの知見からSiの溶出速度を律速段階とし、CaイオンのCSH形成による消費を考慮している。このモデルにより、従来行ってきた透水性の変化からSiの溶解速度を評価するのではなく、流動内において消費されるCaイオンを実験的に求め、より直接的にSiの溶出速度を評価することが可能になった。
以上の成果は予想を超えるもので、大きな進捗と考える
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、前述の検討課題(1)～(3)により、検討課題(4)最終取りまとめを行う。
検討課題(1):本研究ではCSHの構造と核種との相互作用の反応速度に及ぼす共存塩類の影響を明らかにする。次年度では、昨年度の知見を基盤としてセシウム(Cs)とユウロピウム(Eu)の双方が共存する系におけるAl含有CSHへの各元素の収着挙動とともに、EuとCSHとの相互作用に及ぼす温度およびホウ素の影響に着目する。なお、ホウ素はセメント固化過程に影響を及ぼすことが指摘されており、乾燥過程を経ない系において、各種の陽イオンとCSHとの相互作用に及ぼすホウ素等の影響を明らかにし、許容できるホウ素濃度に関する知見を深める。そして、次々度では、昨年度2価の陽イオンとしてBa（Cs-135, Cs-137の何れもBaに崩壊する）を用いてきたが、これまでの検討の結果、Baが存在してもCsの収着挙動に大きな影響を与えないことが明らかになったことから、2価の陽イオンとしてSrに注目する予定である。Sr-90はCs-137やCs-135と並び重要な核種の一つである。
検討課題(2):これまでCSHが特に塩水系地下水の流動場でどのように逐次的に生成するかは未だ明らかにされていない。そこで、R4年度では、セメントに起因して高pHになったCaイオンを含む塩水系地下水を花崗岩と接する模擬亀裂に流し、CSHとの形成を追跡する。そこでは、CSHが形成過程を流出する溶液中のCaやSi等の濃度分析を逐次行い、R3年度に開発した数学モデルにより塩水系における亀裂内のCSHの形成挙動を定量化していく。
検討課題(3):本研究では、陰イオンとの相互作用が期待されるハイドロタルサイトを細骨材として混入することを想定し、塩水系地下水を想定した塩素イオンとの共存系における収着分配係数を得る予定である。
検討課題(4):以上の検討を踏まえ、課題の結果を整理し、セメント系バリアの有用性とその課題について最終成果をまとめていく。
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