ベントナイトの構造と特性の劣化に対する鉄の腐食生成物の影響

npj 材料劣化編 7 巻、記事番号: 66 (2023) この記事を引用

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ベントナイトは、高レベル放射性廃棄物 (HLW) 地層処分の多重バリアシステムにおける地下水と核種の移動を防ぐエンジニアリングバリアの重要な材料です。 ただし、鋼製廃棄容器の鉄腐食生成物の作用によりバリア性が低下します。 この論文では、ベントナイトの構造と特性の劣化に対する鉄腐食生成物の影響を、HLW 地層処分の模擬環境で調査しました。 結果は、鉄粉から溶解したFe2+/Fe3+がモンモリロナイト(Mt)中間層に入り込み、Na+の一部を置換する可能性があり、それがMtの体積と層間間隔の減少を引き起こし、Mtの構造的完全性が破壊されたことを示した。 肉眼的にはベントナイトの吸水性と膨潤性が著しく低下した。 Mt 構造の劣化メカニズムは主に、鉄の腐食によって生成された Fe2+/Fe3+ が層間電荷不足を補うために Mt の層間ドメインに侵入することでした。

深部地層処分は、高レベル放射性廃棄物（HLW）を処理する唯一の実行可能な計画としてほとんどの国で一般に受け入れられており、主にHLWを生活環境から永久に隔離するための多重バリアシステムが採用されています1、2、3。 マルチバリアシステムでは、鉄ベースの容器と緩衝材/埋め戻し材が核種の漏洩を防ぐための重要な工学材料です4。 中でも、鉄系コンテナの耐食性は、処分場システムの安定性と耐久性を満たすための核となる要素である5。 周囲の岩石と金属容器の間に充填される緩衝/埋め戻し材には、適切な機械的特性と緩衝能力が必要です6,7。 その主な機能は、金属容器にかかる周囲の岩石の圧力を軽減することです。 コンテナが腐食穿孔により破損した場合、周囲環境への放射性核種の移動を効果的に阻止することもできます8。 したがって、HLW の深部地層処分では、緩衝/埋め戻し材料システムは、工学的障壁、水理障壁、化学的障壁、および放射性廃棄物の崩壊による熱の伝導と放散において重要な役割を果たしており、放射性廃棄物の崩壊による熱の効果的な保証となります。 HLW の地層処分場の長期的な安全性と安定性 9,10。 しかし、廃棄に伴う不安定化と劣化の脅威に直面し、核種の漏洩を加速させ、国際的な公衆衛生と生態環境に多大な損害をもたらす可能性がある。

ベントナイトは、水の伝導率が極めて低く、核種の吸着特性が優れているため、HLW の地層処分場の緩衝材として多くの国で選ばれています11。 モンモリロナイト (Mt) は、ベントナイトが水または溶液を吸収すると膨張する主な鉱物成分です12。 Mt の結晶構造は単斜晶系に属し、各単位層は 1 枚の Al-O 八面体シートと 2 枚の Si-O 四面体シートから構成されます。 Mt ラメラ層の表面は、八面体シートの Al3+ に対する Mg2+/Fe2+ および/または四面体シートの Si4+ に対する Al3+ の同型置換により負に帯電し、負電荷は Na+、K+、 Ca2+ または Mg2+12,13。 これらの層間カチオンは一般に水和し交換可能であるため、ベントナイトは強力な水膨潤能力、カチオン吸着能力、およびカチオン交換能力 (CEC) を備えています14,15。 地下水には通常、K+、Ca2+、Na+などの陽イオンが含まれており、これらは山の構造や緩衝性能に重要な影響を及ぼします。エグロフシュタインは、塩溶液中のCa2+がベントナイト中のMt層間層のNa+を簡単に置換し、層間距離を減少させ、層間距離を減少させると報告しました。 Mt16の膨張能力。 カーンランドら。 は、Mt が高い pH 値 (pH 12) の下で溶解し、非膨潤ミネラルを生成する可能性があることを発見しました 17、18、19。 さらに、ベントナイトの多孔性と透過性は増加しましたが、緩衝バリア性能は減少しました20。 溶液中のこれらのカチオンの濃度が高すぎると、電気的中和作用によりベントナイトコロイド粒子のマイナス電荷が減少し、相互反発力が低下し、ベントナイトコロイド粒子の凝集・沈降が起こる21。 この効果は、イオン強度の増加に伴う電気二重層の厚さの減少に単純に対応しており、Mt の構造と特性に対するイオン強度の影響はさらなる研究に値します。 一方、ベントナイトのカチオン吸着能力も大幅に低下します。 さらに、Mt 中間層の崩壊により、陽イオン交換がさらに妨げられる可能性があります。