2011年度バックエンド週末基礎講座
実践講座 ２
平成23年10月30日
九州大学 伊都キャンパス

地層処分の安全評価に関する取り組みの現状と課題

日本原子力研究開発機構
柴田 雅博

本日の説明内容
 地層処分システムの安全性の提示方法（Safety Case と Safety Assessment）
 安全評価の方法論
 個別現象の理解とプロセスモデルの開発－ ガラスの溶解と核種浸出
ガ
溶解と核種浸出
溶解と核種
出 基盤となるデータの整備，品質保証
学デ－ 溶解度評価のための熱力学データベース－ 緩衝材・岩石への核種の収着・拡散
 地質環境調査や処分場の設計と連携した評価体系の開発
 まとめ
2

はじめに
地層処分システムの安全性をどのように示していくのか？
セーフティーケース （Safety Case）
A safety case is the synthesis of evidence, analyses and argumentsthat quantify and substantiate a claim that the repository will be safe
after closure and beyond the time when active control of the facility
can be relied on.
セーフティケースは，閉鎖された後の制度的な管理の維持が保証できないような時間枠においても，処分場が安全であり続けるとする主張を定量化し立証するための証拠 解析さらには論拠の統合体であるの証拠，解析さらには論拠の統合体である。
Post-Closure Safety Case for Geological Repositories: Nature and Purpose (NEA, 2004)……. The safety case includes the out put of safety assessments, together withadditional information, including supporting evidence and reasoning on therobustness and reliability of the facility, its design, the design logic, and the qualityof safety assessments and underlying assumptions. ……
IAEA Safety Requirements for Geological Disposal of Radioactive Waste, WS-R-4 (2008)3

セーフティーケースの構成要素
評価基盤（Assessment basis） （抜粋）
・安全評価を支える情報や解析ツールの集合体
安全評価を支える情報や解析ツ ルの集合体。
・処分システム全体の記述（地質環境，処分場），
システムの安全の評価に関する科学技術的なデ タや 解，評価方法， デ ， ン
データや理解，評価方法，モデル，コンピュータ
タ
コード，データベースを含む。
・安全評価の品質と信頼性は，評価基盤の品質と信頼性に依存する。品質と信頼性を支持するため 証拠や議論を含むめの証拠や議論を含む。
・システム構成要素の記述においては，安全機能，想定される進展と性能に関する記述，設計上の制限事項などが含まれるべき。
制限事項などが含まれるべき・科学技術的情報には，定量的な不確実性とその時間変化に関する情報が含まれるべき。
・評価手法 モデル データ等は・評価手法，モデル，デタ等は，明瞭かつ論理
明瞭かつ論理的に提示されなければならない。
・信頼性に関する議論には，除外するFEPの基準
関す 議論， 確実性り扱
為 実施に関する議論，不確実性の取り扱いの為に実施した感度解析結果の利用などが含まれるべき。
4

安全評価とは安全評価 （Safety Assessent）
Safety assessment is the process of systematicallyanalyzing the hazards associated with the facility and theability of the site and the design of the facility to provide forthe safety functions and to meet technical requirements
requirements.
Safety assessment includes quantification of the overalllevel of p
performance,, analysisyof the associateduncertainties, and comparison with the relevant design
requirements and safety standards.

IAEA Safety Requirements for Geological Disposal of Radioactive Waste
Waste, WS
WS-R-4R 4 (2008)5

地層処分による安全確保
 安定な地質環境に適切に工学的対策を施すことにより，長期にわたり地質環境が本来有する隔離性と地下水への多重の対策（多重バリアシステム）による安全確保 地層処分システムは処分後長期において放射性物質を閉じ込め，人間環境への影響は遠い将来において極めてわ
ずかしか見込まれないと考えられる
 閉じ込め（濃縮・保持）と希釈・分散のバランス• 人工バリアから天然バリアへの放射性物質の移行がないことを示すことはできない これまで経験したことのない長期の時間スケ ルに伴う不確実性を考
時間スケールに伴う不確実性を考慮した対策と評価が必要

緩衝材

ガラス固化体オーバーパック
⺟岩

安定な地質環境

隔離

人工バリアシステム

閉じ込め6

地層処分システムに期待する安全機能と影響要因（第２次取りまとめ）

第2次取りまとめ分冊3(ＪＮＣ TN1400 99-023)

7安全評価の一般的方法論

現象を詳細に記述する
メカニスティックモデル

評価のためのモデル（簡素化，保守性）

どのような現象理解に基づいて評価に用いるパラメータを設定するか

第2次取りまとめ分冊３(ＪＮＣ TN1400 99-023)に加筆

8

システム
長期挙動の理解

シナリオ構築

モデル化

データ整備
デ
タ整備

解析・評価
評価の信頼性
安全基準
への適合性

9

実物大の人工バリア

原子力機構 地層処分基盤件施設（東海）

原子力環境整備・資金管理センター 地層処分実規模試験施設（幌延）http://www.rwmc.or.jp/institution/project/10

地層処分システムがどのように機能するか(システム長期挙動の理解)
(
長期挙動
解)
処分後 ０年
年

母岩
帯水層

緩衝材
（ベントナイト+（ベントナイト
+ケイ砂）
地下水流動

浸入

オーバーパック

地下水
流動
断層
破砕帯

ガラス固化体処分場

11

地層処分システムがどのように機能するか(システム長期挙動の理解)
(
長期挙動
解)
処分後 数十年

崩壊熱による影響（≦100℃）
帯水層

緩衝材は地下水で飽和

地下水
流動

地下水流動

断層
破砕帯

浸入
処分場

オーバーパックの段階的な腐食（酸素の消費）

12地層処分システムがどのように機能するか(システム長期挙動の理解)(シ
テ 長期挙動の理解)
処分後 数百年

温度低下
帯水層

地下水
流動

地下水流動

断層
破砕帯

処分場

オーバーパックの段階的な腐食（水の還元腐食）

13

地層処分システムがどのように機能するか(システム長期挙動の理解)
(
長期挙動
解)
処分後 数千年
人工バリアの運度は初期地温にほぼ戻る
帯水層

ガラス固化体の溶解
地下水流動

核種の緩衝材への移行

地下水
流動
断層
破砕帯

溶解 拡散
・沈殿 ・収着

処分場

オーバーパックに亀裂発生

14

地層処分システムがどのように機能するか(システム長期挙動の理解)
(
長期挙動
解)
処分後 数万年

帯水層

ガラス固化体の溶解
地下水流動

核種の天然バリアへの移行
マトリクス
拡散・収着

溶解 拡散
・沈殿 ・収着

地下水
流動
断層
破砕帯

移流・
分散

処分場

オーバーパックの腐食による膨張15

地層処分システムがどのように機能するか(システム長期挙動の理解)
(
長期挙動
解)
処分後 数十万年

岩盤亀裂への緩衝材侵入

核種の生物圏への移行
帯水層

沈殿核種
の溶解
地下水流動

核種の天然バリアへの移行
マトリクス
拡散・収着

溶解

拡散
・収着

地下水
流動
断層
破砕帯

移流・
分散

処分場

岩盤亀裂 の緩衝材侵入
岩盤亀裂への緩衝材侵入
オーバーパックの腐食による膨張
岩盤亀裂への緩衝材侵入

16

地層処分システムがどのように機能するか(システム長期挙動の理解)
(
長期挙動
解)
処分後 数百万年

岩盤亀裂への緩衝材侵入

核種の生物圏への移行
帯水層

沈殿核種
の溶解
核種の天然バリアへの移行

地下水流動

マトリクス
拡散・収着

溶解

拡散
・収着

移流・
分散

処分場

断層
破砕帯
地下水
流動

オーバーパックが全て腐食
岩盤亀裂への緩衝材侵入17

システムに期待する主な安全機能・半減期の10倍の期間で約1/1000

1000年

1万年

熱・放射線影響 ・地下水の遮断
廃棄体
オーバーパックの破損（処分後1000年）

ガラス
固化体

緩衝材

基盤岩

10万年

100万年

・オーバーパック
腐食生成物
成

閉じ込め
還元環境の維持・ガラス固化体の低溶解速度・溶解度

放射性物質の保持・拡散・収着・コロイドろ過
イドろ過

廃棄体の保持放射性物質の移行遅延

廃棄体の隔離放射性物質の移行遅延

・応力緩衝性

・地質環境の安定性

・小さい地下水流量・
流速・収着・マトリクス拡散
・希釈
希釈

地表環境
18

人工バリア中核種移行評価
で扱う主なプロセスと仮定 （第2次取りまとめ）
廃棄体

ガラス
固化体

緩衝材

掘削影響
領域

オーバーパックの腐食 破損の腐食・破損

ガラス固化体
の溶解

緩衝材中
核種移行

掘削影響領域での扱い

一律の破損時期（処分後1000年）
破損後のバリア機能喪失
還元環境の維持

長期溶解速度変質層形成による溶解速度 の影響は溶解速度への影響は保守的に省略初期熱衝撃割れによる表面積増加考慮
溶解による表面積の減少は省略

一次元拡散可逆瞬時平衡モデルによる収着分割溶解度コロイドろ過オーバーパック力学
的保持
化学的緩衝性
化学的緩衝性長期に安定ミキシングセルでモデル化
移行遅延無視
亀裂へのフラックス
均等分配

基盤岩

地表環境
での希釈

19

 地層処分システムの安全性の提示方法（Safety Case と Safety Assessment）
 安全評価の方法論
 個別現象の理解とプロセスモデルの開発－ ガラスの溶解と核種浸出
ガ
溶解と核種浸出 基盤となるデータの整備，品質保証－ 溶解度評価のための熱力学データベース
学デ－ 緩衝材・岩石への核種の収着・拡散
 地質環境調査や処分場の設計と連携した評価体系の開発
 まとめ
20

ガラス固化体の溶解・核種の浸出
ガラスの溶解・変質イメージ
H2O マトリクス溶解
H4SiO4
Na+, Cs+, RNｓ

水和変質
H3O+
Na+, Cs+, RNｓ
変質層の形成分子構造レベルでみたガラス網目構造中の廃棄物元素の存在状態（原環センターHPの図に加筆）

マトリクス溶解：SiO
トリク 溶解2 + 2H2O ⇔ H4SiO4
水和変質：≡Si-O-Na+ + H3O+ ⇔ ≡Si-O-H+ + Na+ + H2O

21

閉鎖系におけるガラスの溶解・変質

脱イオン水

初期溶解速度

浸浸出量

マトリクス溶解
＋
水和変質

水和変質

Na
Si

Siの飽和濃度

残存溶解速度ガラス粉末試料時間
マトリクス溶解：SiO2 + 2H2O ⇔ H4SiO4
水和変質：≡Si-O-Na+ + H3O+ ⇔ ≡Si-O-H+ + Na+ + H2O

22

ガラス固化体の溶解速度式
Rate [g/m2/d] = ro × [1-(Q/K)][1 (Q/K)] + rf

r0：初期溶解速度
Q：溶存ケイ酸濃度，K：溶存ケイ酸の飽和濃度
rf：溶存ケイ酸飽和後の残存溶解速度

第2次取りまとめレファレンスケースにおけるガラス固化体長期溶解速度の設定【考え方】
・ガラス周辺の溶存シリカ濃度は長期的には飽和する。
⇒長期のガラス浸出試験から得られる
溶解速度デ タに基づき設定
溶解速度データに基づき設定
・変質層形成による溶解速度低減の影
響は保守的に省略。
・温度依存性
温度依存性 を考慮（処分環境：60℃）を考慮（処分環境 60℃）
・調和溶解：ガラス中に存在する元素はすべて等しく間隙水中に放出 される。
・割れによるガラス表面積増加：10倍
ガラス固化体の核種保持性能：７万年（全て溶解するまでの期間）

保守的・簡略的ではあるが、現実的・合理的ではない。
→ 実際の処分環境を想定し，現象理
実際の処分環境を想定し 現象理解に基づいた，評価モデル構築が必要

23

より現実的な評価モデルの構築に向けてガラス固化体の溶解速度式

Rate [g/m2/d] = ro × 10 pH × exp(-Ea/RT) × [1-(Q/K)] + rf
初期溶解速度

pH依存性

温度依存性

化学親和力
r0：初期溶解速度【課題】
ガラス溶解／核種浸出メカニズムについて

残存溶解速度(長期溶解速度)：溶解のpH依存性係数pEa：活性化エネルギー [kJ/mol]
Q：溶存ケイ酸濃度，K：溶存ケイ酸の飽和濃度
rf：シリカ飽和後の残存溶解速度

・初期溶解速度の環境因子パラメータの精緻化
・残存溶解速度の現象理解，環境依存性評価
・溶解速度低下現象，変質層の寄与に関する現象理解
処分システムでの環境条件について・ケイ酸濃度を支配するメカニズムの理解
ケイ酸濃度を支配するメカニズムの理解（e.g. Siの腐食生成物，緩衝材中での吸着・拡散，二次鉱物の生成）
・ガラスの反応表面積24

Ｓｉの拡散を考慮した新たな評価モデルの提案
Vitrified waste
Buffer material
Vitrified waste

Overpack
Host rock

Buffer material

EDZ

Silicon release Diffusion & sorption
J1

Host rock

Silicon removal

Si

 C 
J1  Ak  1  1  Cs 

C Dp 1   C r t Rd r r  r K
Rd 1  d d
r1

J 2  QC2  Cb 
J2
r2

Si

EDZ: Excavation disturbed zone

ガラス溶解ガラス溶解
 一次反応速度則 緩衝材中でのSiの収着，拡散による移行を考慮
 EDZ領域での地下水との瞬時混合と母岩への移行を考慮
 ガラスの水和変質相による溶解抑制，オーバーパックとの相互作用は未考慮
 ガラス表面積：幾何学的表面積の10倍（第2次取りまとめに同じ）
核種の移行評価
 第2次取りまとめに同じ（Mitsui et. al. 2009 を基に作成）

25

異なる評価モデルによる結果の比較
第２次取りまとめ(H12)モデル vs Ｓｉ濃度考慮モデル

1.E+00Kd=0.02 m3/kg, Dp=10-9 m2/s, Q=10-3 m3/y

1.E-01
1.E-02
1.E-0366,000 y

H12RC

800,000 y

1 E-04
1.E
04
1.E-05

Lifetime

Non-steadyNon-steadystate
state phase
phase

Steady-state
Steady-state
phase
phase

Cs-135Cs
35 releasee ease rate
ate fromo tthee EBSS vs.
s ttimee
Release rate of Cs-13
35 [Bq/y]2
Glass disssolution ratte [g/m/d]

GlassG
ass dissolution
d sso ut o rate
ate vs.
s ttimee

1.E-061 E 00 1.E+01
1.E+001 E 01 1.E+02
1 E 02 1.E+03
1 E 03 1.E+04
1 E 04 1.E+05
1 E 05 1.E+06
1 E 06 1.E+07
1 E 07 1.E+08
1 E 08Elapsed time [years]

1.E+081.E+07

Kd=0.02 m3/kg, Dp=10-9 m2/s, Q=10-3 m3/y
Maximum release rate

1.E+06
1 E+05
1.E+05
1.E+04
1.E+03
1.E+02
1 E 01
1.E+01
1.E+00
1.E-01

H12RC
Non-steadyNon-steadystate
state phase
phase

Steady-state
Steady-state
phase
phase

1.E-02
1 E 00 1.E+01
1.E+001 E 01 1.E+02
1 E 02 1.E+03
1 E 03 1.E+04
1 E 04 1.E+05
1 E 05 1.E+06
1 E 06 1.E+07
1 E 07 1.E+08
1 E 08Elapsed time [years]（Mitsui et. al. 2009 ）ガラス溶解メカニズムと処分環境での物質移行の理解に基づいて，
溶解
ズ
処
境
物質移行
解に基づ
Siの濃度変化を考慮した新しい評価モデルを提案⇒ 背景となる現象理解と評価の考え方（評価に取り込んでいる現象と残る不確実性）の説明が重要
26

ガラス固化体表面積の取扱いの検討
第2次取りまとめでの取り扱い： 幾何学的表面積の10倍で幾何学的表面積の10倍で一定
定実規模模擬ガラス（冷却亀裂入り）の浸出試験結果を基に保守的に設定

ガラス溶解に対する亀裂の寄与を評価するモデルの開発
H12での取り扱いが妥当であることを確認
実規模の模擬ガラスの割れ（左）および亀裂内でのSiの移行や飽和を考慮する溶解モデル（右）亀裂開口部
ガラスブロック周辺長(W)

ガラス固化体の破壊・変形挙動を評価する
固化体 破壊 変形挙動 評価
モデルの開発オーバーパックの変形挙動の３次元解析手法の開発と解析結果の例示
ガラス固化体の破壊挙動の３次元解析手法の開発と腐食量毎の破片サイズの分
布等の評価

亀裂開口幅(b)

ガラス固化体の破壊・変形挙動の評価例
亀裂の深さ方向ガラスブロック周辺長(W)

亀裂面からのSiの溶解
ガラスブロック表面からのSiの溶解

腐食割合

亀裂開口部からのSiの拡散
オーバーパック

亀裂の深さ(L)亀裂開口幅(b)の1/2
亀裂開幅( ) /
仮想的なガラス幅(a)

割れにより表面積が100倍以上に増加した場合の溶解量増加の実験結果と解析結果の比較

腐食量50ｍｍ

腐食量75ｍｍ

腐食量100ｍｍ

腐食量150ｍｍ

腐食割合

オーバーパック

実験結果
解析結果

約1.5倍
腐食量150ｍｍ

約2倍
蛯名・牧野（2005）

オーバーパック腐食膨張に伴う変形解析

オーバーパック腐食膨張にガラスの割れ解析

27

 地層処分システムの安全性の提示方法（Safety Case と Safety Assessment）
 安全評価の方法論
 個別現象の理解とプロセスモデルの開発－ ガラスの溶解と核種浸出
ガ
溶解と核種浸出 基盤となるデータの整備，品質保証－ 溶解度評価のための熱力学データベース
学デ－ 緩衝材・岩石への核種の収着・拡散
 地質環境調査や処分場の設計と連携した評価体系の開発
 まとめ
28

溶解度評価のための熱力学データベース
溶解度による濃度支配ガラスからの放射性核種の浸出

地下水（緩衝材間隙水）成分
H+(pH), Na+, Ca2+, Cl-, CO32- …
全量移行

Cs（可溶性元素）

Cs+

U, Pu, Np ...（難溶性元素）
e.g. U(OH)(CO3)22-

濃度上限は溶解度に支配される
固相の析出
e.g. UO2(am)29溶解度の設定方法
・元素の液中の濃度上限値は，溶液条件に大きく依存する。
⇒ 実測値のみに基づく設定は現実的ではない⇒ 熱力学データに基づく計算による推定
熱力学デ タに基づく計算による推定処分環境に適用可能な信頼性の高い
熱力学データベース
設定対象となる地下水，緩衝材間隙
設定対象となる地下水
緩衝材間隙
水の条件（pH，Eh，化学組成）

溶解度制限固相に関する知見⇒ 溶解度制限固相の設定

地球化学計算コードによる計算（溶解度，溶存化学種）
計算値の評価，保守性の検討 等

性能評価で利用する
溶解度の設定30

熱力学データベース（TDB）の整備
信頼性 高 熱力学デ タ 重
信頼性の高い熱力学データの重要は国際的な共通認識
際的な共通認識⇒ OECD/NEA Thermochemical Database (TDB)
Project (http://www.nea.fr/html/dbtdb/welcome.html)
・個別元素毎に，国際的専門家からなる作業グループを設置
実験の報告論文をひとつひとつ丁寧にレビュ・実験の報告論文をひとつひとつ丁寧にレビュー
・品質保証基準を定め，科学的に正確な値の選定を実施
1984年開始，現在までに11の元素（U, Am, Tc, Np, Pu, Ni, Se, Zr, Th, (Fe, Sn)）と有機物に関するデータを整備

課題：
・必要となる元素が網羅されていない
・実験事実に基づく科学的正確性を重視しているため，存在が明らかな化学種に対しても実験事実に基づく科学的正確性を重視しているため 存在が明らかな化学種に対しても値が選ばれない場合がある （＝網羅性の観点からは問題アリ） 等⇒ 各国の研究機関が自国の性能評価用に独自にデ各国の研究機関が自国の性能評価用に独自にデータベースを整備
タベ スを整備JAEA
JNC-TDB （Yui et al. 1999） 第2次取りまとめに向けて整備
JAEA-TDB(2010) （Kitamura et al. 2010） 最新の研究成果の取り込み，品質の向上
31溶解度試験による熱力学データの取得
溶解度試験結果の例

未飽和法
固相

溶液中濃度
の分析

pH調整
H調整

過飽和法
溶液中濃度
の分析
分析
Rai et al. (1983)

固相の分析(e.g.XRD)へ

Am(OH)3(s) + 3H+ ⇆ Am3+ + 3H2O

Ks10

Am(OH)3(s) + 2H+ ⇆ AmOH2+ + 2H2O

Ks11

Am(OH)3(s) + H+ ⇆ Am(OH)2+ + H2O

Ks12

Am(OH)3(s) ⇆ Am(OH)3(aq)

Ks13

32

溶解度試験において留意すべき点
実験条件
• 雰囲気
– 酸化還元に鋭敏な元素もしくは環境では不活性ガス（アルゴンがベスト，もしくは窒素）雰囲気が必要•

pHの設定および調整– pH調整に適切な試薬の選定– 特に高イオン強度水溶液中における水素イオン濃度指数（–log[H+]；pHではない）の測定方法の選定

•
Mn+
Am-

MpAqr+/-

酸化還元電位の調整– 還元条件を維持するための適切な還元剤の選定（溶液条件に依存）– 目的化学種と還元剤が相互作用しないことの確認••

イオン強度調整剤の選定– 目的化学種と相互作用しないことの確認 （例えばClO4-系がよい）

貯蔵溶液の調製および初期条件の設定– 適切な酸化還元状態の維持の必要性– 多核種生成の制御が必要の必要性，等

MrAs(s)•

接触時間の設定– 過飽和および不飽和の両実験を行い平衡到達を確認

分析手法および化学種同定技術•固液分離法
固液分離法– 適切なフィルター孔径の選定（たとえば分画分子量104）•目的元素の固液間の分配を調べる手法– ICP-MS，放射能測定など•酸化還元状態や化学構造を解明するための同定技術– 溶媒抽出，各種分光測定など
33

JAEA熱力学データベース（TDB）の整備
・ OECD/NEAのガイドラインに基づいた熱力学デOECD/NEAのガイドラインに基づいた熱力学データ選定
タ選定
 実験データのレビュー
 見かけの平衡定数の導出とイオン強度0への外挿（ SIT法）
 誤差評価 温度補正等

・ OECD/NEAによるNi, Se, Zr, Thの選定値，Tc, U, Np, Pu , Amの改訂版の選定値
およびこれらの有機物錯体の選定値の採用
10
ただし，OECD/NEAの選定値だけでは不十分
対象元素が限定的
信頼性の不十分な熱力学データは不採用

 類似性の確認
–
–
–
–

電子配置
イオン化エネルギー
イオン半径
ルイスの酸・塩基特性 等

 JAEA-TDBにおける化学アナログの適用元素
JAEA TDBにおける化学アナログの適用元素– Niを基準としたCo（右図）– Amを基準としたSm, Ac, Pu(III), Cm

log10 K0(Co)・ 化学アナログの利用

0

-10

-20

-30

-40
-40

-30

slope
intercept

0.994±0.013-(0.009±0.039)-20-10
log10 K0(Ni)010ニッケルとコバルトの間の平衡定数（log10 K0）の相関モデルの利用は？
 統一理論モデル，剛体球モデル，配位子反発モデル （JAEA-TDBでは未利用）

34

JAEA熱力学データベース（TDB）の整備
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

H
He
TRU廃棄物用に追加
Li Be
B C N O F Ne
3 Na Mg
Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y
Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Agg Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba
Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr RaRf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg
1
2

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Ac Th Pa U Np
p Pu
u Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
赤字 ：JAEA-TDB対象元素：熱力学データ小幅更新：熱力学データ新規選定/大幅更新：NEA-TDB採用：JNC-TDB採用

JAEA-TDB 対象元素

JAEA-TDB Webサイト画面(http://migrationdb.jaea.go.jp)

様々な地球化学計算コード
で利用可能な電子ファイル
として準備 PHREEQC
 EQ3/6
 Geochemist
Geochemist’ss
Workbench35

核種の地質媒体中の収着・拡散
一般的な収着試験と評価で用いるパラメータ
バッチ式収着試験溶液を採取し，限外ろ過フィルタ でろ過
ろ過フィルターでろ過
一定期間後

濃度分析へ

分配係数（Kd）

固相試料（岩石・ベントナイト等）

核種溶液中に固相試料を添加し，一定期間経過後，溶液を採取・ろ過→ろ液中の核種濃度を測定，以下の式から，分配係数Kdを求める

 固相中核種濃度   C0  C1 V
Kd  溶液中核種濃度  C1 S

C0:初期核種濃度
C1:一定期間後の核種濃度
定期間後の核種濃度
S:固相添加量
V:溶液体積36

収着データ取得において留意すべき点
固相試料の特性/前処理• 試料の代表性• 純度/不純物/• 鉱物組成• 粒径，BET比表面積• 有機物，微生物等
有機物 微生物等
環境条件の制御• 雰囲気制御（ガス，還元剤等）（ガス 還元剤等）• pHの制御• 電解質のタイプと濃度• 共存イオンと配位子の濃度• 温度の制御

溶液
核種

Kd変化/収着機構理解のための試験
 主要なパラメータ変化 (pH, 配位子濃度)
 核種濃度依存性 (収着等温線)
 脱離試験 (可逆/非可逆) 反応時間依存性
 収着機構分析(表面化学種，価数，内圏/
外圏等）

固相

収着実験の方法と条件• 固液比• 初期核種濃度（溶解度以下）• 収着率
収着率の範囲範囲 (例(例:10-95%))• 固液分離の方法• 攪拌等の方法• 反応容器
反応容器と壁面吸着
面吸着• 反応時間と平衡到達• 繰り返し数と誤差評価

Kdの検証/確証のための試験
 圧縮系/インタクト系での拡散試験
 カラム試験/移流試験
 原位置試験 ナチュラルアナログ
 バッチ-インタクト，スケールアップ，
長期挙動など・・・37

収着データベース（JAEA-SDB）の整備（データの信頼性確保）
 様々な条件・手法で得られた膨大なデータ群（収着データベース；約28,000
件のKdデータ) 信頼度評価ガイドライン策定と個別データ評価

信頼度評価ガイドライン
基準Ⅰ） 文献記載内容の網羅性
基準Ⅱ） 実験方法や条件の信頼度
11.

固相は適切な特性評価がなされているか2.

pHは，適切に測定，制御されているか

3.

酸化還元状態は，適切に測定，制御されているか・・・・・・・・・・

基準Ⅲ） データ相互間の整合性
デ タ相互間の整合性

信頼性の高いKdデータを効率的に抽出可能

JAEA-SDBのWeb公開(http://migrationdb.jaea.go.jp)

Np-ベントナイト系
全てのKdデータ
Np(V) ベントナイト系
Np(V)-ベントナイト系
信頼度クラス3以上のデータ

信頼度情報に基づくデータ抽出の例
38一般的な拡散試験と評価で用いるパラメータ
非定常拡散試験（
非定常拡散試験（InIn-diffusion法）
diffusion法）

透過拡散試験（透過拡散試験（ThroughThrough-diffusion法）
diffusion法）

一定
定
期間後

核種塗布面

トレ サ 溶液
トレーサー溶液

サ プ 溶液サンプル溶液ベントナイト・岩石試料
フィルター

試料の片面に核種を塗布し，一定期間経過後，試料をスライス

トレーサー溶液に核種を添加し，サンプ
ル溶液中への核種の総拡散量を評価→各スライス片中の核種濃度を測定し，各スライス片中の核種濃度を測定し試料中の核種濃度分布を評価→実効拡散係数Deを求める（収着・遅延の効果を含まない）→見かけの拡散係数Daを求める（収着・遅延の効果を含む）

Da =

De
ε+ρKd

39

拡散データベース（JAEA-DDB）の開発

メイン検索画面

拡散デ タのグラフ化（Cs ベントナイトの例）
拡散データのグラフ化（Cs-ベントナイトの例）

乾燥密度依存性
部分スメクタイト
密度依存性

40

精度の高いデータ取得方法の開発
フィルタ部に試験液を循環に試験液 循

拡張型TD/RD法の試験体系

圧縮ベントナイト（Φ20×L2-10mm）
メ ブラ
メンブランフィルタタ
プラスチックフィルタ
プ(孔径：0.2μm）（孔径70μm）

ポンプ

ブランク溶液トレ サ溶液トレーサ溶液O-ring

上流リザーバ下流リザーバ （250 mL）（250 mL）

スターラ

多様な化学環境条件（液性）を設定 制御可能
多様な化学環境条件（液性）を設定・制御可能
複数の濃度曲線（3or2）の取得とZhangら解析解の同時フィッティング

200

150

100

Cs‐Kunipia0.8‐0.1M

50

0
0

20

40

60

Time(days)

80

100

120

Cs-137 concentra
ation in montmorillonitte (Bq/g)

Cs-137 concentra
ation in inlet reservoir ((Bq/mL)

measured
fittedトレーサ破過曲線

44x10

measured
fitted
4

3x10

4

2x10

4

1x10

0
0

2

4

6

Depth (mm)810

Cs-137 concentratio
on in outlet reservoirr (Bq/mL)

内部プロファイル

トレーサ減衰曲線
250

50
measured
fitted40

多様な環境条件/
核種に対し信頼性の高いDe/Kdを効率的に取得可能

30

20

10

0
0

20

40

60

Time(days)

80

100

120

Tachi et al. (2009)41

収着の現象理解とモデル化
収着の概念とモデル
収着
概念
デ
- +
- M+
- +
- 2+
- M

イオン交換選択係数

イオン交換（Gaines and Thomas の定義）

（ ）：吸着化学種の当量分率，｛ ｝：溶液中の活量

吸着化学種の活量係数が１と見なせる時，KGT = K (熱力学的平衡定数)-OH-O－・・M+-OH2+・・M－

表面錯体-OH・・Ｍ(OH)
OH・・Ｍ(OH)x-O・・Ｍ(OH)x

M
M

鉱物化
固体表面の“表面化学種”を溶液中の化学種と同様に，
溶液化学反応として取り扱えるとしたモデル

42

緩衝材材料（ベントナイト）の構成鉱物と収着の概念Smectite

Pyrite（Montmorillonite）

Solubleimpurities(NaCl,CaSO4,---)Q
Quartzt

CalciteTetrahedral layer
Octahedral layer

Tetrahedral layer

43熱力学的収着モデル（TSM）の開発
スメクタイトへのNi収着のモデル化（OECD/NEA
スメクタイトのNi収着のモデル化（OECD/NEA Sorption project より）
1E+5

I=0.1 M, modelNi-sorption on SWy-1 (Na-form)

I=0.03 M, model
I=0.01 M, model

1E+4

B&B 0.03 M NaClO4
B&B 0.1
0 1 M NaClO4

1E+3
1E+6

Sorption edge Ni on montmorillonite, I=0.1 M (TC4)a1

Two-site SCM

1E+2

1E+1

1E+4

Bradburydb
andd Baeyens(1997)

1E+0
0

2

4

6

8

1E+3

b1

 SsOH & SwOH
(teams d, e and f)
SSiOH & SAlOH(teams g and h)

1E+5

Kd (L/kg))

Kd [L/kg]]

B&B 0.01 M NaClO4

c
d
e

10

f

12

g

pH
One-site SCM

1E+2

h

(teams a1, b1 and c)

NEA Sorption project PhaseIImodeling results

d t
data

1E+1
2

4

6

pH

8

10

12

44

熱力学的収着モデル（TSM）の開発 [化学的確からしさ]
1.E+0(a) Turner et al.(1998) - 0.1M / atm.-CO2

Np(V)のモンモリロナイトに対する

1.E-1

収着
収着への炭酸系の表面化学種の炭酸系 表面化学種
寄与がEXAFS分析により確認されている (Reich et al., 2009)

Exp.
Fitting

SOHNpO
p 2+
1.E-2

ZNpO2

A
Fe
Fe

SONpO2OH-

1.E+0

1.E-3

O
O
O
O

O
O

3
2.

2Å
2.3 2Å

(b)
2
4 Turner et
6 al.(1998) -80.1M / atm.-CO
10

2

3 surface
pHspecies ;p 2+, SONpO
p 2OH-, SONpO
p 2CO32SOHNpO

Fe
Fe

O

U
U

3.43ÅÅ
3.43
O
O

1.E-1

Exp.
Fitting

2..44
66Å
Å

00ÅÅ
2.29.9K d (m 3/kg)

K d (m 3/kg)

2 surface species ;SOHNpO2+, SONpO2OH-

O
O

O
O

O
O
CC
Fe
Fe
O
O

2
SONpO2CO32-

1.E-2

ZNpO2

U(VI)のヘマタイトへの収着における炭酸系の表面化学種のEXAFS
分析による評価例

SOHNpO2+
SONpO2OH-

1.E-3
2

4

6

pH

8

10

Bargar et al. (2000)45

熱力学的収着モデルの適用性確認 [幌延の堆積岩]
幌延泥岩へのCsの収着分配係数Kd101

Kd (m3/kkg)

100

オパールCT‐ HDB‐6, ‐500m (稚内層)‐ 液固比; 30ml/g ‐ 固液分離; 0.45
0 45m‐ 反応時間; 14days

黄鉄鉱

粘土鉱物

GW-B

illite長石

Component
Additivity model (NEA, 2005)

smectite
10-1

illiteGW-Asmectite
10-2

10-3
10-9

GW-A GW-B

10-8

measured Kd
total
Calculated
illiteKdsmectite

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

 粘土鉱物（イライト及びスメクタイト）を収着支配鉱物として，
タイト）を収着支配鉱物として既往イオン交換モデルと鉱物
含有率を考慮したCAモデルによって 一連の実測Kdを説明
よって，一連の実測Kdを説明
可能

10-2

Cs concentration in solution at equilibrium (mol/L)

Tachi et al. (2011)46

 地層処分システムの安全性の提示方法（Safety Case と Safety Assessment）
 安全評価の方法論
 個別現象の理解とプロセスモデルの開発－ ガラスの溶解と核種浸出
ガ
溶解と核種浸出 基盤となるデータの整備，品質保証－ 溶解度評価のための熱力学データベース
学デ－ 緩衝材・岩石への核種の収着・拡散
 地質環境調査や処分場の設計と連携した評価体系の開発
 まとめ
47

地質環境調査や処分場の設計と連携した評価体系の開発
評価体系
開発 背景
第2次取りまとめ・サイトジェネリックな性能評価
・処分システムの成立性を示すための評価

断層破砕帯

地下水流動

100m

我が国の一般的な地質環境
標準的な処分場デザイン
簡略化 た評価体系簡略化した評価体系

・サイトスペシフィックな性能評価
・具体的な処分事業を対象とした評価
具体的な処分事業を対象とした評価

40,000packages

坑道の建設を回避

大規模断層
流れ方向

>100m

透水性割れ目WCF

地質環境調査地質環境調査から得られる情報に基づいた設計・施工

処分システムの設計・施工調査すべき項目・精度等
調査すべき項目
精度等
ニーズの提示設計・施工を反映した評価
ニーズ，避けるべき条件の提示

プラグ、グラウト

地質環境調査から得られる情報に基づいた評価

WCF
透水性割れ目

断層粘土を有する
断層

固化体の定置を回避

性能評価

サイトの地質環境や処分場の設計によって規定される処分システムの特徴を反映し，サイトの地質環境や処分場の設計によて規定される処分システムの特徴を反映し性能評価上の差異を表現できるリアリスティックな評価技術が必要
e.g. サイト間の違い，地質環境の不均質性，縦置きvs横置き48

ニアフィールド核種移行解析の試行手順推定した透水係数分布

地質環境調査に基づく情報の整理
・透水割れ目分布の統計情報
・岩石基質部分の透水特性
物質移行開始点

不均質性を呈する母岩領域の設定
処分孔周辺環境の設定（3種類）
3次元地下水流動解析
3次元核種移行解析（パーティクルトラッキング法）
調査，設計と性能評価（核種移行）調査
設計と性能評価（核種移行）の反復的な検討の試行

先進的地層処分概念・性能評価技術高度化開発報告書 （JAEA, 2011）49

物質移行開始位置の鉛直断面(上)と地下水流動(下)水平坑道埋め戻し材

水平坑道埋め戻し材
透水係数
[m/s]

廃棄体

10-6

処分孔

緩衝材

掘削影響領域
掘削影響領域

Case 1Case 210-9Case 3-14 -13 -12 -11 -10 -9 ダルシー流速(常用対数。m/sec)50

核種移行解析結果例
物質移行開始点の配置と移行率の関係
⑪
⑩
⑨
⑧
⑦
⑥
⑤
④
③
②
①

最大値で正
正規化した
た移行率 [--]

⑫

100

10-3

10-6

10-9

①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫● 廃棄体の位置（場の透水性）による顕著な差
物質移行開始位置● 掘削・施工方法による差異は小ただし，母岩の性能が良い場合(e.g.⑪)には，差異あり⇒ 調査や設計に反映すべき事項
・ 岩盤中の高透水性構造の調査が重要
・ 廃棄体の配置による核種移行率の低減の可能性
・ 高透水性部分への工学的対策の検討 など

51

まとめ
安全評価はセーフティーケースの重要な要素であり，安全評価はセフティ ケ スの重要な要素であり評価の基盤として，以下の観点が重要
 評価の対象となる現象の科学的な基礎的理解
 現象理解に基づく性能評価モデル構築の考え方の提示
 高品質の実験データ，データベース（現象理解，評価用パラメータ決定のいずれの観点からも必要）

 与えられる環境条件の適切な考慮
与
境条件 適
考慮
 データおよびモデルの不確実性の検討と提示
 サイト環境条件や処分システム設計の差異を評価に反映できる
リアリスティックな評価技術の整備

52

参考文献
 蛯名 貴憲，牧野 仁史：“地層処分性能評価のガラス溶解評価におけるガラス固化体中の亀裂発生に伴う表面積増加の影響”，
JNC-TN8400-2005-006.
 IAEA:
IAEA GeologicalG l i l Di
Disposall off R
Radioactive
diti W
Waste,t IAEA S
Safetyf t R
Requirements,
it N
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WS-R-4R 4 (2006).
(2006)
 Kitamura, A., Fujiwara, K., Doi, R., Yoshida, Y., Mihara, M., Terashima, M., Yui, M.：“JAEA thermodynamic database for performanceassessment of geological disposal of high-level radioactive and TRU wastes”, JAEA-Data/Code 2009-024
 核燃料サイクル開発機構:“わが国における高レベル放射性廃棄物地層処分の技術的信頼性 －地層処分研究開発第２次取りまとめ－”，JNC TN1400 99-020（総論レポート）， JNC TN1400 99-023（分冊３）（1999）.
 Mitsui, S., Makino, H., Inagaki, M and Ebina, T : “Impact of Silicon Migration through Buffer Material on the Lifetime of Vitrified
Waste”, Scientific Basis for Nuclear Waste Management (Mat. Res. Soc. Symp. Proceedings vol. 1193), pp.397-404 (2009).
 日本原子力研究開発機構，平成22 年度 地層処分技術調査等委託費 高レベル放射性廃棄物処分関連 先進的地層処分概念・
性能評価技術高度化開発報告書 平成23 年3 月（2011） OECD/NEA: Post-Closure Safety Case for Geological Repositories: Nature and Purpose (2004)
 Tachi et al. (2009): Diffusion of Cesium and Iodine in Compacted Sodium Montmorillonite Under Different Saline Conditions.
Scientific Basis for Nuclear Waste Management XXXIII, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.1193, pp.545
pp.545-552.
552.
 Tachi et al. (2011): Diffusion and sorption of Cs+, I- and HTO in samples of the argillaceous Wakkanai Formation from theHoronobe URL, Japan: Clay-based modeling approach. Geochimica et Cosmochimica Acta 75, 6742-6759.

関連ウエッブサイトブ 日本原子力研究開発機構 地層処分研究部門 http://www.jaea.go.jp/04/tisou/toppage/top.html
 同 核種移行データベース

http://migrationdb.jaea.go.jp/

 原子力環境整備・資金管理センター http://www.rwmc.or.jp/disposal/
 原子力発電環境整備機構

http://www.numo.or.jp/53