無機鉱物表面への放射性核種の収着および脱着に関する研究

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放射性廃棄物地層処分の安全評価では、放射性核種の地圏内の移行を定量化することが重要になる。地層処分では、ガラス固化体、オーバーパックおよび緩衝材からなる人工バリアが存在するが、それらの健全性は1000年以上保証し得ない。したがって、それ以降では、地下水の流れに従い核種が移行しても、生態圏に影響を及ぼさないという根拠が必要になる。地下は主に岩石に代表される無機鉱物からなる。地下水の流路を構成するそれら岩石(以下固相と呼称する)と放射性核種との相互作用(収着や脱着)の評価が、核種移行評価に重要となる。本研究では、地下水流路にしばしば観察される二次鉱物の一つである炭酸塩岩と地下水に含まれる有機酸との相互作用に着目して研究を進めた。これまで、地下における核種移行に及ぼす炭酸塩岩および地下水に含まれるフミン物質等有機酸の影響が、各々個別に議論されてきたが、いずれも地下における核種に移行に大きな影響を及ぼすものの、両者の相互関係についての議論がなされていなかった。そこで、方解石(カルサイト)の有機酸による溶解実験を行い、その過程において、試料表面の変化を原子間力顕微鏡(以下、AFM)を用いて定量化するとともに、有機物とカルサイトの溶解速度との関係を調べた。なお、実験は窒素雰囲気において、所定の攪拌速度のもとになされた。地下の有機物はR-COOHを含む。そこでまず酢酸を使ってカルサイトの溶解挙動を調べた。その結果,酢酸の濃度の上昇に伴い,カルサイトの溶解速度は大きくなり,そのみかけの活性化エネルギーは6.2〜14.4kJ/molであった。また,攪拌速度を50rpmから200rpmに設定すると溶解速度は大きくなった。これらは,カルサイトの溶解がプロトンの拡散により支配されていることを示唆する。さらに,AFMから算定された溶解速度は、バルクにおけるCa^<2+>濃度の経時変化から求めた値より明らかに小さく,溶解速度はAFMにより検出される以上に深いエッチピットに支配されている。次に,NaNO_3(0.001M)溶液においてフミン酸の濃度(0ppmと100ppm)の違いによるカルサイトの溶解速度を調べた。その結果、pH3.0から4.0の範囲において,フミン酸存在下の方が溶解速度は1桁大きく、フミン酸の緩衝作用が現れた.一方、くpHが5.5から7.0の範囲においては,フミン酸が存在するとカルサイトの溶解速度は小さくなり,フミン酸がカルサイト表面を被覆する効果が強く現れた。これら緩衝効果と被覆効果は独立しているものではなく,pHにより二つの効果のあられ方が異なるものと推定した。なお、これらの効果はAFMによる溶解速度の測定結果とも調和している。