高レベル放射性廃棄物の地層処分研究開発

 地層処分技術に関する研究開発においては、原子力機構が進めるイノベーション創出戦略（令和2年11月改定）及び令和4年度から令和10年度における原子力機構の研究計画である第4期中長期計画（令和4年3月認可）の一環として、これまでに蓄積した知識やビッグデータを活用しつつ、AI、ロボティクス、スーパーコンピューター等の最先端の技術を用いた地層処分の技術基盤の整備とイノベーションの創出に、大阪大学や他の研究機関と共同で取り組んでいます。これまでに、地層処分技術のデジタルツイン化に向けた (1) リアルタイムでの地下施設の4D可視化技術、および(2) 状態予測と判断支援エンジンを備えた次世代型マルチフィジクスシミュレーション技術の構築に向けた技術情報収集及び機構内外の専門家との意見交換を進めてきました。令和5年度は、幌延深地層研究センターの地下施設の掘削を例として、シミュレーション結果の後処理による可視化技術の適用性の確認および大規模演算装置におけるマルチフィジクスシミュレーション技術の構築を行いました。以下に、研究活動の概要を紹介します。

(1) リアルタイムでの地下施設の4D可視化技術の構築

 地層処分場の建設・操業・閉鎖段階においては、数十年以上の長期にわたって、地下施設における安全性を通常の原子力施設同様、深層防護等の観点から、高い水準で確保する必要があります。一方、地下施設の建設工事や廃棄体の搬送・定置、坑道の埋め戻し時においては、突発湧水や岩盤崩落、山はねなどの地質リスクの他、廃棄体からの放射線による被ばくリスクに対する評価・対策が恒常的に求められます。これらのリスクに速やかに対応するためには、岩盤や地下水をはじめ、地下構造物、工事に用いる機械・装置類、放射線量などの様々な状態・特性をリアルタイムで可視化し、遠隔で集中的にモニタリングすることが重要と考えられます。

 これまでに、それらの大規模4Dデータ（三次元空間と時間に関する情報）を統合的に可視化する手法として、原子力機構のシステム計算科学センターが開発した 遠隔可視化ソフトウエア：PBVR（Particle Based Volume Rendering）および原子力機構のスーパーコンピューターシステム：HPE SGI8600を用いた技術の適用性を検討してきました。令和5年度は、単一PC上においてPBVRのデータ前処理プログラムとクライアント・サーバプログラムを構築し、幌延深地層研究センターの地下施設の350m調査坑道に新たに掘削された試験坑道6の坑道掘削時に実施された三次元レーザー計測から得られた坑道周辺岩盤の点群データおよび試験坑道掘削時における坑道周辺岩盤の損傷程度の試解析データについて可視化を行いました。

  幌延の地下施設は比較的軟らかい堆積岩を対象として、次の手順で坑道の掘削を進めています。まず岩盤を掘削し、掘削した岩盤壁面の観察を行います。次の掘削に進む前に掘削した部分にコンクリートの吹付け、鋼製支保の設置、ロックボルトの打ち込みを行います。この手順を1〜2m程度ごとに繰り返して坑道を掘削します。坑道掘削の安全な施工という観点から、壁面観察の作業工程において、限られた時間で迅速にデータを取得できる三次元レーザー計測を試みています。図1に試験坑道6の施工の様子と坑道底盤の三次元点群データの可視化例を示します。三次元点群データに含まれる情報から精細な岩盤の三次元形状や岩盤表面の色が再現できることにより、コンクリートの吹付け後においても三次元点群データを用いて掘削時の岩盤の様子を詳細に観察することが可能になります。

  図2は、次項（2）で述べる坑道周辺岩盤の損傷程度の試解析結果について、PBVRを用いて三次元空間データ（ボリュームデータ）を点群データに変換し、可視化したものになります。試解析では、坑道の掘削により変化した岩盤内の応力分布とひずみ分布を計算することで、岩盤において引張またはせん断による損傷が生じるかどうかを判定し、それらの損傷の程度を求めました。岩盤の損傷の程度が0の場合、岩盤に損傷が無いことを意味し、岩盤の損傷の程度が1の場合、岩盤が完全に破壊したことを意味します。図2から、坑道から離れた位置では岩盤は損傷を受けておらず（青色箇所）、坑道周辺のみが損傷を受けていることが視覚的に分かります（緑色〜赤色箇所）。

  令和6年度は、モニタリングデータ及びシミュレーション結果等を含めた複数特性データについて、HPE SGI8600に実装したPBVRによる可視化処理とPCからの遠隔接続による可視化結果の確認を行うとともに、解析結果の逐次可視化に向けたマルチフィジクスシミュレーション技術等とPBVRとの連携について検討します。

(2) 状態予測と判断支援エンジンを備えた次世代型マルチフィジクスシミュレーション技術の構築

  地層処分システムの中で生じる複雑な現象を忠実に理解するためには、地下施設建設前から閉鎖後長期にわたる地層処分システムの構成要素間及び諸現象間の相互作用による場の変化を精度良く再現する熱-水-応力-化学連成解析技術を整備することが重要となります。長期にわたる複数の物理化学現象の相互作用に対しては、従来、連成させる現象が限られた解析コードを組み合わせ、それらの解析コード間でデータを受け渡しながら比較的小規模な計算量でより複雑な連成現象の計算を進める弱連成解析の手法が用いられてきました。本取組ではこれらの物理化学現象の一部を一つの解析コード内のみで強連成解析するマルチフィジックスシミュレーション技術の構築を、大学・他の研究機関との共同研究を通じて実施しています。当面の目標としては、強連成解析で必要となる膨大な計算負荷の問題を解決するために、スーパーコンピューターを活用した並列計算の適用性を検討するとともに、シミュレーション結果を意思決定に活用するためのAI技術や機械学習技術との融合を目指しています。これまでに、共同研究者と協力し、幌延深地層研究センターの研究坑道掘削時における坑道周辺の亀裂の発生・進展挙動を再現する試解析を実施してきました。令和5年度は、マルチフィジクスシミュレーション技術を原子力機構のスーパーコンピューターへ実装し、試解析プログラムが動作することを確認しました。また、坑道掘削時の岩盤の力学的安定性の評価を目的として、幌延深地層研究センターの研究坑道掘削時における坑道周辺の亀裂の発生・進展挙動について、1mの掘削毎に掘削による解析パラメータへの影響を反映させる逐次解析の自動化プログラムを構築し、通常のPC上において試解析を実施しました（図3）。試解析では、1mの坑道掘削毎に坑道周辺に亀裂が発生・進展する様子を再現できました。

  令和6年度は、大学・他の研究機関との共同研究を継続し、逐次自動解析プログラムのHPE SGI8600への実装による計算性能の評価や、岩盤物性の異なる状況における複数の解析結果を幌延深地層研究センターで取得された複数深度のデータと比較することによるシミュレーション技術の検証、地下施設の操業期間や坑道の埋め戻し後の超長期における坑道周辺の水理特性変化や力学特性変化の将来予測解析などを実施し、マルチフィジックスシミュレーションを更に進める予定です。

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