高レベル放射性廃棄物の地層処分研究開発

高レベル放射性廃棄物の地層処分をめざして —トイレなきマンションから持続可能な社会へ—

原子力発電に伴って発生する高レベル放射性廃棄物は何万年にもわたって放射能が持続する。いつまでも人間が管理しておくわけにはいかない。「トイレなきマンション」と揶揄されるが、世界は半世紀も前から、深地層への埋設処分を目指して取り組んできた。日本でも1976年から研究を進めている。その成果を集大成した2000年レポートを契機に、日本の地層処分は事業段階に踏み出した。2002年から実施主体であるNUMOが候補地を募集しているが、まだ調査に入った地域はない。世界を見ても、高レベル放射性廃棄物の処分を開始した国はなく、多くの国が計画の遅延や見直しを余儀なくされている。日本では、2030年代中頃に地層処分を開始する計画であり、まだ25年から30年の猶予がある。ただし、そこに到達するためには、今から候補地を確保し、段階的な調査に基づく意思決定のプロセスをたどっていく必要がある。正念場を迎えた日本の地層処分事業を推進していくため、国、NUMO、電気事業者が取り組みを強化している。研究開発が果たすべき役割も大きい。

放射性廃棄物に関するIAEA安全基準とセーフティケース

国際原子力機関(IAEA)によって策定が進められている体系的な安全基準文書の一つとして出版された放射性廃棄物の地層処分に関する安全要件文書(WS-R-4)では、安全基準文書として初めて「セーフティケース(safety case)」の概念が導入されている。本稿では、セーフティケースにかかわる国際的な議論、特にこの安全基準文書を共同出版した経済協力開発機構/原子力機関(OECD⁄NEA)における検討経緯なども含めて、セーフティケース概念に関する概説を試み、安全基準文書の理解の一助とする。

The Challenge of Development of a Holistic Waste Management Approach to Support the Nuclear Renaissance

経済産業省資源エネルギー庁の受託事業として日本原子力研究開発機構が進める「先進的地層処分概念・性能評価技術高度化開発」の取り組みと平成19年度の進捗を報告する。

R&D Supporting the Technology for Safe and Practical HLW Disposal in Japan

日本原子力研究開発機構は、高レベル放射性廃棄物の地層処分事業の実施と安全規制の双方に寄与することを目的として高レベル放射性廃棄物処分技術に関する研究開発を行ってきた。この研究開発は地層環境、地層処分工学技術及び性能評価まで多岐に渡っている。二つの地下試験施設(瑞浪と幌延)においては、地表からの調査が完了し、主立坑及び換気立坑の掘削が進められている。火山活動や断層といった天然現象の研究も実施中である。地層処分基盤研究施設や地層処分放射科学研究施設ではニアフィールドにおける定量的な長期評価のためのモデル開発及びデータベースの整備に関連した工学技術の開発が行われている。これらの研究開発の成果及び膨大なデータを管理するために、原子力機構では実施主体と規制当局の双方を支援するための技術基盤を提供する、知識マネジメントシステムを開発する新規プロジェクトを開始したところである。

CAVERN DISPOSAL CONCEPTS FOR HLW/SF: ASSURING OPERATIONAL PRACTICALITY AND SAFETY WITH MAXIMUM PROGRAMME FLEXIBILITY

高レベル放射性廃棄物や使用済燃料に関する地層処分概念は、各国の処分計画の初期段階において開発されたものであり、科学技術的知見や要件などの境界条件が現在と異なっている。このような条件は今後も数十年以上をかけて進められるプロジェクトの中で変化することが予想される。このような変化を予見し、柔軟性を最大化できるような処分概念検討を行っておくことは有益である。本論文では、特に操業の実行可能性と安全性に焦点を当てた代替概念「CARE概念」について紹介する。

X線CTスキャナによる亀裂内侵入ベントナイトの密度測定に関する適用性

高レベル放射性廃棄物の地層処分では、廃棄体埋設後における人工バリアの長期健全性を評価するための評価手法の構築と、その評価手法の信頼性を高めることにより、安全評価における不確実性を低減させることが重要な課題である。本研究では、地層処分研究において懸念される事象の一つである緩衝材の岩盤亀裂中への侵入現象について、現象理解とより現実的な評価手法の構築に反映するために、X線CTスキャナを適用した模擬亀裂中におけるベントナイトの侵入密度測定を試み、その適用性を考察した。

Experimental Study on the Effects of Fault Movement on the Engineered Barrier System

放射性廃棄物地層処分のサイト特性調査段階で特定することが困難な規模の断層が新たに発生し、人工バリアシステムに影響を与えると想定した場合、そのプロセスを理解するために実験的なアプローチを採用した。実験は室内試験装置を用いて行った。これまでのせん断試験の結果から、金属製のオーバーパックは緩衝材が有する可塑性により緩衝材中で回転するものの破損には至らないことが示された。また試験装置の性能によって制約される試験範囲を補完するため、数値モデルによる解析も実施した。

Influence of Excavation of Disposal Tunnel on the Near-Field Coupled Thermal, Hydraulic and Mechanical Phenomena

In the International DECOVALEX-THMC project, the influence of coupled thermal, hydraulic and mechanical (THM) phenomena on the safety of the near-field of a typical hypothetical geological repository is studied. The hypothetical geological repository would be located in the Canadian Shield, with horizontal drift geometry, and the copper container for the Candu fuel emplaced in the drift would be surrounded by MX-80 bentonite. Properties of bentonite are calibrated against results from laboratory experiments by SKB and the CEA mock-up test. Furthermore, damage model of rock mass is used for the express the effect of excavation. By using calibrated bentonite model and damage model, influence of excavation tunnel is studied. As results, it is known that effect of property change of rock mass due to excavation is very low compared with property of bentonite itself.

Assessing The Long-term Behavior of A Radioactive Waste Disposal Tunnel with A Damage Model Incorporating Chemical Degradation Effects

地層処分場のニアフィールドの力学的な変遷を評価するために、岩石の化学的劣化による力学的挙動の変化を予測するためのダメージモデルについて検討した。解析結果から、化学的な劣化により強度が減少し、破壊過程も表面の亀裂による卓越可能性があることがわかった。

コロイドが存在する状態での核種の分配挙動の確認手法の検討

放射性廃棄物の地層処分における性能評価では、核種移行における遅延効果は一般に分配係数(Kd)によって評価されている。しかしながら、液相にコロイドが存在する場合、コロイドは核種を収着する可能性があるため、Kdの値に影響を及ぼすことが考えられる。本研究では、核種の収着挙動に及ぼすコロイドの影響を調べるために、Cs、ベントナイトコロイド及び石英砂を用いたバッチ法による収着試験を実施した。Csの石英砂へのKd(Kd₁)及びベントナイトコロイドへのKd(Kd₂)は、固相中、コロイド中及び液相中のCsの存在量から求め、試験溶液を分離するフィルタの孔径により、これらの核種の存在量の区分を行った。その結果、固相とコロイドが単独で存在する状態で取得された分配係数から、両者が共存する状態での核種の分配挙動を評価できることが確認された。このようなコロイドが共存する試験溶液の分画において、適切なろ過手法を選択することは、核種の固相への収着挙動に及ぼすコロイドの影響を見積もるうえで有効であることを確認した。

高レベル放射性廃棄物地層処分における緩衝材の核種移行抑制機能

高レベル放射性廃棄物の地層処分の人工バリアを構成する緩衝材として使用されるベントナイトの放射性核種の移行抑制にかかわる特性のうち、透水特性、膨潤特性、化学的緩衝性、核種収着・移行遅延性について、これまでの研究動向を概説するとともに、現状において明らかになっていることと今後の展開について総括した。2000年以降、それ以前には余り存在しなかった海水系地下水条件に対する上記特性に関するデータ取得と現象解明に関する研究が精力的に行われてきており、透水係数は上昇し膨潤は減少することのほか、イオン交換性の核種の見掛けの拡散係数や陰イオンの実効拡散係数が増加するなど、上記の特性を含むさまざまな特性に影響を及ぼすことがわかりつつある。今後もこれらの研究を継続しつつ、共通的に変質の影響を考慮した長期的挙動に関する研究が必要であると考える。

50cmスケールの花崗岩試料の研削による亀裂形状計測について

原子力発電環境整備機構が高レベル放射性廃棄物地層処分の長期的安全性を検討する際には、処分事業の長期に渡る事業期間を通して技術や意思決定の一貫性を保ちつつ、調査の段階に応じて詳細化されるサイト環境条件や技術の進歩に適切に対応した評価手法を用いた性能評価が実施される。花崗岩など亀裂性岩盤を対象とした性能評価では、岩盤中の核種移行のモデルとして亀裂を平行平板でモデル化する一次元平行平板モデルが用いられる。このモデルは簡略かつ、複数の一次元平行平板モデルを組合せることで岩盤中の不均質な移行経路を表現することが可能などの応用力を有するという利点があり、広く用いられている。一方で、実際の亀裂は複雑な形状で、その亀裂を一次元平行平板モデルで表現する際、透水量係数や亀裂開口幅の値をどのように設定するかが課題となっている。この課題解決に向けた研究の一つとして、天然の亀裂を含む50cmスケールの花崗岩試料を1mmごとの研削により亀裂を観察し、約500×500個の亀裂表面形状の座標データを取得した。これより、亀裂面の粗度、亀裂幅の空間的相関性など、天然岩石中の亀裂の特徴を表すパラメータ値を得た。

Migration behavior of bentonite colloids through a fractured rock

ベントナイトコロイドの移行挙動を調べるために、単一な模擬亀裂を有する花崗岩を用いたカラム試験を実施した。10^-3M NaCl溶液として調製した条件では、ベントナイトコロイドの一部は亀裂性花崗岩中で付着して、不動化した。比較的イオン濃度が高い条件の場合は、地質媒体中でベントナイトコロイドの移行に遅延効果が期待できると考えられる。

Estimation of Ra Concentration in High-Level Radioactive Waste Disposal System

地層処分システムにおいて、Raの濃度は性能評価を行ううえで重要なパラメータである。第2次取りまとめではRa⁄Ca比を一定とするモデルにより評価を行ったものの、Ra⁄Ca比を一定とする仮定は妥当ではない。したがって、方解石に対する交換反応を元素分配比を用いて評価を行うモデルを作成した。本モデルを用いて4n+2系列元素について核種移行解析を行った結果、第2次取りまとめ解析に比べて、人工バリア外側境界面においては、本解析により求まるRa移行率が高くなったが、母岩100mの領域ではほぼ同じ結果となり、この領域では、Raの移行率は親元素からの放射性崩壊により支配されていることが示された。

A systematic approach to evaluate the importance of concerns affecting the geological disposal of radioactive wastes

放射性廃棄物の地層処分の安全評価においては、さまざまな観点から懸念事象が抽出され、それらに対する研究が精力的に進められてきている。しかし、これまで、処分の安全評価におけるこれらの相対的な重要性を把握するための体系的な検討はなされていない。これらの相対的な重要性を明示することは、処分の安全評価の信頼性を向上に資する重要な課題である。本研究では、処分のシナリオや評価ケース及び個々の評価研究の相対的重要度の提示を可能とする体系的な評価手法を構築することを目的として、(1)処分の安全性に対する多様な懸念事象の影響を統一的な方法で評価するための総合評価作業フレームの整備、(2)評価パラメータの類型化や感度解析の結果得られる影響特性情報のフィードバックに基づいて重要度を把握するための情報整理手順の整備、に関する検討を行った。

A Thermodynamic Approach on the Effect of Salt Concentration on Swelling Pressure of Water-saturated Bentonite

高レベル放射性廃棄物地層処分の人工バリアを構成する緩衝材や坑道の埋め戻し材として使用されるベントナイトの主要構成粘土鉱物のスメクタイトに着目し、蒸気圧測定から得られたスメクタイトの層間水と接触溶液の水の熱力学データ(相対部分モルGibbsの自由エネルギー)に基づいて、ベントナイト中のスメクタイト含有率や珪砂混合率を考慮した、スメクタイト部分密度に対する膨潤圧をさまざまな塩濃度に対して求め、実測値と比較検討した。解析は、実測値が報告されているさまざまな溶液条件([NaCl]=0.2-3.4M)に対して行った。計算結果は、塩濃度の増加に伴い膨潤圧は低下するものの、密度の高い領域では大きな差は見られない。一方、実測値は、膨潤圧に及ぼす塩濃度の影響は明確には見られず、バラツキの範囲内であり、計算値もこの範囲内であった。このバラツキの原因は、ベントナイトに含まれる可溶性鉱物が溶解し、間隙水のイオン強度が増加したためと考えられる。

Development of Geologic Repository Models for Design and Decision Making

This paper presents a new radionuclide transport model for performance assessment and design of a geologic repository for high-level radioactive wastes. The model applies compartmentalization and a Markov-chain approach. A model space consists of an array of compartments, among which radionuclide transport is described by a transition probability matrix. While the model is similar to Eulerian methods, the advantages of this approach are considered in flexibility in including various types of transport processes by probabilistic interpretation. We demonstrate this model approach with a hypothetical repository assumed in porous rock formation. A three-dimensional, non-uniform groundwater flow field is generated numerically by the finite element method. The transition probability matrix is constructed based on the velocity field and hydraulic dispersion coefficients. The results show that this transport model can effectively show differences in repository performance due to the change of hydraulic properties in the domain for differing repository configurations and material degradation.

“What-if?” Calculations to Illustrate Fault-Movement Effects on a HLW Repository

What if解析についてどのような想定とするかなどをわかりやすく示すため、断層シナリオを対象として、解析の一連の手順について解析とともに例示する。

過去から現在までの長期的な地形変化が地下水流動特性に与える影響の解析的評価の試み

高レベル放射性廃棄物の地層処分においては、長期の時間スケールで生じる地質学的事象が地下深部の地下水流動や水質などに与える影響を理解し、それを予測することが重要である。地下水流動の観点では、特に地下水流動の駆動力である地形分布の長期的な変化を推定し、それが地下深部の地下水流動に及ぼす影響を評価する必要がある。そこで、本研究においては古水理地質学的研究手法を用いて、地形の長期的な変化が地下水流動特性に与える影響を評価した。具体的には、岐阜県東濃地域を対象として、広範囲における古地形分布を概括的に推定したうえで、それを考慮した地下水流動解析を実施した。また、断層の存在が地下水流動特性に及ぼす影響についても検討した。その結果、地形変化や断層の存在が、動水勾配や地下水の流速、移行特性に及ぼす影響の程度を概略的に把握することができた。また、主要な尾根や谷の位置など、大局的な地形分布が変わらない場所であれば地下水の移行経路は大きくは変化しない可能性が示唆された。さらに、結果に基づき長期的な地形変化による地下水流動特性の変化を効率的に把握する手法について提案した。

幌延深地層研究計画における立坑工事の施工実績とサイクルタイム分析

本稿は、今後の立坑工事の積算精度の向上と積算手法の体系化の検討に役立てる基礎データとすることを目的として、これまで実施した立坑工事の施工実績の概要並びに掘削時間に注目してサイクルタイムを分析した結果を報告する。本分析の結果、(1)岩盤等級の違いによるサイクルタイムの違いは見られなかったこと、(2)掘削方式による掘削時間の違いは見られなかったことが判明した。この成果は、地層処分施設の建設を念頭においた工事工程管理や工事費用の積算に反映できるものである。

結晶質岩中の地下坑道掘削を対象としたグラウト効果に関する研究（2） —グラウト施工時の透水試験手法の改良—

地下空洞掘削時には、必要に応じ空洞内への湧水抑制のためにグラウチングが実施される。一方、高レベル放射性廃棄物地層処分では、一般的なグラウトに用いるセメントが人工バリアに与える影響が懸念されている。本報では一般的なセメントグラウトの浸透範囲やその効果を把握・評価する手法の構築を主目的として、日本原子力研究開発機構瑞浪超深地層研究所の深度200mにおける坑道掘削時のプレグラウチング領域を対象に実施した、新たな透水試験手法の適用結果について報告する。その結果、提案した透水試験手法がボーリング孔近傍から周辺領域の10^-9から10^-4(m⁄s)程度の幅の広い透水係数を取得するうえで有効な手法であることを示した。

立坑掘削における内空変位の初期変形率と覆工コンクリート応力の相関

本稿は、地下研究施設の立坑掘削に伴う地下空洞の安定性や支保設計の妥当性を評価する目的で、立坑掘削時に取得した内空変位計測データと覆工コンクリート応力計測データから、初期変形率と覆工コンクリート応力の収束値(土被り圧で無次元化)を整理し、両者の相関について分析した結果を報告する。その結果、(1)内空変位の初期変位率と土被り圧で無次元化した覆工コンクリート応力収束値とは相関性が高いこと、(2)ショートステップ工法を対象とした内空変位の初期変位率より覆工コンクリート応力の収束値の予測が可能であることが判明した。

低アルカリコンクリートの鉄筋腐食ひび割れの予測に関する研究

高レベル放射性廃棄物処分場に適用が検討されているポゾランを多く含む低アルカリセメントを用いたコンクリートの鉄筋コンクリートとしての適用性を評価することを目的として、水セメント比が30%のコンクリートについて、6年間の海洋暴露試験を行い、圧縮強度、塩化物イオンの侵入、鉄筋腐食などの経時変化を調査した。また、これらの結果に基づき、海水起源の地下水を有する環境下で、鉄筋腐食の進行及び腐食ひび割れの発生時期の予測を行った。その結果、下記のことが明らかになった。(1)6年間の海洋環境下における圧縮強度の低下はない。(2)塩化物イオンの侵入は、普通ポルトランドセメントを用いたコンクリートに比べて少ない。(3)鉄筋腐食は、塩化物イオンの侵入がなくても開始するが、暴露6年までの進行は遅い。(4)海水起源の地下水中における低アルカリセメントを用いたコンクリート中の鉄筋の腐食速度は0.30〜0.55mg⁄(cm²・年)程度と予測され、かぶり100mm、鉄筋径22mmとした鉄筋コンクリート構造物に用いる場合、建設後50〜100年後に鉄筋腐食に起因したひび割れが発生すると予測される。

TBM施工における二次破砕を考慮したディスクカッタの交換寿命の評価

TBM(Tunnel Boring Machine)は、ディスクカッタ(以下、カッタという)を岩盤に押しつけながら回転させ、隣接破砕を連続的に生じさせて岩盤を掘削する。発破工法に対する同工法の優位性は、岩盤のゆるみの抑制、高速掘進性、そして、掘削作業の安全性である。このため、第2次とりまとめにおいても、処分坑道の掘削に期待される工法として挙げられている。TBMによる岩盤の破砕現象は、切羽から隣接破砕により岩片を掘削することを一次破砕とし、切羽とカッタヘッドの間にたまった岩片が再破砕されることを二次破砕として考えることができる。本報告では、中口径のTBMにより堆積岩と火成岩を掘削した4つの事例を対象に、スクレーパによるずりの取込範囲よりも中心側のカッタの摩耗は主として一次破砕によって生じ、一方、その取込範囲にあるカッタの摩耗は一次破砕に加え二次破砕によって生じるものと考え、それぞれの範囲にあるカッタの交換寿命を考察した。カッタの取付半径が異なるために、カッタが交換されるまでの累積転動距離をその間に生じた摩耗量で除した値をその指標とした。その結果、外周部に取り付けられたカッタの交換寿命は、二次破砕現象により20%以上も低下することが示された。

高レベル放射性廃棄物の地層処分における物理探査の役割と深地層の科学的研究における物理探査技術開発

高レベル放射性廃棄物の地層処分の安全性を担保するうえで、地質環境にはおもに二つの機能、すなわち、長期に渡る処分場の安定性及び、人工バリアの設置と天然バリアに適した特性が求められる。地層処分における地質環境調査では、地質環境に擾乱を与えることなく地下深部までの情報を取得可能な物理探査の果たす役割は大きい。原子力機構は、その前身の時代から、実際の地質環境への適用を通して体系的な地質環境調査技術の構築を進めており、その過程で物理探査についても、幾つかの重要な知見を得ている。

珪藻質泥岩における水圧破砕法による初期地圧の推定

日本原子力研究開発機構の幌延深地層研究計画では、堆積軟岩の深地層における初期地圧の測定を行っている。地下施設建設に先立つ地表調査では、深層ボーリング孔を利用した水圧破砕法による初期地圧の測定を実施している。今回、深地層(珪藻質泥岩)のより詳細な初期地圧の把握を目的として、現在、掘削中の換気・東立坑の2本の立坑のうち、換気立坑の深度140mから分岐した横坑において初期地圧を測定した。初期地圧の測定方法は、水圧破砕法を用い横坑の切羽より方向の異なる3本のボーリング孔を削孔し3次元の初期地圧を測定した。本論は、今回得られた情報から深度140m地点での初期地圧を推定し、地表調査から得られている初期地圧結果を含めた考察について報告するものである。

幌延深地層研究所の立坑掘削におけるコンバージェンス曲線の評価

日本原子力研究開発機構は、高レベル放射性廃棄物の地層処分計画に関連した研究開発のために、北海道幌延町において地下施設の建設を進めている。その地下施設のうち、2008年3月末において、換気立坑が深度161m、東立坑が深度110mに到達した。これらの立坑の掘削においては、コンバージェンスや支保工の応力の計測結果を逐次評価し、より深部の施工における坑道周辺岩盤の変形と支保部材に生じる応力を予測し、適切な支保工を構築するための情報化施工が試みられている。本研究では、これまでに得られた岩盤性状の観察結果から岩盤実質部の強度と岩盤の割れ目頻度の深度分布を表すとともに、コンバージェンス計測結果から初期変形速度と断面変形量の関係を考察した。

ITを援用した大規模地下開発支援システムの設計とその実装

大規模地下開発の過程で発生する各種の調査・設計・計測データは、設計・施工のみならず、施設の維持管理にも資することのできる重要な情報である。しかしながら、施設の稼動期間までを含めた長期にわたり、これらの情報を管理し、適確に運用することは困難である。筆者らはこのような問題に対するひとつの回答として、仮想現実技術やRDBMSを援用した大規模地下開発支援システムを開発し、これを瑞浪超深地層研究所工事に試験的に適用した。本論文は、そのシステムの設計とシステム実装の実際を示し、提案する手法の妥当性を問うものである。

堆積軟岩中の坑道掘削に伴う応力–水連成現象による長期的変形挙動について

地下深部の堆積軟岩中の坑道周辺岩盤及び支保の長期挙動について、応力–水連成現象の観点から数値解析的検討を行った。堆積軟岩は、透水係数が小さくかつ空隙率が大きいという特徴を有するものが多く、掘削により周辺岩盤に発生する過剰間隙水圧とその経時的消散による長期的な変形挙動を生じる可能性がある。本研究では、まず幌延深地層研究計画で実施した地表からのボーリング調査で得られたコア(声問層、稚内層)を使用し、三軸試験装置を用いて多孔質弾性パラメータを求めた。次に、これを用いて、円形坑道及び馬蹄形坑道について、堆積軟岩に適応する多孔質弾性論に基づく応力–水連成解析を実施した。その結果、クリープ現象とは異なる、応力–水連成現象に特有の岩盤の変形や支保応力の長期挙動が生じることがわかった。

土岐花崗岩中の石英に発達するマイクロクラックの三次元方位分布による古応力場の復元と生成環境

花崗岩の古応力場を復元するための手法開発を目的として、土岐花崗岩中を対象としてヒールドマイクロクラックを3次元的な測定及び流体包有物を対象とした解析を行った。ヒールドマイクロクラックの3次元方位測定の結果、ヒールドマイクロクラック形成時の主応力軸は南北方向であり、流体包有物の解析から形成時期は70〜60Maであることが示された。この結果は、日本海拡大による西南日本の回転を考慮すると当時のプレート運動方向と調和的であり、本研究で開発した手法が古応力場を復元するための手法として有効であることを示した。

Estimation of crustal structure in Horonobe area, Hokkaido, Japan, by using Multiplet-clustering analysis

地震・断層活動が地層処分システムに及ぼす影響として、岩盤の破断や岩盤ひずみの変化などが想定されている。そのため、サイトの安全評価に際しては、断層面形状を考慮した解析が必要となる。そこで、本研究では幌延地域周辺を事例としてマルチプレット・クラスタリング法による震源決定を行い、当該手法の断層面形状推定技術としての有効性を検討した。これまでの研究による当該地域の浅発地震震源分布は疎らであり、地震活動を規制する地殻内の断層面形状が不明瞭であった。本研究では、原子力機構及び防災科学技術研究所による地震観測網で観測された地震波形データにマルチプレット・クラスタリング法を適用し、浅発地震の相対震源位置を従来に比して高い精度で推定した。その結果、既存の研究による震源位置決定精度が数kmであることに対し、数百mの精度で決定することができた。また、震源は主として2つの領域に集中し、面的に分布する傾向が認められ、震源メカニズム解や地殻変動の傾向と調和的である。これらのことから、震源集中域は断層面上のアスペリティを示唆し、その空間分布は断層面形状モデル構築のための主要な情報の一つとなり得ると考えられる。

Hydrochemical records on long-term changes of deep groundwater system, Japan

地下水流動状態の長期的な変遷にかかわる推測手法を構築するために、岐阜県東濃地域の結晶質岩,北海道幌延地域の堆積岩を対象として、鉱物の沈殿状態や同位体に基づく解析を行った。その結果、結晶質岩においては、層状沈殿鉱物の解析が有効であることがわかった。一方、堆積岩においては、沈殿鉱物が地下水の循環よりも閉鎖系における物質循環を反映していることが明らかになった。

Hydrogeological characterization for estimation of hydraulic responses due to construction of the Mizunami Underground Research Laboratory

超深地層研究所は、結晶質岩(花崗岩)を主な対象とした深地層の研究施設の一つであり、この計画では、地層処分研究開発の基盤となる深地層の科学的研究の一環として、深部地質環境の調査・解析・評価技術の基盤の整備を全体目標の一つとした調査研究が進められている。超深地層研究所計画における地下水流動特性評価においては、水理調査と水理地質構造モデルの構築、地下水流動解析を繰り返し実施してきた。このモデル化・解析は、地下施設への地下水流入量及び地下施設建設が周辺環境へ与える影響の推定を目的として実施した。その結果、モデル化・解析結果の信頼性向上及び妥当性確認のために必要な水理地質構造などを抽出することができた。また、研究施設建設中の水圧応答データを用いたモデルの妥当性確認及び更新を行った。本稿では、これらの結果について紹介する。

GEOMASS: The application to characterizations of groundwater flow in the Mizunami Underground Research Laboratory project in Tono area

For effective characterization of geological environment, it is important to rapidly construct the conceptual model of geological environment based on the field-based investigation data and to identify issues for further investigation. The GEOMASS system has been developed by Japan Atomic Energy Agency in order to evaluate groundwater flow in deep underground. This system provides an integrated simulation system environment for both geological and hydrogeological model development, and groundwater flow simulations. JAEA has been tested the application of the GEOMASS system by applying to characterizations of groundwater flow during the Surface-based Investigation Phase and the Construction Phase in the Mizunami Underground Research Laboratory project in the Cretaceous Toki granite in the Tono area, central Japan. This paper describes the groundwater simulation results and the applicability of GEOMASS system to characterizations of ground water flow.

The groundwater pressure response due to shaft excavation and its possible application for characterizing hydrogeological structure

瑞浪超深地層研究の建設は2003年に開始された。2006年から2007年には立坑及びGL-200mの水平坑道から複数のボーリング掘削が実施され、これに伴い、周辺の地下水圧モニタリング孔において、deformation-induced effectに類似した特異な水圧応答が観測された。観測結果は、遮水性を有すると考えられる既知の断層を境目に水圧応答が異なっていることを示している。本研究では、今回観測された特異な水圧応答を用いた、地下水理地質構造推定の可能性について述べる。

Development of Site Characterization Technologies for Crystalline Rocks at MIU: 2.Construction Phase

日本原子力研究開発機構は、東濃地域において土岐花崗岩を対象として瑞浪超深地層研究所計画を実施している。超深地層研究所計画は、亀裂性結晶質岩における深部地質環境の調査・解析・評価技術の基盤の整備及び深地層における工学技術の基盤の整備を目標としている。超深地層研究所は深度1000mの2本の立坑と深度500m及び1000mに掘削される研究坑道からなる。本計画は、地表からの調査予測研究段階(第1段階)、研究坑道の掘削を伴う研究段階(第2段階)、研究坑道を利用した研究段階(第3段階)の三つの段階に区分し、約20年をかけて進める計画である。第2段階では、長期水理モニタリングや立坑の壁面観察などの調査をもとに、地質環境のモデル化とモデルの更新が実施され、また立坑の掘削が地質環境に与える影響の評価を実施した。本報告では、水理地質特性の評価に着目した第2段階の研究の現状について報告する。

Applying Systematic Geosynthesis Methodology to Surface-based Investigations in “Horonobe URL Project”, Japan

幌延深地層研究計画における地上からの調査研究段階(第1段階)は、2001年3月に始まり、2005年度に修了した。第1段階の調査研究においては、地質環境統合化と繰り返しアプローチの考え方を導入し、幌延における研究所設置地区及びその周辺の地質環境の特性評価を行うとともに、それらの適用性を確認した。第1段階の成果については、2006年度に取りまとめ、2007年3月に公表した。本報告では、幌延深地層研究計画の第1段階で適用したステップワイズな調査研究における地質環境統合化手法と繰り返しアプローチの考え方と適用性について議論するとともに、その成果について取りまとめた。

Simple Model Representation of Transport in a Complex Fracture and Their Effects on Long-Term Predictions

亀裂中の開口幅の不均質性、亀裂内の小亀裂、断層ガウジ、小亀裂に囲まれたブロック、健岩部などの要素を考慮したモデルを「現実的モデル」として構築し、粒子追跡法を用いて核種移行計算を行い、短期間の原位置トレーサー試験と自然の動水勾配(0.001)下での長期のトレーサーの破過曲線をモデル化し、得られた破過曲線を「真」と仮定した。通常性能評価で用いられる平行平板モデル(単一開口幅で、単一のマトリクスを考慮)と開口幅の不均質性追加したモデルで、自然の動水勾配下でのトレーサーの長期挙動について以下の2つのシミュレーションを行い、「真」の結果と比較した。(1)原位置トレーサー試験の破過曲線に対するフィッティングを行ったモデル、(2)室内実験で得られたパラメータを用いたモデル。その結果、(1)のモデルは「真」の破過曲線に対してピーク時間が10-100倍遅くピーク濃度を1⁄50-1⁄300過少評価し非保守的結果が得られた。また、(2)のモデルは「真」の破過曲線に対してピーク時間が1⁄50早く、ピーク濃度が50倍過大評価され保守的な結果が得られた。これらから、亀裂の内部構造を適切に考慮する必要があることが明らかとなった。

Evolution of permeability in siliceous rocks by dissolution and precipitation under hydrothermal conditions

A conceptual model is presented to follow the evolution of permeability in Siliceous rocks mediated by pressure solution comprising the serial processes of interfacial dissolution, diffusion, and free-face precipitation. In this work the main minerals of siliceous rocks that are quartz, cristobalite, and amorphous silica, are notably focused to examine differences of the permeability evolutions attributed to the composed minerals, at the effective pressures of 1, 5, 10MPa, and temperatures of 20 and 90℃. The rates and magnitudes of the permeability degradation increase with increments of pressures and temperatures prescribed. Ultimate permeabilities reduce by the order of 90% at the completion of dissolution-mediated compaction at 10 MPa and 90℃.

Stepwise Hydrogeological Characterisation Utilising a Geosyntesis Methodology — A Case Study from the Mizunami Underground Research Laboratory Project —

超深地層研究所は「結晶質岩花崗岩を主な対象とした深地層の研究施設の一つであり」この計画では「地層処分研究開発の基盤となる深地層の科学的研究の一環として」深部地質環境の調査・解析・評価技術の基盤の整備を全体目標の一つとした調査研究が進められている。この目標を達成するために、統合化手法を構築してきているとともに、それの適用性を確認するための調査研究を進める。超深地層研究所計画の地表からの調査予測研究段階における地下水流動特性評価においては「水理調査と水理地質構造モデルの構築」地下水流動解析を繰り返し実施してきた。その結果「調査の進展に伴い水理地質構造モデルの不確実性が低減したことが確認でき」効率的に地下水流動特性を把握するためには「調査とモデル化・解析を繰り返し実施する」といったアプローチが有効であることが示された。

Redox front formation in an uplifting sedimentary rock sequence: an analogue for redox-controlling processes in the geosphere around deep geological repositories for radioactive waste

地下環境における酸化還元フロントは、多くの微量元素の移行及び固定を制御している。放射性廃棄物の地層処分に関する安全評価にとって、廃棄体周辺の長期に渡る酸化還元反応を評価することが必要となってくる。これらの反応を理解するために、隆起した堆積岩中に形成された酸化還元フロントに関する研究を実施したところ、フロントに存在する鉄酸化物の形成に微生物代謝が関与している可能性が示唆された。本報告で観察されたような水-岩石-微生物相互作用は、廃棄体周辺に形成される可能性のある酸化還元フロントで起こる反応のアナログとなると考えられる。このような酸化還元フロント中に形成された鉄酸化物は、廃棄体閉鎖後に還元環境が復元された後も保存される可能性がある。

長野県梓川上流セバ谷沿いに分布する礫層中から産する材化石の¹⁴C年代の再検討

火山活動や地すべりなどに伴う大規模な地形改変は、地下水流動系を変化させることなどにより、地下深部の地質環境に影響を及ぼす可能性がある。このため、大規模地形改変に関する研究事例を積み重ねることは、さまざまな自然事象が地下深部の地質環境に及ぼす影響に関する理解を深めるとともに、地層処分における地質環境の長期安定性にかかわる不確実性を低減させるうえで有益である。そこで、飛騨山脈を源とする梓川上流部の流路変更時期の推定に重要なデータとなる、焼岳の山麓に分布する段丘礫層の形成年代を、加速器質量分析装置を用いた放射性炭素年代測定によって調査し、礫層中の材化石群から約48ka BPの年代値を得た。この年代は、白谷山火山の活動開始時期とほぼ一致することから、白谷山火山の活動により梓川が堰き止められ、流路が東に変化し、平坦面付近の河川流量が増し急激な下刻が起きた可能性が考えられた。

フィッション・トラック年代によるむつ燧岳の活動年代の再検討

火山灰を用いた編年法の一つであるRIPL法は、後期更新世の地質年代を決定するために有効な方法として、活断層調査のみならず考古学等の分野に幅広く利用されている。さらに、梅田・古澤(2004)は、RIPL法を前期〜中期更新世の火山に適用し、噴火史の編年を行っている。今回、前期〜中期更新世へのRIPL法による編年の妥当性を検討するため、最終期に噴出したとされる火砕流堆積物を対象に通常の3〜4倍のジルコンを用いたフィッション・トラック年代(FT年代)測定を行った。その結果、FT年代(約80万年)は、RIPL法によって推定された年代(約30万年)に比べて有為に古い値を示す。このことは、RIPL法による編年に用いた河岸段丘堆積物が従来から指摘されていた形成年代(MIS10)より古い時代に形成されたことを示唆する。

JAEA–AMS–TONOの現状

東濃地科学センターでは、平成9年3月に岩石や地下水など天然試料の同位体分析を目的としてタンデム型加速器質量分析計(NEC製15SDH-2ペレトロン)を導入した。平成19年7月のタンデム研究会以降の装置の現状と、測定精度を向上するために行った改善を報告する。

Heat source for an amagmatic hydrothermal system, Noto Peninsula, Central Japan

地層処分システムの長期的な安全性を検討するうえで考慮すべき天然現象として、最近注目されている非火山性温泉の熱源を解明するため、能登半島(和倉温泉：95度)を事例に、温泉ガスの希ガス同位体分析及び三次元比抵抗構造解析を行った。その結果、三次元比抵抗構造によると、地下2〜3kmまでは、中新世の堆積岩と考えられる低比抵抗帯がそれ以深は、基盤岩(花崗岩)と考えられる高比抵抗帯が存在する。また、温泉ガスのヘリウム同位体比は、大気の値と同程度あるいはそれより低い値を示す。一方、最近発生したM6.5以上の内陸地震の震源域では、大気の2倍以上の値を示した。以上のことから能登半島の非火山性温泉は、高いU、 Th、 Kを含む花崗岩の崩壊熱によって温められた天水起源の地下水が、活構造帯等に規制され地表まで上昇した可能性があると考えられる。

Effects of earthquakes and faulting on the deep geological environment based on case studies in Japan

高レベル放射性廃棄物の地層処分の安全性確保にあたっては、変動帯に位置する我が国では、地震・断層活動が地質環境に与える影響を評価することが重要となる。地震・断層活動が地質環境に与える影響のうち、断層活動に伴う岩盤変位は、直接的な岩石の破壊のみならず周辺岩盤に透水性の高い破砕帯を形成するため、水理学的な影響を及ぼす可能性がある。本研究においては、我が国の代表的な横ずれ断層である跡津川断層帯を対象とした事例研究を行い、活断層に沿った破砕帯の分布頻度は、断層から500m離れると減少することがわかった。また、活断層沿いで行った断層水素ガス測定の結果からは、水素ガスの放出量と破砕帯の内部構造との関連性が見いだされ、断層水素ガスを利用した調査手法は破砕帯内の流体移行経路の把握に役立つという見通しを得た。

Synthesizing geoscientific data into a site model for performance assessment: A study of the long-term evolution of the geological environment in and around the Horonobe URL, Hokkaido, northern Japan

地層処分システムのセーフティケースにおける信頼性の構築のために重要な課題の一つは、地質環境の安定性を示すための一連の論拠及び解析結果を提示することである。本研究では、北海道北部の幌延深地層研究所を事例として、“データフローダイアグラム”と“プロセスダイアグラム”の手法を一連の調査・解析に対して適用した結果を示す。特に、地下水の流動特性と塩分濃度の空間分布にかかわる長期変遷を記述するための調査・研究を対象とした。このアプローチを用いることにより、さまざまな分野にまたがる調査結果を統合し、境界条件の変化を伴う水理地質構造モデルの変遷を検討することができた。そして、過去から現在に至る気候,地形及び地質構造の変化を反映させた水頭分布や地下水中の塩分濃度の変遷を描くことが可能となった。過去から現在に至るこのような地質環境モデルは、セーフティケース構築において必要とされる地層処分システムの将来変化の評価にかかわる信頼性向上につながるものと考えられる。