高レベル放射性廃棄物の地層処分研究開発

地層処分の統合的品質保証に関するワークショップ「地質環境調査結果のセーフティケースへの利用プロセスを対象として」開催報告

地層処分の長期的安全性の立証（セーフティケースと呼ばれる）に用いられる情報やデータ、証拠などの「品質保証」を統合的視点から議論するための国際ワークショップを日本原子力研究開発機構地層処分研究開発部門と原子力安全研究協会処分システム安全研究所で共同開催した。その概要を報告する。

深地層処分の概念

広く粘土の特性やその利用について解説する書籍のなかで、緩衝材として粘土が利用される放射性廃棄物地層処分の概念を記す。その要旨は、地層処分の安全確保、構成要素及びそれらに期待される機能を記すものである。地層処分システムの構成要素は人工バリア(ガラス固化体、オーバーパック、緩衝材)と天然バリア(母岩)である。緩衝材としての粘土には、オーバーパックの腐食や核種移行の抑制など化学的な緩衝機能と廃棄体の保持など物理的な機能が期待されている。

USE OF THE SAFETY CASE TO FOCUS KMS APPLICATIONS

高レベル放射性廃棄物の地層処分に関する実際的な課題として、地層処分技術に関する知識の爆発的な増加が挙げられる。この課題に対応するためには、知識マネジメントの基本概念を取り入れ、長期に渡る地層処分事業において知識を伝承していくことが必要である。そのため、日本原子力研究開発機構では、最新の情報工学および知識工学の技術を最大限に活用した次世代型の知識マネジメントシステムの開発を進めている。本稿では、安全性の考え方を論証、反証の流れで示した討論モデルの概要と「次世代型サイト特性調査情報統合システム」のエキスパートシステムとの関係を紹介する。

CHALLENGES FOR THE JAEA KMS: FOSTERING INVENTIVE DESIGN AND PROBLEM SOLVING

原子力機構が開発を進めているJAEA知識マネジメントシステム（KMS）を、技術の進展、安全性の要求、対象とする特定のサイトの条件などの境界条件の変化に柔軟に対応できるものとしていくためには、性能評価を行うために利用される手法の柔軟性を高めること、先進的な処分場概念の開発が柔軟に行えるようにすることが重要となる。このような課題の解決には革新的な解決策が必要となる場合があり、これまでは主に専門家の議論などのインフォーマルな方法で検討が行われてきた。本報では、革新的な解決策を得るための手法をよりフォーマルなものとしていくために、他分野で適用実績のある知識工学的アプローチ（発明的問題解決手法TRIZなど）の適用を検討した結果を紹介する。

PRACTICAL APPLICATION OF THE KMS: 2) SITE CHARACTERISATION

本稿では、原子力機構が開発を進めている知識マネジメントシステムの技術の適用事例として、一連の地質環境調査の進展によって変化する情報の質や量、社会状況などに応じて、調査計画の立案や実施を支援する次世代型サイト特性調査情報統合システム（ISIS）の概念や、瑞浪や幌延での経験に基づき構築したエキスパートシステムの例を紹介する。

Application of Formal Knowledge Engineering Approaches to Develop a Design Catalogue for a Japanese HLW Repository

人工バリア及び処分施設の要素のオプションについては、実施主体である原子力発電環境整備機構が、文献調査及び専門家の議論を通じてカタログとして整理している。ここで、代替的なオプションについては、理解を向上させるとともに、レファレンスデザインに対する良い点と悪い点の厳密な比較をしておくことが望まれる。そのため、本研究では、知識工学的な技術を活用しつつ、オプションの比較及び新規の概念の創出をよりフォーマルな形で行うための技術の開発と適用を検討している。具体的には、処分場の要素間でそれぞれに求められる性能の矛盾を抽出し、それらにフォーカスしつつ既成の概念にとらわれない思考を促進する技術を検討している。本報告では、それら技術の内容と適用のアプローチ及びその適用例を示すとともに、今後の課題を議論する。これら成果は、最適化された要素による統合的な処分場概念の構築に向けての基盤を提供する。本報告は、同会議のMakino et al.の報告と対をなすものであり、技術的内容を紹介するものでもある。本研究は、資源エネルギー庁の公募事業「先進的地層処分概念・性能評価技術高度化開発」において実施したものである。

粒状体個別要素法による一軸圧縮下における岩石のClass II挙動の解析

岩盤工学において、岩石の破壊挙動、特にpost-failure領域での挙動を知ることは最も重要な課題の一つであるといえる。本研究ではスウェーデンエスポ岩盤研究所で採取された岩石コアを用いた側方ひずみ制御の一軸圧縮試験結果に対して、粒状体個別要素法(DEM)コードを新たに開発し、岩石のClass II挙動の再現を試みた。その結果、シミュレーション結果は実験により得られた応力ひずみ曲線とよく一致しており、このことから、DEMシミュレーションにより、岩石のClass II挙動を良好に再現できることが確認できた。さらに、Class II挙動のメカニズムについて検討を行ったところ、Class IとClass IIの挙動の違いが載荷制御方法、Shear bandの形成が強く影響していることが明らかになった。

炭酸塩を含む地層処分模擬環境における純銅のアノード分極挙動と皮膜破壊電位の検討

銅オーバーパックの酸化性雰囲気における腐食挙動に及ぼす環境因子の影響を明らかにすることを目的として、炭酸塩水溶液を用いて動電位法及び定電位法によるアノード分極試験を80℃にて行った。その結果、高炭酸塩濃度、低塩化物イオン濃度、高pH条件ほど不動態化が促進され、皮膜破壊は抑制された。また、硫酸イオンは皮膜破壊を促進する傾向があった。ケイ砂混合ベントナイト中では水溶液中に比べて溶液組成の違いによるアノード分極曲線への影響は小さいことがわかった。また、より温度の低い条件で得られた既往のデータと比較すると、温度が高いほど不動態しやすくなる傾向は認められるものの、皮膜破壊電位Ebへの温度による影響は認められなかった。皮膜破壊電位Ebを皮膜攻撃型のイオンと皮膜破壊抑制型のイオンの濃度比、[Cl^-］⁄[HCO₃^-]、 [SO₄^2-]⁄[HCO₃^-]に対して整理すると、この濃度比が高いほどEbは卑化した。また、濃度比がある値以上では活性溶解の領域となり、不動態領域におけるEbの下限値は約-200mV vs. SCEと求められた。定電位試験の結果、Eb以上の電位や、アノード分極曲線における第2のピーク電流が現れる電位以上の条件で孔食又は不均一な腐食が観察された。

Distinct element analysis for Class II behavior of rocks under uniaxial compression

本研究では、半径方向のひずみを制御した一軸圧縮試験について個別要素法（DEM）解析を導入し、岩石のクラスII挙動を解析した。DEMのパラメータはスウェーデンのエスポ岩盤研究所で実施された一軸圧縮試験および圧裂引張試験から求めた。数値解析の結果、室内試験で得られたクラスII挙動を示す応力–ひずみ曲線と良い一致を示し、DEMによって岩石のクラスII挙動を再現可能であることを示した。また、クラスII挙動のメカニズムを微視的な観点から詳細に論じ、載荷状態と岩石の微視的構造がクラスII挙動の重要な役割を持つことを示した。

Applicability study on the design method for the buffer material of a HLW repository

The basic design flow for the Japanese reference Engineered Barrier System (EBS) and the associated disposal facility for high-level radioactive waste (HLW) was presented in the H12 report. This approach was appropriate to the boundary conditions at that time - defining a repository system that would allow feasibility of post-closure safety to be demonstrated for generic Japanese sites. Over the last decade such boundary conditions have changed dramatically as siting has now been initiated by an open call for volunteer communities to host this facility. The design process must now develop realistic and practical repository systems that can be tailored to specific locations and are described in sufficient detail that they can aid in the site selection process. Although it is clear that post-closure safety is a pre-requisite, for a real project this needs to be considered alongside other top level requirements - in particular the need to assure safety during construction and operation, to minimize environmental impact and to encourage public acceptance. Such concerns may lead to significant modifications of the repository appearance but, to the extent possible, emphasis should be placed on the well-established and demonstrably robust EBS components from H12. The most important of these is the buffer, which is considered in some detail in this paper.

Comprehensive strategy of coupled thermo-hydro-mechanical-chemical modeling for evaluation of long-term behavior in the near-field in JAEA

ニアフィールドの長期挙動を予測評価するために、熱–水–応力–化学連成現象にかかわるモデル開発を行ってきている。本論では、このモデルの適用範囲,開発方法について示す。また、これらから学んだ教訓及び今後の課題を示す。

Transformation of Selenium Solid Phase in the Presence of Iron under Reducing Conditions

地層処分模擬環境下でSe溶解度及びその溶解度制限固相について調査した。Se-79は処分環境下で陰イオンとして存在するためバリア材に対する吸着性が低く、高レベル放射性廃棄物処分の安全評価における重要核種の一つである。鉄のオーバーパックの腐食によりFe(II)が発生するため、Se(cr)より溶解度が低いFe-Se固相の生成が予期されている。ベントナイト平衡溶液中における実験とベントナイトが存在しない単純な系の実験を地層処分模擬環境下で行った。前者において液中Se濃度が約10^-8mol⁄dm³になった。後者は溶解度制限固相を確認するためのもので、Se固相の変遷を加速するためにより高温度の80℃で行った。液中Se濃度は時間とともに減少し、幾つかのSe固相を特定した。しかしながら、平衡は未確認である。当初はSe(cr)が支配的であったが、時間の経過とともにFe-Se固相(FeSe₂、 FeSe)が生成し始めた。長期にわたっては、熱力学計算で安定な固相として示された地層処分環境下におけるSe溶解度制限固相のFeSe₂を実験的に確かめることができた。

慣性項を考慮した単一亀裂グラウト注入モデルに関する基礎的研究

わが国のように岩盤の割れ目や地下水の多い地質環境では、湧水抑制対策としてグラウト技術が必要とされる。セメント系グラウトが用いられた場合、岩盤の変質に伴う化学的な影響が懸念される。グラウトによる岩盤変質の影響評価を行う上での初期条件の設定に関係するため重要である。本研究では、グラウト浸透モデル開発の一環として、慣性項を考慮した非ニュートン流体としてのグラウト注入モデルを構築し、単一亀裂を対象とした室内試験との比較により、慣性項の有無が浸透挙動に及ぼす影響について検討した。

Se(IV)⁄Se(VI)の標準電極電位に関するサイクリックボルタンメトリーによる実験的研究

本研究では、純粋な溶液系で実験が可能なサイクリックボルタンメトリーを用いてSe(IV)⁄Se(VI)の酸化還元反応の標準電極電位を求めた。室温条件下でNaClO₄を用いてイオン強度を調整した系( I(mol⁄kg)=0.500、1.00、1.50、2.00)で式量電位を測定し、式量電位から特異イオン相互作用モデル(SIT)により標準電極電位を導出した。さらに、サイクリックボルタンメトリーにより得られるピーク電位のSe濃度依存性から、次の反応の標準電極電位が得られた。
HSeO₃^-+H₂O=SeO₄^2-+3H⁺+2e^-　E⁰=0.821±0.002V vs. SHE.
本研究により決定したこの標準電極電位は、OECD⁄NEAの選定値より卑な値であり、OECD⁄NEAの選定値では矛盾していたSe(VI)の存在を確認した既往の実験研究を裏付けるものである。

X線CT法による亀裂内トレーサー移行プロセスの可視化と分析

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評価技術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簡便で第2次取りまとめなどのこれまでの性能評価報告書で実績のある一次元平行平板モデルが用いられる。しかし、一次元平行平板モデルの利用に際しては、実際には複雑な形状を呈する亀裂を一次元平行平板モデルで表現するため、透水量係数や亀裂開口幅の代表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、非破壊検査技術の1つであるX線CTスキャナーを複雑な表面形状を有する亀裂内部を物質移行の可視化に適用した。得られたその画像データにより亀裂内部での物質の移流・分散プロセスを評価・分析し、大きい空間と小さい空間が複雑に分布している場合には、亀裂開口幅の大小によりトレーサーの移行挙動が極端に異なり、開口幅が大きい空間で流れによどみが生じることが示された。

Modelling of Diffusion Behaviour of Humic Acid and Nd in the Presence of Humic Acid in Compacted Bentonite

圧縮ベントナイト中におけるフミン酸およびフミン酸共存下でのNdの拡散挙動を評価するとともに、そのモデル化を行った。NaCl濃度0.1および1M、乾燥密度1.2-1.6Mg⁄m³の条件下でフミン酸の破過が認められた。また、フミン酸が共存するとNdの移行は促進された。これらの実験結果から、拡散挙動の異なる複数のNd化学種が平衡を維持しながら拡散することを想定した一次元拡散モデルに基づき、フミン酸およびNdの拡散パラメータを評価した。得られたフミン酸およびNdの拡散パラメータを用いて、様々な条件下におけるフミン酸共存下での核種拡散挙動を予測する。

International Collaboration in Assessment of Radiological Impacts Arising from Releases to the Biosphere after Disposal of Radioactive Waste into Geological Repositories

放射性廃棄物地層処分においては、数千年もしくはそれ以上の超長期にわたって、Cl–36のような長半減期核種が、人間が普通にアクセスし利用する環境、すなわち生物圏に放出される。いかなる場合においても、処分場に起因して人間が受ける放射線量が放射線防護基準を満たすことを保証する必要がある。このような長期の時間枠における線量評価においては、地表環境や人間活動の変遷を考慮しなければならないという理由から、評価の枠組みを構築することは容易ではなく、長年にわたる国際共同プロジェクトによりこの問題が議論されてきた。本報では、放射線防護に関する国際的な勧告とサイト特有の評価におけるセーフティケース構築の準備に関して、国際協力により得られた成果およびJAEAを含む各国の研究アプローチについて概説する。

A Sampling Method and Data Evaluation of Archaeological Samples to Support Long-Term Corrosion Prediction

長期間地中に埋没していた考古学資料を用いたオーバーパックの長期腐食挙動調査を目的として、ナチュラルアナログ研究に資するための採取方法を提示した。小田城遺跡から出土した鉄製の鍬について、大気との接触を極力避けるために周囲の土壌を含めたブロックでの資料採取を行い、X線CTによる非破壊分析で土壌ブロック内の鉄器の腐食量を測定するとともに、微生物調査試料を採取した。本研究の結果、鉄の残存の確認と好気性微生物の検出ができた。腐食環境は弱酸化性雰囲気での腐食であることが分かった。

Diffusion and sorption of neptunium(V) in compacted montmorillonite: effects of carbonate and salinity

放射性廃棄物地層処分の安全評価において重要となる圧縮ベントナイト中の核種の収着・拡散挙動を把握・評価するため、圧縮モンモリロナイト中のNp(V)の収着・拡散挙動に及ぼす炭酸濃度と塩濃度の影響を、実験とモデルの両面から調査した。密度800kg⁄m³の圧縮モンモリロナイト中のNp(V)の実効拡散係数(D_e)と分配係数(K_d)が、塩濃度(0.05、0.5MのNaCl)と炭酸濃度(0、0.01MのNaHCO₃)の異なる4種類の条件下で取得した。炭酸が存在しない系ではD_eは塩濃度とともに減少し、炭酸共存系では逆の傾向を示した。K_dは炭酸が共存する系で1桁減少する結果が得られた。これらの収着・拡散挙動は、地球化学平衡計算、イオン交換と表面錯体反応を考慮した収着モデル、狭隘間隙中の電気二重層を考慮した拡散モデルによって解釈された。現象論収着・拡散モデルが、圧縮系での複雑な化学種の収着・拡散挙動の予測評価に有効であることを示した。

3D X-ray CT and diffusion measurements to assess tortuosity and constrictivity in a sedimentary rock

堆積岩の高分解能3次元画像をナノフォーカスX線CT測定により得た。堆積岩の3次元微細構造をコンピュータプログラムにより解析し、屈曲度及び幾何学的収れん度を算出した。また、同じ堆積岩に対してトリチウム水の拡散実験及び水銀圧入法による測定を実施した。堆積岩中のトリチウム水の拡散を支配する因子を理解するために、これらの結果を比較した。これらの結果は、本研究で対象とした系におけるトリチウム水の拡散を支配しているのは、収れん度ではなく屈曲度と有効間隙率であることを示唆した。本研究で用いた試料は、日本の放射性廃棄物地層処分研究を実施している幌延深地層研究センター周辺の稚内層の珪質泥岩である。

Partition coefficient of Ra in gypsum

石膏に対するRaの元素分配比を共沈実験を行い測定した。元素分配比は0.71±0.53となった。既往の報告で石膏に対するRaの元素分配比の報告はない。重晶石に対するRa及び石膏に対するSrの元素分配比と比較評価した結果、本実験により得られた元素分配比は妥当な値であると考えられる。

Measurement of HLW glass dissolution/alteration kinetics by using micro-reactor flow-through test method

ガラス溶解⁄変質挙動の速度論的評価を行うため、マイクロリアクタを用いた新しい流水溶解試験法を開発した。この方法では、マイクロ流路(20×2×16mm)を有するテフロン台に板状のガラス試料を設置し、シリンジポンプにより一定の流速でマイクロ流路に溶液を注入させることでガラス試料と反応させる。反応後の溶液を一定の間隔で採取、分析することで溶解⁄変質速度を得ることが可能となる。この方法は、装置がコンパクトで単純である、反応面積に対して反応溶液量が少ない、高感度で溶解/変質速度が測定できる、試験後試料の表面分析が容易である、などの特徴を有する。この方法により、P0798ガラスのpH、温度、流速、時間を関数とした試験を行い、ガラス溶解⁄変質挙動の速度論的評価に必要なデータを取得した。

Development of scenario analysis and database for quantitative analysis of microbial effects on the repository performance

地層処分の性能評価の観点から微生物影響について、内外の研究成果をもとにシナリオ解析を実施した。微生物に関する不確実性を踏まえて重要なFEPを抽出し微生物影響を分類した。結果として、地下水組成に関する微生物影響評価が重要であることがわかった。また、重要な6種の微生物群について成長や活性に関する微生物パラメータのデータベースを開発した。そのデータベースは微生物影響を評価するモデル上重要なデータ、成長速度、最大成長速度、死滅率や実験条件を網羅している。

Quantification of Exchangeable Cations in Interlayer of Tsukinuno Sodium-Montmorillonite

幌延深地層研究計画では、処分技術の信頼性向上と安全評価手法の高度化の一環として、緩衝材や埋め戻し材として使用が検討されているベントナイトに関する研究を行っている。ベントナイトの構成粘土鉱物のモンモリロナイト層間中の交換性陽イオン(EC)については、その一部はCaやMgが占めることも知られているが、定量的にはわかっていないため、Naとして取扱われてきた。しかしながら、層間中のECの種類と占有率は、膨潤、間隙水化学、物質移行など、さまざまな特性に影響を及ぼすため、それらを解析するための基礎データとして必要である。本研究では、月布産のベントナイト中のモンモリロナイトの陽イオン交換容量(CEC)と浸出陽イオン(LC)を精密に測定し、層間中のECとそれらの占有率を求めるとともに、層間中のNaとプロトンのイオン交換反応定数(logK)を算出した。CECは従来の報告値と同程度であり、LCの総量とも一致した。層間中のNaの占有率は全体の3⁄4程度であり、Mgは約7%、Caは約19%であることがわかった。これらのデータに基づいてlogKを求めた結果、既存の値よりも2桁程度低いことがわかった。この原因は、既存の値がイオン強度の影響を受けにくい条件で導出されたことによる。また、既存の値は塩水系地下水に対しては有効であるが、降水系地下水に対しては適用できない。一方、本研究で得られたlogKはすべての条件を網羅しており、今後の解析ではlogKを見直す必要があるものと考える。

堆積軟岩における立坑掘削の内空変位計測に基づく岩盤挙動分類の提案

深地層の坑道掘削には、地上からの調査では適切な岩盤物性を十分に把握することが困難であるため、情報化施工を必要とする。同施工では、掘削に伴って、岩盤の変形量や支保部材応力を逐次計測・分析し、原位置の岩盤性状に合わせた合理的な支保構造へと変更していく。原子力機構は、幌延深地層研究所の地下施設建設において、情報化施工プログラムを策定し、運用している。2009年2月末には、換気立坑が深度250m、東立坑が深度140mに到達している。同プログラムでは、各種計測結果を迅速に評価し、後続の施工区間や西立坑掘削時の岩盤挙動を予測できる指標を必要としている。本研究では、2本の立坑で計測した内空変位量から、掘削初期段階の初期変形率と、覆工コンクリートの構築までに生じる断面変形率の関係を考察し、両者の関係を岩盤挙動分類として提示した。初期変形率は、初期地圧と岩盤の弾性係数の比と関係があり、岩盤性状を表す指標の一つである。これを踏まえ、初期変形率と立坑底盤で実施した孔内載荷試験結果に基づく弾性係数との関係を分析した。同分類に基づけば、立坑底盤から先行ボーリングを利用した孔内載荷試験を実施し、岩盤の弾性係数を得ることにより、載荷深度付近の立坑掘削に伴う岩盤挙動を迅速に予測することができる。

人工知能技術を用いた坑道掘削に伴う間隙水圧の変動予測解析

亀裂性岩盤でのトンネルや立坑掘削はサイト周辺の水圧変化を発生させる。高透水性の水みちが存在する場合、その影響は場所により異なることが予想される。そのため水圧変動をリアルタイムで予測し、異常の兆候を捉え、これに対処することにより地下水状態を適切に維持することは、周辺環境への影響を低減するうえで非常に重要である。これは、地層処分のサイト調査における環境影響評価の有効な手法の1つと考えられる。本論では、原子力機構が開発した、人工知能技術（遺伝的アルゴリズムおよびニューラルネットワーク）による水圧変動の予測解析システムを用いて、瑞浪超深地層研究所および周辺のボーリング孔で取得した観測データに適用した結果について論述する。その結果、当地域の水圧変動は4つのパターンに分類可能であることを確認した。また、同じ変動パターンを有するデータ群を用いることで、任意地点の水圧変動を予測可能であることが明らかとなった。

超深地層研究所計画 第2段階の力学調査結果に基づく岩盤力学概念モデルの妥当性評価

日本原子力研究開発機構では、結晶質岩を対象として実施中の超深地層研究所計画において、深部地質環境の調査・解析・評価技術の基盤の整備を進めている。本報では、この一環として地表からの調査予測研究段階（第1段階）で構築した岩盤力学概念モデルの妥当性の検討結果を報告する。具体的には、第1段階で構築した研究所用地の岩盤力学概念モデルの妥当性評価として、深度300mまで展開した研究坑道において岩盤力学調査を実施し、その結果を概念モデルと比較・検討した。その結果、第1段階で予測した岩石物性や初期応力状態は、深度300mまでの範囲ではほぼ妥当と評価できる反面、巨視的物性に影響を及ぼす割れ目の分布特性は予測精度の向上が必要と考えられる。

幌延地域に分布する珪質岩に対する幾つかの岩盤応力測定法の適用性と推定された応力状態

初期地圧は、空洞の形状・支保形態を決定する重要な因子となるため、高レベル放射性廃棄物の処分場のような重要な地下構造物を合理的に設計・施工するには、地下深部に作用する初期地圧を適切に評価する必要がある。そこで、筆者らは原子力機構が進めている幌延深地層研究計画で研究対象としている新第三紀堆積岩を対象に、既存の初期地圧計測手法の新第三紀堆積岩に対する適用性・作業性を検討するとともに、初期地圧測定結果と造構作用や孔壁観察結果などの情報から幌延地域に作用している初期応力状態を総合的に議論した。その結果、AE法についてはカイザー効果の時間依存性の影響が大きく原位置の応力状態を過小に評価してしまう可能性があることが示唆された。一方、DSCA法についてはAE法と比較し原位置試験で得られた最大主応力方位とほぼ一致し、新第三紀堆積岩に対する適用性はAE法と比較すると高かった。水圧破砕法については、コンプライアンスの大きいワイヤラインタイプのシステムを採用することで通常使用されるロッドタイプより高い精度でき裂開口圧を求めることができ、応力状態は造構作用などの影響を受け東西圧縮の偏圧下に晒されていることがわかった。

新第三紀堆積岩中の割れ目は主要な水みちとなり得るか？

堆積岩において、割れ目がどの程度地層中の主要な水みちとして機能しているかを把握することは、地下水の流れに関するモデル化及び数値解析を行ううえで重要な基盤情報となる。本報告では、北海道北部の幌延地域に分布する新第三紀の堆積岩(声問層と稚内層)中の割れ目がどの程度主要な水みちとして機能しているかを、ボーリング孔における割れ目と地下水の流出入箇所との対応関係から把握するために、コア観察,超音波型孔壁画像検層及び流体電気伝導度検層を実施した。その結果、声問層の割れ目はほとんど主要な水みちとして機能せず、稚内層の割れ目はある程度主要な水みちとして機能していることが定量的に示された。その原因を検討するためにさらなる統計処理を行った結果、声問層の割れ目は連続性・連結性に乏しく、稚内層の割れ目はある程度の連続性・連結性を有す(少なくとも声問層のそれより連続性・連結性に富むこと)が示唆された。加えて、稚内層の割れ目は声問層のそれより全体的に開口性に富むことが示唆された。このことから、声問層は多孔質媒体として、稚内層は声問層と比べ亀裂性媒体としての性質が強いと考えられる。

深部地下水の物理化学パラメータ（pH、酸化還元電位）の測定とその留意点

地下水の物理化学パラメータは、金属元素の挙動や物質循環にかかわる重要なパラメータである。しかしながら、その測定では電極の応答性に依存して安定値の取得に長時間を要するとともに、地下水揚水時に溶存ガスの脱ガス等により値が変化する。本研究では、深度約500mの地下水を対象として、原位置及び地上において形状の異なる複数の電極を用いて物理化学パラメータを測定し、各電極の応答性について知見を得るとともに、溶存ガスの脱ガスに伴う物理化学パラメータの変化について補正方法の構築を試みた。測定の結果、地下水揚水時の脱ガスに起因して生じるpHの変化は約0.4であり、脱ガス量を補正することで原位置の値を見積もることができた。また、酸化還元電位は約-100mVであり、おもに二価鉄、硫酸イオンと硫化鉱物、炭酸鉄鉱物の酸化還元反応が支配反応であると考えられた。pHと酸化還元電位にかかわる主要なプロセスを解析する際は、脱ガス量とその成分を把握しpHを補正することにより、誤解釈を防ぐことが重要である。電極の選択に関しては、点状電極よりも面状電極、棒状電極の方がより短時間に酸化還元電位値を取得できることが明らかになった。

ポゾラン高含有鉄筋コンクリートの長期海洋暴露試験

pHが11.0程度の低アルカリ性を有するフライアッシュ高含有シリカフュームセメント(HFSC)について、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、コンクリート供試体の6年間の海洋暴露試験を行い、圧縮強度、塩化物イオン侵入量、鉄筋腐食について調査し、腐食ひび割れの発生時期を予測した。その結果、6年間の海洋環境下における圧縮強度の低下はなく、塩化物イオンの侵入は普通ポルトランドセメントに比べて少ないことが明らかになった。また、鉄筋腐食は、塩化物イオンの侵入が少ない時期に生じるが、その進行は遅く、かぶり100mm、鉄筋径22mmの場合の腐食ひび割れ発生時期は50〜100年後と予測される。以上のことから、HFSCを鉄筋コンクリートに適用する場合には、鉄筋径や使用部位を適切に選定することが重要となることが示唆された。

高レベル放射性廃棄物の地層処分を支える地下研究施設の構築

エネルギー資源に乏しい我が国において継続的にエネルギーを確保していくうえで、核燃料サイクルによる原子力の利用は重要であり、原子力の利用に伴って発生する高レベル放射性廃棄物の処分を着実に進める必要がある。機構では「原子力政策大綱」などに示される役割に基づき、高レベル放射性廃棄物の地層処分技術の信頼性を高め、地層処分の実施主体が行う処分事業と国による安全規制の双方を支える基盤的な研究開発の一環として実施しており、岐阜県瑞浪市において結晶質岩を、北海道幌延町において堆積岩を対象として二つの深地層の研究施設計画を進めている。両地下研究施設は世界的にも数少ない大深度の地下空間施設であり、本論においては地下研究施設の背景と位置づけ、施設建設の概要を中心に報告した。

ショートステップ工法における立坑掘削時の覆工および周辺岩盤の挙動

日本原子力研究開発機構が北海道幌延町において建設中の地下施設のうち、2つの立坑はショートステップ工法で施工されている。本工法では掘削後ただちに覆工コンクリートを打設することから、一般的なNATMによる施工とは異なり、覆工コンクリートが支保の役割をなす。このため地中相対変位・覆工応力等は本工法に特有な挙動を示す。このショートステップ工法に特有の挙動のメカニズムを解明し、将来の合理的な設計手法に資することを目的に、初期地圧の異方性、換気立坑の切羽・覆工形状、コンクリートの材齢に応じた力学特性の変化、施工過程等を考慮した三次元逐次掘削解析を実施し、計測結果と比較分析した結果、地中相対変位・覆工応力の計測結果に見られるショートステップ工法に特有の実現象を再現することができた。

Reliable Measurement Method to Reveal a Peculiar Dielectric Dispersion in Wet Rocks by Means of ACROSS

精密制御定常信号システム（アクロス）の手法を応用し、かつ測定中のバイアスを低減する電気回路および電極を用いて、精密で信頼性の高い複素誘電率測定法を開発した。湿潤石英砂およびガラスビーズの電気的特性をこの測定法で測定し、低周波数領域で周波数に反比例して誘電率が大きくなり、1mHzでは10ˆ5にまでなる結果を得た。一方損失角は0.01ラジアン程度で、周波数に依存しないことから、水を含んだ土壌はこれまで報告されていない大きな誘電率をもつ可能性が示唆された。

Stacking Strategy for Acquisition of an ACROSS Transfer Function

地下の能動的監視法において、静穏な夜間のデータだけでなく人工ノイズの大きな昼間のデータも用いてスタッキングを行い、SN比（定常信号振幅と環境ノイズの比）を稼ぐことが重要である。本論文では、精密制御定常信号システム（アクロス）のデータに対して理論的なノイズレベル推定法を導入し、最適なスタッキング法を提案する。本方法の重要な点は、SN比は観測時間の平方根に比例して改善されることである。この手法を実際の弾性波および電磁波アクロスのデータに適用した結果を例として示す。

Impacts of thermo-hydro -mechanical experiments on the microbial activity in compacted bentonite at the Kamaishi Mine, northeast Japan

岩手県の釜石鉱山においてベントナイト及び周辺岩盤(花崗閃緑岩)における微生物活動を調査した。母岩に関して、花崗閃緑岩の深部地下水の細菌及び可視微生物の全菌数が算出できた。また、硫酸還元菌、脱窒菌の存在も確認された。緩衝材の原位置での性能を試験する人工バリア試験という熱–水–応力連成試験を実施した。加熱フェーズ後と冷却フェーズ後にベントナイトのサンプルを取得し、天然の微生物が模擬処分環境で存在するか微生物分析を行った。試験の結果、従属栄養生物が存在するものの、含水比の小さいヒーターの周辺のベントナイト中では存在しないことが確認された。これは、処分後の廃棄体の温度が高い期間の廃棄体周辺では微生物の活動が極端に制限されることを示している。このような知見は、高レベル放射性廃棄物地層処分における微生物の影響の評価に有用である。

APPROACHES FOR MODELLING TRANSIENT UNSATURATED-SATURATED GROUNDWATER FLOW DURING AND AFTER CONSTRUCTION

複雑な水理地質環境における地下水流動解析の効率的なモデル化・解析を実施するため、これらを一貫して行うことができるGEOMASSシステムを開発している。本システムを用いて、坑道掘削に伴う飽和−不飽和問題での地下水流動場の変化に関するデータに基づく水理地質構造モデルの更新および今後の変化を予測するために、地下水流動解析コードの改良を実施するとともに、改良した解析コードの信頼性確認のために、検証済みの解析コードと同一条件下での解析を実施した。

Relationship between rock deformation and support load in shaft sinking in Horonobe URL Project

深地層の坑道掘削には、地上からの調査では適切な岩盤物性を十分に把握することが困難であるため、情報化施工を必要とする。同施工では、掘削に伴って、岩盤の変形量や支保部材応力を逐次計測、分析し、原位置の岩盤性状にあわせた合理的な支保構造へと変更していく。これに従い、原子力機構は、幌延深地層研究所の地下施設建設において、情報化施工プログラムを策定し、運用している。現在、同プログラムでは、掘削初期段階の変形量から坑道が安定する際の支保部材応力を予測し、その安定性を迅速に評価することを必要としている。本研究では、同地下施設の換気立坑深度250m、東立坑深度140mまでに計測した内空変位量に基づく初期変形率と、主要な支保部材である覆工コンクリートの応力計測結果の関係を考察し、両者の関係を岩盤挙動分類として提示した。初期変形率は、初期地圧と原位置の岩盤の弾性係数の比と関係があり、岩盤性状を表す指標の一つである。この関係に基づけば、立坑掘削において、構築した支保構造の評価を迅速に行うことができ、支保部材量の増減を判断する一助となる。今後は、運用している情報化施工プログラムに施工管理基準として組み込む予定である。

INVESTIGATION ON COLLAPSE MECHANISMS OF SUPER-DEEP VERTICAL SHAFTS IN JAPAN

近年の大深度地下構造物の建設では、大深度の立坑の重要性について関心が寄せられている。しかし、日本の石炭産出量の減少に伴い、1000mオーダーの大深度立坑は20年以上建設されていない。本論文は、立坑の合理的な設計手法の基礎の確立と技術の継承の観点から、集中的な文献調査とそのレビュー及び大深度立坑の設計・施工に関連する経験を持つ技術者へのインタビューを実施した結果をまとめたものである。

Studies of Grouting Performance in the Mizunami Underground Research Laboratory

グラウチングは、地下構造物の施工において湧水を抑制するうえで重要な技術である。一方、地層処分の観点からは、グラウチングに使用されるセメント材料が人工バリアの性能に影響を及ぼす可能性を避けるために、グラウチングの効果やその浸透範囲を定量的に把握する必要がある。このような観点から、経済産業省資源エネルギー庁からの研究受託の一貫として、瑞浪超深地層研究所の深度200mレベルに掘削した避難所周辺を対象とし、グラウチングの効果に関する研究を実施した。本研究では、プレグラウチング後に掘削した避難所から計10本のボーリング孔を掘削し、各種調査を行うとともに、その結果を総合的に評価し水理地質モデルの構築及び地下水流動解析を実施し、グラウト材の浸透範囲やその効果を定量的に検討した。その結果、既存のグラウト手法は結晶質岩の大量湧水抑制対策として十分な効果を発揮していることを確認するとともに、グラウチングにより1オーダー以上の透水性の低減があったと推定された。

Geomechanical Model for Sedimentary Soft Rock based on Surface-based Investigations

日本原子力研究開発機構は、北海道幌延町において新第三紀堆積岩を対象とし、地下施設建設を伴う研究プロジェクト(幌延深地層研究計画)を進めている。本報告は、地表からの調査結果に基づく、地下施設の建設時の岩盤の力学的挙動を予測するための物理的、力学的物性を設定するための岩盤力学概念モデルの構築について示す。地表からのボーリング調査に基づく岩盤物性の評価結果から、現在の地質構造は褶曲や断層などにより複雑になっているが、岩盤は深度方向に3つのゾーンに区分でき、堆積時の地質構造に応じた力学特性を持っていることがわかった。これらの結果から、地質構造(層序、褶曲や断層による変位など)を考慮することで、三次元的な岩盤力学概念モデルを合理的に構築することができた。

Relationship between fault system estimated by the fault-striation analysis of drilling cores and rock mass behavior induced by shaft excavation in Horonobe area, northern Japan

原子力機構は、高レベル放射性廃棄物の地層処分に関する研究開発として、幌延地域において地下施設を用いた幌延深地層研究計画を進めており、現在換気立坑と東立坑の坑道掘削を行っている。本研究は、小断層解析によって断層系の特性を把握し、断層系と坑道掘削に伴う岩盤挙動との関係について調べた結果である。本地域では、ボーリング孔を用いた初期地圧測定が行われており、最大主応力方向は東西方向であるという結果が得られている。一方、換気立坑における内空変位の最大圧縮方向は北北東-南南西から北東-南西方向であり、両者の結果は異なる。その原因として、初期地圧測定は健岩部を対象とした測定であり、断層系を考慮していないことが考えられる。そこで、断層系の特性を把握するため、換気立坑近傍で行われた先行ボーリングにより得られたコアを用いて小断層解析を行った。その結果、小断層解析によって得られた最大主応力方向は、換気立坑における内空変位の最大圧縮方向と調和的であり、断層系が岩盤挙動に影響を与えている可能性を示唆する。今後、立坑において今回のようなアプローチを行うことで断層系と岩盤挙動の関係を詳細に把握できると考えられる。

Estimation of regional stress by FEM for a heterogeneous rock mass with a large fault

大規模断層を含む不均一岩体の広域応力場の評価法について、三次元有限要素法を用い、二つの研究を実施した。一つ目の研究として、小規模モデルを対象とした基礎的研究として、断層が部分的に滑る場合の広域応力場評価とともに、断層が滑っていない場合について、評価精度に及ぼす断層剛性の設定値,地圧データの与え方、断層滑りの影響等、評価手法について検討した結果を述べる。二つ目の研究として、広領域の東濃地区に月吉断層が存在する場合を対象として、断層が滑らないと仮定した場合の広域応力場評価に関する研究を行い、現在までに測定された地区データを用いて広域応力場を評価し、小規模モデルに関する研究で得られた知見を基礎としてその妥当性について検討し、東濃地区の応力分布の傾向を論じた。

色相計測による閉塞盆地埋積物中の有機炭素含有率推定の試み

大湫盆地のコア試料を用いて、堆積物の有機炭素量を測定し、その結果と堆積物の色相計測の値の一つである明度(L*値)とを比較した。その結果、両者には有意な相関が認められ、L*値から堆積物中の有機炭素量が推定可能であることが明らかとなった。色相計測は有機炭素量測定に比べ迅速かつ高密度に測定できることから、今後、迅速な堆積物の対比や詳細な気候変動の復元に役立つ手法になると考えられる。

高レベル放射性廃棄物の地層処分における断層研究の現状と今後の展望

高レベル放射性廃棄物の地層処分の安全性を確保するためには、自然現象によって地層処分システムが有する物理的な隔離機能が著しく損なわれないようなサイトを選ぶこと、選ばれたサイトについては想定される地質環境条件の変動を見込んで合理的な処分システムを構築していくことが重要となる。そのため、第四紀に活動した広義の活断層を検出する技術や断層運動を含む地殻変動によって将来の地下水の流れや水質がどの程度まで変動する可能性があるかを予測する技術に係わる研究開発も進められている。今後は、熱年代学的アプローチによるボーリングや坑道等の地下で遭遇した断層の活動性の検討が必要となる。

地表近傍の酸化的な水理地質環境における放射性鉱物の安定性 —岐阜県南東部、苗木地方の砂鉱床の事例

我が国のウラン鉱床は、さまざまな地質学的事象を被りつつも長期間にわたって核種が保持されてきた事例である。このため、このような天然の事例を通じて、我が国の多様な地質環境における長期間に渡る核種の保持・移行挙動についての理解を深めることは、核種移行モデルの不確実性を低減させるとともに、地層処分の安全性に対する信頼性をさらに向上させるうえで有益である。そこで、地表近傍の酸化的な環境における核種の移行挙動を解明することを目的として、岐阜県南東部、苗木地域のウラン鉱床(砂鉱床タイプ)の試料を用いて、放射性鉱物(ジルコン、モナズ石、フェルグソン石、トール石など)の表面構造の観察と化学分析を行った。その結果、各鉱物の変質・溶食に対する安定性の程度や変質層の形成速度などを見積もることができた。また、放射性鉱物が変質を受けやすい酸化的な環境におかれた場合、ウランの溶出速度は鉱物種に依存するものの、その量は微量にとどまることが示唆された。

ボーリングコア解析と¹⁴C年代測定にもとづく木曽川デルタの形成プロセス

隆起・侵食は処分場の深度を減少させ、地下水流動系の変化を引き起こす可能性があるため、地層処分の長期安全性を評価するうえで考慮すべき重要な地質学的事象である。侵食量については、河川上流域の比較的狭い範囲を対象としてはダムの堆砂量を利用して見積もられているが、下流域から上流域までを含む広い範囲を対象としては行われていない。このような広い範囲を対象とする場合、侵食された土砂は河口付近の平野に堆積するため、そこでの堆積量を見積もることにより、侵食量を推定することができる。しかし、海岸沿いの平野は海水準変動の影響を強く受けるため、その形成プロセスは複雑である。そこで、海水準変動の影響を受けて形成された平野の事例として、濃尾平野の形成プロセスを検討した。具体的には、海岸からの距離が異なる複数のボーリングコアを用いて、堆積物の堆積相解析によって濃尾平野の地形地質断面を作成するとともに、多数の放射性炭素年代によって等時間面を求めた。この結果、海水準の上昇に伴って内湾が拡大したのに対し、海水準の下降に伴ってデルタが前進したことが明らかになるとともに、内湾の拡大速度とデルタの前進速度が示された。

JAEA–AMS–TONOの現状

日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、平成9年に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JAEA–AMS–TONO(NEC製15SDH–2ペレトロン)を導入した。おもに放射性炭素の測定を行い、堆積物や地下水などの地球科学にかかわる各種試料の年代決定等に貢献してきた。平成18年度より施設共用が開始され、外部機関からの試料の受け入れも実施している。本発表では平成20年度の運転状況及び装置の改善点について報告する。平成20年度の実績として879件の測定を行い、ビーム発生時間は1102時間であった。イオンビームの安定化を図るため、入射側ビームラインのアライメントを再度行い、イオン源オーブン温度制御、ホイール回転軸及びコロナプローブの改善等を行った。

三重県多気地域に産するシュードタキライトのジルコン(U–Th)⁄He年代測定

地層処分の安全性を検討する上で考慮すべき自然現象の一つである断層活動の活動性については、断層岩に着目した熱年代学的アプローチが重要な評価手法の1つとなる。代表的な断層岩であるシュードタキライト(PST)について、三重県多気町の試料の(U–Th)⁄He年代測定を行ったのでその結果を報告する。このPSTはマイロナイト化した畑井トーナル岩の脆性変形の際に融解・急冷によって形成され、その後さらに破砕の影響を受けているとされる。PSTから分離したジルコンについて60.3±2.7 Ma(1SE)、PST近傍のマイロナイトから分離したジルコンについて55.5±4.5 Ma(1SE)の(U–Th)⁄He年代を得た。これはPSTから分離したジルコンの60.0±3.5 Ma(1SE)のFT年代(Takagi et al., 2009)と誤差の範囲で一致する。また、この年代はトーナル岩より有意に若い(Takagi et al., 2009)。これらが示唆する180–350℃というPST生成環境温度は、これを200–300℃と推定したShimada et al.(2001)とも整合的である。この場合、(U–Th)⁄He年代は試料の長期的な冷却過程、すなわち削剥速度と断層を起源とする長期的な熱影響の情報を通じて天然バリアの長期安定性評価に貢献しうる。

Reconstructing the evolution of fault zone architecture: Field-based study of the core region of the Atera Fault, Central Japan

地下数km以浅における断層破砕帯の発達過程を明らかにするため、岐阜県の阿寺断層を事例対象として、破砕帯の詳細な記載を行った。調査地域では、花崗岩と溶結凝灰岩が阿寺断層を介して接し、断層粘土、断層角礫などからなる破砕帯が幅20m程度で発達する。脆性破壊で特徴付けられる岩石の変形構造などから、この破砕帯がおもに地下数100mから数kmで形成されたことがわかる。調査対象の破砕帯のうち、断層粘土が卓越する幅1m程度の区間にのみ、花崗岩と溶結凝灰岩の両方の破砕岩片が混在し、調査地域に近接して分布する約160万年前の火山岩(上野玄武岩)の破片が伴われる。またこの区間では、水–岩石反応に伴い玄武岩岩片の表面にできた炭酸塩の充填物が破片化して散在するなど、複数回の地震に伴う破壊の繰り返しを示す構造が見られる。以上のことから、幅20m程度の破砕帯の中で、近年の断層活動に伴う変位をまかなっていたのは、幅1m程度の区間に集中していたことが示される。

Helium isotopes as a tool for detecting concealed active faults

伏在活断層や低活動性で変動地形の明瞭でない活断層、未成熟な活断層等、いわゆる未知の活断層と呼ばれる断層を概要調査等によって確認することは、地層処分の安全性を確保する点から重要な課題である。これらの調査技術は、近年の変動地形学や地球物理学の進歩によって高い確度で識別されることが予想されるが、さらなる信頼性の向上を図るため、これまで研究事例が少なかった地球化学的アプローチによる活断層の検出手法について検討を行い、有効である可能性が示された。