高レベル放射性廃棄物の地層処分研究開発

知識マネジメントシステム開発の現状 —平成21年度地層処分研究開発部門意見交換会— （会議報告）

地層処分研究開発部門では、地層処分の事業と安全規制の技術基盤を継続的に支えていくため、研究開発の成果や関連する内外の知見などを体系的に管理し、円滑に伝達・継承していくための知識マネジメントシステムの開発、及び知識マネジメントシステムを通じて最新の知識ベースを柔軟に利用できるCoolRep方式による研究開発成果の取りまとめを進めている。今年度末には、知識マネジメントシステムのプロトタイプ並びに現中期計画（平成17年度～平成21年度）の成果取りまとめ（CoolRep H22)を公開する予定である。その公開に向け、知識マネジメントシステム開発の現状やCoolRepの全体構想などを紹介し、広くご意見をいただくための意見交換会「知識マネジメントシステム開発の現状」を、平成21年7月1日に東京都千代田区で開催した。本資料は、その概要を取りまとめたものである。

使用済燃料の地層処分の定置技術に関する調査検討

我が国で使用済燃料の直接処分を実施した場合の設計検討が、現在の原子力政策大綱策定時に作成された「基本シナリオの核燃料サイクルコスト比較に関する報告書」において示されている。本調査検討では、使用済燃料の直接処分で先行しているフィンランドやスウェーデンにおける使用済燃料の定置装置、定置方法、処分坑道・処分孔仕様等の最新の検討例を調査し、上記報告書における処分坑道仕様の見直しを試みた。その結果、ある一定の仮定のもとに処分坑道断面積を大幅に低減できる可能性が示された。今後、検討内容の品質を高めるためにも定置装置等の詳細な検討が望まれる。

緩衝材の侵入現象モデルの適用性に関する検討

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、緩衝材の物理的安定性に影響を及ぼす事象として、緩衝材の流出⁄侵入現象が考えられている。本報では、侵入現象のモデル化において用いられている緩衝材の粘度についてデータの取得を行い、それらに基づいた粘度評価値の見直しにより、実験結果のシミュレーション解析を実施して侵入現象モデルの適用性の確認を行った。

アンモニア水溶液およびアンモニウムイオンを含む地下水中における純銅の応力腐食割れ挙動

応力腐食割れは一般に割れを伴わない腐食に比較して進展速度が大きく、腐食しろによって貫通を防ぐことは困難である。したがって、オーバーパック材料として銅を適用する場合には応力腐食割れの生起可能性や生起条件を明らかにする必要がある。銅および銅合金はアンモニアを含む環境において、条件によっては応力腐食割れに対して感受性を示すことが知られている。本研究では、アンモニア溶液中およびアンモニウムイオンを含む地下水を用い、酸化性条件において無酸素銅の低歪速度試験（SSRT）を実施し、応力腐食割れ感受性を検討した。その結果、0.05Mおよび0.1MのNH₄OH水溶液中では大気平衡における自然電位条件で割れの発生は認められなかった。アンモニウムイオンを含む幌延の地下水条件では-144mV vs.SCEにおいて脆性的な破面と亀裂が観察された。亀裂の形態は粒界割れのほか、浅い粒内割れ、粒界割れから枝分かれした粒内割れが観察された。これらの条件では表面および亀裂内部において強く密着した腐食生成物が観察されており、変色皮膜破壊機構による応力腐食割れが示唆された。幌延地下水が飽和した緩衝材中では、最大応力、破断伸びなど機械的特性はシリコンオイル中と同程度であり、試験片表面にも応力腐食割れに起因する明瞭な割れは認められなかった。

ニアフィールドの長期力学連成解析手法の構築（II）

高レベル放射性廃棄物の地層処分における人工バリア設計や安全評価においては、緩衝材の長期力学的挙動に影響を及ぼす事象を適切に評価することが重要となる。原子力機構では、ニアフィールドにおける長期的な力学的相互作用を評価するために、人工バリア、処分坑道、周辺岩盤を含む3次元有限要素解析モデルを用いて、オーバーパックの自重沈下、腐食膨張および岩盤クリープ挙動を考慮することができる連成解析手法を構築した。また、コンクリート支保の劣化挙動モデルを解析プログラムに導入し、動作確認及び妥当性の検証を実施した。本稿では、これまでの検討で残された課題である、1）埋め戻し材の力学パラメータの取得及び構成モデルの検討、2）コンクリート支保劣化モデルの3次元プロトタイプへの導入、3）3次元有限要素解析モデルにおける解析メッシュの分割粗さ及び時間刻みの影響について検討した。1）では、埋め戻し材を対象とした圧密試験を実施し、供試体成型圧に近い圧密降伏応力を有すること、緩衝材と同様に除荷・再載荷過程においてヒステリシスを示すことが確認された。2）においては、コンクリート支保劣化がニアフィールド全体の力学挙動に大きな影響を及ぼすことを確認した。3）においては、3次元有限要素解析においてメッシュ分割粗さが解析結果（特に岩盤の応力分布）に影響を有することが確認された。

地層処分施設における多連設坑道の設計手法に関する検討（III）

地層処分施設における多連設坑道設計の詳細化・実用化を図ることを目的として、数値解析に用いる構成則の影響に関する解析的検討、および3次元モデルによる応力解放率に関する解析的検討を実施した。これらの解析的検討を通じて、多連設坑道の詳細設計時には、対象岩盤がひずみ軟化挙動を示すかどうかを確認し、解析に用いる構成則を適切に選定することが重要であること、および2次元解析時において、坑道ごとに異なる応力解放率を設定する必要はなく、全ての坑道に対して同値の応力解放率を設定してよいことの2点を結論付けた。

オーバーパックデータベースの作成

高レベル放射性廃棄物の地層処分におけるオーバーパックには所定の期間、地下水とガラス固化体との接触を確実に防ぐ機能が要求されている。現時点ではオーバーパックの設計寿命を1000年間とし、オーバーパックの設計手法、製作技術等の整備や設計・製作に反映させるための試験、長期信頼性向上のための試験研究等が行われている。これらの成果は、検討を実施した機関により報告書等の形で取りまとめられてはいるものの、実際の処分サイト条件に対応したオーバーパック設計、オーバーパックに関わる規格や基準の制定のほか、汎用的な用途として有効に活用させていくためには、これらの成果を体系的にとりまとめ、実用的な知識ベースとして整備する必要がある。データベースの基本構造については昨年度検討を行った。現在、主要な試験データである、オーバーパックの腐食データおよび溶接・検査試験データについて集約、入力を進めている。本報ではデータの各項目の提示内容を検討するとともに、これまでに入力を終了したデータを添付した。

高レベル放射性廃棄物処分施設への低アルカリ性セメントの適用性に関する研究（その2） —低アルカリ性セメントに関する既往の知見の整理と基礎物性の把握— （共同研究）

高レベル放射性廃棄物処分施設では、施設の建設及び操業中の安全性や作業性確保のため、支保工やグラウト等にセメント系材料を使用することが想定されている。低アルカリ性セメントは、処分システムの長期挙動評価において、高アルカリ性に起因する不確実性を低減させることを目的に開発されているものである。本報告では、既報「高レベル放射性廃棄物処分施設への低アルカリ性セメントの適用性に関する研究(その1)」にて整理したセメント系材料の要求機能をもとに、国内外で開発されている各種低アルカリ性セメント及びコンクリートの諸物性に関する評価の現状調査、適用部位を考慮した低アルカリ性コンクリートの配合検討を行い、今後の課題を抽出した。その結果、初期物性、硬化体物性について各種低アルカリ性セメントは普通ポルトランドセメントとほぼ同等であり、耐溶出性に優れていることが確認された。配合検討では、原子力機構にて開発したHFSCは適切な配合を選定することで、吹付け及び覆工コンクリートへ適用可能との見通しが得られた。今後の課題としては、地下水組成が水和物の溶出特性に与える影響の解明、硬化体からの浸出水のpHの測定方法の精査、鉄筋など鋼材を用いた場合の腐食挙動の評価等が挙げられた。

岩石亀裂中でのコロイドに助長された核種移行に関する解析検討

岩石亀裂中での核種移行に及ぼすコロイドの影響を評価するために、地下水中に存在するコロイドの特性を考慮した感度解析を実施した。核種の移動性のコロイドへの分配係数Kdm(m³⁄kg)とコロイドの濃度M(kg⁄m³)が重要なパラメータであり、これらの積（Kd_m M)がコロイドの核種移行への影響を示す指標となる。Kd_m M >1の条件のときに、コロイドによる核種移行の助長が顕在化する。さらに、亀裂表面でのコロイドのろ過効果を考慮して、コロイドの移行挙動を解析した。コロイドのろ過係数λ(1⁄m)が大きいほど、亀裂でろ過されるコロイドは増加する傾向にある。時間とともに、ろ過されたコロイドに収着した核種が増加し、また移動性の核種が減少することにより、核種の流出曲線はピークを形成した。亀裂中での移動可能な核種の濃度を低下させる効果により、ろ過されたコロイドへの核種の分配は核種移行に顕在的な影響を及ぼす可能性がある。

亀裂を有する堆積岩の水理・物質移行評価のためのデータ取得・解析(III)

高レベル放射性廃棄物の地層処分サイトの性能評価にあたっては、天然バリアを構成する岩盤中における水理・物質移行特性を適切に評価することが重要である。本研究では、亀裂を有する堆積岩の水理・物質移行データを室内試験により拡充するとともに、試料採取方法およびトレーサー試験方法の検討を行った。更に、水理地質構造モデルの不確実性を把握、低減するための方法論を体系的に整理して取りまとめた。室内試験では、稚内層の岩石コアから人工の平行平板亀裂を有する試料を作成して、これを対象とした透水試験ならびに非収着性トレーサー試験を実施し、既往の試験結果と同様の傾向が示された。試料採取方法、トレーサー試験方法の検討では、ワイヤーソー切断技術に着目し、課題等を整理した。堆積岩が分布する広域的なスケールでの地下水流動場の評価検討については、水圧データ以外のデータを用いて、水理地質構造モデルや境界条件などを推定する方法や、データの有効性について取りまとめた。

熱力学データベース整備のための熱力学データ系統性に関する調査および活量係数モデルの差異による溶解度計算結果の比較

高レベル放射性廃棄物および地層処分対象のTRU廃棄物の地層処分の性能評価に用いるための熱力学データベースの整備に資することを目的として、熱力学データの系統性に関する調査を実施した。いくつかの元素について、標準生成自由エネルギーと標準生成エンタルピーとの相関関係を調査し、標準生成自由エネルギーから標準生成エンタルピーの推定が可能であることを示した。また、アクチニド元素の錯生成定数の系統性に関する3つのモデルについて、その適用性を比較検討し、最適なモデルを提案するとともに、未報告のアクチニド錯体の生成定数の推定が可能であることを示した。さらに、溶解度計算時に必要な活量係数について、2つのモデルの比較検討を行い、推定される溶解度の差異を調査した。以上の結果は、熱力学データベース整備および地層処分の性能評価を行ううえで有益なものであると考えられた。

緩衝材及び岩石中での核種の拡散データベースの整備 —海外の緩衝材データの拡充とその活用法—

日本原子力研究開発機構（JAEA)では、地層処分の安全評価への活用を目的として、緩衝材や岩石中での拡散係数に関する拡散データベースを整備してきた。第2次取りまとめに際して岩石を対象に整備後、緩衝材等への拡張や最新データの拡充、データベースの構造や機能の改良、Webブラウザでの利用環境の整備等、様々な観点でデータベースの更新・改良を進めてきた。本報告において、国内の緩衝材及び岩石中での核種の拡散係数に係るデータを格納・管理している既存のデータベース（JAEA–DDB)に対し、対象範囲を海外産のベントナイトに拡張してデータの追加を行った。データの追加により、総データ数は、実効拡散係数Deが2,020件（実測値は599件）、見かけの拡散係数D_aは1,747件（実測値）となった。整備したデータベースによる活用例として、乾燥密度や部分スメクタイト密度に対する拡散係数のプロットを示し、元素・固相・試験環境による影響に関して、特に国産・海外産ベントナイトのデータ傾向の比較評価の例を示した。

Evaluating and Categorizing the Reliability of Distribution Coefficient Values in the Sorption Database (3)

放射性廃棄物の地層処分安全評価において、人工バリアであるベントナイトや天然バリアである岩石中での核種の収着現象は、核種の移行遅延を支配する重要な現象である。JAEAでは、バッチ法収着試験によって得られた収着分配係数を、公開文献から抽出・整理した収着データベース（JAEA-SDB)の整備を進めてきた。本報告書では、JAEA-SDBに含まれるKdデータのうち、深地層研究施設との関連から花崗岩系に着目するとともに、地質環境に広く存在する鉄やアルミニウムの酸化物⁄水酸化物系を対象として、これまでに報告してきた手法に従って信頼度評価を実施した。その結果として1,373のKdデータに対して、新たな信頼度情報が付与された。この信頼度評価手法は、収着データベースから利用可能な関連データ群を速やかに抽出し、Kdデータ設定の際に参照すべきデータを適切に選定する上で、有効な手法となると考えられる。

SrおよびRaの液中化学種および固相種の熱力学データの検討

地層処分システムの性能評価解析に用いられる熱力学データで整備が必要な元素として、ストロンチウムおよびラジウムが挙げられる。ストロンチウムは地層処分相当のTRU廃棄物処分における評価対象元素となっている。一方、ラジウムは、ガラス固化体に豊富に含まれるアクチニド元素の崩壊により供給され、地層処分システムの性能評価における重要元素の１つとされている。これらの元素を含む化学種について、原子力機構の熱力学データの選定基準を満足し、地層処分システムの性能評価解析で想定される化学反応に対応できる網羅性を有する熱力学データの整備が必要である。そのため文献調査を行い、ストロンチウムおよびラジウムの液中化学種および固相種について、加水分解種、硫酸錯体、炭酸塩固相および硫酸塩固相について熱力学データの選定を行った。

Pbの水酸化物錯体および塩化物錯体の熱力学データの検討

地層処分システムにおいて、²¹⁰Pbは4n+2系列の長半減期核種との放射平衡により常に供給される核種である。そのため、鉛は地層処分システムの性能評価における重要元素の1つとされている。核燃料サイクル開発機構では、1999年に公開された熱力学データベース（JNC-TDB）において、鉛の溶液化学種および固相種の平衡定数を選定している。本報告では、JNC-TDB公開後に報告された単核の加水分解種Pb(OH)_n^2-nおよびPbCl_n^2-n（n=1-4）についての文献情報を評価し、その信頼性を確認した。さらに、JNC-TDBのデータ選定に用いられた平衡定数値と併せてPb(OH)_n^2-nおよびPbCl_n^2-n（n=1-3）の熱力学データの再選定を行い、以下の値を得た。本報告により、鉛の熱力学データの信頼性の向上が図られた。

高レベルおよびTRU廃棄物地層処分の性能評価のためのJAEA熱力学データベース：IV価ジルコニウムの熱力学データの再選定

高レベル放射性廃棄物およびTRU廃棄物の地層処分の性能評価に用いるための熱力学データベースの整備の一環として、4価ジルコニウム（Zr(IV))の熱力学データ選定を実施した。熱力学データ選定は、経済協力開発機構原子力機関（OECD⁄NEA)が公開しているジルコニウム熱力学データベースの内容を基に行った。OECD⁄NEAが公開した熱力学データベース以降に報告された熱力学データについて再考察しJAEA-TDBとして選定した。

高レベルおよびTRU廃棄物地層処分の性能評価のためのJAEA熱力学データベース：セレンの熱力学データ選定

高レベル放射性廃棄物およびTRU廃棄物の地層処分の性能評価に用いるための熱力学データベースの整備の一環として、セレン（Se)の熱力学データ選定を実施した。熱力学データ選定にあたっては、既にSe熱力学データベースを公開している経済協力開発機構原子力機関（OECD⁄NEA)の選定値を引用した。地層処分の性能評価上重要な熱力学データについては、OECD⁄NEAの選定過程を調査し、その選定過程に留意点が見いだされたものについては、本報告に記した。また、熱力学データの信頼性が不十分であることを理由にOECD⁄NEAが選定していない鉄セレン化合物については、地層処分の性能評価にとって重要なものなので、掲載するデータの品質および今後のデータ整備の必要性を明記しつつ、暫定値としてJAEA-TDBに取り込んだ。

鉄–ベントナイト反応に関わる実験的検討 —室温における10年程度の試験後試料の分析結果—

鉄とベントナイト（スメクタイト）の相互作用に関わる知見を拡充するため、約10年間、室温で、蒸留水を用いて鉄粉とクニピアFを重量比１の条件で静置されていた試験試料を対象に、試験後の固相分析を行い、スメクタイトの変質の有無を調査した。主な結果を以下にまとめる。1）試験後のベントナイトは、鉄との相互作用に伴い、灰緑色あるいは灰黒色に変色した。また試験溶液のpH、Ehは、試験前に比べて、アルカリ性、還元性に変化した（pH 11.5程度、Eh -284mV vs. SHE)。2）試験後固相（灰緑色および灰黒色試料）のXRD分析、SEMおよびTEM観察の結果、スメクタイトの変質を示唆する傾向は認められず、試験前のNa型スメクタイトが残存していると推定された。3）これまでに考えられている鉄共存下におけるスメクタイトの変質メカニズムを参照しつつ、今回の分析結果について考察し、スメクタイトに著しい変化が生じなかった要因を検討した。また、試験後溶液の分析結果をもとに、変質生成物の安定性に関わる熱力学的な検討を試みた。

分配モデルを用いたRaの核種移行評価

RaとCa交換反応を定量的に評価するために、元素分配係数を用いた分配モデルが構築された。分配モデルとは、この元素分配係数を用い、固液のRa量を算出するものである。分配モデルによりRaの固液の存在量を評価するには、方解石表面の反応に寄与する層の数を知る必要がある。この層数が方解石を用いた元素の交換実験により21±13層と評価されている。この反応層数を用いた分配モデルにより、2000年レポートで設定されている間隙水条件に対して分配係数(Kcp)を算出するとともに、4n+2系列核種の緩衝材外側境界面、岩盤100m地点及び断層800m地点における核種移行率について計算を行った。各間隙水に対するRa交換反応を評価した分配係数は、Raのベントナイトに対して得られた分配係数(Kd)より小さい値となった。Raのベントナイトに対する分配係数はすべての取り込み反応の影響を反映しており、したがって、Kd>Kcpは妥当な結果であると考えられる。²²⁶Raの核種移行パラメータに分配モデルを考慮した場合、濃度上限を設定する溶解度を考慮しないことと同じとなり、また、²²⁶Raの半減期が1600年と短いことから、放射平衡による親化学種の影響を受ける傾向を示すようになる。

表層環境を考慮した生物圏評価手法の構築に関する検討

高レベル放射性廃棄物地層処分の性能評価の一つである生物圏評価においては、具体的な地質条件を踏まえて核種挙動を推定し、その結果を評価に反映させる検討が始まっている。本研究では、個別の地域において表層環境(天然バリアからの核種移行先となる帯水層や生物圏の環境)を考慮した生物圏評価手法を構築するためのいとぐちとして、評価に使用される表層水理解析(生物圏評価に利用されることを目的とした表層環境における水理・物質移行解析)について、特に帯水層中での地下水流動に重点を置いて、以下の検討を行った。(1)海外における表層水理解析に関する文献調査を行い、第四紀層中の核種移行を考慮した線量計算等の技術について把握した。(2)国内における表層水理解析に有用な地下水流動・物質移行調査技術に関する文献調査により、表層水理解析の特性(表層環境における層相変化が大きいこと等)に対して有用と思われる環境トレーサの利用法、不圧地下水位データを利用した透水係数の推定法等の情報を得た。(3)モデルサイトの表層環境における物質移行解析を試行し、幾つかのパラメータ値を変えて、計算濃度分布に与える影響を検討したところ、ソース位置の違いによる濃度分布の変化が比較的大きかった。(4)表層水理解析による計算結果を生物圏評価モデルへの入力値として利用するために、河川・湖沼・海域等への地下水・物質流出入量が求められるようなモデル設定・境界条件について検討した。

東濃地域に設置された電磁ACROSSの研究開発の概要

結晶質岩工学技術開発グループで行っている工学技術に関する研究として、「研究坑道の施工対策技術の開発」においては、研究坑道周辺の地質環境の時間的変化を把握することや、「安全性を確保する技術」においてはコンクリートライニングの健全性を評価できる技術が必要であると考えられる。これらとは独立に、地震研究をその目的とした陸域地下構造フロンティア研究プロジェクトの一環として研究開発されたACROSS(Accurately Controlled Routinely Operated Signal Systemの頭文字をとったもの）は、そこで培われた技術（信号の送受信技術並びにデータの解析技術）は非常に汎用性に富むものである。そこで超深地層研究所計画における工学技術の一環として、坑道掘削による坑道周辺の地質環境の時間的変化や研究坑道の健全性の監視技術として利用可能かどうかについて2007年度から3年間を目途に検討を進めている。これまで瑞浪超深地層研究所周辺の新規観測点の設置と、データ収集・解析が継続中である。本報告書は、常時観測システムであるACROSSのうち、電磁波を用いた研究開発において得られた成果のうち、主として技術的な要件をまとめたものである。

3次元応力場同定手法の高度化に関する研究 （委託研究）

坑道掘削において3次元場における岩盤の初期応力を精度よく把握するには、広範囲の地質条件の不確定要素や不均一性などを扱わずに済む、坑道位置での調査が望ましい。しかしながら、地層処分の場合のように数平方kmスケールの地下構造物を建設するとなると、坑道位置での多数の調査を行なうことは経済的に困難と考えられる。そこで、限られた数のボーリング孔の掘削による調査結果を用いて、任意地点の初期応力を予測する手法の開発が課題とされた。本報告書は、この課題の解決を目的として2004年度から2006年度まで、核燃料サイクル開発機構（現；日本原子力研究開発機構）が社団法人資源・素材学会に委託した「3次元応力場同定手法の高度化に関する研究」について成果をとりまとめたものである。本委託研究では初期応力評価の例題として東濃地域を取り上げた。はじめに数km×数kmの領域の数値モデルを作成し、その領域内で実施した初期応力測定結果を拘束条件とする逆解析を行なった。逆解析により領域内の広域応力・広域ひずみが得られ、これを用いた順解析は同領域内の任意地点の初期応力の平均的状態を概ね予測していることを確認した。

超深地層研究所計画における岩盤力学に関する調査研究 年度報告書（2008年度）

超深地層研究所計画は、深部地質環境の調査・解析・評価技術の基盤の整備および深地層における工学技術の基盤の整備を目標として、日本原子力研究開発機構が岐阜県瑞浪市において実施している研究プロジェクトである。プロジェクトは、現在、研究坑道の掘削を伴う研究段階（第2段階）にある。第2段階の調査研究においては、「研究坑道の掘削を伴う調査・研究による地質環境モデルの構築」および「研究坑道の掘削による深部地質環境の変化の把握」が成果目標の一つとして設定されており、調査の種類や量と個別目標や課題に対する理解度や精度との関係を実例で把握し、調査の有効性の評価、サイトスケールで作成された第1段階の地質環境モデルの妥当性評価、ブロックスケールの同モデルの構築等を行うものとしている。その中で、岩盤力学に関する調査研究では、概ね深度100m間隔で岩盤力学ボーリング調査を実施し、適宜、坑内での変位・ひずみ計測などの調査を実施し、これらを通じて上記目標や課題を達成するものとした。本報告は、以上に述べた調査研究の一環として、2008年度に実施した岩盤力学に関する調査研究成果をとりまとめたものである。

幌延沿岸域を対象とした地下水流動評価のためのモデル化・解析 （受託研究）

高レベル放射性廃棄物等の地層処分システムの設計・安全評価を行う上で重要な地質環境の調査評価技術のうち、沿岸域を対象とした地下水流動を評価するための手法については、これまでに調査事例が限られており、調査評価手法に関する知見の充実が求められている。本件では、深地層の研究施設計画等の成果に基づき、幌延地域の沿岸域を事例とした地下水流動評価のためのモデル化・解析に関して、以下の各項目を通じて、取得される知見、ノウハウを知識ベースとして蓄積・整理した。(1)深地層の研究施設計画における地下水流動評価の作業フローの、沿岸域を含めた場合の適用性の検討、および必要に応じた拡張・更新、(2)幌延地域の沿岸域における既存の調査試験結果に基づく地下水流動の把握、(2-1)地下水中の塩分濃度分布の推定、(2-2)モデル化・解析作業におけるノウハウ・判断根拠等の情報の抽出・整理。本件によって、わが国の多様な地質環境への対応を想定した地層処分システムの設計・安全評価を行う上で必要となる地下水流動評価手法に関する知見の拡充を行った。

磁気異常の「静穏域」における空中磁気探査の適用例

日本原子力研究開発機構では、平成４年度から広域地下水流動研究を岐阜県土岐市の東濃地科学センターで実施してきた。 広域地下水流動研究は、地下水に関わる諸現象を理解するための地質構造、地下水の水理および地球化学などに関する調査研究を実施し、地質構造、地下水の水理および地球化学的性質を調査・解析・評価する技術を開発することを目的としており、平成9年度にセンター周辺の約40km四方の領域を対象に空中磁気調査を計画・実施した。この調査結果をもとに、航空機の飛行高度の補正に新たな手法を適用しデータの再処理を行うとともに、この調査結果の解釈の一助とするために土岐花崗岩コアの磁化率の測定およびそれに基づいた磁気異常のモデル解析を実施した。 その結果、領家帯に代表される磁気異常の「静穏域」においても、低空で高密度な測線を配置することにより、空中磁気調査で岩体の広がりや大きさに関するデータを取得できる可能性があることが示された。また、今回の調査から、土岐花崗岩の一部が磁鉄鉱系花崗岩とチタン鉄鉱系花崗岩の境界付近の磁化率を有していることが明らかになり、土岐花崗岩の高磁化率を有する部分の3次元的分布を明らかにすることができた。これらの結果より、東濃地域に代表されるような「磁気の静穏帯」においても、地質構造調査手法の一つとして空中磁気調査が有効な手段であることが確認できた。

幌延深地層研究計画におけるひずみ軟化挙動と物性の深度依存性を考慮した三次元立坑逐次掘削解析

坑道を掘削したことにより坑道周辺岩盤に生じる掘削影響を把握することは、地層処分における性能評価ならびに処分坑道に設置するプラグの設計をする上で必要不可欠な情報である。幌延深地層研究計画における地上からの調査において、当該地域の珪質岩は坑道掘削時にひずみの局所化による破壊面の形成が起こりうる可能性が高いことや岩盤物性が深度依存性を有することがわかっている。そのため、地下施設の建設時に想定される掘削影響を把握するために、先に示した物性の深度依存性や実際の施工方法を忠実に再現した三次元でのひずみ軟化立坑逐次掘削解析を行った。その結果、声問層と稚内層の境界領域で、ひずみ軟化による坑道周辺に著しい損傷が生じることが推定された。また、坑道掘削に伴う応力変化から諸物性値の変化を推察したところ、遷移帯を除いた稚内層では掘削影響は発生しないが、その他の領域では60�pから120�p程度の掘削影響領域が発生し、その物性変化の程度は弾性波速度で2割、弾性係数で約3割、透水係数で約1オーダーであることがわかった。

水素ガス原位置測定による断層破砕帯調査手法の検討

地震・断層活動は、高レベル放射性廃棄物の地層処分における地質環境の長期安定性を考慮する上で重要な自然現象の一つである。最近、断層の活動性評価や、断層活動に伴う破断、変形などの影響範囲の把握を目的とした地球化学的調査手法の一つとして、市販の携帯型水素ガス濃度検知器を使って測定する手法が考案された。本研究では、この手法の実用化を図るため、検知器の設置方法や、大気中の水蒸気や測定孔の掘削に伴う擾乱などが測定値に与える影響について検討した。さらに、断層破砕帯における事例研究として、山崎断層帯を対象に広域的な水素ガスの原位置測定を行った。その結果、山崎断層帯沿い及びその延長上にある微小地震密集域に位置する破砕帯や割れ目から高濃度の水素ガスの放出が検知され、一方で、それらから大きく離れた位置にある破砕帯や割れ目からは高濃度の水素ガスの継続的な放出は認められなかった。以上から、本研究で用いた水素ガスの濃度測定法は、地中から放出される水素ガス濃度の原位置測定を広範囲かつ短期間で実施するのに有効な手法であることが確認された。

瑞浪超深地層研究所におけるグラウチング効果に関する研究 （受託研究）

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上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環として、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構造モデルの構築およ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、既存のグラウチング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。

MSB-2号孔・MSB-4号孔における地下水の間隙水圧および水質観測（2007年4月〜2008年3月）

日本原子力研究開発機構は、岐阜県瑞浪市に建設中の瑞浪超深地層研究所において、研究坑道の掘削が周辺の地下水に与える影響の把握を目的とした調査研究を行っている。本報告は、瑞浪超深地層研究所用地内に地上から掘削したボーリング孔であるMSB–2号孔およびMSB–4号孔において実施している地下水の採水、水質分析及び間隙水圧測定の2007年度の結果を取りまとめたものである。

広域地下水流動研究における地下水の間隙水圧長期モニタリング（2005年度〜2008年度）データ集

独立行政法人日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、「地層処分技術に関する研究開発」のうち深地層の科学的研究（地層科学研究）の一環として、広域地下水流動研究を実施している。本研究は、広域における地表から地下深部までの地質・地質構造,岩盤の水理や地下水の水質を明らかにするために必要な調査・解析技術などを開発することを目標として、1992年度より調査研究を開始し、2004年度末をもって主な現場調査を終了した。2005年度からは、土岐花崗岩における水理学的・地球化学的な基礎情報の取得及び地下水流動解析結果の妥当性確認のためのデータ取得を目的として、既存の観測設備を用いた表層水理観測及び、既存のボーリング孔を用いた地下水長期モニタリングを継続している。本報告書は、 2005年度から2008年度 に実施した地下水の間隙水圧長期モニタリングデータを取りまとめたものである。

瑞浪超深地層研究所計画における表層水理観測データ集 —2004〜2007年度—

東濃地科学センターでは、超深地層研究所計画の一環として、地下水流動解析における上部境界条件を与える岩盤浸透量を水収支法で算出すること、水理地質構造モデルのキャリブレーションに必要なデータを取得すること及び研究坑道掘削に伴う浅層地下水環境の変化を把握することを目的として、表層水理観測を実施している。本データ集では、2004年度から2007年度までの正馬川流域、正馬川モデル流域、及び2005年度から2007年度までの研究所用地内で得られた河川流量、雨雪量、気象観測データなどについて、欠測や異常値を示すデータに対して補正・補完を行うとともに、補正・補完前後のデータを取りまとめた。

MSB-2号孔・MSB-4号孔における地下水の間隙水圧および水質観測（2006年4月〜2007年3月）

日本原子力研究開発機構は、岐阜県瑞浪市に建設中の瑞浪超深地層研究所において、研究坑道の掘削が周辺の地下水へ与える影響の把握を目的とした調査研究を行っている。本報告は、瑞浪超深地層研究所用地内に地上から掘削したボーリング孔であるMSB–2号孔およびMSB-4号孔において実施している地下水の採水、水質分析及び間隙水圧測定の2006年度の結果を取りまとめたものである。

超深地層研究所 地層科学研究基本計画

1996年に策定された超深地層研究所計画の基本計画は、これまで原子力長計の見直し（2000年）および研究坑道を設置する場所の変更に伴い（2002年）、その内容を適宜見直すことにより、計画の最適化を図ってきた。今般、「特定放射性廃棄物の最終処分に関する基本方針」および「特定放射性廃棄物の最終処分に関する計画」の変更に伴う深度300mへの水平坑道の設置などを踏まえ、基本計画の改訂を行った。

「平成21年度 東濃地科学センター 地層科学研究 情報・意見交換会」 資料集

独立行政法人日本原子力研究開発機構 東濃地科学センターにおいては、「地層処分技術に関する研究開発」のうち深地層の科学的研究（以下、地層科学研究）を実施している。地層科学研究を適正かつ効率的に進めていくため、研究開発の状況や成果、さらに今後の研究開発の方向性について、大学、研究機関、企業の研究者・技術者等に広く紹介し、情報・意見交換を行うことを目的とした「情報・意見交換会」を毎年開催している。本資料は、平成21年10月27日に岐阜県瑞浪市で開催した｢平成21年度 東濃地科学センター 地層科学研究 情報・意見交換会｣にて用いた発表資料を取りまとめたものである。

幌延深地層研究計画における低アルカリ性セメントの適用性に関する研究（II） （委託研究）

高レベル放射性廃棄物の地層処分施設では、坑道の空洞安定性などの観点から、支保工、覆工などにセメント系材料の使用が想定されている。セメント系材料が、地下水と接触することで地下水のpHが12–13程度に上昇することが考えられ、人工バリア材料や天然バリアを変質させ、処分システムの長期性能に影響を及ぼす可能性がある。このような影響を低減することを目的として、原子力機構ではポゾラン反応を利用した低アルカリ性セメント(HFSC)の開発を進めており、幌延深地層研究計画において、HFSCを地下施設建設工事に実際に使用する原位置施工試験を計画している。平成19年度は、HFSC中の鉄筋腐食挙動の評価、HFSCを用いたコンクリート材料のpH低下挙動の把握およびこれまでの知見の整理を実施した。6年間の海洋暴露試験結果からHFSCを用いた鉄筋コンクリートの腐食ひび割れの発生時期を評価した結果、HFSCを用いた鉄筋コンクリートでは鉄筋径を適切に選定することで最大150年程度はひび割れが発生しないことが示唆された。pH低下挙動については、蒸留水への長期浸漬供試体の分析を実施し、pHが緩やかに低下する傾向であることを確認した。また、これまでに得られた知見を整理し、実施工における品質管理手法を取りまとめた。

超深地層研究所計画（岩盤力学に関する調査研究）MIZ–1号孔における岩盤力学調査

超深地層研究所計画の地上からの調査予測研究段階では深層ボーリング孔(MIZ–1号孔)による岩盤力学的な深部地質環境の把握とそれに基づく地質環境モデルの構築が課題の一つである。本報告書は2004年度に行ったMIZ–1号孔における岩盤力学調査の結果をとりまとめたものである。ボーリングコアを用いた室内試験では見かけ比重＝2.62、一軸圧縮強度＝173MPa等を示し、研究所用地の土岐花崗岩が正馬様用地の土岐花崗岩と似ていることを示した。また、ボーリングコアを用いた初期応力測定ではボーリング時の応力解放ひずみが微小のためDSCAを除いて信頼できる結果が得られなかった。DSCAの結果と水圧破砕法による初期応力測定では最大主応力が概ね水平でNW–SE方向にあると示された。水平面内の主応力と鉛直応力の大小関係を比較すると、概ね深度400mより浅いところでは逆断層型、深度600mより深いところでは正断層・横ずれ断層型の環境であった。以上を踏まえて、既往の地質構造モデルを基本に本調査の結果を解釈した地質構造モデルを作成した。

結晶質岩を対象とした長期岩盤挙動評価のための現象論的研究 (委託研究)

高レベル放射性廃棄物の地層処分では長期にわたる坑道の安定性評価が必要となる。そこで岩盤の長期挙動を予測評価する手法の研究を行ってきた。本報告書は、平成20年度の研究成果をとりまとめたものである。第1章では研究と背景を概括した。第2章では田下凝灰岩の長期クリープ試験結果について報告した。試験結果は、クリープ歪はわずかずつであるが連続して増え、一方、クリープ歪速度は経過時間の-0.9乗に比例して減少することが示された。これらの挙動は、短期クリープ試験で把握される一次クリープと類似のものであった。第3章では、一般化応力緩和試験を行うための制御プログラムを拡張し、これまで実施できなかった条件での一般化応力緩和試験を土岐花崗岩に対して行い、既に得られている土岐花崗岩の時間依存性挙動モデルのパラメータが、新たな条件でも妥当な値であることを確認した。第4章では、時間依存性挙動モデル(拡張コンプライアンス可変型構成方程式)のパラメータ取得方法を総括した。パラメータ取得における問題点とパラメータの信頼性向上の考え方、さらに、工学的な応用に必要と考えられる時間依存性挙動を踏まえた岩盤分類の概念を示した。

放射線グラフト重合法により作製した捕集材を用いた瑞浪超深地層研究所における湧水処理の検討(2007年度成果報告書) (共同研究)

東濃地科学センター瑞浪超深地層研究所では、研究坑道掘削工事に伴う湧水に含まれる天然由来のフッ素及びホウ素について、排水処理設備における処理によって河川の環境基準値以下の濃度まで除去した後、湧水を河川に放流している。一方、量子ビーム応用研究部門環境・産業応用研究開発ユニットでは、放射線グラフト重合法で作製した捕集材により、海水や温泉水などに含まれる低濃度の希少金属捕集の実績があることから、2006年度から地層処分研究開発部門と量子ビーム応用研究部門が共同で効率的な湧水中のフッ素・ホウ素除去方法について検討を行っている。2007年度は、ホウ素吸着試験を行うにあたって、スケールアップした試験を行うための排水処理試験装置を製作した。その試験装置を用いて、通液速度の違いによるホウ素の吸着性能評価試験や、捕集材の繰り返し利用時における耐久性や吸着性能を把握する再生利用試験を行った。その結果、吸着性能評価試験では通液速度をSV50h^-1から100h^-1へ2倍に速めても、吸着性能が低下せず、捕集材の繰り返し利用に対する耐久性もあることは確認できたが、湧水のpHが捕集材の吸着性能に影響を与えることが明らかになった。

光ファイバー式岩盤内変位計の開発（その2）

本報告書は、大成基礎設計が日本原子力研究開発機構との契約により実施した研究成果に関するものである。この業務は、幌延深地層研究計画の第2段階以降における調査・研究計画(地下施設関連)に伴い、立坑部と水平坑道部の周辺岩盤の変形挙動計測を有効に行うための多段式の光ファイバーセンサー式岩盤内変位計を開発することを目的としている。この業務では、従来型の電気式岩盤変位計では困難であったφ66mmボーリング孔における10段あるいはそれを上回る連装が可能な岩盤内変位計の開発に関して前年度に実施した装置の基本仕様の検討などの成果に基づき、原位置測定に適用可能なプロトタイプを製作してその性能を確認するとともに、実地盤中に掘削したボーリング孔において設置方法を含めた実証実験を実施した。

幌延町北進地区および開進地区における地表部および浅層ボーリング孔のガス測定

幌延深地層研究計画においては、地質・地質構造に関する調査の一環として、研究所設置区域及びその周辺地域における岩盤の地質学的不均質性及び物質の移動経路として重要な構造(断層など)を把握するための調査を実施している。本研究ではその研究の一環として、構造を推定するための手法の一つとしてのガス測定が有効であるかを検討するため、研究所設置地区である幌延町北進地区を中心にメタンガス・二酸化炭素ガス量の測定を行い、ガス量の分布と大曲断層の分布との関係について検討した。その結果、大曲断層の推定位置周辺で二酸化炭素ガス量が多い傾向が認められた。

超深地層研究所計画 年度計画書(2009年度)

独立行政法人日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、地層処分技術に関する研究開発のうち深地層の科学的研究(地層科学研究)の一環として、結晶質岩(花崗岩)を対象とした超深地層研究所計画を進めている。本計画は、「第1段階:地表からの調査予測研究段階」、「第2段階:研究坑道の掘削を伴う研究段階」、「第3段階:研究坑道を利用した研究段階」の3段階からなる約20年の計画であり、現在は、第2段階である「研究坑道の掘削を伴う研究段階」を進めている。本計画書は、2002年2月に改訂した「超深地層研究所地層科学研究基本計画」に基づき、2009年度の超深地層研究所計画の(1)調査研究計画、(2)施設建設計画、(3)共同研究計画等を示したものである。

地質環境の長期安定性に関する研究 年度報告書(平成20年度)

我が国は変動帯に位置しており、安定大陸に位置する欧米諸国に比べて、地震や火山活動などが活発である。地層処分においては、まず安定な地質環境を選んだ上で、そこに適切な多重バリアシステムを構築することが、安全確保の基本的な考え方である。このため、地質環境の長期安定性に関する研究においては、地層処分の場としての地質環境に重要な変化をもたらす可能性のある地震・断層活動、火山活動、隆起・侵食、気候・海水準変動などの天然現象に着目して、それらの有無や程度が文献から明らかでない場合に適用する調査技術や、それらが地質環境に及ぼす影響を評価するための調査技術・解析手法にかかわる研究開発を進めている。平成20年度は、以下の項目について調査・研究を行った。地震・断層活動については、断層の発達履歴や活動性に関する調査技術の整備、断層帯における影響評価モデルの開発に関する事例調査を実施した。火山・地熱活動については、第四紀の火山・地熱活動（特に低温領域の熱履歴）や地下深部のマグマ・高温流体などの基礎的な探査技術の適用性を検討した。隆起・侵食／気候・海水準変動については、古地形・古気候を復元する調査技術の整備や地形変化をシミュレートする技術の開発を行った。地質環境の長期安定性にかかわる総合評価研究については、地殻変動及び気候変動などを考慮した地下水流動解析手法の開発を進めた。

地質環境の長期安定性に関する研究 年度報告書(平成19年度)

我が国は変動帯に位置しており、安定大陸に位置する欧米諸国に比べて、地震や火山活動等が活発である。地層処分においては、まず安定な地質環境を選んだうえで、そこに適切な多重バリアシステムを構築することが、安全確保の基本的な考え方である。このため、地質環境の長期安定性に関する研究においては、地層処分の場としての地質環境に重要な変化をもたらす可能性のある地震・断層活動、火山活動、隆起・侵食、気候・海水準変動等の天然現象に着目して、それらの有無や程度が文献から明らかでない場合に適用する調査技術や、それらが地質環境に及ぼす影響を評価するための調査技術・解析手法にかかわる研究開発を進めている。平成19年度においては、我が国の地質環境において地層処分システムの成立性に重大な影響を及ぼす現象の存在や、過去の変動の履歴を確認するための調査技術として、以下の項目について調査・研究を行った。地震・断層活動については、破砕帯の分布、活動履歴、活動性の調査技術の整備を行った。火山活動については、熱履歴や地下深部のマグマ・高温流体などを調査する技術の開発を行った。隆起・侵食⁄気候・海水準変動については、河成段丘を用いた隆起速度を調査する技術、地形変化をモデル化する技術、地殻変動や気候変動を考慮した地下水流動解析手法などの開発を行った。