高レベル放射性廃棄物の地層処分研究開発

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（V）

地層処分施設における多連設坑道の設計手法については、第2次取りまとめの考え方に基づき、さらに詳細化・合理化を図ることを目的に検討を行ってきている。本報告では、実施工における施工性・経済性・安全性を考慮したケース設定を行った上で、坑道の掘削順序がEDZ発生領域に与える影響を三次元の多連設解析モデルを用いて検討した。この結果、隣接坑道間における切羽進行のズレの影響などが考慮されることにより、二次元解析とは異なる塑性領域の発生を表現できる可能性が示された。また、これまで未検証であった結晶質岩盤に対して、多連設坑道モデルの二次元解析を行った結果、塑性領域は発生せず、掘削順序が与える影響は非常に小さいことが確認された。

粒状体個別要素法によるベントナイト膨潤圧試験のシミュレーション —壁面摩擦力および供試体寸法の影響に関する考察—

高レベル放射性廃棄物地層処分における緩衝材の膨潤圧は長期的な人工バリアの力学的な状態を評価する上で重要な物性値である。しかし、統一化された膨潤圧試験がないこと等により、その評価結果にはばらつきがあるのが現状である。そこで、本研究ではこのような土質材料中における破壊や大変形、膨潤挙動を良好に再現することが可能である粒状体個別要素法により膨潤圧試験のシミュレーションを行うとともに、膨潤圧試験における供試体の縦横比および壁面摩擦力の影響について検討を行い、膨潤圧試験方法の標準化に向けた基盤情報を提供する。

地上からの調査段階において地下施設周辺母岩の性能を評価する手法の基礎的検討

我が国の地層処分事業は段階的に進められ、精密調査地区の選定段階においては、地下施設の基本レイアウトの設定、長期安全性に関する予備的評価等が行われる予定である。このためには、地上からの調査による限られた情報に基づいて、様々な不確実性や、地質構造や地質環境の不均質性を考慮した、評価対象とする地域の水理地質構造モデルの構築方法、さらに、処分施設に必要となる地下深部の空間的な広がりを考慮した、好ましい性能の岩盤領域（母岩）の把握方法等について、技術的な見通しを得るために、具体的なアプローチ、方法論を検討しておくことが重要である。本研究は、精密調査地区選定段階において地層処分施設の設定に好ましいということを判断するための指標について検討を行い、どのような手法と指標で評価することが有効となりえそうかという技術的課題について、幌延深地層研究計画における調査データを例題として用いた検討を実施し、手法の有効性の確認と課題の抽出を行った。

拡張Poisson-Boltzmann方程式による圧縮ベントナイト中の拡散モデルの高度化検討

処分環境における圧縮ベントナイト中の核種の拡散係数や収着分配係数等の整合的な推定評価を目指し、原子力機構では統合収着・拡散モデル（ISDモデル）の開発を進めてきた。従来のISDモデルでは、多価イオンや錯体状化学種などの複雑な化学種に対してモデルの適用性が不満足であり、また付加的なフィッティング・パラメータの導入などモデル構造上の問題があった。そこで本報告では、より広範な処分条件へのモデルの適用、また圧縮系における拡散現象のさらなる理解を目的として、ISDモデルの基本仮定に立ち返ることによりモデル高度化要因を検討し、影響評価を試みた。まずPoisson-Boltzmann方程式の境界条件の厳密な設定、および電粘性効果を考慮することによりISDモデルの拡散パートを改良した。さらに高度化要因として、排除体積効果、誘電飽和効果およびイオン間静電相互作用の影響を考慮し、ISDモデルに取り入れて影響解析を実施した。その結果、実効拡散係数への影響は何れも小さく、したがって実測データとの不整合性はこれらの高度化要因に起因するものではないことが示された。

人工バリアシステムの安全機能の多重性に関する考察

地層処分の安全評価では、国際的に合意された方法論に則りシナリオやモデルを構築し、これを用いて安全性が確保されていることを影響解析により確認してきたが、システム全体で安全確保を達成することが地層処分の基本概念であるため、個別の安全機能の性能やその多重性について研究された例は少なかった。このため、本研究では、地層処分の安全機能の多重性について理解するため、安全機能の個別の性能や相互補完の関係を明らかにするための手法を構築するとともに、これに基づき、人工バリアの安全機能に着目し検討を行った。その結果、安全機能を一つだけ考慮する場合、ガラスの溶解速度は線量を大きく低減させた。さらに、安全機能間の相対的重要度の関係や安全機能の相互補完の組み合わせを明らかにした。さらに、安全機能が発揮される条件を定量的に把握するために、上述の離散的な解析を補完したBounding Analysisを実施した。その結果、ガラスの閉じ込め性能と緩衝材の閉じ込め性能のそれぞれが発揮される条件を明らかにした。このような知見は、地層処分システムを構成するシステム要素の安全機能に対する性能要求を検討する上で、重要な知見になると考えられる。

地層処分事業に関わる地球化学分野の技術者が継承すべき知見のエキスパート化

本報告書は、資源エネルギー庁からの受託事業「地質環境総合評価技術高度化開発：次世代型サイト特性調査情報統合システムの開発」の成果に基づくものであり、地層処分に関わる地質環境特性調査のうち、主に地球化学特性の調査について、既存情報の分析・解析手法、ボーリング調査の計画立案方法、ボーリング調査手法、調査結果を用いた解析・地球化学モデルの構築手法について、留意点、ノウハウを整理したものである。報告書内に記載した内容は、標記受託事業で別途開発されたエキスパートシステムに反映されており、インターネットによりウェブ上から利用可能である。

簡易型弾性波トモグラフィ調査システムの開発

地下深部で坑道を掘削する際の坑道周囲における変化を捉えるため、坑道の掘削の進捗に合わせて繰り返し弾性波トモグラフィ調査を行うための新たな簡易弾性波トモグラフィ調査システムを開発した。これは、ボーリング孔の壁面打撃用のハンマーを組み込んだ起振源、ボーリング孔内埋設型の受振器から構成され、弾性波を発生させる起振のエネルギーにはメタン等の可燃性ガスの存在を考慮して圧縮空気を利用している。開発したシステムを水平坑道の掘削影響試験領域に適用し、坑道掘削時における調査領域における弾性波速度の変化を捉える事が可能となり、結果をトモグラフィ画像として処理を行った。この結果、掘削影響領域のモニタリング技術としての適用性を確認した。

超深地層研究所計画（岩盤力学に関する調査研究）深度300mステージでのコア法による初期応力測定

超深地層研究所計画の第2段階での調査研究として、深度300mステージでコア法による初期応力測定（DSCA)を実施した。また、コア法の結果の補完のために、DSCA試験近傍において多面体供試体を用いた三次元弾性波速度測定を実施した。主応力の方向は、今まで実施した第1段階および第2段階での深度100mおよび200mにおける岩盤力学ボーリング調査で得られた北西-南東方向と調和的なデータが多かった。また、一部の試験体において、三次元弾性波速度とDSCA試験で得られたクラックパラメータの主値の方位・分布が良く一致した。

超深地層研究所計画　主立坑断層を対象としたボーリング調査結果報告書

日本原子力研究開発機構東濃地科学研究ユニットでは、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段階的（第1、2、3段階）に進めている。このうち第2段階では、「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」を段階目標の一つとして調査研究を進めている。本報告書では、第2段階の目標を達成するために、2010年度に深度300m研究アクセス坑道において実施した、主立坑断層を対象としたボーリング調査の結果を取りまとめた。本ボーリング調査は、瑞浪超深地層研究所の主立坑において認められる断層を対象として、2孔（10MI22号孔および10MI23号孔）のボーリング孔掘削、地質学的調査、水理学的調査、および地下水の地球化学的調査を実施した。その結果、主立坑断層および周辺岩盤の割れ目や変質の特徴、水理特性、および水質分布を把握することができた。

広域地下水流動研究における表層水理観測データ集 —2008年度—

東濃地科学研究ユニットでは、広域地下水流動研究の一環として、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解析によって算出すること、および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を目的として、表層水理観測を実施している。本報告では、2008年度の表層水理観測で得られた河川流量、雨雪量などについて、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。また、補正・補完前のデータを「観測データセット」、補正・補完後のデータを「補正・補完データセット」としてとりまとめ、DVD-ROM化した。

幌延深地層研究計画における地下水，河川水および降水の水質データ（2001-2010年度）

日本原子力研究開発機構幌延深地層研究センターでは、幌延深地層研究計画に基づきボーリング孔の掘削を伴う地上からの調査研究（第1段階）の一環として、平成13年度から表層水、地下水などの水質分析を行ってきた。分析の対象は、ボーリング孔から採取した地下水、掘削水、掘削リターン水、岩石コアからの抽出水、河川水および雨水などである。また、平成18年度から幌延深地層研究計画における地下施設建設時の調査研究（第2段階）が進められており、立坑内の集水リング、立坑壁面湧水やボーリング孔などから地下水を採取し、水質分析を実施している。本報告書は、平成13年度から平成22年度までの水質分析データを取りまとめたものである。

超深地層研究所計画（岩盤の水理に関する調査研究） 研究坑道掘削に伴う地下水流動場の変化を考慮した地下水流動のモデル化・解析（2006〜2007年）

本研究では、今後の研究坑道の掘削に伴う周辺の地下水流動場の変化や研究坑道への湧水量等の予測・評価による研究坑道の設計・施工への情報提供、及び研究坑道の掘削を伴う研究段階（第2段階）での今後の調査計画策定への情報提供を目的として、水理地質構造モデルを構築するとともに、それを用いた地下水流動解析を行い今後の研究坑道の掘削に伴う地下水流動場への影響を予測した。モデル化・解析に用いたデータは、地表からの調査予測研究段階（第1段階）で得られた調査データ、第2段階での堆積岩中の研究坑道掘削時の湧水量や水圧変化に関するデータ、ならびに両立坑の切羽から掘削されたパイロットボーリング調査結果である。モデル化・解析の結果、研究坑道の掘削に伴う湧水量や周辺の地下水流動場の変化に大きな影響を与える水理地質構造の推定、及び深度1,000ｍまでの研究坑道の掘削に伴う湧水量や周辺地下水位の低下量を予測することができた。また、研究坑道へのプレグラウトが周辺の地下水流動場の変化に与える影響の程度を解析的に把握することができた。

換気立坑250m坑道における初期地圧の計測

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握するため、換気立坑の深度250mの調査坑道において3本のボーリング孔を掘削し、水圧破砕法および応力解放法と呼ばれる方法で初期地圧の評価を試みた。得られた結果は次のようである。水圧破砕法の評価では、応力状態が測定位置によらず一様であると仮定し、横き裂の法線応力と初期地圧の関係および縦き裂の発生する位置と初期地圧の関係から250m坑道まわりの初期地圧を評価した。評価された初期地圧の中間および最小主応力の大きさは接近しており、鉛直応力σvは250mの被りから推定される土被り圧の半分程度と小さかった。また、最大主応力はNE方向にあって水平面から約40度傾斜していた。応力解放法では、全ての孔底ひずみを用いて評価した平均的な初期地圧は、鉛直応力σvが被り圧の半分以下であり、水圧破砕試験の結果と整合した。また、応力解放法から評価された初期地圧の大きさも、そのオーダーが水圧破砕試験の結果と一致した。

幌延深地層研究計画 第2期中期計画（平成22年度〜平成26年度） 調査研究計画書

本計画書は、第2期中期計画期間（平成22年度〜平成26年度）において、幌延深地層研究センターの地下研究施設を利用して行う調査研究開発の計画を整理したものである。当該期間においては、民間活力により深度350mまでの地下施設の整備、維持管理および研究支援に関する業務のほか様々な受託事業、共同研究が行われる予定であり、第2段階（坑道掘削[地下施設建設]時の調査研究段階）に加えて、第3段階（地下施設での調査研究段階）の調査研究開発が開始される。これらの調査研究開発を通して、地質環境調査技術や深地層における工学的技術、処分技術、安全評価手法を向上させるとともに、その成果を広く社会に公開することで、地層処分に関わる諸技術の実現性を示し、信頼感を醸成していく。

結晶質岩を対象とした長期岩盤挙動評価のための理論的研究（2009年度） （委託研究）

結晶質岩の長期挙動を解明するために、古典破壊力学理論を総括し、破壊靱性値以下の荷重状態においても亀裂が進展して破壊に至る亜臨界亀裂進展を取り上げて、力学・化学連成現象の観点からその原因を考察し、花崗岩の長期挙動における亜臨界亀裂進展現象について考察を加えた。また、亜臨界亀裂進展現象の主たる要因である圧縮応力下におけるケイ酸塩鉱物の化学的な溶解現象について、実験室でその現象を再現し、現象の理解を試みた。さらに、これまでの研究内容を総括するとともに、実験結果をもとに、温度溶液（pH)・固体圧力と溶液の間隙水圧を変数とした石英に対する溶解速度式を提案した。

超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究 —瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集— （2009年度）

このデータ集は、2009年度に瑞浪超深地層研究所の研究坑道内で採取した地下水、地上から掘削したボーリング孔（MSB-2号孔、MSB-4号孔およびMIZ-1号孔）より採取した地下水の地球化学特性データをとりまとめたものである。本データ集では、データのトレーサビリティーを確保するため、試料採取地点、試料採取時間、採取方法および分析方法などをあわせて示した。

超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング（2009年度）

超深地層研究所計画は、「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」における調査研究を進めている。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」及び「深地層における工学技術の基盤の整備」を第1段階から第3段階までを通した全体目標として定め、そのうち第2段階では、「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及び研究坑道の掘削による深部地質環境の変化の把握」を段階目標の一つとしており、その一環として、地下水の水圧長期モニタリングを実施している。本報告書は、2009年度に実施した地下水の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。

超深地層研究所計画の工学技術へのACROSSの応用に関する検討 —2009年度年報—

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アクロス（ACROSS: Accurately Controlled Routinely Operated Signal Systemの頭文字をとったもの）は地震研究をその目的としていたが、そこで培われた技術（信号の送受信技術ならびにデータの解析技術）は非常に汎用性に富むものであり、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ることとした。3年間の内訳は1年目がアクロス観測網の整備、2年目がデータの収集、3年目がデータの解析および適用性の評価となっている。本報告書では、2007及び2008年度設置した観測機器で得られた2008年度および2009年度分のデータの処理・解析結果と、継続して実施しているアクロスの基盤的研究の成果、ならびに3年間の研究で得られた成果と現時点でのアクロス技術の適用性評価結果について述べる。

超深地層研究所計画 年度計画書（2011年度）

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。2011年度は、第2段階および第3段階の調査研究を進めていく。本計画書は、2010年に改訂した「超深地層研究所地層科学研究基本計画」に基づき、2011年度の超深地層研究所計画の調査研究計画、施設建設計画、共同研究計画などを示したものである。

幌延深地層研究計画 平成23年度調査研究計画

本計画は、原子力機構が堆積岩を対象に北海道幌延町で実施している。原子力機構の第2期中期計画では高レベル放射性廃棄物の処分技術に関する研究開発について、「「地層処分研究開発」と「深地層の科学的研究」の2つの領域において、他の研究開発機関と連携して研究開発を進め、地層処分の安全確保の考え方や評価に関わる様々な論拠を支える「知識ベース」を充実させる」こととしている。本計画では、深地層の科学的研究として、「深地層環境の深度（地下350m程度）まで坑道を掘削しながら調査研究を実施し」、「地上からの精密調査の段階に必要となる技術基盤を整備し、実施主体や安全規制機関に提供する」計画である。また、地層処分研究開発として、「深地層の研究施設等を活用して、実際の地質環境条件を考慮した現実的な処分概念の構築手法や総合的な安全評価手法を整備する」こととしている。さらに、「業務の合理化・効率化の観点から、幌延深地層研究計画に係わる研究坑道の整備等に民間活力の導入を図る」こととしている。本計画は、全体で20年程度とし「地上からの調査研究段階（第1段階）」、「坑道掘削（地下施設建設）時の調査研究段階（第2段階）」、「地下施設での調査研究段階（第3段階）」に分けて実施することとしている。平成23年度は、地下施設の建設および第2段階および第3段階の調査研究を継続する。

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時においては、建設時および操業時は言うまでもなく、坑道埋め戻し後も千年程度の長期にわたる坑道の安定性の評価が要求される。そこで、岩石や岩盤の時間依存性挙動を、精密な試験や観察・計測から直接的に検討する手法（現象論的方法）で解明し、岩盤構造物の長期挙動予測評価手法を開発する研究を行ってきた。本報告書は、2010年度に実施した研究をまとめたものである。第1章では、研究内容とその背景を概括した。第2章では、1997年度から継続している田下凝灰岩のクリープ試験結果について報告した。第3章では、岩石の時間依存性の程度を表すnの値の意味をより明確に示すため、強度の載荷速度依存性とクリープ寿命の応力依存性との関係および時間依存性、強度とクリープ寿命の分布特性、寸法効果の相互関係について論じた。さらに、既往の研究事例をレビューして、土岐花崗岩の力学特性や時間依存性について、今後実施すべき試験について検討した。第4章では岩盤の破壊基準の設定に関する検討として、十分長い時間をかけて岩石を壊したときの強度（長期強度）および、いつまで経っても破壊に至らない応力条件について検討した。第5章では、周圧下でのnの値の変化および岩盤強度のばらつきを考慮した二次元有限要素解析により、土岐花崗岩の長期挙動に関する予察的検討を行った。最後に、数値解析結果にもとづいて原位置試験計画に関する所見を述べた。

地質環境の長期安定性に関する研究 年度報告書（平成22年度）

本報は、深地層の科学的研究のうち、「地質環境の長期安定性に関する研究」について、第2期中期計画期間（平成22年度〜平成26年度）の初年度である平成22年度に実施した研究開発に係る成果を取りまとめたものである。第2期中期計画期間においても第1期中期計画に引き続き、最終処分事業の概要調査や安全審査基本指針などの検討・策定に研究成果を反映できるよう、(1)概要調査などに必要となる、自然現象に関する過去の記録や現在の状況を調査するための体系的な技術の整備（調査技術の開発・体系化）、(2)変動シナリオを考慮した安全評価の基盤となる、将来の自然現象に伴う地質環境の変化を予測・評価するための手法の整備（長期予測・影響評価モデルの開発）のほか、(3)最先端の分析装置などを用いた放射年代測定や鍵層の高分解能同定法などによる編年技術の高度化（年代測定技術の開発）を進めている。本報では、それぞれの研究分野に係る科学的・技術的背景を解説するとともに、主な研究成果及び今後の課題などについて述べる。