Evaluation of Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Phenomena in the Near Field for Geological Disposal of High-Level Radioactive waste

高レベル放射性廃棄物の地層処分における熱-水-応力連成モデルを用いたニアフィールド解析評価

千々松 正和*; 藤田 朝雄 ; 杉田 裕 ; 谷口 航 

Chijimatsu, Masakazu*; Fujita, Tomoo; Sugita, Yutaka; Taniguchi, Wataru

高レベル放射性廃棄物の地層処分における廃棄体定置後のニアフィールドでは、廃棄体からの放熱、周辺岩盤から人工バリアへの地下水の浸入、地下水の浸入による緩衝材の膨潤圧の発生、周辺岩盤の応力変化などの現象が相互に影響することが予想される。このような、熱-水-応力連成現象を評価することは、ニアフィールド環境の明確化の観点から重要な課題の一つである。熱-水-応力連成現象を明らかにするためには、まず個々の現象に関わるメカニズムを明らかにする必要がある。そのため、不飽和ベントナイトの伝熱特性、浸潤特性、膨潤特性等に関する各種要素試験が実施されている。また、熱-水-応力連成現象を実際に観測し、どのような現象が発生しているのか把握する必要もある。そのため、熱-水-応力連成現象に関する工学規模室内試験および原位置試験等が実施されている。さらに、熱-水-応力連成現象を評価するためのモデルも同時に開発されており、工学規模室内試験および原位置試験等を用いて、モデルの妥当性および適用性の検討が実施されている。本報告では、これら熱-水-応力連成モデルの開発に関する一連の検討結果を示す。本報告の構成は以下の通りである。第1章では、高レベル放射性廃棄物の地層処分における熱-水-応力連成評価の必要性について示す。第2章では、熱-水-応力連成解析評価に必要な岩石および緩衝材粘土の物性値取得に関する室内試験結果を示す。試験対象は釜石鉱山とし、岩石に関する試験は釜石鉱山で採取された供試体を用い、粘土に関してはベントナイト単体(クニゲルV1,OT-9607)およびベントナイトとケイ砂の混合体を対象とした。第3章では、原位置における岩盤物性試験の結果を示す。原位置試験は釜石鉱山における試験坑道内で実施した。実施した試験は、亀裂特性調査、透水試験、試験坑道床盤に掘削した試験孔内への湧水量の測定である。第4章では、室内および原位置試験で得られた岩盤物性値を用い、第3章で示した試験孔内への湧水量の解析評価を行なった。解析は連続体モデルおよび不連続体モデルの両者を用い実施した。第5章では、釜石鉱山で実施した熱-水-応力連成試験結果を示す。直径1.7m,深さ5.0mの試験孔を坑道床盤に掘削し、試験孔内に緩衝材および発熱体を設置し、連成試験を開始した。連成試験としては、発熱体の加熱を行なう加熱試験を約260日間、発熱体停

Geological disposal of high-level radioactive waste (HLW) in Japan is based on a multibarrier system composed of engineered and natural barriers. The engineered barriers are composed of vitrified waste confined within a canister, overpack and buffer material. Highly compacted bentonite clay is considered one of the most promising candidate buffer material mainly because of its low hydraulic conductivity and high adsorption capacity of radionuclides. In a repository for HLW, complex thermal, hydraulic and mechanical (T-H-M) phenomena will take place, involving the interactive processes between radioactive decay heat from the vitrified waste, infiltration of ground water and stress generation due to the earth pressure, the thermal loading and the swelling pressure of the buffer material. In order to evaluate the performance of the buffer material, the coupled T-H-M behaviors within the compacted bentonite have to be modelled. Before establishing a fully coupled T-H-M model, the mechanism of each single Phenomenon or partially coupled phenomena should be identified. Furthermore, in order to evaluate the coupled T-H-M phenomena, the analysis model was developed physically and numerically and the adequacy and the applicability was tested though the engineered scale laboratory test and in-situ test. In this report, the investigative results for the development of coupled T-H-M model were described. This report consists of eight chapters. In Chapter l, the necessity of coupled T-H-M model in the geological disposal project of the high-level radioactive waste was described. In Chapter 2, the laboratory test results of the rock sample and the buffer material for the coupled T-H-M analysis were shown. The rock samples were obtained from the in-situ experimental site at Kamaishi mine. As the buffer material, bentonite clay (Kunigel V1 and Kunigel OT-9607) and bentonite-sand mixture were used. In Chapter 3, in-situ tests to obtain the rock property were shown. As ...