熱的特性の緩衝材仕様に対する影響

Design study of buffer material from the view of thermal condition

谷口 航 ; 鈴木 英明*; 杉野 弘幸*; 松本 一浩*; 千々松 正和*; 柴田 雅博 

Taniguchi, Wataru; Suzuki, Hideaki*; Sugino, Hiroyuki*; Matsumoto, Kazuhiro*; Chijimatsu, Masakazu*; Shibata, Masahiro

高レベル放射性廃棄物の地層処分における緩衝材には、水理挙動制御性、核種吸着性、膨潤性、熱伝導性など多くの性能が要求される。現在のところ、これらの要求性能の多くを満足するものとして圧縮ベントナイトもしくはベントナイトにケイ砂を混合し圧縮したものが有望な候補材料と考えられている。核燃料サイクル開発機構では、地層処分場における人工バリア、地下施設の設計、および性能評価に資するため、圧縮ベントナイトの基本特性についてその試験方法を検討するとともにデータを取得している。また、仮想の地質条件の基に、人工バリアおよび地下施設の設計検討を進めている。人工バリアおよび地下施設の設計においては、緩衝材の熱的変質を避けるために、緩衝材の熱伝導特性が指標の一つとなると考えられている。また、緩衝材が物理的なものとして成立するための最小密度(カサ密度)以下で人工バリアを設計することはありえないため、上記最小密度(カサ密度)も指標の一つとなる。本報告では、緩衝材の熱物性測定を行うとともに、緩衝材の最小密度(カサ密度)についても検討を行った。また、得られた緩衝材熱伝導特性を用い、人工バリアを含んだ周辺の温度解析を行い、緩衝材の制限温度を基に、緩衝材の成立範囲、つまり充填密度、厚さ等の成立範囲を検討した。得られた成果は、以下の通りである。(1)緩衝材の最小密度(カサ密度)にはケイ砂混合率依存性が見られ、ケイ砂混合率が大きいほど、最小密度(カサ密度)も大きくなった。(2)緩衝材の熱伝導率、および比熱の含水比依存性を、乾燥密度およびケイ砂混合率をパラメータにし、定式化した。この結果、含水比が小さい範囲では、ケイ砂混合率が熱伝導率に及ぼす影響は小さいことが分かった。(3)緩衝材の乾燥密度および人工バリアにおける緩衝材厚さに関して、熱的観点からの成立範囲を、解析により求めた。また、緩衝材の乾燥密度、ケイ砂混合率および含水比に関らず、緩衝材厚さと緩衝材最高上昇温度の関係は、熱伝導率で整理できることが分かった。

For the buffer of geological disposal of High-level radioactive waste (HLW) in Japan, it is expected to maintain its low water permeability, self-sealing properties, radionuclides adsorption retardation properties, thermal conductivity, etc. It is considered that compacted bentonite or a compacted sand-mixtured bentonite that satisfy many of the expected properties mentioned above are superior. JNC (Japan Nuclear Fuel Development Corporation) has studied the measurement method for the properties of buffer and measured to use the measurement results for the design and performance assessment analysis. Also, we have conducted the design of engineered barrier and underground facility based on assuming geological condition. For the design of engineered barrier and underground facility, high thermal conductivity of buffer is design requirement to avoid mineralogical alternation. Also, the design is not conducted using the density of buffer less than the bulk density (powder-mass density). Therefore, the bulk density (powder-mass density) is one of the design requirements. In this report, the thermal properties and the bulk density (powder-mass density) of the buffer material is measured. Then thermal analysis in the near field is conducted using the measurement results, and we studied the relationships between the dry density, sand-mixtured ratio, water content and thickness of the buffer to satisfy the design requirement from the view point of thermal condition, based on the temperature constraint of the buffer.