人工バリアシステム中のガスの移動に関する研究(V) -2相流モデルによる粘土系材料におけるガス影響評価結果の妥当性の検討-(研究委託内容報告書)

Gas migration in the engineered barrier system (V); Examination of gas migration evaluation through bentonite/sand mixture using two-phase flow model

山本 幹彦*; 関 義孝*; 森 竜馬*

Yamamoto, Mikihiko*; not registered; not registered

TRU廃棄物処分場内での金属の腐食等によるガス発生により、人工バリア中の核種移行の加速や、圧力上昇による人工バリアの破壊が懸念される。本研究では、処分場におけるガスの影響を評価するために、人工バリア材料の候補である粘土系材料(ケイ砂混合ベントナイト:ケイ砂混合率30wt%乾燥密度1.6Mg/m3)に対して、ガスの透過試験、ガス移行特性の定量評価を行い、拡張型気液2相流モデル(ベントナイト/砂モデルを付加した気液2相流モデル)の適用性評価を行うとともに処分システム中のガスの影響評価を実施した。ガスの透過試験を体積歪み拘束条件にて実施し、排水速度が急激に増加する点、およびその後の排水速度が低下し、ガス排出速度が急激に増加する点が確認された。また、後者に対応する計測上のブレイクスルー圧は平均有効応力がより小さい程小さくなるという傾向も確認された。ガスのブレイクスルー圧は27MPa程度で、ブレイクスルー後ほぼ定常に達した時点でのガスの透過係数は10-2110-19m2の範囲に分布すること、またブレイクスルー後も一定圧力下で排水が継続し、その後注入ガスを減少させると排水速度は低下すること等が示された。ガス透過試験結果のフィッティングによりベントナイト/砂モデル(ケイ砂混合ベントナイトのガスの透過係数を、比表面と間隙率との関係で表現したモデル)を付加した拡張型気液2相流モデルに必要なパラメータを設定し(ただし閉塞圧が推定値)、TRU廃棄物の廃棄体グループ2を定量する坑道について解析を行った。拡張後の気液2相流モデルによる解析結果は、処分場内のガス圧力は拡張前とほぼ等しいものの、処分システムからの汚染水の累積排出量については1/2倍程度となり、これまで実施してきた気液2相流モデル/パラメータでの評価の保守性が示された。

Gas production resulting from mechanisms, which include metal corrosion and microbial degradation in TRU (TransUranic nuclide bearing) waste repository, can lead to overpressurisation and enhanced release of radionuclides. In this study, gas injection experiment and quantitative evaluation of gas flow properties in bentonite/sand mixture (70 weight percent of bentonite and 30 weight percent of quartz sand, 1.6 Mg/m of dry density) were carried out. Under the condition of cylindrical, constant volume geometry and axial flow, gas breakthrough phenomenon at which sharp increase of gas outflow rate after rapid rise in outflow rate of water was observed. Then an injection pressure rises to a peak value range from 2 MPa to 7 MPa higher than backpressure. Afterward, outflow rate of gas increased to a steady state value in the permeability range 10 - 10 m. Outflow of water continued after gas breakthrough. When the gas injection pressure decreased, outflow rate of water declined coincidentally. An enhanced two-phase flow modei in which bentonite/sand gas flow sub-model, based on Kozeny-Carman model, is added to conventional two-phase flow model was used for simulation. Simulation results of gas injection test were compared with the test's data. Results of the simulation were in reasonably agreement with obtained experimental data. Also, two-dimensional calculation of gas migration in a multi-barrier repository of TRU waste was implemented. Parameter values used here without reseal pressure were identified through the simulation of the test's results. Comparing these results with other simulation results obtained by conventional two-phase flow model shows that the maximum pore pressure was almost same value between two different models. But estimated value of expelled water from cavern by enhanced two-phase flow model was less than the value from conventional two-phase flow calculation. Therefor in view of the expelled water, former ...