幌延深地層研究計画令和4年度調査研究成果報告

中山 雅

JAEA-Review 2023-032, 159 Pages, 2024/02

JAEA-Review-2023-032.pdf:19.37MB

幌延深地層研究計画は、日本原子力研究開発機構(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プロジェクトである。令和4年度は、「令和2年度以降の幌延深地層研究計画」で示した、「実際の地質環境における人工バリアの適用性確認」、「処分概念オプションの実証」、「地殻変動に対する堆積岩の緩衝能力の検証」の3つの研究課題を対象に調査研究を実施した。具体的には、「実際の地質環境における人工バリアの適用性確認」では、人工バリア性能確認試験および物質移行試験を、「処分概念オプションの実証」では、人工バリアの定置・品質確認などの方法論に関する実証試験および高温度等の限界的条件下での人工バリア性能確認試験を実施した。また、「地殻変動に対する堆積岩の緩衝能力の検証」では、水圧擾乱試験などによる緩衝能力の検証・定量化および地殻変動による人工バリアへの影響・回復挙動試験を実施した。また、国内外の機関と連携して研究開発を推進するため、幌延国際共同プロジェクト(Horonobe International Project: HIP)を令和5年2月から開始した。HIPの主な目的は、処分場の設計・操業・閉鎖や地層処分における先進的な安全評価技術や工学技術を開発・実証すること、また、参加機関の間でこれまでに開発された膨大な知識や経験を共有・移転することにより、次世代の技術者や研究者を育成することである。令和4年度末現在、原子力機構を含め、6つの国と地域から6つの組織がHIPに参加している。幌延深地層研究計画の成果は、日本原子力研究開発機構における他の研究開発拠点での成果と合わせて一連の地層処分技術として、処分事業や安全規制に適宜反映していく。そのため、国内外の研究機関との連携を図り、大学などの専門家の協力を得つつ、本計画を着実かつ効率的に進めていく。また、研究開発業務の透明性・客観性を確保する観点から研究計画の策定から成果までの情報を積極的に公表し、特に研究成果については国内外の学会や学術誌などを通じて広く公開していく。

Evaluation of temporal changes in fracture transmissivity in an excavation damaged zone after backfilling a gallery excavated in mudstone

青柳 和平; 石井 英一

Environmental Earth Sciences, 83(3), p.98_1 - 98_15, 2024/02

https://doi.org/10.1007/s12665-023-11416-x

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、坑道掘削損傷領域の透水性の経時変化の予測が、掘削損傷領域内部の割れ目を介した放射性核種の移行特性の評価の信頼性向上において重要となる。特に人工バリア定置後の緩衝材の膨潤圧発生に伴う割れ目の透水性の変化を検討することを目的として、幌延深地層研究センターにおいて実施している実規模の人工バリア性能確認試験領域付近で4年間透水試験を実施した。試験の結果、透水性は時間とともに低下し、膨潤から4年経過した時点で、試験開始時よりも透水性が41%に低下することが確認された。さらに、Barton-Bandisのモデルを適用することにより、膨潤圧の変化に伴う透水性の低下挙動を定量的に再現することができた。割れ目の閉塞の妥当性については、人工バリア性能確認試験実施領域で実施した弾性波トモグラフィ調査において、特に底盤部分の弾性波速度の増大が見られたことから確認することができた。これらの結果から、人工バリアの膨潤に伴う掘削損傷割れ目の閉塞について、実証することができた。また、地層処分事業において、廃棄体定置後の緩衝材の膨潤による掘削損傷割れ目の透水性の事前予測に際してBarton-Bandisモデルの適用可能性が示された。

瑞浪超深地層研究所の坑道埋め戻し等事業における環境モニタリング調査; 瑞浪超深地層研究所用地周辺の環境影響調査(2022年度)

竹内 竜史; 西尾 和久*; 國分 陽子

JAEA-Data/Code 2023-013, 74 Pages, 2024/01

JAEA-Data-Code-2023-013.pdf:4.2MB

日本原子力研究開発機構東濃地科学センターは、同センターが進める瑞浪超深地層研究所の坑道埋め戻し等事業において、瑞浪超深地層研究所の坑道の埋め戻しに伴い瑞浪超深地層研究所用地周辺の環境への影響の有無を確認することを目的とした環境モニタリング調査を実施している。本報告書は、2022年度の環境モニタリング調査のうち瑞浪超深地層研究所用地周辺の環境影響調査(研究所用地周辺の井戸における地下水位調査、研究所用地周辺河川流量測定、研究所用地放流先河川水の水質分析、研究所用地周辺騒音・振動調査、研究所用地周辺土壌調査)に関する記録を取りまとめたものである。

瑞浪超深地層研究所研究坑道掘削における湧水抑制対策

見掛 信一郎

地下水学会誌, 65(4), p.323 - 331, 2023/11

深地層の研究施設である瑞浪超深地層研究所は、2本の立坑及び水平坑道で構成された深度500mに及ぶ研究坑道が掘削され、深度500mでは、湧水箇所の水圧は概ね3MPaを超え最大4MPaの高水圧という施工条件であった。地下深部における高い湧水圧の条件下において、十分な湧水抑制対策を行うことができる技術の確立は、高レベル放射性廃棄物の地層処分事業の実施において重要な技術開発課題の一つとされている。このため、研究坑道掘削時に、深度500mまでの範囲で工事の安全確保とともに坑道内への湧水を抑制するため、湧水抑制対策技術の開発を実施した内容について発表し、学会誌に投稿する。

人工バリア性能確認試験における人工バリアおよび周辺岩盤の熱・水・力学挙動の計測に関して

尾崎 裕介; 大野 宏和; 青柳 和平

資源・素材講演集(インターネット), 6 Pages, 2023/09

幌延深地層研究センターでは、原子力発電により発生する高レベル放射性廃棄物の地層処分に係る技術開発の一環として、地下研究施設の深度350m坑道において人工バリア性能確認試験を実施している。人工バリア性能確認試験では、埋め戻した坑道の内部や周辺の岩盤を対象として種々の計測が約10年間実施されている。本発表では、これらの計測結果に関して紹介する。

幌延深地層研究センター調査坑道における地下水の地球化学モニタリング装置による地下水圧の連続観測結果(2019年度2021年度)

出井 俊太郎

JAEA-Data/Code 2023-008, 49 Pages, 2023/07

JAEA-Data-Code-2023-008.pdf:5.41MB
JAEA-Data-Code-2023-008-appendix(CD-ROM).zip:7.08MB

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構は、北海道幌延町の幌延深地層研究センターにおいて、深地層の研究施設を活用した地層科学研究および地層処分研究開発を実施してきた。令和2年度以降の幌延深地層研究計画では、必須の課題への対応に必要なデータを取得するために、地下施設内の調査坑道に設置された地球化学モニタリング装置を用い、岩盤中の地下水の水圧・水質変化の観測を継続している。本報は、140m調査坑道および350m調査坑道に設置された地下水の地球化学モニタリング装置を利用して、2019年度2021年度の3年間に取得した地下水圧の観測結果を取りまとめたものである。

Anaerobic methane-oxidizing activity in a deep underground borehole dominantly colonized by Methanoperedenaceae

西村 大樹*; 幸塚 麻里子*; 福田 朱里*; 石村 豊穂*; 天野 由記; 別部 光里*; 宮川 和也; 鈴木 庸平*

Environmental Microbiology Reports (Internet), 15(3), p.197 - 205, 2023/06

https://doi.org/10.1111/1758-2229.13146

地下深部の地下水は、微生物活動などにより酸素が消費され、一般に還元性になっている。幌延の深部地下水では、微生物活動による二酸化炭素還元反応により強還元雰囲気が維持されている。一方で、幌延深地層研究センター地下研究施設の一部のボーリング孔では、嫌気的環境にも関わらずメタン酸化機能を持つ微生物の存在が明らかにされている。局所的ではあるものの、地下深部の強還元雰囲気において進行する酸化反応機構の解明を目的として、本研究では、原位置の水質・水圧を模擬し、この嫌気的メタン酸化微生物の培養を行った。その結果、地下水中の懸濁物に含まれる非晶質鉄あるいは2八面体型スメクタイトに含まれる3価鉄が酸化剤として機能していることが分かった。このような酸化剤が地下深部に存在する要因の一つとして、ボーリングの掘削泥水などの掘削に伴う人為的影響が挙げられる。高レベル放射性廃棄物の地層処分において閉鎖後の処分場坑道周辺の酸化性環境は、周辺母岩中の鉱物との反応等により本来の還元性に戻ると考えられている。本研究で得られた知見は、この処分場閉鎖後の回復過程についてより正確な理解に繋がる成果である。

Data of groundwater chemistry obtained in the Horonobe Underground Research Laboratory Project (FY2022)

宮川 和也; 中田 弘太郎*

JAEA-Data/Code 2022-013, 19 Pages, 2023/03

JAEA-Data-Code-2022-013.pdf:1.88MB

幌延深地層研究計画において、2019年度までは主に地下施設建設時の坑道掘削に伴う地下水の水質変化の調査や地球化学モデルの構築および見直しを目的として、2020年度からは必須の課題へ対応するため、地下水の水質データを取得している。2022年度は、引き続き必須の課題に対応するため、地下施設を利用して得られた地下水の水質データを取得している。地下施設の140m,250mおよび350m調査坑道から掘削されたボーリング孔や3本の立坑に設置されている集水リングなどから54試料の地下水を採取し、分析を実施した。本報告は、2022年度に得られた地下水の水質データとして、pHや電気伝導度、溶存成分(Na, K, Ca, Mg, Li, NH, F, Cl, Br, NO, NO2, PO, SO,Total-Mn,Total-Fe,Al,B,Sr,Ba,I,アルカリ度,溶存有機炭素,溶存無機炭素,CO, HCO, Fe,硫化物)および酸素水素同位体比の測定・分析結果を取りまとめたものである。

Isotopic signals in fracture-filling calcite showing anaerobic oxidation of methane in a granitic basement

水野 崇; 鈴木 庸平*; Milodowski, A. E.*; 岩月 輝希

Applied Geochemistry, 150, p.105571_1 - 105571_11, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2023.105571

地下水中における嫌気的メタン酸化(AOM)は、地下水の酸化還元条件と炭素循環の両方に影響を及ぼすものの、地層処分の母岩となりうる結晶質岩を対象とした研究例は少ない。そのため、本研究では、日本の中央部に分布する土岐花崗岩の割れ目に産出する二次鉱物である方解石を対象に、炭素と酸素の安定同位体組成に着目した古水理地質学的研究を実施した。その結果、酸素同位体組成(O: -32.7‰ -0.59‰)から、方解石を析出させた地下水は熱水由来の地下水、地表から浸透した淡水、海進時に侵入した海水であることが明らかとなった。一方、炭素同位体組成C: -56.6‰ +6.0‰)は、熱水,淡水,海水由来のDICの炭素同位体組成の範囲(-25‰ +2‰)より広い範囲に分布していた。-25‰より軽いCを持つ方解石はAOMから供給されたDICを起源として沈殿したと考えられ、+2‰より重いCを持つ方解石はメタン生成時にCが濃縮したDICを起源として沈殿したと考えられる。北欧における先行研究とは異なり、瑞浪のAOM方解石は淡水環境で沈殿したものであり、結晶質岩の深部では様々なプロセスによりAOMが生じる可能性があることが示された。このような幅広い環境下での炭素循環を理解することは、地層処分システムの長期的な安全性を評価する上で重要な知見を提供できると考えられる。

Evolution of porewater in a Neogene sedimentary formation in the Horonobe area, Hokkaido, Japan: Modeling of burial diagenesis

宮川 和也; 柏谷 公希*; 小村 悠人*; 中田 弘太郎*

Geochemical Journal, 57(5), p.155 - 175, 2023/00

https://doi.org/10.2343/geochemj.GJ23014

厚い海成堆積層の深部には、地層の堆積時に取り込まれた海水が埋没続成過程で変質したと考えられる地下水(化石海水)が存在することがあり、このような場は、地層の隆起・侵食を経ても天水浸透の影響を受けず、地下水流動が緩慢であると判断される。続成過程ではケイ酸塩からの脱水などにより間隙水の塩濃度の低下などの変化が生じる。しかしながら、鉱物からの脱水反応のみでは水質変化を定量的に説明できず、水質進化の過程が明らかではない。本研究では、埋没過程におけるケイ酸塩からの脱水反応および圧密による間隙水の上方移動を考慮した解析モデルを構築し、埋没過程で生じ得る間隙水の水質進化について検討した。その結果、オパールAから石英に至る脱水反応の影響及び粘度鉱物からの脱水影響を強く受けた水質は、ボーリング調査による観測結果と近い値を示した。本解析結果は、地層の埋没続成過程において形成された化石海水の水質が地層の隆起以降現在まで保存されている可能性を示唆するものであり、化石海水が存在する場の地下水流動が緩慢であることを強く支持するものである。