結晶質岩を対象とした連成現象が長期挙動におよぼす影響に関する研究(2)および(3)(共同研究)

市川 康明*; 木本 和志*; 松井 裕哉

JAEA-Research 2019-005, 32 Pages, 2019/10

JAEA-Research-2019-005.pdf:6.13MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、処分坑道周辺岩盤の力学的安定性は、建設・操業時はもとより、埋め戻し部分の状態変化を可能な限り小さくするため閉鎖後にわたって維持されることが重要である。一方、坑道周辺の岩盤は、長期的にはクリープや応力緩和などの力学的な時間依存性挙動を示すことが知られており、その挙動を把握・評価できる技術の構築が地層処分の技術的信頼性向上のための課題の一つとなっている。このため、微視的亀裂の進展に着目した室内実験および化学反応も考慮できるような数値解析による研究を通じ、一般性の高い岩盤の長期挙動メカニズムに関する知見を得ることを目的とした研究を、岡山大学との共同研究として2016年度より開始した。2017年度および2018年度の研究では、2016年度までの研究成果を踏まえ、2次元的に多点での表面波計測が可能な自動計測システムを構築するとともに、微視的構造特性の評価の観点から弾性波に関する幾つかのパラメータを算出した上で、それらの有用性について予察的な検討を実施した。

結晶質岩を対象とした連成現象が長期挙動におよぼす影響に関する研究(2015年度)(委託研究)

市川 康明*; 木本 和志*; 松井 裕哉; 桑原 和道; 尾崎 裕介

JAEA-Research 2016-018, 23 Pages, 2016/12

JAEA-Research-2016-018.pdf:4.41MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分坑道の力学的安定性は、建設・操業時から坑道埋戻し後の数千年数万年という長期にわたって要求される。時間依存的挙動を示す岩石や岩盤の長期的な挙動を把握することは重要な課題である。一方で、岩石中の地下水の化学的な反応も長期挙動に影響を及ぼすことが明らかになった。この力学と化学の連成現象にも影響を及ぼすマイクロクラックの評価については、かねてからの課題でもある。2015年度は、周波数帯域を20MHzまで拡張したレーザドップラ振動計を用い、花崗岩供試体を透過する表面波の計測と群速度の推定を行った。その結果、群速度は100kHz500kHzまで、振動しながら減少する傾向にあることを明らかにした。群遅延からの群速度推定は、空間的に平均化した波形を用いることで信頼性、推定可能周波数帯域が向上し、波数-周波数スペクトルによる推定よりも容易であることも示された。ここで得られた結果は、将来的に花崗岩の粘弾性理論によるモデル化や、マイクロクラック非破壊評価のための評価値を与える際に有用な情報であると考えられる。本研究の知見を利用するためには、今後、群速度の変動と亀裂や結晶粒といった媒体の微視的な性状との対応を明らかにする必要がある。

結晶質岩を対象とした連成現象が長期挙動におよぼす影響に関する研究(2013年度)(委託研究)

市川 康明*; 木本 和志*; 佐藤 稔紀; 真田 祐幸; 桑原 和道

JAEA-Research 2014-027, 25 Pages, 2015/02

JAEA-Research-2014-027.pdf:16.92MB

岩石や岩盤は、クリープや応力緩和などの時間依存的挙動を示すことが知られており、その性質を把握することは長期の力学的安定性を評価するための重要な課題となる。これまでの研究より、長期挙動に影響をおよぼす力学と化学の連成現象をモデル化・解析する手法を開発することが課題として抽出された。この連成現象にも影響をおよぼすマイクロクラックの評価については、長期岩盤挙動研究において重点的に取組むべき課題でもある。本研究は、結晶質岩のマイクロクラックによる、超音波の散乱減衰挙動を調べるための数値解析および計測技術の開発を行ったものである。数値解析には、FDTD法(時間領域差分法)を用い、二重節点(split node)により、亀裂をモデル化した。開発したシミュレーション手法によって弾性波モデリングの上で有用な知見が得られることが分かった。一方、計測技術の開発である超音波計測では、接触型超音波探触子により入射波を岩石試料中に送信し、受信はニードルハイドロフォンの位置を精密に制御しながら水中で計測を行う水浸法によって行った。その結果、岩石試料中の弾性波の散乱減衰を評価するために有用な情報を取得できることが分かった。

結晶質岩を対象とした連成現象が長期挙動におよぼす影響に関する研究(2012年度)(委託研究)

市川 康明*; 木本 和志*; 佐藤 稔紀; 丹野 剛男; 引間 亮一; 真田 祐幸

JAEA-Research 2013-045, 69 Pages, 2014/03

JAEA-Research-2013-045.pdf:9.51MB

岩盤は断層や節理などのさまざまなスケールの不連続面群と鉱物を非均質に内包した複合材料であり、結晶質岩についてミクロな視点で岩石を見ると、個々の結晶粒子と粒界及び粒子内における微視亀裂の集合体である。岩盤の長期挙動の研究では、応力と化学反応が連成した現象を理解することが重要である。そこで本研究では、(1)石英の溶解に関する理論的並びに実験的研究、(2)結晶質岩の弾性波速度伝播に関する実験的研究を実施した。石英の溶解に関する理論的並びに実験的研究では、石英供試体の溶解速度を実験的に得るとともに石英に対する溶解速度式を提案した。結晶質岩の弾性波速度伝播に関する実験的研究では、花崗岩のコアサンプルを用いて超音波伝播速度を計測し、数百kHz数MHz帯の弾性波の位相や周波数等をはじめとする伝播特性を調べた。

結晶質岩を対象とした連成現象が長期挙動におよぼす影響に関する研究(2010年度)(委託研究)

市川 康明*; 丹野 剛男; 引間 亮一; 真田 祐幸; 松井 裕哉; 佐藤 稔紀

JAEA-Research 2012-003, 34 Pages, 2012/04

JAEA-Research-2012-003.pdf:3.33MB

岩盤は断層や節理などのさまざまなスケールの不連続面群と鉱物を非均質に内包した複合材料であり、結晶質岩についてミクロな視点で岩石を見ると、個々の結晶粒子と粒界及び粒子内における微視亀裂の集合体である。結晶質岩の変形・破壊にかかわる時間依存性挙動を含む力学的な挙動は、個々の結晶の形状・物性に基づく変形挙動と粒界及び鉱物粒子内の微視亀裂の進展による変形挙動に起因している。石英や長石等のケイ酸塩鉱物を主成分とする岩石の破壊と、それに伴う亀裂の進展の機構については、1970年代から力学的要因のみならず化学的要因と結び付けて研究がされている。このように岩盤の長期挙動の研究では、応力と化学反応が連成した現象を理解することが重要である。そこで本研究では、以下の研究を行った。(1)非線形破壊力学の解説、(2)石英の圧力溶解現象に関する室内実験、(3)石英の溶解速度式の導出に関する理論的研究、(4)亀裂性岩盤を対象とした均質化理論の構築

Neutron one-quasiparticle states in Fm populated via the decay of No

浅井 雅人; 塚田 和明; 羽場 宏光*; 石井 康雄; 市川 隆敏*; 豊嶋 厚史; 石井 哲朗; 永目 諭一郎; 西中 一朗; 小島 康明*; et al.

Physical Review C, 83(1), p.014315_1 - 014315_12, 2011/01

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.83.014315

Noの崩壊によって励起されるFmの励起準位を、-同時計数測定並びに線微細構造測定により詳細に調べた。測定で得られた遷移の内部転換係数や寿命,一準粒子軌道状態の回転バンドのエネルギー,遷移の抑止係数をもとに、Fmの励起準位とNoの基底状態のスピン・パリティ並びに中性子軌道配位を実験的に決定した。中性子数151の原子核における1/2[620]準位の励起エネルギーは、陽子数の増加に伴って特に陽子数100以上の原子核において顕著に増加するが、1/2[631]準位のエネルギーは陽子数100において減少することが明らかとなった。これらの一準粒子軌道状態のエネルギーの系統性から、陽子数の増加に伴って原子核の変形がどのように変化しているのかを、16重極変形や64重極変形といった高次の変形まで含めて議論した。

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(委託研究)

市川 康明*; 瀬野 康弘*; 平野 享; 中間 茂雄; 松井 裕哉

JAEA-Research 2008-090, 52 Pages, 2008/11

JAEA-Research-2008-090.pdf:13.05MB

本報告書は、2007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。続いて、第2章では、長期挙動予測評価手法の開発において解明が必要と考えられる石英の圧力溶解反応現象について、現象の理論的取り扱いと均質化法をベースにした数値解析手法を考案し、その適用例としてベントナイトに含まれる石英粒子の溶解を解析している。次の、第3章と第4章は、第3段階の研究で評価手法の検証が行えるよう、主要な研究対象とする土岐花崗岩をモデルとする基礎的な検討を行ったものである。このうち、第3章では、応力緩和状態下の土岐花崗岩に認められる微視的変形状況を約1か月まで顕微鏡で観察し、鉱物表面の変形から内部のひずみを計算している。また、第4章では、微視・巨視問題を同時に扱うことのできる均質化解析を用いて土岐花崗岩の巨視的な力学的挙動を再現するとともに、微視問題には強不連続解析を導入して土岐花崗岩内のマイクロクラック進展を再現している。

measurements of Pm, Sm, Eu, Gd and Tb using a total absorption BGO detector

林 裕晃*; 秋田 幸範*; 末松 倫*; 柴田 理尋*; 浅井 雅人; 佐藤 哲也; 市川 進一; 西中 一朗; 永目 諭一郎; 長 明彦; et al.

European Physical Journal A, 34(4), p.363 - 370, 2007/12

https://doi.org/10.1140/epja/i2006-10522-9

全吸収BGO検出器を用いてEuとGdのを初めて測定し、また過去に測定したPm, Sm, Tbのデータを再解析した。これらの核種は、原子力機構東海タンデム加速器施設においてUの陽子誘起核分裂で合成し、オンライン同位体分離装置を用いて核反応生成物の中から分離した。得られた質量偏差と2中性子分離エネルギーの値を、原子質量評価値や理論計算の値と比較した。

decay of Cm and the new isotope Cm

浅井 雅人; 塚田 和明; 市川 進一; 阪間 稔*; 羽場 宏光*; 西中 一朗; 永目 諭一郎; 後藤 真一*; 小島 康明*; 大浦 泰嗣*; et al.

Physical Review C, 73(6), p.067301_1 - 067301_4, 2006/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.73.067301

ガスジェット結合型オンライン同位体分離器を用いてCm及びCmの崩壊を研究した。新核種Cmを初めて同定し、その崩壊の遷移エネルギーが6656keVであることを明らかにした。Cmの線エネルギーを精度よく再決定し、娘核Puの第1励起準位へ遷移する線の観測にも成功した。Puの第1励起準位のエネルギーは、他のPu同位体のそれに比べてかなり高いことが明らかになった。

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

市川 康明*

JNC TJ7400 2005-003, 60 Pages, 2005/02

JNC-TJ7400-2005-003.pdf:16.18MB

岩盤は様々な階層の不連続面群と非均質鉱物を内包した複合材料である。岩石レベルでみると、結晶質岩は個々の結晶と粒界および微視亀裂の集合体である。結晶質岩の変形・破壊に関わる力学挙動は、個々の結晶と粒界の微視的挙動を理解すればよい。ただし、岩石を構成する鉱物の結晶、特に、花崗岩の石英と黒雲母中には多くの微視亀裂が存在し、これが起点となって粒界を超え、長石中に破壊亀裂が進展することが多いので、理論的取り扱いは簡単でない。一方、堆積岩でも砂岩は石英や長石質の結晶の粒間を続成作用によって膠着物質が埋めており、その微視的な力学挙動は、火成岩系の結晶質岩に似ていると言える。本研究では、結晶質岩の長期挙動を解明するために、(1)レーザー共焦点顕微鏡(CLSM) 観察下における花崗岩供試体の応力緩和実験、(2)ケイ酸塩鉱物の溶解反応と岩石の時間依存変形破壊挙動に関する理論研究、を実施した。第2章では、岩石試料の微視亀裂の進展状況を応力緩和試験条件下で観察している。すなわち、応力緩和試験装置をレーザー共焦点顕微鏡のステージ上に設置し、試料端に一定の変位を与えて岩石亀裂の変化を観察・測定した。岩石中には多くのケイ酸塩鉱物が含まれている。ケイ酸塩鉱物は強アルカリの条件下でなければ、一般に、水に難溶である。しかしながら、一定以上の応力が作用すると、石英や長石等は加水分解されて水に溶け出す。この負荷応力による化学反応によって岩石の時間依存変形・破壊挙動が生ずるのは、a)微視亀裂先端部における応力集中に起因する場合、b)石英粒子等が接触した粒子間において圧力溶解反応を起こす場合、があると考えられる。これらはいずれも機械的作用と化学反応場および水の流れが複合した連成現象である。第3章では、上記の亀裂先端部反応と粒子間圧力溶解反応の両現象について、時間依存変形・破壊挙動の理論的取り扱い法を示している。