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高山 裕介; 佐藤 大介*; 菊池 広人*
原子力バックエンド研究(CD-ROM), 29(2), p.101 - 111, 2022/12
放射性廃棄物の地層処分施設の緩衝材への利用が検討されているベントナイトの膨潤特性を把握するために実施される膨潤圧試験では、給水開始後の時間経過とともに単調に膨潤圧が増加する場合以外にも、一度増加した後に低下する場合など様々な結果が報告されている。本研究では、複数の異なる初期含水比の供試体を用いて膨潤圧試験を実施し、試験中のX線CT測定により、膨潤圧が単調に増加する場合および一時的に低下する場合における供試体内部の湿潤密度分布の時間変化を把握した。その結果、吸水圧縮挙動の発生の有無やその大小が膨潤圧の経時変化の形状に影響を与えることを明らかにした。具体的には、膨潤圧試験において供試体内部での吸水圧縮による変形量が大きいほど試験途中における膨潤圧の一時的な低下量が大きく、吸水圧縮による変形が生じない場合は単調に増加するものと推測された。
高山 裕介; 菊池 広人*
土木学会論文集,C(地圏工学)(インターネット), 77(3), p.302 - 313, 2021/09
放射性廃棄物の地層処分施設の緩衝材への利用が検討されているベントナイトの膨潤特性を把握するため、これまでに数多くの膨潤圧試験が実施されてきた。本研究では、膨潤圧試験でしばしば観測される飽和に至るまでの過程で一度膨潤圧が低下する現象の原因を明らかにするため、X線CT測定による膨潤圧試験中の供試体内部の観察により、膨潤圧の経時変化と供試体の状態変遷の関係の把握を行った。その結果、膨潤圧が一度低下する期間において、供試体内部で吸水圧縮挙動が生じていることが観測され、これにより膨潤圧が低下したものと推測された。さらに、複数の異なる荷重条件に対して膨潤変形試験を実施した結果、膨潤圧と同等からやや小さい荷重条件においても、飽和に至る過程で圧縮挙動が生じることが確認された。これらの試験データは、再冠水時の処分施設の力学的な状態変遷を評価するための連成解析コードの検証のためのデータとしての活用が期待される。
杉田 裕; 菊池 広人*; 星野 笑美子*
JAEA-Data/Code 2020-017, 39 Pages, 2021/01
JAEA-Data-Code-2020-017.pdf:2.96MB
わが国では、高レベル放射性廃棄物(HLW)は深地層の処分場に埋設される。HLWの竪置き方式の処分場概念では、オーバーパックに封入された廃棄体は緩衝材(ベントナイトとケイ砂の混合材)にくるまれた状態で鉛直に掘削された処分孔に埋設される。そして、処分坑道は、埋め戻し材(ベントナイトと掘削ズリの混合材)で埋め戻された後、コンクリートプラグで閉塞される。日本原子力研究開発機構は、埋め戻し材で起こると考えられる熱-水-応力-化学連成挙動を把握するため、幌延深地層研究センターで発生した掘削ズリを用いた埋め戻し材の(1)膨潤圧試験、(2)透水試験、(3)熱物性測定、(4)一軸圧縮試験、(5)水分ポテンシャル測定、及び(6)浸潤試験を実施し、膨潤圧,透水係数,熱伝導率等のデータを得た。これらの試験データは、幌延深地層研究センターで実施中の実規模原位置試験に用いられる。
高山 裕介; 菊池 広人*
原子力バックエンド研究(CD-ROM), 27(1), p.12 - 21, 2020/06
本研究では、処分施設設計等において緩衝材の力学挙動を解析する際に重要となる構成モデルについて、様々な塩水条件での緩衝材の力学挙動に対する既存の弾塑性構成モデルの適用性を検討した。まず、試験データが比較的少ない塩水条件での圧密非排水三軸圧縮試験を実施し、得られた試験結果と既往の標準圧密試験と圧密非排水三軸圧縮試験の結果から蒸留水条件と塩水条件での緩衝材の力学挙動の違いを分析した。特に、試験溶液条件の違いによって標準圧密試験での除荷時の変形量に大きな差異が生じることを確認した。続いて、これらの試験の再現解析により、蒸留水および塩水条件での緩衝材の力学挙動に対する修正カムクレイモデルの適用性を検討した。その結果、蒸留水条件でのパラメータの内、膨潤指数を変化させることで、塩水条件での緩衝材の力学挙動を概ね再現できることを確認した。
sp
Laboratory, Sweden笹本 広; 磯貝 武司*; 菊池 広人*; 佐藤 久夫*; Svensson, D.*
Clay Minerals, 52(1), p.127 - 141, 2017/03
被引用回数：3 パーセンタイル：12.5(Chemistry, Physical)圧縮ベントナイトは、高レベル放射性廃棄物の安全な処分のため、多くの国々において、人工バリア材の候補として検討されている。SKBは、スウェーデンのエスポにある硬岩研究所において、鉄製のヒータを用いて温度を上げた条件(最大で130
C程度)で、種々のベントナイトの安定性を比較するための原位置試験(ABM試験)を実施した。本報告では、日本のベントナイト(クニゲルV1)の試験結果について述べる。XRDやSEM-EDXを用いた鉱物学的調査の結果、ベントナイトの主成分であるスメクタイトが新たな粘土鉱物に変化する様子は認められなかった。しかしながら、鉄製ヒータ近傍のベントナイトには、スメクタイト層間における陽イオン交換(Na型からFe型へ)が生じていた。透水試験や膨潤試験による物理特性調査の結果、鉄製ヒータ近傍のベントナイトにおいても特性変化は生じていなかった。このような結果は、鉄-ベントナイト相互作用による影響範囲は限定的であり、陽イオン交換の発生も部分的であったことに起因すると考えられた。メチレンブルー吸着量測定、陽イオン交換容量および交換性陽イオン量といった化学特性調査の結果、これらのパラメータの水平方向での分布は一様で濃度勾配は認められなかった
清水 浩之*; 菊池 広人; 棚井 憲治; 藤田 朝雄
JAEA-Research 2011-024, 74 Pages, 2011/10
JAEA-Research-2011-024.pdf:7.23MB
高レベル放射性廃棄物地層処分における緩衝材の膨潤圧は長期的な人工バリアの力学的な状態を評価するうえで重要な物性値である。しかし、統一化された膨潤圧試験がないこと等により、その評価結果にはばらつきがあるのが現状である。そこで、本研究ではこのような土質材料中における破壊や大変形,膨潤挙動を良好に再現することが可能である粒状体個別要素法により膨潤圧試験のシミュレーションを行うとともに、膨潤圧試験における供試体の縦横比及び壁面摩擦力の影響について検討を行い、膨潤圧試験方法の標準化に向けた基盤情報を提供する。
棚井 憲治; 菊池 広人; 中村 邦彦*; 田中 幸久*; 廣永 道彦*
JAEA-Research 2010-025, 186 Pages, 2010/08
JAEA-Research-2010-025.pdf:9.01MB
低レベル放射性廃棄物処分, TRU廃棄物並びに高レベル放射性廃棄物の地層処分では、施設の構成要素の一つとしてベントナイト系材料が用いられる。ベントナイト系材料に求められている特性としては、低透水性,膨潤性などがあり、ほとんどの場合、室内試験結果により評価されている。ところが、乾燥密度などの指標が同一でも、ベントナイトの室内試験結果には幅があるため、施工時の特性評価には不確実性が存在する。さらに施工時の不確実性は、長期的な特性評価の不確実性を増大させる可能性がある。一方、ベントナイトの室内試験法の中には規格化又は標準化されていないものがあり、そのことが、室内試験によるベントナイトの特性評価の不確実性の原因の一つである可能性がある。そのため、標準的なベントナイトの室内試験法の設定が望まれている。そこで、本研究では、ベントナイト系材料の試験で得られる物性値の不確実性の要因分析を実施し、試験における問題点や留意事項を取りまとめた。
齋藤 雄也; 棚井 憲治; 菊池 広人*; 平井 卓*; 西村 繭果*
JAEA-Research 2008-010, 35 Pages, 2008/03
JAEA-Research-2008-010.pdf:15.56MB
我が国の地層処分概念では、地震・活断層の影響等、地層処分システムに著しい影響を及ぼす可能性のある天然現象については、サイト選定によってその影響を避けることを基本としている。これに対し、万が一断層によるずれ変位が生じる場合を想定して、人工バリア性能の限界状態を把握することも重要であると考えられる。そのため、本研究では発生頻度,規模が小さいため事前調査で発見することが困難であるC級断層が人工バリアを直撃した場合を想定し、模型実験とシミュレーション解析を行い、人工バリアに及ぼす影響について検討してきた。本稿では、断層変位速度の影響を評価するため、速度を変えた実験を行い、実験データの拡充を図るとともに、シミュレーション解析の精度向上のための検討を行った。その結果、断層変位速度を100mm/sから1/10の10mm/sにした結果、緩衝材外周部で観測される土圧が20%程度減少することがわかった。また、数値解析においては、周辺岩盤の透水係数を適切に評価することが重要であることが明らかとなった。
棚井 憲治; 神徳 敬*; 菊池 広人*; 西村 繭果; 松本 一浩*; 青柳 茂男; 油井 三和
JAEA-Research 2006-035, 32 Pages, 2006/06
JAEA-Research-2006-035.pdf:3.46MB
国が策定する緩衝材に関わる安全基準、指針等に資するため、廃棄体支持性,オーバーパックの保護、放射性核種の移行抑制、岩盤の保護という緩衝材の性能保証項目に対し、現状の評価方法を確認し、ツールの整備状況として一覧表形式でまとめた。また、一覧表に記載した評価ツール内容の具体例を示した。示している内容は、緩衝材の基本特性(緩衝材膨潤特性,力学特性,透水特性)、緩衝材の変形・変質の長期挙動に関する現象(クリープ現象、緩衝材の流出、岩盤への侵入、緩衝材の変質に関する長期安定性)、緩衝材のガス透気回復挙動、コロイド影響評価、岩盤の力学的変形挙動であり、それぞれの項目で確認する具体的内容、評価方法(実験による確認により評価がなされるもの、実験式及びデータベースから推定されるもの、モデル計算より導出するもの)の種類、研究の概要及びその最新の結果を示した。
21年度)を対象とした工学技術の適用性検討に関する計画案青柳 茂男; 油井 三和; 棚井 憲治; 川上 進; 藤田 朝雄; 谷口 直樹; 柴田 雅博; 小西 一寛; 西村 繭果; 菊池 広人*; et al.
JAEA-Review 2006-014, 61 Pages, 2006/03
JAEA-Review-2006-014.pdf:5.03MB
日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」という)では、北海道の天塩郡幌延町にて、堆積岩を対象とした幌延深地層研究計画を進めている。幌延深地層研究計画は、平成17年度より、地下研究施設の建設に伴い、地上からの調査段階(第1段階)から坑道掘削時の調査研究段階(第2段階)へと移行していく。一方、原子力機構では、これまで工学技術の基盤技術開発として、「わが国における高レベル放射性廃棄物地層処分の技術的信頼性; 地層処分研究開発第2次取りまとめ」で示した一連の工学技術をベースとしつつ、幌延地区の地上からの調査段階で得られた地質環境条件を対象として工学技術の具体的な地質環境への適用性検討を行ってきた。今後は、工学技術の基盤技術開発として、幌延深地層研究計画の進捗に併せて、第2段階を通じた工学技術の具体的な地質環境への適用性検討を進め、それらの成果を体系的に整理し提示していく必要があると考える。よって、本報告書では、現時点の幌延の地下施設の建設工程及び「幌延深地層研究計画; 地下施設を利用した第2,第3段階における調査試験計画案」に基づき、幌延深地層研究計画の第2段階のうち、平成17年度から平成21年度までの5年間に焦点をあてた工学技術の適用性検討に関する研究計画を、個別研究課題ごとに整理し立案した。なお、本計画は、今後、幌延の地下施設の施工状況や最新の動向を踏まえ随時変更する可能性があるとともに、今後より詳細化していく必要がある。
青柳 茂男; 小田 好博; 笹本 広; 柴田 雅博; 棚井 憲治; 谷口 直樹; 西村 繭果; 藤崎 淳; 菊池 広人*; 松本 一浩*
放射性廃棄物安全研究年次計画(平成13年度平成17年度)研究成果報告集, p.179 - 203, 2006/03
具体的な地質環境条件を対象に人工バリアや地下施設に対して、長期予測モデルの検証等を行い、安全評価基準・指針類の策定及び安全評価モデル・データの信頼性向上に資することを目的として、(1)緩衝材の長期物理的・化学的安定性に関する研究,(2)オーバーパックの腐食挙動に関する研究,(3)ガス移行挙動に関する研究,(4)岩盤長期変形挙動に関する研究,(5)再冠水挙動に関する研究に関する現象モデル及びデータの検証を室内において実施した。これらの研究により、幌延の地下水条件や海水系地下水条件を対象としたデータの拡充や関係式の一般化,現象評価モデルの信頼性の向上を図った。さらには熱-水-応力-化学連成プロトタイプコードを構築した。
飛塚 早智子; 菊池 広人*; 松本 一浩*; 飯島 和毅; 佐藤 治夫
JNC TN8400 2005-019, 65 Pages, 2005/08
JNC-TN8400-2005-019.pdf:3.23MB
天然有機物の模擬物質として、ポリアクリル酸(平均分子量450,000)またはポリアクリル酸ナトリウム(平均分子量15,000)を用い、高イオン強度における圧縮ベントナイトに対する有機物の透過挙動を評価した。また、圧縮ベントナイトから溶出する有機物について調査した。乾燥密度1.2g/cm
の圧縮ベントナイト(クニゲルV1、100%)に最長140日透過させたところ、高イオン強度では低イオン強度よりも一日あたりの透水量が多く、かつポリアクリル酸の濃度も高かった。分子量15,000の場合、高イオン強度では試験開始後52日目、低イオン強度では70日目にポリアクリル酸の破過が認められた。分子量450、000の場合はどちらの溶媒でも破過しなかった。イオン強度にかかわらず、圧縮ベントナイトによりフィルトレーションされる分子量の下限値は450,000より小さく、分子量15,000程度であっても分子構造を直線的に変化できるような有機物は、フィルトレーションされにくいと考えられる。また圧縮ベントナイトから溶出する有機炭素濃度は、低イオン強度において7.4-12.5mg・l
、高イオン強度において4.2-6.5mg・lであると考えられる。
菊池 広人*; 棚井 憲治
JNC TN8430 2004-005, 96 Pages, 2005/02
JNC-TN8430-2004-005.pdf:2.76MB
「核燃料サイクル開発機構(以下,サイクル機構)では,「第2次取りまとめ」までに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降水系地下水(蒸留水で模擬)を想定したデータの拡充を行ってきた。本報告書においては,これまでに得られた成果を踏まえ,実際の地質環境条件下における緩衝材および埋め戻し材の基本特性を把握するため,幌延深地層研究計画の一環として,幌延地下研建設サイト近傍のボーリング孔HDB-6,GL-300m以下の地下水を用いて,緩衝材仕様および埋め戻し材仕様における膨潤特性(膨潤力測定試験・隙間体積膨潤試験・膨潤応力測定試験),透水特性(透水試験),熱特性(熱物性測定試験),力学特性(一軸圧縮試験・一次元圧密試験・三軸圧縮試験)試験を実施し,データを拡充するとともに,関係式の一般化を図ったので報告する。試験の結果を以下に示す。1)緩衝材仕様および埋め戻し材仕様における膨潤特性,透水特性,力学特性に関しては,海水系地下水条件下(幌延地下水,人工海水,NaCl溶液)の場合,降水系地下水条件下に比して,求められる機能が低下することが示された。また,塩濃度をイオン強度にて整理し,比較した結果,各特性ともに,ある一定濃度以降,求められる機能は変らなくなる傾向を示した。さらに,有効粘土密度を用いて膨潤特性,透水特性,力学特性に関する関係式の一般化を図った。・膨潤特性として,有効粘土密度と膨潤応力の関係式を一般化した。・透水特性として,有効粘土密度と固有透過度の関係式を一般化した。・力学特性として,有効粘土密度と一軸圧縮強度の関係式を一般化した。2)緩衝材仕様における熱特性に関しては,海水系地下水の場合においても降水系地下水条件下と同等の値が得られ,塩濃度の影響を考慮する必要がないことが示された。また,熱伝導率,比熱ともに,これまでに得られた含水比を用いた関係式にて評価できることが示された。
菊池 広人*; 棚井 憲治
JNC TN8450 2003-010, 18 Pages, 2004/02
JNC-TN8450-2003-010.pdf:0.06MB
高レベル放射性廃棄物の地層処分における緩衝材には,止水性,自己シール性,応力緩衝性,核種収着性,熱伝導性,化学的緩衝性,オーバーパック支持性など長期にわたり維持されることが期待されている。これらの要求性能を比較的満足し得る材料として,天然に産する粘土が注目され,中でも圧縮されたベントナイト(以下,圧縮ベントナイト)は,非常に低い透水性により水の動きの抑制,水の浸潤に伴い膨潤し,圧縮ベントナイト中の間隙や隣接する岩盤中の割れ目を充填する機能,陽イオン核種を吸着する陽イオン交換機能を有しており,緩衝材として最も有力な材料であると考えられる。核燃料サイクル開発機構(以下,サイクル機構)では,これまでに,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を行うとともに,処分事業展開や国の安全規制に必要となる技術基準に資する基盤情報整備として,緩衝材の基本特性(水理・膨潤・力学・熱特性)に関してデータの拡充を行ってきた。本報告においては,サイクル機構が2003年12月までに取得した緩衝材の基本特性データをデータ集として取りまとめたので報告する。
平井 卓; 棚井 憲治; 菊池 広人*; 重野 喜政*; 並河 努*; 高治 一彦*; 大沼 敏*
JNC TN8400 2003-034, 158 Pages, 2004/02
JNC-TN8400-2003-034.pdf:5.26MB
緩衝材に求められるオーバーパック支持性能や応力緩衝性能に関しては、「第2次取りまとめ」において、設定された仕様の人工バリアに対する安定性やオーバーパック作用応力の評価を行った。しかし、評価解析に用いられた長期挙動評価モデルは一般の粘性土における実績やパラメータ設定の容易さにより選定されており、膨張性のあるベントナイトを用いた緩衝材への適用性に関して十分な検討がなされていなかった。そこで、既存の評価モデルより緩衝材への適用性の高いモデルを再抽出するとともに、緩衝材の支持性能や応力緩衝性能に関する再評価をすることが必要と考えた。そこで、最初に一般の粘性土の力学挙動評価に対して実績のある既存の評価モデルを体系的に分類した後、適用性が高いモデル抽出した。次に緩衝材の室内要素試験結果を各モデルを用いてシミュレーション解析を実施し、抽出モデルの適用性検討とパラメータ選定を実施した。最後に、これらのモデルとパラメータを用いて、人工バリア中のオーバーパックの自重沈下とオーバーパックの腐食膨張の影響を解析により再評価した。その結果、抽出された関口-太田モデルと足立-岡モデルは、ほぼ同一の評価精度を有していることやモデルのパラメータは、圧密試験と三軸圧縮試験を同時に精度良く評価できるものを選定することが困難であり、人工バリア中の緩衝材の挙動を評価するためには、2種類のパラメータセットが必要なことなどが分かった。
平井 卓; 棚井 憲治; 菊池 広人*; 高治 一彦*; 大沼 敏*
JNC TN8400 2003-031, 48 Pages, 2004/02
JNC-TN8400-2003-031.pdf:2.22MB
緩衝材に求められるオーバーパック支持性能や応力緩衝性能に関しては、「第2次取りまとめ」において、設定された仕様の人工バリアに対する安定性やオーバーパック作用応力の評価を行っている。しかし、設定された仕様の安全裕度や設計根拠については必ずしも明確ではない。そこで、安全裕度や設計根拠を明確にするために、人工バリアにおける緩衝材中でオーバーパックが変形する場合の作用荷重と変形の関係や破壊に至るような極限荷重が存在するかなどについて、縮小模型試験と解析を用いた検討を実施した。検討の結果、オーバーパックの円筒軸方向の変形の増加に対して、作用荷重の増加は減少する傾向にあるものの、周辺の岩盤など剛性の高い境界による緩衝材の拘束効果により明確な極限荷重は現れず、変形が大きくなれば変形量と作用荷重の関係を関数で近似できることが明らかになった。
菊池 広人*; 棚井 憲治
JNC TN8430 2003-009, 27 Pages, 2003/12
JNC-TN8430-2003-009.pdf:0.69MB
従来,熱解析に必要となる緩衝材の比熱については,熱伝導率および熱拡散率の測定を手法の異なる方法や別々の供試体を用いて行い算出してきた。しかしながら,測定手法の違いや同一供試体を用いることができないことによって,供試体作製時の不均一性などがデータのばらつきなどの要因になることも考えられる。このような観点から,データの品質保証ならびに関係式の標準化を図るために,これら熱特性を同時に測定し,かつ,面による測定のため供試体表面の場を平均的に測定が行える非定常面熱源法測定装置を用いてベントナイト単体試料およびケイ砂混合体試料について熱伝導率及び熱拡散率の測定し,両者の関係から比熱を求めた。試験の結果,緩衝材の熱伝導率,比熱ともに供試体の含水比によって大きく変化し,比熱については,緩衝材の構成成分から求められる理論的な予測値と良く一致する結果となった。また,緩衝材の熱伝導率および比熱について緩衝材材料の含水比の関数として定式化を行った。
菊池 広人*; 棚井 憲治; 杉田 裕
JNC TN8430 2003-008, 31 Pages, 2003/11
JNC-TN8430-2003-008.pdf:0.63MB
高レベル放射性廃棄物の地層処分における処分場の閉鎖は,人工バリア性能を損なわないように残された坑道を適切に充填する技術である。埋め戻し材の設置される坑道の挙動としては,支保工の変質による埋め戻し材と支保工間の隙間の発生等が考えられ,隙間膨潤機能は埋め戻し材の要求性能のひとつである。そこで,海水条件下における埋め戻し材仕様に関する隙間充填性能について,第2次取りまとめでの埋め戻し材仕様の実現性および隙間充填性能を確保可能なベントナイト配合割合の概略的把握の基礎試験を実施した。今回の結果からは,支保工(厚さ50cm)が変質し,その体積の30%が隙間となるという極端な条件を仮定した試験条件では,要求性能を担保するための隙間膨潤量を確保するために,降水系においては,第2次取りまとめにおける埋め戻し材仕様のベントナイト配合率である程度期待できるが,海水系においては,ベントナイト配合割合が50%以上必要であった。基礎試験であり隙間を固定していることから,隙間充填時の止水性能に関するデータは今後の課題であるが,海水環境下の試験結果のプロットからは隙間許容曲線の概要を得ることができた。
杉田 裕; 菊池 広人*; 棚井 憲治
JNC TN8430 2003-007, 33 Pages, 2003/11
JNC-TN8430-2003-007.pdf:27.68MB
高レベル放射性廃棄物の地層処分において緩衝材の施工法の候補の一つである緩衝材ブロックでの施工を想定し、緩衝材と岩盤との間に生ずる隙間を模擬した室内試験を実施した。これまでの結果から、隙間が存在する場合の緩衝材の膨潤挙動では、その膨潤前の初期状態から隙間を充填するまでの膨潤過程およびその後の内部の密度の変化を把握する必要があることがわかった。
菊池 広人*; 棚井 憲治; 松本 一浩*; 佐藤 治夫; 上野 健一; 鐵 剛志*
JNC TN8430 2003-002, 47 Pages, 2003/03
JNC-TN8430-2003-002.pdf:2.11MB
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、圧縮ベントナイト本報告書においては、これまでに得られた成果を踏まえ、実際の地質環境下をれまでにデータがほとんど得られていない海水系地下水条件下における圧縮ベの水理特性を把握するため、熱(温度)や塩濃度の影響に関するデータを拡充に、これら関係式の一般化を行った。また、海水系地下水(人工海水で模擬)透水係数に及ぼす影響について報告する。試験の結果、透水係数は温度の上昇
=exp(-47.155+15.138rho
-7.87ここで、(m$2)は固有透過度、rho$(Mg/「第2次取りまとめ」までに取得された降水系データと海水系データを比較すに比べ、1 桁程度透水係数が大きくなった。また、乾燥密度が低密度から高密って、透水係数は降水系データに近づく傾向があることが分かった。この要因して、土壌学的に研究がなされている微細構造の変化が考えられることから、ナイト中のスメクタイト層間距離の測定を行ったが、顕著な変化は見られなかった。
