Predicting the long-term natural decay of inflow from faults or fractures encountered during excavation of deep underground tunnels using the flow dimension

佐久間 圭佑; 石井 英一; 村上 裕晃

Environmental Earth Sciences, 84(22), p.663_1 - 663_11, 2025/11

https://doi.org/10.1007/s12665-025-12680-9

The safe geological disposal of high-level radioactive waste requires consideration of the inflow of groundwater from faults or fractures encountered during excavation of deep underground tunnels, as this inflow may adversely affect the installation and performance of bentonite buffers. The water pressure diffusion equation, assuming uniform hydraulic conductivity and specific storage, predicts that the inflow rate from faults or fractures naturally decays at a rate depending on the flow dimension when the cross-sectional area of the flow areas in the fault or fracture system is proportional to the power of the distance from the inflow point. Although this prediction has been verified for decay ratios measured a few weeks after tunnel excavation, its applicability to long-term predictions several years after excavation has not yet been assessed. We investigated the natural inflow decay ratios (i.e., the inverse of the current inflow rate normalized to the initial inflow rate at excavation) at fault-related inflow points in a tunnel at 350 m depth in the Horonobe Underground Research Laboratory, Japan, 10 years after tunnel excavation, and compared them with those modelled using the diffusion equation and flow dimension. The natural inflow decay ratio measured at each inflow point was equal to or higher than the modelled ratio. Although in some cases the measured ratios may be up to four times as high as the maximum modelled ratio, this difference can be explained by the effect of hydraulic interference between adjacent inflow points. The diffusion equation and flow dimension can be used to predict the minimum long-term (several years or longer) natural decay ratio, providing useful insight to implications for repository design timelines or regulatory decisions (e.g., determining when and where to install waste and bentonite buffers in a repository).

An Empirical approach to disposal tunnel design and sealing in Neogene sedimentary rocks

早野 明; 青柳 和平; 村上 裕晃; 木村 駿

Proceedings of 2025 International High Level Radioactive Waste Management Conference (IHLRWM 2025) (Internet), p.8 - 11, 2025/11

https://doi.org/10.13182/IHLRWM25-49147

An empirical approach is being implemented at the Horonobe Underground Research Laboratory in Neogene sedimentary rocks to integrate technologies for optimizing the layout of disposal tunnels and pits. Key evaluation items include tunnel and pit mechanical stability and spacing, both influenced by the excavation damaged zone. Water inflow is also evaluated to ensure the constructability of excavation and buffer placement. Prediction methods for geological and hydrogeological conditions have been developed, and in situ investigations are underway in the 500 m Niches Nos. 8 and 9. Sealing measures such as tunnel backfilling and hydraulic plug installation are essential for closure and should be transferable to other rock types. Accordingly, an in situ construction test is being prepared in the 350 m Niche No. 6, supported by site investigations and laboratory and feasibility tests of construction methods and materials. A full scale construction experiment is scheduled for the second half of 2026.

幌延国際共同プロジェクトにおける岩盤力学研究の現状

青柳 和平; 田村 友識; 村上 裕晃; 早野 明; 尾崎 裕介; 大野 宏和; 石井 英一

資源・素材講演集(インターネット), 12(2), 7 Pages, 2025/09

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構は、高レベル放射性廃棄物の地層処分に関する技術開発を行う幌延深地層研究計画を進めている。その一環で、現在、処分場の設計、建設、操業に資する技術開発として、これまでに構築した調査・評価技術や工学技術の体系的統合を図り、処分技術として実証するために、処分坑道や処分孔の配置や廃棄体設置に関連する研究課題に取り組んでいる。この取り組みは、現在進めている7か国10機関が参加する幌延国際共同プロジェクトを活用し、参加機関が有する知見を含めて幌延で得られた技術を統合することで、研究成果の最大化を目指している。本発表では、幌延国際共同プロジェクトの概要を述べるとともに、岩盤力学研究の最新の事例として、廃棄体設置や坑道や処分孔の配置の設定に必要となる情報として重要となる掘削損傷領域(EDZ)の発達に焦点を当て、深度500mの調査坑道を掘削するにあたってEDZの発達とその透水性を坑道掘削前に予測するとともに、予測結果を検証するために実施する地質観察や透水試験等の原位置試験の現状と速報を紹介するとともに、EDZの水理力学特性の検証に向けた課題について述べる。

Diverse microbiome functions, limited temporal variation and substantial genomic conservation within sedimentary and granite rock deep underground research laboratories

天野 由記; Sachdeva, R.*; Gittins, D.*; Anantharaman, K.*; Lei, S.*; Valentin-Alvarado, L. E.*; Diamond, S.*; 別部 光里*; 岩月 輝希; 望月 陽人; et al.

Environmental Microbiome (Internet), 19, p.105_1 - 105_17, 2024/12

https://doi.org/10.1186/s40793-024-00649-3

Underground research laboratories (URLs) provide a window on the deep biosphere and enable investigation of potential microbial impacts on nuclear waste, CO and H stored in the subsurface. We carried out the first multi-year study of groundwater microbiomes sampled from defined intervals between 140 and 400 m below the surface of the Horonobe and Mizunami URLs, Japan. The Horonobe and Mizunami microbiomes are dissimilar, likely because the Mizunami URL is hosted in granitic rock and the Horonobe URL in sedimentary rock. Despite this, hydrogen metabolism, rubisco-based CO fixation, reduction of nitrogen compounds and sulfate reduction are well represented functions in microbiomes from both URLs, although methane metabolism is more prevalent at the organic- and CO-rich Horonobe URL. We detected near-identical genotypes for approximately one third of all genomically defined organisms at multiple depths within the Horonobe URL. This cannot be explained by inactivity, as in situ growth was detected for some bacteria, albeit at slow rates. Given the current low hydraulic conductivity and groundwater compositional heterogeneity, ongoing inter-site strain dispersal seems unlikely. Alternatively, the Horonobe URL microbiome homogeneity may be explained by higher groundwater mobility during the last glacial period. Genotypically-defined species closely related to those detected in the URLs were identified in three other subsurface environments in the USA. Thus, dispersal rates between widely separated underground sites may be fast enough relative to mutation rates to have precluded substantial divergence in species composition. Species overlaps between subsurface locations on different continents constrain expectations regarding the scale of global subsurface biodiversity. Overall, microbiome and geochemical stability over the study period has important implications for underground storage applications.

地質環境の長期安定性に関する研究 年度計画書(令和6年度)

丹羽 正和; 島田 顕臣; 浅森 浩一; 末岡 茂; 小松 哲也; 中嶋 徹; 小形 学; 内田 真緒; 西山 成哲; 田中 桐葉; et al.

JAEA-Review 2024-035, 29 Pages, 2024/09

JAEA-Review-2024-035.pdf:1.24MB

本計画書では、高レベル放射性廃棄物の地層処分技術に関する研究開発のうち、深地層の科学的研究の一環として実施している地質環境の長期安定性に関する研究について、第4期中長期目標期間(令和4年度令和10年度)における令和6年度の研究開発計画を取りまとめた。本計画の策定にあたっては、これまでの研究開発成果や大学等で行われている最新の研究成果に加え、地層処分事業実施主体や規制機関等の動向を考慮した。研究の実施にあたっては、地層処分事業における概要・精密調査や国の安全規制に対し研究成果を適時反映できるよう、(1)調査技術の開発・体系化、(2)長期予測・影響評価モデルの開発、(3)年代測定技術の開発の三つの枠組みで研究開発を推進する。

幌延深地層研究計画350m調査坑道の拡張工事を対象とした地下施設計測データ集

櫻井 彰孝; 青柳 和平; 村上 裕晃; 田村 友識; 藤枝 大吾; 戸賀瀬 和輝

JAEA-Data/Code 2024-005, 48 Pages, 2024/07

JAEA-Data-Code-2024-005.pdf:6.54MB
JAEA-Data-Code-2024-005-appendix(DVD-ROM).zip:1029.9MB

幌延深地層研究センターでは、「令和2年度以降の幌延深地層研究計画」で示された研究課題である、「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」に取り組んでいる。さらに、深度500mまで坑道を展開してこれらの研究課題に取り組むこととしている。2023年度以降は掘削工事を再開し、350m調査坑道の拡張工事として、3本の試験坑道(試験坑道6、7、東立坑側第1ボーリング横坑)を掘削するとともに、深度500mに向けた東立坑、西立坑、換気立坑の掘削や、500m調査坑道の掘削が実施される。本データ集は、現在掘削している切羽や後続施工箇所の設計・施工にフィードバックする情報化施工プログラムを実施していくための基礎データとすること、地下施設建設時に取得した調査・計測データの共有化ならびに散逸防止を図ることを目的として、350m調査坑道の拡張に伴う掘削時の調査・計測結果を取りまとめたものである。

バックエンド技術開発戦略ロードマップ

中澤 修; 瀧谷 啓晃; 村上 昌史; 堂野前 寧; 目黒 義弘

JAEA-Review 2023-012, 6 Pages, 2023/08

JAEA-Review-2023-012.pdf:0.93MB

日本原子力研究開発機構(以下「原子力機構」という。)において優先して取り組むバックエンド技術開発課題の選定とスケジュールを、「バックエンド技術開発戦略ロードマップ」として取りまとめた。選定にあたっては、令和4年度に実施した原子力機構内の開発技術(シーズ)と技術的課題(ニーズ)に関するアンケートの結果を反映した。シーズとニーズが一致したものの中から、現場への早期実装の観点、共通的な課題の観点で課題を抽出し、9件のテーマを選定した。原子力機構内の組織横断的な実施体制を構築し、開発成果の現場への実装を目指すとともに、社会実装を目指していく。

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; 研究所用地および研究所用地周辺のボーリング孔における地下水の水圧・水質観測結果(2020-2021年度)

竹内 竜史; 村上 裕晃; 西尾 和久*

JAEA-Data/Code 2022-008, 184 Pages, 2023/01

JAEA-Data-Code-2022-008.pdf:8.2MB
JAEA-Data-Code-2022-008-appendix1(DVD-ROM).zip:327.79MB
JAEA-Data-Code-2022-008-appendix2(DVD-ROM).zip:284.46MB

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、瑞浪超深地層研究所の坑道の埋め戻しに伴う地下深部の地下水環境の回復状況を確認するため、環境モニタリング調査として瑞浪超深地層研究所および研究所周辺のボーリング孔等において地下水の水圧観測および水質観測を実施している。本報告書は、20202021年度に実施した地下水の水圧観測データおよび水質観測データを取りまとめたものである。

閉塞された地下施設における地下水水圧・水質観測システムの実証研究

村上 裕晃; 竹内 竜史; 岩月 輝希

JAEA-Technology 2022-022, 34 Pages, 2022/10

JAEA-Technology-2022-022.pdf:3.47MB

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、瑞浪超深地層研究所の坑道の掘削に伴う地下深部の地下水環境の変化を把握するため、約24年にわたって坑道および研究所周辺のボーリング孔において地下水の水圧および水質観測を実施してきた。令和元年度から開始した研究坑道の埋め戻しでは、環境モニタリング調査として、坑道の埋め戻し作業に伴う地下水の回復状況を確認することとしている。地上から地下深部の地下水環境を観測するためには、これまで研究坑道内で行ってきた地下水の水圧や水質の観測を地上から行うこととなるが、瑞浪超深地層研究所のような大規模な地下研究施設の埋め戻しは世界的にも前例がなく、新たな観測システムの開発が必要であった。そこで、瑞浪超深地層研究所の研究坑道周辺の環境を観測するために、坑道内に展開していた既存のモニタリングシステムを活用しつつ、地上からの観測を可能とする新たな観測網を整備し、環境モニタリングの実施を通じてその技術を実証することとした。開発された観測システムを用いて坑道の埋め戻し前埋め戻し期間中の地下水の水圧・水質を観測した結果、埋め戻した坑道内の地下水環境モニタリングにおける本システムの有効性を実証することができた。

超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2019年度)

福田 健二; 渡辺 勇輔; 村上 裕晃; 天野 由記; 青才 大介*; 原 直広*

JAEA-Data/Code 2020-012, 80 Pages, 2020/10

JAEA-Data-Code-2020-012.pdf:3.55MB

日本原子力研究開発機構は岐阜県瑞浪市で進めている超深地層研究所計画において、研究坑道の掘削・維持管理が周辺の地下水の地球化学特性に与える影響の把握を目的とした調査研究を行っている。本データ集は、超深地層研究所計画において、2019年度に実施した地下水の採水調査によって得られた地球化学データおよび微生物データを取りまとめたものである。データの追跡性を確保するため、試料採取場所, 試料採取時間, 採取方法および分析方法などを示し、あわせてデータの品質管理方法について示した。