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論文

幌延深地層研究センターの立坑掘削損傷領域の水理・力学的挙動に関する研究

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 棚井 憲治

第46回岩盤力学に関するシンポジウム講演集(CD-ROM), p.142 - 147, 2019/01

本研究では、堆積軟岩を対象とする幌延深地層研究センターの深度350m以深の立坑掘削を対象として、掘削時に発達する掘削損傷領域の水理・力学特性について、原位置透水試験、AE測定と水理・力学連成解析の実施結果に基づいて論じた。原位置試験の結果、立坑壁面から約1.5mの範囲でAE震源が分布しており、それを内包する領域における透水係数は、割れ目の発達していない領域に比べて2-4オーダー高かった。一方、解析では、壁面から最大1.5m程度まで破壊が生じる結果となり、原位置試験により推定される幅に概ね整合する結果を得た。また、立坑掘進時に計測された壁面周辺における間隙水圧値の増大は、掘削による応力集中の影響によるものであると推定された。

報告書

幌延深地層研究センターにおける掘削損傷領域の可視化手法の検討(共同研究)

青柳 和平; Chen, Y.*; 櫻井 彰孝; 石井 英一; 石田 毅*

JAEA-Research 2017-014, 49 Pages, 2018/01

JAEA-Research-2017-014.pdf:16.29MB

本研究では、坑道掘削により周辺岩盤に形成された掘削損傷領域の割れ目の三次元的な可視化を行うことを目的として、幌延深地層研究センターの地下350mの調査坑道を対象として、樹脂を坑道周辺の岩盤に注入し、掘削損傷領域の割れ目を固定し、紫外線照射下の観察により割れ目の連結性や開口幅の検討を行った。原位置における樹脂の注入に際しては、粘性が低く紫外線照射によって発光する樹脂を開発して坑道周辺岩盤へ圧入した。その結果、割れ目の状態を乱すことなく、坑道周辺に形成された割れ目へ樹脂を浸透させ、固定させることに成功した。さらに、割れ目への固定の後に、注入孔周辺をオーバーコアリングし、孔壁面及び得られたコア表面を紫外線照射下で観察した。観察の結果、割れ目は孔口から約0.9mの範囲まで発達していた。また、孔口から約0.3mまでは、複数本の割れ目が交差しており、開口幅は1-2mm程度であったのに対し、孔口から0.3-0.9mに分布する割れ目は単独で存在し、開口幅は1mmよりも小さいことがわかった。一方、ボアホールテレビューア観察では、孔口から0.2mまでの明瞭に開口した割れ目しか検出されていないことから、カメラの分解能の影響で開口幅の小さい割れ目を検出することが難しいため、割れ目の発達の範囲を過小評価する可能性があることがわかった。

報告書

幌延深地層研究センターの350m周回坑道(東)における初期地圧測定

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 丹生屋 純夫*

JAEA-Data/Code 2016-022, 91 Pages, 2017/03

JAEA-Data-Code-2016-022.pdf:7.3MB
JAEA-Data-Code-2016-022-appendix(CD-ROM).zip:232.99MB

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握することを目的として、350m周回坑道(東)にて水圧破砕法による3次元初期地圧測定を実施した。掘削方向の異なるボーリング孔3孔において、合計26深度で、コンプライアンスCの小さい高剛性水圧破砕試験装置を用いた水圧破砕法により初期地圧測定をおこなった。23深度で観測されたき裂に作用する法線応力、11深度で生じた縦き裂の開口圧および2深度で生じた縦き裂の初生する位置に関する観測方程式を用いて、深度350m周回坑道(東)の初期地圧を評価した。その結果、最大主応力は岩石の密度を17kN/m$$^{3}$$と見積もって求められる深度350mの土被り圧約6.0MPaと比較して、大幅に小さい値である3.73MPaであり、鉛直方向に近い方位であった。また、応力環境は正断層型であった。ただし、主応力の確率誤差を考慮するとそれらの方位は入れ替わる可能性があった。

報告書

幌延深地層研究計画; 平成26年度地下施設計測データ集

櫻井 彰孝; 青柳 和平

JAEA-Data/Code 2016-003, 84 Pages, 2016/07

JAEA-Data-Code-2016-003.pdf:6.42MB
JAEA-Data-Code-2016-003-appendix(DVD-ROM).zip:184.29MB

幌延深地層研究計画は、「深地層の科学的研究」と「地層処分研究開発」を、第1段階「地上からの調査研究段階」、第2段階「坑道掘削時の調査研究段階」、第3段階「地下施設での調査研究段階」の3段階に区分し20年程度をかけ進めることとしている。第1段階の調査研究は、平成13年3月から平成18年3月までの約5年間にわたり実施し、坑道掘削前の深部地質環境の把握とともに、地下施設の設計・施工計画を策定し、第2段階以降における調査研究の課題を具体化した。第2段階は、第1段階の調査結果に基づき、安全かつ合理的な坑道建設のための計測、坑道の設計・施工技術の高度化に向けた研究開発のための計測、掘削前に予測した深部地質環境モデルを検証するための計測についての計画を取りまとめ、「幌延深地層研究計画における立坑掘削時の計測計画及び情報化施工プログラム」ならびに「幌延深地層研究計画における水平坑道掘削時の計測計画及び情報化施工プログラム」を策定し運用した。平成27年度より実施している第3段階の研究調査は、地下施設において地層処分にかかわる原位置試験が進められ、また、坑道の長期安定性の検討のため計測が継続されている。本データ集は、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、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、平成26年度に実施した地下施設建設時の調査・計測結果を取りまとめたものである。

報告書

幌延深地層研究センターの350m調査坑道における原位置岩盤の長期変形挙動の計測

櫻井 彰孝; 青柳 和平; 藤田 朝雄; 本島 貴之*

JAEA-Data/Code 2015-023, 46 Pages, 2016/02

JAEA-Data-Code-2015-023.pdf:48.03MB
JAEA-Data-Code-2015-023-appendix(CD-ROM).zip:48.51MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分では、人工バリアおよびその周辺の岩盤領域の環境の明確化の観点から、熱-水理-力学連成現象を長期的に検討し、地層処分システムの安全評価へ反映していく必要がある。また、処分施設では、廃棄体定置後の処分施設の埋戻し後も考慮した長期的な岩盤の安定性が求められるため、原位置岩盤の長期的な力学挙動を検討していくことが重要となる。これらの背景を踏まえ、本報告書では、処分孔周辺岩盤の長期的な力学挙動に関する計測データの取得を目的として、幌延深地層研究センターの350m調査坑道において処分孔を模擬した鉛直孔(テストピット)を無支保で掘削し、テストピット内およびその周辺岩盤の変形挙動を計測し、テストピット掘削に伴う周辺地山への影響や、無支保のテストピット内の長期的な変形挙動の評価に資するためのデータを取得した。なお、本報告書では、テストピットの掘削、地質観察結果、計測器の仕様・設置方法および、平成26年2月から平成27年9月までの計測結果をとりまとめ、巻末付録にデジタルデータを収録した。

報告書

幌延深地層研究センターの350mポンプ座における初期地圧測定

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 丹生屋 純夫*

JAEA-Data/Code 2015-010, 190 Pages, 2015/10

JAEA-Data-Code-2015-010.pdf:18.7MB
JAEA-Data-Code-2015-010-appendix(CD-ROM).zip:127.68MB

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握することを目的として、350mポンプ座にて水圧破砕法による3次元初期地圧測定を実施した。初期地圧を評価するにあたっては、異なる方向へ掘削した4本のボーリング孔の31深度で水圧破砕により造成された横き裂に作用する法線応力、1深度で生じたブレイクアウト発生位置および12深度で生じた縦き裂の開口圧に関する観測方程式を用いた。水圧破砕試験結果の解析では、ボアホールブレイクアウトの発生条件を加味した場合と、加味しない場合の2ケースで初期地圧を評価した。その結果、ブレイクアウト発生条件を加味した場合、最大主応力が約12MPaと、推定される土被り圧約6MPaの2倍程度の値となる。また、最大主応力と最小主応力の比が約6となり、差応力が大きな結果となった。また、ブレイクアウトの発生条件を加味しない場合は、最大主応力が6MPa程度であり、推定土被り圧と同程度の値を示す。また、最大主応力と最小主応力の比も、2.7程度であり、主応力差がそれほど生じなかったという観点から見ると、地上からの調査段階の結果に整合する傾向となった。主応力の方位に関しては、両ケースにおいて、最大主応力が北方向から約30$$^{circ}$$西寄りで、鉛直方向から約45$$^{circ}$$傾いた結果となった。

論文

Spontaneous activation behavior of Ni$$_{3}$$Sn, an intermetallic catalyst, for hydrogen production via methanol decomposition

Fan, M.*; Xu, Y.*; 櫻井 惇也*; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

International Journal of Hydrogen Energy, 40(37), p.12663 - 12673, 2015/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:83.99(Chemistry, Physical)

Ni$$_{3}$$Sn単相粉末試料のメタノール分解反応に対する触媒特性を調べた。触媒反応は713K, 793K, 873Kの各温度で等温実験であった。793K以上の温度では触媒活性は時間の増加に伴い高くなることを見出した。また、Ni$$_{3}$$SnはH$$_{2}$$とCOに高い選択性を示すことが分かった。表面キャラクタリゼーションの結果、触媒反応中触媒表面にNi$$_{3}$$Sn微粒子が生成されることが分かった。これらの微粒子は自発活性化の原因と考えられる。

報告書

幌延深地層研究センターの250m大型試錐座(西)における初期地圧測定

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 丹生屋 純夫*

JAEA-Data/Code 2015-012, 171 Pages, 2015/09

JAEA-Data-Code-2015-012.zip:33.31MB
JAEA-Data-Code-2015-012.pdf:28.27MB

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握するため、250m大型試錐座(西)にて、方向、傾斜の異なる3本のボーリング孔を掘削し、水圧破砕法による3次元初期地圧測定を実施した。初期地圧を評価するにあたっては、14深度で観測されたき裂に作用する法線応力、5深度で生じたブレイクアウトの破壊位置および2深度で生じた縦き裂の開口圧に関する観測方程式を用いた。結果として、調査地点の初期地圧状態は、主応力の方位に関しては、両ケースにおいて、最大主応力が北方向から約70$$^{circ}$$西寄りで、鉛直方向下向きから約70$$^{circ}$$傾き,最小主応力は南から約20$$^{circ}$$西寄りで鉛直下方より約60$$^{circ}$$傾く結果となった。最大主応力の値は2.6MPa、最小主応力は2.1MPaであった。

報告書

幌延深地層研究センターの250m小型試錐座(南)における初期地圧測定

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 丹生屋 純夫*

JAEA-Data/Code 2015-011, 182 Pages, 2015/09

JAEA-Data-Code-2015-011.pdf:33.41MB
JAEA-Data-Code-2015-011-appendix(CD-ROM).zip:41.95MB

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握するため、250m小型試錐座(南)から直径76mm、長さ20mのボーリング孔である10-E250-M01孔(水平)、10-E250-M02孔(水平)および10-E250-M03孔(傾斜)を掘削し、水圧破砕法による3次元初期地圧測定を実施した。10-E250-M01孔では、ボーリング孔まわりの応力集中によって生じたブレイクアウトと考えられる連続的な破壊が孔壁に沿って認められた。ブレイクアウトの発生位置は、初期地圧によるボーリング孔まわりの応力集中を反映した孔壁の応力状態によって主に支配されるので、初期地圧の評価に利用することができる。そこで、3本のボーリング孔の31深度でおこなった水圧破砕試験のうち、16深度で測定されたき裂に作用する法線応力および10-E250-M01孔の3深度で測定されたボアホールブレイクアウトの破壊中央位置から初期地圧を評価した。調査地点の初期地圧状態は、最大主応力は方向がほぼEW方向からENE方向で水平に近いと評価され、その値は3.97MPaであった。この最大主応力の方向は、10-E250-M01孔で生じたブレイクアウトの位置および10-E250-M03孔で生じた縦き裂の方向から考えて合理的であった。

論文

Effect of water vapor and hydrogen treatments on the surface structure of Ni$$_{3}$$Al foil

Xu, Y.*; Ma, Y.*; 櫻井 惇也*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*

Applied Surface Science, 315, p.475 - 480, 2014/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:58.6(Chemistry, Physical)

The Ni$$_{3}$$Al foils were heat treated in water vapor at 873 K for 1 h followed by H$$_{2}$$ reduction at 873 K for 1 h. The effects of the water vapor treatment and the H$$_{2}$$ reduction on the surface structure of the Ni$$_{3}$$Al foils were investigated by means of scanning electron microscopy and synchrotron radiation X-ray photoemission spectroscopy. Both Ni and Al were oxidized during the water vapor treatment; fine NiO particles were formed on the surface, accompanied by the formation of Al(OH)$$_{3}$$ and NiAl$$_{2}$$O$$_{4}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$. The NiO particles were reduced to metallic Ni and the Al(OH)$$_{3}$$ was decomposed to Al$$_{2}$$O$$_{3}$$, whereas the NiAl$$_{2}$$O$$_{4}$$ and Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ remained unchanged during the H$$_{2}$$ reduction, forming a Ni-enriched porous structure on the surface layer of NiAl$$_{2}$$O$$_{4}$$/ Al$$_{2}$$O$$_{3}$$.

論文

Catalytic performance of Ni$$_{3}$$Sn and Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$ for hydrogen production from methanol decomposition

Fan, M.*; Xu, Y.*; 櫻井 惇也*; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

Catalysis Letters, 144(5), p.843 - 849, 2014/05

 被引用回数:6 パーセンタイル:74.89(Chemistry, Physical)

In this study, the catalytic properties of Ni$$_{3}$$Sn and Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$ powders were investigated for producing hydrogen from decomposing methanol in the temperatures from 593 to 953 K. The catalytic activities of Ni$$_{3}$$Sn and Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$ both increased with increasing temperature, but Ni$$_{3}$$Sn showed much higher catalytic activity than Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$. The results of an isothermal test performed at 873 K revealed that the catalytic activity of Ni$$_{3}$$Sn significantly increased with methanol decomposition time, indicating that Ni$$_{3}$$Sn was spontaneously activated. Ni$$_{3}$$Sn and Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$ both showed a high degree of selectivity and both suppressed side reactions such as methanation and water-gas shift reaction. Surface analysis revealed that fine Ni-Sn particles were formed together with carbon deposited onto the catalyst surface. These Ni-Sn particles were supposed to serve as active sites for methanol decomposition.

口頭

Catalytic performance of Ni$$_{3}$$Sn alloy for hydrogen production from methanol decomposition

Fan, M.*; Xu, Y.*; 櫻井 惇也*; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

We have examined the catalytic performance of Ni$$_{3}$$Sn for hydrogen production from methanol decomposition. The single-phase Ni$$_{3}$$Sn alloy ingot was prepared using a high-frequency furnace. The ingot was mechanically crushed to powders. The powders were sieved to get the samples less than 75 micrometer in size for reaction test. Methanol decomposition was performed in a conventional fixed-bed flow reactor. The characterization of Ni$$_{3}$$Sn was carried out by XRD, SEM, BET, and synchrotron XPS in SPring-8. The methanol conversion increased with time indicating that Ni$$_{3}$$Sn spontaneously activated during the reaction. It was also found that Ni$$_{3}$$Sn shows a high selectivity. The characterization of the samples before and after reaction shows that Ni$$_{3}$$Sn phase remained unchanged, and no obvious oxidation of Ni and Sn occurred during reaction, suggesting that Ni$$_{3}$$Sn itself might serve as the active species.

口頭

Catalytic properties of Ni$$_{3}$$Al foils for methane steam reforming

Xu, Y.*; Ma, Y.*; 櫻井 惇也*; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

Ni$$_{3}$$Al intermetallic compound is known as a promising high-temperature structural material because of its excellent high temperature strength and corrosion/oxidation resistance. The brittleness at room temperature used to be a big problem which restricted its practical application. We have overcome this problem and successfully developed thin Ni$$_{3}$$Al foils using directional solidification and cold rolling. We investigated the catalytic activities of the cold-rolled Ni$$_{3}$$Al foils for methane steam reforming. The effect of steam pre-treatment on the catalytic activities of the foil was also investigated. It was found that the activity of as-rolled foils increased with temperature above 873 K, while no obvious activity was detected below 873 K. The steam pre-treatment at 873 K significantly enhanced the activity in the temperature range from 873 to 1173 K. The enhanced catalytic activity was attributed to the fine pure Ni particles on the foil formed by the steam pre-treatment.

口頭

Effect of steam treatments on surface morphology of Ni$$_{3}$$Al foil catalysts

Xu, Y.*; Ma, Y.*; 櫻井 惇也*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*

no journal, , 

We found that Ni$$_{3}$$Al shows high catalytic activity for methanol decomposition and methane steam reforming as catalysts of hydrogen production. It is possible to enhance catalytic activity by modifying the Ni$$_{3}$$Al foil by a pre-steam treatment followed by a reduction with H$$_{2}$$ gas flow. We investigated the effect of the steam treatment and H$$_{2}$$ reduction on the surface morphology of Ni$$_{3}$$Al foil using synchrotron radiation X-ray photoemission spectroscopy. Although the metallic Ni2p$$_{3/2}$$ and 2p$$_{1/2}$$ peaks were detected before the steam treatment, the metallic Ni was significantly decreased and NiO appeared after the steam treatment, suggesting that most of the metallic Ni was oxidized. After the hydrogen reduction, the metallic Ni increased again, indicating that the NiO was reduced. These fine metallic Ni particles formed on the foil surface contribute to the enhanced catalytic activity.

口頭

Oxidation of Ni$$_{3}$$Al(210) surface at room temperature using supersonic oxygen molecular beam; Real-time photoemission spectroscopic study with synchrotron radiation

Syu, Y.*; 櫻井 惇也*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*

no journal, , 

Intermetallic compounds (IMCs) usually have ordered crystal structure which differs from that of their constitute metals. Some of them have been reported to show good catalytic properties for some reactions, such as Pt$$_{3}$$Ti, Ni$$_{3}$$Sn, and Ni$$_{3}$$Al, demonstrating that IMCs have potential as catalysts and/or catalyst precursors for chemical reactions. In this work, we investigate the initial oxidation process on a Ni$$_{3}$$Al(210) surface at 298 K using a supersonic oxygen molecular beam and a real-time photoemission spectroscopy with synchrotron radiation. The time evolutions of O 1s, Ni 2p, Al 2p, and Ni 3p spectra indicate that both Al and Ni are oxidized, and AlO$$_{x}$$ and NiO are formed during the irradiation of oxygen molecules. The oxidation rate of Al is much higher than that of Ni at the beginning of oxidation, and then quickly saturates. In contrast, the oxidation of Ni progresses gradually for the whole measured period.

口頭

Initial oxidation behavior of Ni$$_{3}$$Al(210) surface induced by supersonic oxygen molecular beam at room temperature

Xu, Y.*; 出村 雅彦*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 櫻井 惇也*; 平野 敏幸*

no journal, , 

Ni$$_{3}$$Al(210)表面の超音速O$$_{2}$$分子ビーム(2.3eV)による室温酸化を高輝度放射光を利用したリアルタイム光電子分光によって調べた。O 1s, Ni 2p, Al 2p, and Ni 3pスペクトルの分子ビーム照射中の時間発展を調べた。スペクトル分析から、表面のAlとNI原子の両方が酸化され、Alの酸化の方がNiより速いことがわかった。

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