Pore connectivity influences mass transport in natural rocks; Pore structure, gas diffusion and batch sorption studies

Yuan, X.*; Hu, Q.*; Lin, X.*; Zhao, C.*; Wang, Q.*; 舘 幸男; 深津 勇太; 濱本 昌一郎*; Siitari-Kauppi, M.*; Li, X.*

Journal of Hydrology, 618, p.129172_1 - 129172_15, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129172

Mass transport in geomedia as influenced by the pore structure is an important phenomenon. Six rocks (granodiorite, limestone, two chalks, mudstone, and dolostone) with different extents of heterogeneity at six different particle sizes were studied to describe the effects of pore connectivity on mass transport. The multiple methods applied were porosity measurement, gas diffusion test, and batch sorption test of multiple ions. Porosity measurement results reveal that with decreasing particle sizes, the effective porosities for the "heterogenous" group (granodiorite and limestone) increase, whereas the porosities of "homogeneous" group (chalks, mudstone, and dolostone) roughly remain constant. Gas diffusion results show that the intraparticle gas diffusion coefficient among these two groups, varying in the magnitude of 10 to 10 m/s. The batch sorption work displays a different affinity of these rocks for tracers, which are related to their mineral components. For granodiorite, mudstone, and dolostone, the adsorption capacity increases as the particle size decreases, due to higher specific surface area in smaller particle-size. In general, this integrated research of grain size distribution, rock porosity, intraparticle diffusivity, and ionic sorption capacity gives insights into the pore connectivity effect on both gas diffusion and chemical transport behaviors for different lithologies and/or different particle sizes.

Quantifying the porosity of crystalline rocks by in situ and laboratory injection methods

Mri, A.*; Mazurek, M.*; 太田 久仁雄; Siitari-Kauppi, M.*; Eichinger, F.*; Leuenberger, M.*

Minerals (Internet), 11(10), p.1072_1 - 1072_17, 2021/10

https://doi.org/10.3390/min11101072

The porosity and pore geometry of rock samples from a coherent granodioritic rock body at the Grimsel Test Site in Switzerland was characterised by different methods using injection techniques. Results from in situ and laboratory techniques are compared by applying in situ resin impregnation techniques as well as rock impregnation and mercury injection under laboratory conditions. In situ resin impregnation of the rock matrix shows an interconnected pore network throughout the rock body, providing an important reservoir for pore water and solutes, accessible by diffusion. Porosity and pore connectivity do not vary as a function of distance to brittle shear zones. In situ porosity is about half the porosity value that was determined on rock samples in the laboratory. This could be due to that such samples were affected by artefacts created since core recovery. The extrapolation of laboratory measurements to in situ conditions requires great care and may not be feasible in all cases.

Evaluation report of Task 9B based on comparisons and analyses of modelling results for the sp HRL LTDE-SD experiments

Soler, J. M.*; Meng, S.*; Moreno, L.*; Neretnieks, I.*; Liu, L.*; Keklinen, P.*; Hokr, M.*; ha, J.*; Vetenk, A.*; Reimitz, D.*; et al.

SKB TR-20-17, 71 Pages, 2021/07

亀裂性岩石中の地下水流動と物質移行のモデル化に関するSKBタスクフォースにおけるTask 9Bは、スウェーデンのエスポ岩盤研究所で実施された原位置長期収着・拡散試験(LTDE-SD)の試験結果のモデル化に焦点をあてたものである。10のモデリングチームによって、異なるモデル概念やコードを用いたモデル化が実施された。モデル化のアプローチは、(1)拡散方程式の解析解、(2)連続多孔質媒体中の数値計算モデル、(3)微細な不均質性(鉱物粒界,微細亀裂の分布等)を考慮した微細構造モデルの大きく3種に分類できる。異なるチームによるモデル化結果から、岩石や亀裂の表面の擾乱影響を含む岩石特性の不均質な分布、微細な亀裂の効果など、様々な異なるモデル概念の比較・評価がなされた。

Heat transfer characteristics of the steam reformer in the HTTR hydrogen production system

武田 哲明

Proceedings of 12th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-12) (CD-ROM), 4 Pages, 2004/00

原研では、高温ガス炉を用いた熱利用システムとして核熱による水素製造システムの技術開発を進めている。本研究の目的は、HTTR水素製造システムの熱伝達性能を明らかにするとともに高空隙率で金属細線を挿入した流路の伝熱特性,圧力損失特性を取得することである。円管流路を用いた実験から、金属細線を挿入する方法が、高温条件下ではさらなる熱伝達の向上が可能であることがわかった。

Density, porosity and grain size, 2; Irradiated ROX fuels to burn-up of 28%FIMA

柳澤 和章; 山下 利之; 金澤 浩之; 天野 英俊; 室村 忠純

Journal of Nuclear Science and Technology, 36(12), p.1153 - 1159, 1999/12

https://doi.org/10.3327/jnst.36.1153

JRR-3Mを用いて岩石型(ROX)燃料の照射を燃焼度27MWd/kgPu(28%FIMA)まで実施した。照射後試験より得られた結果は以下のとおり。(1)照射によりROX-SZRの燃料密度は、4.6g/cc(82%TD)から3.4g/cc(61%TD)まで減少した。一方ROX-ThOの燃料密度も、5.2g/cc(83%TD)から3.4g/cc(55%TD)まで減少した。(2)ROX-SZRの気孔率は、18から39%に増加した。一方、ROX-ThOのそれも17から46%に増加した。本件の場合、気孔率の増加即ち非拘束ガス気泡スエリングは気孔の集塊に起因していると考えられるが、その気孔集塊にはROX燃料成分であるAlO及びPuAlOが重要な役割を果たしていると推察された。(3)無拘束ガス気泡スエリング率は、ROX-SZRについては1%FIMA当たり0.8%V/V、ROX-ThOについては同じく1%FIMA当たり1%V/Vと推定された。UOのそれは、1%FIMA当たり1%V/Vである。したがって、無拘束ガス気泡スエリング率に関しては、ROX燃料とUOに有意な差はない。

A Study on density, porosity and grain size of unirradiated ROX fules and simulated ROX fuels

柳澤 和章; 大道 敏彦*; 白数 訓子; 山下 利之; 木村 康彦; 小野澤 淳; 長島 久雄; 金澤 浩之; 金井塚 文雄; 天野 英俊

JAERI-Tech 99-044, 46 Pages, 1999/05

JAERI-Tech-99-044.pdf:4.66MB

未照射岩石型(ROX)燃料及び模擬岩石型燃料について、密度、気孔率及び結晶粒度に関する研究を実施し以下の結論を得た。(1)岩石燃料:推定理論密度(TD)値は、ROX-SZRで5.6g/cc、ROX-ThOで6.2g/ccであった。岩石燃料の理論密度値はUO(10.96g/cc)の約半分であった。本研究から得られた焼結(製造)密度は、ROX-SZRで4.6g/cc(82%TD)、ROX-ThOで5.2g/cc(83%TD)であった。%TDはUOのそれ(通常95%TD)よりかなり小さかった。平均気孔径は約3m、気孔率は17-18%の範囲にあった。結晶粒径は約2mであった。(2)模擬岩石燃料:推定理論密度値は約5.0-5.7g/ccの範囲にあった。模擬岩石燃料の理論密度値はUOの約半分であった。本研究から得られた焼結密度は約4.5-5.5g/ccの範囲にあった。模擬岩石燃料の%TDは94-98%TDと現行のUO並になった。平均気孔径は約4-8m、気孔率は6%以下であった。結晶粒径は約1-4mであった。

岩石間隙水中のイオンの拡散と間隙の性質

西山 勝栄*; 中嶋 悟; 多田 隆治*; 内田 隆*

鉱山地質, 40(5), p.323 - 336, 1990/00

https://ci.nii.ac.jp/naid/40001206603

放射性廃棄物の地層処分において、岩盤割れ目からその周辺のマトリックス部への核種の拡散現象は、核種の移動の重要な遅延現象である。そこでこの現象を定量化するため、様々な岩石について、その間隙水中のヨウ素イオンの拡散実験を行い、有効拡散係数を測定した。また、これらの岩石の全間隙率及び間隙孔径分布を測定した。その結果、両対数グラフ上で、岩石の5nm以上の間隙率(transport porosity)traと有効拡散係数は、均質等方的な岩石についてほぼ直線的な関係がある。その傾きから、拡散経路の屈曲度では、=traの形でtransport porosityの関数となった。これらの関係は、間隙率を測定し、また間隙率の長期的変化等の推測をすれば、岩盤マトリックス中での核種の拡散現象の定量的予測ができる事を示唆する。

Measurement of diffusion and sorption of radionuclides in rocks

下岡 謙司; 中村 治人; 柳田 剛*; 村岡 進

Journal of Nuclear Science and Technology, 22(10), p.833 - 840, 1985/00

https://doi.org/10.3327/jnst.22.833

岩石への放射性核種の吸着現象は結晶粒界への浸み込みと、その間隙水中での結晶表面での化学反応によるものと考え、岩石を粉砕しない状態で吸着実験を行った。花崗岩の小片へのCs,Sr,Am及びNpの拡散を調べたところ、CsとSrは各イオンが吸着平衡を保ちながら拡散する機構で説明できる分布を示したが、Am及びNpは溶液中での存在状態に大きく依存している様子がうかがえた。Amは岩石表面への沈着、Npについては担体量が多く、岩石側に反応容量がなく早く拡散する。しかし、徐々に液性変化が起り吸着が進行する。花崗閃緑岩,安山岩,玄武岩,流紋岩,及び花崗岩について吸着試験を行った。Amは岩石の種類に関係なく、間隙水量にほぼ比例した吸着量を示した。流紋岩は特に水を吸いやすく、Cs,Sr及びNpの間隙水当りの吸着量は他の岩石に比べて少ない。

Study on Porosity of Nuclear Graphite by Activation Analysis and Mass-Spectrometry

衛藤 基邦; 佐々木 泰一; 大内 操; 田村 則

JAERI-M 7223, 22 Pages, 1977/08

JAERI-M-7223.pdf:0.88MB

原子炉用黒鉛の多孔度および空隙構造の測定に関して放射化分析および質量分析法を用いた新方法を試みた結果を報告した。すなわち、黒鉛の空隙中のアルゴン量をAr(n,r)Arなる核反応を利用して定量するとともに気体質量分析によって空隙中気体に占めるアルゴン比率を測定し、両者を比較して空隙の体積を推算した。試料としては主としてSMI-24および7477PT黒鉛を用いた。アルゴン含量の多いSMI-24では本方法によって多孔度に関寸る知見が得られるが、後者ではアルゴン含量が少ないため、多孔度の計算に大きな誤差が伴うことが明らかになった。また、真空中熱処に伴う試料中のアルゴン減少を放射化分析により測定し、水銀ポロシメトリの結果をも参照することによって、理論密度と見掛密度から計算される空隙量(試料体積の約20%)の内、約55%、30%が各々開空孔、閉空孔に対応し残り約15%がここで用いたいずれの方法によっても捉えられない微細空隙であると推論した。

Porosity dependence of thermal conductivity of uranium mononitride

菊池 武雄; 高橋 正; 那須 昭一

Journal of Nuclear Materials, 45(4), p.284 - 292, 1973/04

https://doi.org/10.1016/0022-3115(73)90162-1

密度範囲が70から95%TDにわたる一連の窒化ウラン焼結体の熱拡散率を温度範囲300~1400Cにおいて測定して、熱拡散率および熱伝導度の気孔度依存性を検討した。熱伝導度は気孔度0.1附近を境として1組のMaxwell-Euckenの式であらわされることが認められた。この事実は、焼結体試料内の気孔の分布およびその特性が熱伝導に寄与することを示唆するもので、気孔内の伝導が、開気孔では熱輻射過程、閉気孔ではガス伝導過程に支配されるとするモデルにもとづいた理論的検討を行って、実験結果と比較した。