ニアフィールド長期力学挙動評価技術の開発

高山 裕介

原子力バックエンド研究(CD-ROM), 25(2), p.103 - 106, 2018/12

https://nuce.aesj.or.jp/jnuce/vol25/Jnuce-Vol25-2-p103-106.pdf

本報告は、日本原子力学会バックエンド部会第34回バックエンド夏期セミナーの講演再録であり、複合現象評価技術開発の必要性と、その技術開発の一環として実施している長期力学挙動評価技術開発の概要およびそれを用いた解析事例を紹介するものである。

熱-水-応力-化学連成挙動研究の現状と今後の計画

伊藤 彰; 川上 進; 油井 三和

JNC TN8400 2001-028, 38 Pages, 2002/01

JNC-TN8400-2001-028.pdf:2.35MB

高レベル放射性廃棄物地層処分における処分場閉鎖後のニアフィールドの挙動は、廃棄体からの放熱、地下処分施設の再冠水、緩衝材の膨潤および変質など、熱的、水理学的、力学的、化学的なプロセスの複合現象として取り扱う必要がある。本研究は、地層処分システムにおいて想定される熱-水-応力-化学(THMC)連成挙動の予測を行うための現象理解に基づく数値解析システムを構築し、様々な地質環境条件に対するニアフィールドの熱、水、応力、化学場の長期的変遷を数値実験により予測することを目的とするものである。THMC連成解析コードの開発にあたっては、1.開発期間が複数年となること、2.既存ツールを用いた連成解析コードを構築し、数値解析の実現可能性を確かめる必要があることから、開発ステップを3段階に設定し、平成13年度に開発をスタートしている。本報告は、このTHMC連成解析コード開発計画のうち、1)開発ステップ1のTHMC連成解析コード開発、2)ベントナイト中の物質移行経路、3)THMC連成解析コードの並列化に関する検討結果を取りまとめたものである。

ニアフィールド水理/核種移行評価モデルの信頼性評価に関する研究; 概要版

野邊 潤*; 松本 昌昭*; 長坂 和佳*; 丸山 健太郎*

JNC TJ8400 2000-005, 71 Pages, 2000/05

JNC-TJ8400-2000-005.pdf:4.0MB

本研究では、昨年度までに構築した連続体モデルによるニアフィールド多孔質岩盤中の水理/核種移行評価手法を用いて、地下水流動を特徴付けるパラメータを変化させた場合の解析を行うと共に、手法の拡張性を考慮した信頼性評価を行った。具体的には下記の項目を行った。・三次元飽和・不飽和浸透流解析から一次元核種移行解析までの一連の解析手法を用いて、第二次取りまとめに即したパラメータ設定による解析、および入力フラックスの変化に伴う影響評価を行った。・一次元核種移行解析コード「MATRICS」における、逆ラプラス変換手法の違いによる適用性把握を行った。・多要素版MATRICS(以下、m-MATRICSとする)を用いて核種移行解析を行い、従来のMATRICSによる解析結果と比較し、不均質場における核種移行計算へのm-MATRICSの適用性の検討を行った。・三次元飽和・不飽和浸透流解析から一次元核種移行解析までの一連の解析手順を統合化した環境の整備を行った。

Evaluation of Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Phenomena in the Near Field for Geological Disposal of High-Level Radioactive waste

千々松 正和*; 藤田 朝雄; 杉田 裕; 谷口 航

JNC TN8400 2000-008, 339 Pages, 2000/01

JNC-TN8400-2000-008.pdf:30.96MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分における廃棄体定置後のニアフィールドでは、廃棄体からの放熱、周辺岩盤から人工バリアへの地下水の浸入、地下水の浸入による緩衝材の膨潤圧の発生、周辺岩盤の応力変化などの現象が相互に影響することが予想される。このような、熱-水-応力連成現象を評価することは、ニアフィールド環境の明確化の観点から重要な課題の一つである。熱-水-応力連成現象を明らかにするためには、まず個々の現象に関わるメカニズムを明らかにする必要がある。そのため、不飽和ベントナイトの伝熱特性、浸潤特性、膨潤特性等に関する各種要素試験が実施されている。また、熱-水-応力連成現象を実際に観測し、どのような現象が発生しているのか把握する必要もある。そのため、熱-水-応力連成現象に関する工学規模室内試験および原位置試験等が実施されている。さらに、熱-水-応力連成現象を評価するためのモデルも同時に開発されており、工学規模室内試験および原位置試験等を用いて、モデルの妥当性および適用性の検討が実施されている。本報告では、これら熱-水-応力連成モデルの開発に関する一連の検討結果を示す。本報告の構成は以下の通りである。第1章では、高レベル放射性廃棄物の地層処分における熱-水-応力連成評価の必要性について示す。第2章では、熱-水-応力連成解析評価に必要な岩石および緩衝材粘土の物性値取得に関する室内試験結果を示す。試験対象は釜石鉱山とし、岩石に関する試験は釜石鉱山で採取された供試体を用い、粘土に関してはベントナイト単体(クニゲルV1,OT-9607)およびベントナイトとケイ砂の混合体を対象とした。第3章では、原位置における岩盤物性試験の結果を示す。原位置試験は釜石鉱山における試験坑道内で実施した。実施した試験は、亀裂特性調査、透水試験、試験坑道床盤に掘削した試験孔内への湧水量の測定である。第4章では、室内および原位置試験で得られた岩盤物性値を用い、第3章で示した試験孔内への湧水量の解析評価を行なった。解析は連続体モデルおよび不連続体モデルの両者を用い実施した。第5章では、釜石鉱山で実施した熱-水-応力連成試験結果を示す。直径1.7m,深さ5.0mの試験孔を坑道床盤に掘削し、試験孔内に緩衝材および発熱体を設置し、連成試験を開始した。連成試験としては、発熱体の加熱を行なう加熱試験を約260日間、発熱体停

ニアフィールドの長期構造安定性評価

高治 一彦; 杉野 弘幸

JNC TN8400 99-043, 52 Pages, 1999/11

JNC-TN8400-99-043.pdf:5.2MB

処分場地下施設の建設時には、坑道の掘削にともなって岩盤に応力再分配が起こる。また、オーバーパックおよび緩衝材の定置後から、緩衝材の膨潤、オーバーパックの自重沈下、腐食膨張変形、岩盤のクリープ変形等が発生し、それらの現象が相互に作用することにより、緩衝材や坑道周辺岩盤の応力状態が経時的に変化することが考えられる。これらの応力状態の変化が緩衝材、岩盤に与える影響を確認することが安全評価上、また人工バリアの仕様設定上重要であることから、緩衝材、岩盤の安定性に影響を与える可能性のある種々の現象に対して、経時変化や相互作用の程度を把握するために、岩盤クリープ挙動、オーバーパックの腐食膨張による緩衝材におよぼす力学的な影響、オーバーパックの自重による沈下挙動について、各現象の相互作用を考慮しながら個別に解析を実施し、長期構造力学安定性を検討、評価した。その結果、基本ケースとした硬岩系岩盤、軟岩系岩盤については、岩の強度、坑道内部の充填物(ベントナイト)の強度、側圧係数等によって、クリープ変形挙動や応力状態の経時変化、ゆるみ領域の拡大する範囲等が異なることが分かった。また、緩衝材の力学的挙動にはオーバーパックの腐食膨張が支配的であり、オーバーパックの自重沈下や基本ケースとした硬岩系岩盤や軟岩系岩盤のクリープ変形はほとんど影響しなかった。また、オーバーパックの腐食膨張によって、緩衝材はオーバーパック周辺のごく限られた部分が限界状態に近い値を示したが、全体的には安定した状態であることが分かった。

Coupled thermo-hydro-mechanical experiment at Kamaishi mine technical note 14-99-01; Verification of the buffer material emplacement technique

杉田 裕; 千々松 正和*; 藤田 朝雄; Tranduc, P.*

JNC TN8430 99-009, 45 Pages, 1999/06

JNC-TN8430-99-009.pdf:2.58MB

地層処分における技術開発の観点からは、工学規模での試験によるニアフィールド環境である周辺岩盤の挙動が人工バリアに与える影響の把握および周辺岩盤を含むニアフィールド性能の定量的評価と室内および原位置における大型試験による人工バリアの品質性能の確認を行い、地層処分技術の信頼性向上を図ることが重要となっている。そのため、核燃料サイクル開発機構東海事業所の地層処分基盤研究施設等における工学規模の試験と並行して、原位置試験場において、人工バリアの品質性能の確認およびその実岩盤条件下でのニアフィールド連成挙動を評価することが必要となっている。そこで、実条件でのニアフィールド環境を把握するため釜石原位置試験場において粘土充填・熱負荷試験を実施してきた。粘土充填・熱負荷試験において緩衝材の充填方法の一つである現場締固め方式のまきだし・転圧工法を実施し、施工性および品質を実岩盤条件下で確認した。試験は実規模室内試験および原位置試験で構成し、実規模室内試験では材料を均一かつ高密度に充填するための技術開発を行った。実規模室内試験において設定した諸条件に基づいて試料を充填した原位置試験では、粘土充填・熱負荷試験で充填目標値とした乾燥密度(管理値は1.60-1.70g/cm3)でベントナイト単体試料を施工することが可能であった。

探索型性能評価ツールの統合・最適化

小山田 潔*

JNC TJ1440 99-001, 82 Pages, 1999/03

JNC-TJ1440-99-001.pdf:2.52MB

シャドウモデルの手法を用いた探索型システム性能評価の方法論は、環境シミュレーションによるシナリオ作成法の一つであるということができる。そして、探素型システム性能評価では、こうしたシミユレーション法の特徴を最大眼に活かすために、シヤドウモデルという概念を用いる。シヤドウモデルは、通常の物理的なモデルとは異なり、ある現象についての特定の概念化や数式化のための特殊な仮定に対応するものではない。代わりに、シャドウモデルでは、幅広い可能性のうち未だ否定されていないすべての選択肢を網羅することを目標とする。また、シャドウモデルはこの様名幅広い選択肢の集合に基軸を導入することにより、膨大な数になりがちな選択肢群をパラメータ化して体系的に管理、活用することを可能とする。これらの措置により、性能評価に通常含まれる種々のタイプの不確実性(シナリオ不確実性、概念モデル不確実性、数学モデル不確実性及びパラメータ不確実性)を一つの共通的な不確実性解析及び感度解析のフレームワークのもとで取り扱うことが可能となる。本研究は、これまで個別に開発されてきたために手法及びソフトウエアが必ずしも整含的ではない人工バリア内並びにニアフィールド母岩領域の探索型性能評価ツールを見直し、統一的な方法論とソフトウエアに統合することを日標として実施したものである。具体的な実施内容は以下の通りである。1.人工バリア内並びにニアフィールド母岩領域における個別の探索型牲能評価ツールの統合、量適化2.統合、最適化された探索型「性能評価ツールの検証3.統合、最適化された探索型性能評価ツールのインストール及び動作確認

ニアフィールドにおけるアクチニドコロイドの移行に関する研究(IV)

鈴木 篤之*; 長崎 晋也*

JNC TJ1400 99-028, 62 Pages, 1999/02

JNC-TJ1400-99-028.pdf:1.59MB

前半部では、非結晶性鉄酸化物コロイド粒子へのNpO/SUB2/SUP+の吸着拳動に関して吸着平衡と吸着速度という2つの観点から検討を加えた。その結果、吸着挙動はバルク溶液とコロイド粒子外表面間の遠い吸着と、コロイド粒子内のマイクロポアに拡散し吸着する遅い吸着の2つのステップから構成されることを明らかにした。また、外表面へのNpO/SUB2/SUP+の吸着が内圏型吸着であること、マイクロポア内の表面拡散係数が2.010/SUP-13cm/SUP2/Sであることを示した。後半部では、ab initio計算法を用い、数種類のウラニル錯体の振動数を評価しラマン分光などの実測結果と比較するとともにウラニルイオンの水和の影響について考察を行った。また、銀コロイド粒子へのウラニルイオンの吸着挙動の解析を行い、ラマン分光法の実験結果とも合わせて、内圏型での吸着の可能性が高くそのときの銀-ウラン原子間距離が3A○であると評価した。

地層処分システム性能評価の品質保証に関する研究(III)(研究委託内容報告書)

房枝 茂樹*

JNC TJ1400 99-021, 86 Pages, 1999/02

JNC-TJ1400-99-021.pdf:9.09MB

第二次取りまとめにおける地層処分システムの性能評価では、ニアフィールド性能の定量化を大きな目標としており、ここでは、評価モデルの妥当性および性能評価用データの信頼性と品質保証が技術的課題として重要視されている。この課題を達成するためには、データ、モデルおよび解析コードという個々の品質を保証するとともに、解析作業やデータ取得作業についても十分な信頼性を持たせ、それらの品質を総合して評価結果の信頼性を保証していくことが重要である。本研究では、性能評価に係わる品質情報を総合的に管理し活用できる計算機環境を整備し、第二次取りまとめ報告書における解析結果の信頼性を示すための総合的な品質保証システムの構築を目的として以下の研究を実施した。(1)品質保証フレームワークに関する検討:MESHNOTEの信頼性確保を目的として、室内試験データや原位置データに基づく確証解析の実施ならびに計画を実施した。また、実務に適用すべく品質保証要領書の改訂を実施した。・鉄含有ベントナイト中における拡散試験データに基づく確証解析を行い、MESHNOTEが妥当であることを確認し、知識ベースについて整理した。・解析報告書の管理に関する事項を品質保証要領書に追加した。(2)品質保証システムの構築:解析結果の信頼性の向上および品質保証プログラムの効率的な運用を目的として、解析管理システム「CAPASA」を基盤とした品質保証システムに係わる以下の拡張を実施した。・人工バリア幾何形状、ガラス溶解に係わるデータおよび被ばく線量換算係数を管理するための核種移行解析用データベースを構築した。また、これらデータを、CAPASAで利用可能とするためのインタフェースプログラムを構築した。・亀裂媒体中の核種移行解析コードTlGERおよび地球化学コードPHREEQCを、CAPASAに搭載した。また、人工バリア中の核種移行解析コードMESHNOTEの改良版を対象として、核種移行解析用データベースとのインタフェースプログラムを構築した。

ニアフィールド岩盤中の物質移行経路のモデリングに関する基礎研究(V)

斎藤 茂幸*; 諸岡 幸一*; 池田 則生*; 杉山 和稔*; 南野 正彦*; 片野 孝*

PNC TJ1211 98-003, 579 Pages, 1998/02

PNC-TJ1211-98-003.pdf:26.22MB

本研究は、ニアフィールド岩盤中の物質移行経路のモデル化の基礎となるデータを、実際の岩盤性状を把握することにより収集し、ニアフィールド性能の定量化に資することを目的として実施するものである。本年度は、新第三紀の堆積岩、古第三紀以前の堆積岩及び新第三紀の安山岩を対象として調査箇所を選定し、露頭観察を主体とした移行経路調査と、一部の調査箇所において採取した岩石試料を用いた室内観察(ミクロな空隙構造調査及びX線分析)を実施した。また、断層の深度方向の広がりについての文献調査(鉱山所有資料を借用したもの)を実施した。移行経路調査では、上記各岩石を対象にして露頭スケールでの割れ目を主体とした肉眼観察(通常スケッチ)及び、特定の移行経路(亀裂及びマトリクス部分)に対して行う肉眼による観察(詳細スケッチ)を行い、さらに、新第三紀堆積岩及び新第三紀安山岩については数100m数kmスケールでの破砕帯等の分布調査(破砕帯調査)を実施した。岩石試料を用いたミクロな空隙構造調査では、新第三紀堆積岩(泥岩)及び古第三紀以前の堆積岩(砂岩)を対象にして、割れ目面から連続する空隙に対して顕微鏡観察及び画像解析を行い、それらの構造、分布特性及び空隙率の変化等を調査した。また、新第三紀堆積岩(泥岩)については、割れ目面から酸素が及んでいる領域を調べる目的で、EPMA分析及び化学分析を行い、割れ目面からの深度による化学成分の変化を調査した。X線分析では、今年度及び昨年度までに採取した割れ目充填鉱物及びマトリクス部分の試料に対して、含有鉱物を同定し、その量比を半定量的に調べた。文献調査では、細倉鉱山のレベル断面図、坑道内の鉱脈スケッチ図等の資料を調べることにより、断層(鉱脈)の水平方向、深度方向の3次元的な規模や断層の形態について調査した。