地層処分坑道周辺の精密な応力評価に関する研究(模型実験の3軸応力化と解析評価)(委託研究内容報告書)

石島 洋二*

JNC TJ8400 2000-016, 54 Pages, 2000/02

JNC-TJ8400-2000-016.pdf:3.07MB

地下数百mの深部に建設される高放射性廃棄物の処分空洞を軟弱な堆積岩に設けた場合には、空洞周囲に緩み域が発達することは避けられない。この場合、空洞の安定性だけでなく、緩み域の存在がもたらすシール性能の低下も問題になる。緩みの評価を正確に行うには、深部空洞の周囲に生じる応力・ひずみ状態を正確に予測する手法を確立しなければならない。本研究は、この予測手法の確立を目指したものである。このために、空洞を持った実岩石から成る模型岩盤に対し、地下に建設した空洞が置かれる3軸地圧応力を載荷したときに現れる変形・破壊を観察し、一方で、これを予測する数値解析手法の開発を試みた。このために、次の3つの項目について研究を実施した。(1)岩盤材料の構成式の精密化(2)空洞を持った岩盤模型を3軸載荷する方法の確立とそれによる模型試験の実施(3)空洞周辺の破壊を含む変形予測する解析手法の開発(1)については、溶結凝灰岩を用いた封圧下の引張試験が中心とした室内試験を実施し、以下の成果が得られた。a)一軸引張試験、封圧下の一軸引張試験とも、引張破面が供試体中央部に形成されるような試験技術を開発した。b)引張強度tは封圧pcとともに小さくなり、両者の間には、t=0.306pc-1.61の式があてはまる。(2)については3軸岩盤模型試験を実施し、以下の結果が得られた。a)最小主応力が小さいと、円孔上下部に引張き裂が生じる。しかし、最小主応力が1.0MPa以上になると引張き裂は発生しなくなる。みかけの軸応力が増すにつれて、円孔の左右側壁に楔状の破壊域が現れる。さらに応力が増すと、この破壊域の先端から12本の破面が発達し、模型ブロックを貫通することによりブロックが破断する。b)みかけの軸応力-みかけの軸ひずみ線図は、最小主応力よる次のような影響を受ける。1.最小主応力が大きくなるにつれて、最大主応力の最大値(強度)が増す。2.最小主応力が大きくなるにつれて、みかけの軸応力が最大値に達した後の応力低下量が小さくなり、また、線図の傾きが緩くなる。これらは、いわゆる封圧効果を表している。3.最小主応力が僅かでも作用すると、みかけの軸応力の最大値のばらつきが小さくなる。(3)については弾塑性解析コードを開発し、以下の結果が得られた。a)破壊の発生場所と破壊のタイプは模型実験結果と一致し、最小主応力が小さいと

Sn(IV)のベントナイト・岩石への収着実験およびベントナイト中の拡散実験

小田 治恵; 池田 孝夫*; 柴田 雅博

JNC TN8400 99-073, 112 Pages, 1999/11

JNC-TN8400-99-073.pdf:2.79MB

ニアフィールドにおける核種移行評価において、ベントナイト中の核種の拡散挙動と、ベントナイト中および周辺岩盤中での収着挙動に関するメカニズムを理解し、処分環境条件での分配係数・拡散係数を適切に設定する必要がある。本報告書では、地層処分システムの安全評価上、重要核種のひとつであるSnについて、低酸素濃度条件下におけるベントナイト・岩石へのバッチ式収着実験、ベントナイト中の拡散実験(乾燥密度:0.4、1.0、1.6[g/cm3])を行った。また、スメクタイトへの収着実験およびスメクタイト・ベントナイトへ収着したSnの脱着試験を行い、ベントナイトへの収着形態について考察を行った。求められた分配係数は、ベントナイト103106[ml/g]、凝灰岩104105[ml/g]、花崗閃緑岩103105[ml/g]であった。これらの実験結果に基づき、ベントナイトへのSnの収着挙動は、スメクタイトと黄鉄鉱への収着反応が支配的なメカニズムであること、収着挙動へ与える支配的な影響因子はpHであること、また、ベントナイトへ収着したSnは、固相内部へ取り込まれるなどの非可逆的な化学形態をとることを推定した。ベントナイト中のみかけの拡散係数は乾燥密度0.4、1.0[g/cm3]でそれぞれ10-13、10-14[m2/sec]程度と求まった。1.6[g/cm3]ではより長期の実験が必要とされた。さらに、拡散プロファイルより、圧縮ベントナイト中での分配係数および間隙水中の溶解度を算出し、バッチ系での実測値との比較を行った。圧縮系での分配係数算出値はバッチ系での実測値よりも数桁低いことを確認した。一方、バッチ系での溶解度実測値と圧縮系で推定された溶解度とはほぼ一致した。本研究は、圧縮ベントナイト中でのSnの収着挙動がバッチ系とは異なる可能性を示すと同時に、圧縮ベントナイト中の収着・拡散メカニズム解明にはまだ多くの課題が残されていることを指摘する。

Sorption and Diffusion Behavior of Palladium in Bentonite, Granodiorite and Tuff

舘 幸男; 澁谷 朝紀; 佐藤 治夫; 柴田 雅博

JNC TN8400 99-088, 58 Pages, 1999/06

JNC-TN8400-99-088.pdf:3.87MB

性能評価に用いるデータセットの信頼性を向上させることを目的として、性能評価上の重要核種の一つであり、かつ、実測データがほとんど存在しないパラジウムのベントナイト、花崗閃緑岩、凝灰岩中における収着・拡散挙動に関するデータを取得した。収着試験については、ベントナイト、花崗閃緑岩、凝灰岩を対象に、pH、イオン強度、液固比をパラメータとしてバッチ法により行った。Pdの分配係数として、10-1102m3/kgの範囲の値が得られた。ベントナイトに対する分配係数は花崗閃緑岩、凝灰岩に比べ若干高く、花崗閃緑岩と凝灰岩では同程度であった。分配係数のパラメータ依存性はいずれの固相でも同様の傾向を示した。pH依存性については、pH5で最大の分配係数となり、pHの増加に伴い減少する傾向であった。イオン強度の影響は顕著ではなく、液固比については、液固比が高いほど分配係数は高くなる傾向であった。Pdの収着挙動はNi,Co等の2価の金属イオンのそれとは異なり、これらのデータをアナログとしてPdを評価することは不適切であることが示唆された。本試験条件下におけるPdの支配化学種は、熱力学計算から中性のPd(OH)2(aq)と予想された。Pdの分配係数は10-1102m3/kgと比較的高い値であり、中性化学種の収着性は高いことが示された。また、分配係数がpHの増加と共に減少する傾向にあることから、Pdの収着は固相表面のS-OH2+サイトとの反応により支配されている可能性が示唆された。拡散試験については、ベントナイトを対象に密度をパラメータとしてin-diffusion法により行った。薄膜拡散源モデルにより解析された見かけの拡散係数は10-1310-12m2/sのオーダーであり、ベントナイト密度の増加と共に減少する傾向であった。見かけの拡散係数から得られた圧縮ベントナイト中での分配係数は10-210-1m3/kgとなり、バッチ収着試験により得られた値よりも12オーダー低い値であった。しかしながら、分配係数と液固比との関係には相関が見られ、液固比が低いほど分配係数は低くなる傾向であった。

長期岩盤挙動評価のための巨視的観点による基礎的研究(平成9年度)

大久保 誠介*

PNC TJ1602 98-004, 87 Pages, 1998/03

PNC-TJ1602-98-004.pdf:3.04MB

本研究は1994年度にはじめられた。1994年度には、空圧式クリープ試験機の改良を行った。1994年度の終わりに、稲田花崗岩を購入し、P波速度やシュミットハンマー試験などを行った。1995年度には、空圧式クリープ試験機を使用して、湿潤状態の田下凝灰岩のクリープ試験を継続的に行った。また、完全応力一歪曲線を求めるために、サーボ試験機を用いて一軸圧縮試験と一軸引張試験を行った。さらに、サーボ試験機を用いて稲田花崗岩の短期クリープ試験を行った。1996年度中に開始する予定である稲田花崗岩を用いたクリープ試験に備えて、油圧式クリープ試験機の改造をおこなった。狙いは、耐久性と安定性の向上である。特に測定装置は、完全に取り替えて新しいものとした。1996年度には、クリープ試験、圧縮試験および引張試験を行った。また、2つの様式(油圧式と空圧式)の周圧維持装置を検討した。1997年度は、従来の結果を踏まえた上で、クリープ試験、圧縮試験および引張試験などを行った。第2章にて、従来より引き続き行っている田下凝灰岩の長期クリープ試験の結果を述べる。第3章にて、稲田花崗岩の中期クリープ試験を実施した結果を述べる。クリープ試験は、ともに湿潤状態で行った。昨年度、2つの様式の周圧維持装置を検討した。一つは油圧式でもう一つは空圧式である。油圧式は従来より良く使用されてきた様式であるが、長期にわたって使用されることが予測されたため計測系統の安定性と耐久性には十分留意を払って改造した。この油圧式周圧維持装置を用いて3軸圧縮試験を行った結果を第4章に述べる。昨年度までに、一軸引張試験における完全応力一歪曲線を求めることに成功した。本年度は、試験途中で除荷一載荷を行い、さらに詳しく一軸引張応力下での岩石の挙動を検討した。その結果を第5章にて述べる。これまで、コンプライアンス可変型構成方程式に関して検討してきた。この構成方程式は比較的簡単な形をしているが、従来の多くの構成方程式が適用できない強度破壊点以降の領域まで用いることができる。この構成方程式を組み込んだ有限要素法プログラムによる計算結果を第6章にて述べる。第7章では、今後予定される間隙水圧を制御した試験の準備として、使用予定の機器や材料の耐久性を調査した結果を述べる。

地層処分坑道周辺の精密な応力評価に関する研究(II)

石島 洋二*

PNC TJ1600 98-002, 66 Pages, 1998/02

PNC-TJ1600-98-002.pdf:7.02MB

大型2軸載荷装置を用いた円形断面坑道掘削に関する模型試験を実施して力学的擾乱を観察するとともに、新しい構成式に基づく有限要素法解析を行って両者を比較するのが本研究の目的である。本年度は平成8年度に開発した大型2軸載荷装置を模型試験に対し初めて本格的に応用し、これを用いて円形断面坑道を有する岩盤模型を載荷した。そして、装置が所期の機能を有していることを確認した。ただし、載荷2軸がなす面に垂直方向は応力0の状態になっており、最小主応力方向に一致する。このため、模型に生じる最終的な破断は期待するような載荷2軸面内で起こらないことが明らかになった。この問題の解決は次年度の課題として残されている。模型材料である支笏溶結凝灰岩のクリープ試験を実施し、模型試験における載荷時間が数時間に及ぶ場合、模型内の応力集中源となる領域では無視できない量のクリープ変形が起きる可能性を明らかにした。模型試験から有用な情報を多数引き出すためには変形の計測が重要である。このために幾通りかのひずみの計測方法を開発し、模型試験に供した。その結果、ひずみゲージは載荷の初期の段階から破壊後までの全過程の現象を捉えるには適さないことがわかった。なぜならば、載荷応力が強度破壊点に達する前後で供試体表面にき裂が発生し、これによってひずみゲージが損傷を受けて測定不能になってしまうからである。局部的な破壊に関係なく計測可能な変位計は、ひずみゲージより優れており、孔の径変化を計測する孔径変化測定器、2側面間の伸縮を計る片持ち梁式変位計は、極めて有用であることを見いだした。ピラー模型の載荷試験から、細長比が異なるだけで、破壊形態や強度、変形特性の異方性に差異が生じること、載荷応力が強度破壊点に達する直前からピラー軸に垂直な横ひずみ(伸び)が増大し、破壊後はさらに増加の割合が増すので、ピラーの横ひずみの計測はピラーの力学的状態を監視する手段として有効と考えられることなどが明らかになった。

火山ガラス及びベントナイトの長期変態挙動に関する調査研究(8)研究内容報告書

not registered

PNC TJ1308 95-001, 73 Pages, 1995/02

PNC-TJ1308-95-001.pdf:2.81MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分に係わるナチュラル・アナログ研究の一環として、火山ガラス及びベントナイトの変質性状に関する調査を実施した。火山ガラスについては、房総半島茂原ガス田に分布する鮮新世から前期更新世の地層に挟在するスコリアの変質に関与した地下水(化石海水)との比較のために、表流水と間隙水の分析を実施した。茂原ガス田の表流水は、地下水とは異なり、循環性の良い天水起源の水であることが判明した。また、地表露頭から得た泥質岩の間隙水の分析からは、既に天水による溶脱を受けたものであることが判明した。ベントナイトについては、山形県鶴岡地域の酸性白土鉱床及び島根県大田市北部地域のベントナイト鉱床について、年代測定による貫入岩からの熱的影響について調査した。また、新潟県西頸城郡のモンモリロナイトを含む堆積岩について、貫入岩による熱変質に関する現地調査及び分析を行った。山形県鶴岡地域では、酸性白土鉱床を胚胎する凝灰岩中に火成岩岩脈が貫入している露頭を確認することができたが、岩脈付近にセリサイト化あるいはセリサイト/モンモリロナイト混合層鉱物化を認めることができなかった。また、岩脈の貫入によるフィッション・トラック年代の若返りも認められなかった。島根県大田市北部地域では、ベントナイト鉱床を胚胎する凝灰岩中に安山岩の岩脈が貫入している露頭を確認することができたが、岩脈付近にセリサイト化あるいはセリサイト/モンモリロナイト混合層鉱物化を認めることができなかった。安山岩岩脈と凝灰岩の年代値を得ることができ、安山岩の年代が5Ma.程度若いことが判明した。しかし、岩脈の貫入によるフイッション・トラック年代の若返りは認められなかった。新潟県西頸城郡では、続成作用起源のモンモリロナイトを含む地層にひん岩が貫入している露頭付近を調査した。変質鉱物の組合せと分布に注目して分帯すると、貫入面に近いものから、I.イライト帯II.イライト/モンモリロナイト混合層鉱物帯III.モンモリロナイト帯の順に配列していることが判明し、ひん岩の貫入による一連の熱変質によるものと判断された。すなわち、1)泥質物の堆積2)埋没続成作用によるモンモリロナイトの形成3)ひん岩の貫入4)熱変質によるイライト帯及びイライト/モンモリロナイト混合層鉱物帯の形成と地質現象が進行したと考えられる。

放射性核種の地表水中から地表面への移行に関する試験研究,第2報; 凝灰岩層試料

向井 雅之; 武部 愼一; 古宮 友和

JAERI-Research 94-014, 25 Pages, 1994/09

JAERI-Research-94-014.pdf:1.23MB

低レベル放射性廃棄物処分施設より漏出した核種の環境中移行経路の一つである地表水流に伴う核種の移行を実証的に解明するため、放射性水溶液が凝灰岩斜面を流下する状況を模擬した地表面核種移行試験を実施した。流出液中の核種濃度は流下時間によらずほぼ一定で、流量が小さいほど減少し、土壌吸着濃度分布は流入口から流出口に向かって緩やかな減少を示した。鉛直流速分布を有する1次元の移流と2次元の拡散で表した地表流に1次吸着反応式を取り入れた移行モデルで解析を行い、吸着及び水の流動に関する移行パラメータ値を得た。これらをローム質土壌で得た値と比較した結果、Co及びSrについてはパラメータ値は両地質でほぼ同じであった。Csについては、凝灰岩層に対する吸着速度係数が大きなことを反映し、地表を流れる放射性水溶液の長距離の流下による濃度の減少効果はローム質土壌に比べ大きくなることが予測できた。

花崗岩及び凝灰岩試料の比抵抗測定; 間隙水の比抵抗が岩石比抵抗に及ぼす影響について

千葉 昭彦; 熊田 政弘

物理探査, 47(3), p.161 - 172, 1994/00

http://ci.nii.ac.jp/naid/40004616794

高レベル廃棄物等の地層処分において母岩の候補に挙げられている花崗岩等の結晶質岩の比抵抗と間隙水の比抵抗との関係について実験的な研究を行なった。円柱状の花崗岩試料7個と凝灰岩試料3個、及び濃度20ppmから32500ppmまでの8種類のKCl溶液を用いた。岩石試料の間隙を所定のKCl溶液で満たした後、試料をふた付の容器内に保持して比抵抗測定を行なった。岩石試料の比抵抗は、間隙水の比抵抗とともに変化したが、間隙水が高比抵抗となる領域ではほぼ一定値を示した。これはアーチの式の地層比抵抗係数が変化することを示唆しており、間隙の表面伝導の影響が考えられた。

ベントナイト及び岩石中での核種の分配係数

澁谷 朝紀; 吉川 英樹; 佐藤 治夫; 油井 三和; 梅木 博之; 石黒 勝彦

PNC TN8410 92-163, 51 Pages, 1992/09

PNC-TN8410-92-163.pdf:1.18MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分システムにおける性能評価においては、緩衝材として考えられているベントナイトや、多種類の岩石中の核種移行に関する基礎データを必要とする。本報告書では、それらデータの一つである分配係数について、ベントナイトおよび岩石中での核種の収着挙動に関する理論的・実験的背景を確認した上で、これまでの報告値を整理し性能評価に用いるための値の設定について検討を行なった。これにあたっては、国際的レベルで進められてきたOECD/NEAのSDB(収着データベース)を基に、データの典拠している文献の中から、収着に影響を及ぼす因子(溶液条件・固液比・雰囲気等)を考慮し、性能評価上重要と考えられる14元素のベントナイトおよび岩石への分配係数を整理した。ベントナイトの分配係数については、さらに、我が国においてよく知られているクニピアF及びクニゲルVIの2種類のベントナイトの分配係数に関するこれまでの研究成果を取り込むことにより、 以下のように設定した。(1)圧縮ベントナイトについての分配係数が存在する場合には、この値を基本的にオーダーのレベルで優先するが、バッチ法の文献値の範囲も考慮した。(2)バッチ法の文献値しかない場合には、範囲内の低い方の値をオーダーで設定した。(3)データが両者にない場合には化学的類似性に基づき設定した。また、岩石の分配係数の設定は、我が国に一般に分布する岩石を分類、選定した上で、文献値の適合性を検討し、その範囲をオーダーで設定した。

Effects of carbonate and sulfate ions in synthetic groundwater on high-level waste glass leaching

上薗 裕史

Journal of Materials Science Letters, 9, p.841 - 844, 1990/00

https://doi.org/10.1007/BF00720177

玄武岩質輝緑凝灰岩と共存する天然地下水の組成を模擬した合成地下水を調整し、その中でのガラス固化体の浸出挙動について検討した。浸出実験は70Cで49日間、また20Cでは1年間継続した。エネルギー分散型元素分析装置付きの走査型電子顕微鏡(SEM=EDX)で浸出後のガラス固化体表面を観察し、表面に付着した微粒子の成分を詳細に調べた。その結果、ガラス固化体中の希土類元素(La、Ca、Nd等)は、Caとともに炭酸塩として析出することがわかった。またガラス固化体中のBaは浸出液中の硫酸イオンとともに析出する傾向のあることがわかった。これらは、ガラス固化体の浸出挙動に対して地下水中の陰イオンが影響することを示している。実際の地層処分場でもこのような析出反応を考慮する必要がある。