多孔質岩盤中の水理/核種移行解析評価プログラムの理論的背景と使用方法の整備

白川 敏彦*; 畑中 耕一郎

JNC TN8400 2001-027, 131 Pages, 2001/11

JNC-TN8400-2001-027.pdf:0.8MB

不均質多孔質岩盤中の水理/核種移行解析における入出力データ、実行手順を基本マニュアルとして取りまとめることを目的として、既存の不均質透水係数場作成コードの理論的背景と3次元水理解析コード、核種移行経路抽出コード、1次元核種移行計算コードからなる水理/核種移行解析プログラムの使用方法について調査した。本報告書では、調査結果に基づいて不均質透水係数場の作成に関する地質統計学的背景を説明した。さらに、不均質透水係数場作成プログラムおよび水理/核種移行解析プログラムのファイル構成、入出力データ、実行方法、実際の計算例を記載した。以上のように既存の不均質透水係数場作成コードおよび水理/核種移行解析プログラムの理論的背景と使用方法についてまとめることにより、上記の計算プログラムによる解析方法を手順化することができた。また、本報告書でまとめられた情報を活用することにより、自由に不均質多孔質岩盤をモデル化して水理/核種移行解析をすることが可能になった。

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(核燃料サイクル開発機構 研究委託内容報告書)

野邊 潤*; 松本 昌昭*; 長坂 和佳*; 丸山 健太郎*

JNC TJ8400 2000-006, 232 Pages, 2000/05

JNC-TJ8400-2000-006.pdf:7.75MB

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。

燃料集合体内局所閉塞事象における4サブチャンネル体系水試験; 閉塞物周辺の流況可視化

田中 正暁; 小林 順; 上出 英樹

JNC TN9400 2000-026, 70 Pages, 1999/11

JNC-TN9400-2000-026.pdf:10.93MB

ポーラス状閉塞物内の熱流動特性を調べる基礎研究として、燃料集合体内の4つのサブチャンネルを模擬し、3本のヒータピンに囲まれた中心サブチャンネルに閉塞物を設置した基礎水流動試験を実施している。温度分布測定試験および解析結果から閉塞物内部には水平方向の流れが存在し、この流れが閉塞物内部の温度分布に大きな影響を及ぼしていることが明かとなっている。そこで、ポーラス状閉塞物周りの流動場を把握するために、トレーサ法により可視化実験を行った。その結果、(1)閉塞物側面に循環渦が生じ、閉塞物下端から流入した冷却材が閉塞物内部を通り健全サブチャンネルへ流出すること、(2)閉塞物側面の循環流領域は流量の増加と共に下流側へ延び、循環渦内部では対流拡散が支配的であることが分かった。また、後流領域においては、(1)閉塞チャンネルを囲む健全チャンネルからの3方向の流れ込みにより、流れが周期的に変動しており不安定性をもつこと、(2)閉塞物上端からの浸み出しあるいは巻き込みによって、冷却材が後流域に常に供給されることが分かった。さらに、大型炉条件(Re=5.910の4乗)での流動場について、可視化試験結果を外挿して予測した。本結果は解析手法の検証に用いられると共に大型炉でのポーラス状閉塞事象評価に反映される。

多孔質岩盤を対象とした天然バリア中の核種移行解析

井尻 裕二; 澤田 淳; 坂本 和彦*; 亘 真吾; K.E.Web*; 中島 研吾*; 野邊 潤*

JNC TN8400 99-092, 91 Pages, 1999/11

JNC-TN8400-99-092.pdf:6.62MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分における天然バリアの性能評価においては、我が国の岩盤を亀裂中の流れが支配的な亀裂性岩盤と岩石基質内の流れが支配的な多孔質岩盤に分類し、それぞれに対して亀裂ネットワークモデルを用いた核種移行評価手法と不均質連続体モデルを用いた核種移行評価手法を開発した。本書は、後者の多孔質岩盤モデルによる核種移行評価手法とその評価結果について報告するものである。多孔質岩盤モデルに関しては、東濃鉱山の新第三紀堆積岩で測定されたデータに基づいて不均質連続体モデルを構築し、核種移行解析を実施した結果、Se-79やCs-135が支配的な核種となることがわかった。多孔質岩盤モデルに対するパラメータの感度を評価するために1次元均質モデルを用いて感度解析を実施した結果、有効間隙率が解析結果に及ぼす影響は小さいのに対し、透水係数が結果に及ぼす影響は大きいことがわかった。また、岩種では泥質岩・凝灰質岩よりも砂質岩の方が、地下水では降水系地下水よりも海水系地下水の方が分配係数が小さく核種移行率が大きくなることがわかった。さらに、亀裂だけでなく岩石基質中の流れも有意な亀裂性岩盤と多孔質岩盤の特性を併せ持つ一部の新第三紀堆積岩に対して亀裂性岩盤モデルと多孔質岩盤モデルの重ね合わせにより評価を実施した結果、多孔質岩盤モデルよりも亀裂性岩盤モデルの方が保守的に評価されることがわかった。本書で得られた結果は、東濃鉱山の深度数10mから200m以浅のボーリング孔で得られたデータに基づいた結果であるため、実際の処分深度500mでは岩盤の透水性はさらに低くなり、核種移行率もさらに低減されると考えられる。

不均質多孔質媒体中の水理・物質移動に関する研究(II) -先行基礎工学分野に関する平成9年度報告書-

神野 健二*; 中川 啓*; 細川 土佐男*; 畑中 耕一郎*; 井尻 裕二*; 吉田 隆史*; 亘 真吾

PNC TY1606 98-001, 54 Pages, 1998/03

PNC-TY1606-98-001.pdf:5.19MB

核種移行パラメータの1つである分散係数は、数多くの原位置試験結果より地層の不均質性の影響を受けスケール依存性を示すことが知られており、評価スケールに応じた分散係数を設定することは地層処分システムの性能評価上重要な課題となっている。ところが、原位置での測定には限界があるために分散係数のスケール依存性に関しては未だ十分に解明されておらず、これまでに成層構造を持つ地層に対する理論的な研究があるだけである。そこで、動燃事業団では、不均質多孔質媒体トレーサ試験設備(略称MACRO)を用いて人工的に作成した不均質場においてトレーサ試験を実施し、不均質場が分散現象に及ぼす影響について研究を進めてきた。特に、昨年度の共同研究では動燃事業団と九州大学の保有するコードを用いてシミュレーション解析を実施し、解析結果の比較によりそれぞれのコードの適用性を明らかにしている。本年度は、新たに作成した不均質場において単孔式のトレーサ注水・揚水実験を実施し分散長を測定し、不均質特性が分散現象に及ぼす影響について検討を行った。一方、昨年度の研究において適用性を確認した計算コードを用いて数値シミュレーションにより不均質多孔質媒体中のトレーサ挙動を解析し、不均質特性とそれに起因する分散現象について検討を行った。トレーサ注水・揚水試験により測定した分散長を検討した結果、本試験が場の不均質性に起因する巨視的分散現象を検討する上で有効であることを確認した。また、数値シミュレーションにより不均質場におけるトレーサ移行挙動を検討した結果、不均質場の確率統計的特性を代表するパラメータとして用いた積分特性距離と巨視的分散係数の関係についての知見を得た。

Production of stable atomic beam in an electron beam evaporation process

大場 弘則; 柴田 猛順

Proc. of 6th Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases (SPG'98), p.241 - 245, 1998/00

水冷銅るつぼを用いる通常の電子銃蒸発源は熱損失が大きく蒸発効率が低いこと、原子ビームが蒸発面での液体金属対流による不安定現象で変動することが知られている。これらを改善するために、多孔質体とハースライナーを用いた蒸発を銅、ガドリニウム, セリウムについて試みた。ハースライナーは遮熱しているため、熱伝導によるるつぼへの熱損失が低減できるので、少ない投入電力で表面温度を高くできる。さらに蒸発の生じる多孔質体表面では、対流や液面のくぼみが形成されない。今回の試験で、少ない投入電力で高密度でかつ変動がないこと、多孔質体材料に汚染されないこと、クラスターが生成しないことが見いだされ安定した原子ビーム生成が可能となった。

不均質多孔質媒体中の水理・物質移動に関する研究 -先行基礎工学分野に関する平成8年度報告書-

神野 健二*; 中川 啓*; 細川 土佐男*; 畑中 耕一郎; 井尻 裕二*; 亘 真吾; Webb, E. K.*; 金澤 康夫*; 内田 雅大

PNC TY1606 97-001, 44 Pages, 1997/03

PNC-TY1606-97-001.pdf:2.76MB

高レベル放射性廃棄物地層処分システムの核種移行評価上の重要パラメータとして分散係数がある。分散係数は平均的な流速からの変動成分により運ばれるフラックスが濃度勾配に比例すると仮定した場合の比例係数であるので、流速の関数として表される。また、媒体の幾何学的特徴に応じて、分散の効果が異なってくるので幾何学的特徴を代表とする特徴的な長さ(分散率)の関数でもある。分散率は地層の不均質な構造による影響を受けてスケール依存性を示す。したがって、分散係数が定義できる代表的な体積要素およびそのスケールに応じた適切な分散率を設定することは核種移行評価における重要な課題となっている。このため動燃では、多孔質媒体水理試験設備(MACRO)を製作し、試験を行い、不均質場での分散現象の解明に取り組んでいる。MACRO試験では、粒形の異なる数種類のガラスビーズを用いた不均質な透水係数場を人工的に作成し、通水試験とトレーサ試験を行うことができる。本研究では、MACRO試験で得られるデータを用いて、動燃保有の解析モデル/手法と九州大学保有のモデル/手法を相互比較することによってこれらのモデルの特性や適用性を検討した。動燃では、物質移動について粒子追跡法およびオイラリアンーラグランジアン法を用いた。九州大学では、特性曲線法を用いた。本共同研究により、動燃保有の粒子追跡法を適用した物質移動モデルはメッシュ分割、粒子数に解の精度が依存するため使用にあたっては注意が必要であることが分かった。特性曲線法を適用したモデルについては比較的精度良く物質移動現象を評価可能であることを確認した。また、不均質透水係数場において水理計算を行う場合、有限差分法と有限要素法では結果に差が生じる可能性があることが示された。

ラジウム吸着材の開発研究

杉原 陽一郎*; 向井 克之*; 二宮 一朗*

PNC TJ6357 97-001, 40 Pages, 1997/03

PNC-TJ6357-97-001.pdf:1.52MB

ダム廃水に含まれる微量のラジウムを対象として、高選択高性能ラジウム吸着剤の開発を行った。金属担持型の吸着剤数種を調整し、ラジウム吸着性能を比較した結果、従来のTi型吸着剤が最も優れていることが確認された。このためTi型吸着剤の詳細な製造条件の検討を実施した。吸着剤の母体としては、ポーラス型樹脂が廃水の処理速度の面でゲル型樹脂より優れていた。ポーラス型樹脂ベースのTi型吸着剤では、SV40の高流速条件下でも安定したラジウムの除去が可能で、破過容量も7500l/l-R以上であり、従来のゲル型と比べ3倍以上まで増加した。また、Ti型吸着剤を水熱処理することにより、吸着剤の酸安定性が著しく向上することを見出した。この結果、水熱処理した吸着剤の場合、脱離液として希塩酸とアリカリ土類金属塩の混合溶液を使用すると、Tiの溶出が1%以下になりラジウムを選択的に脱離することが可能となった。その他、ラジウムの吸着条件についても検討した結果、無機塩、pH及び通液速度の影響等が明らかとなった。

不均質多孔質媒体中の物質移動解析手法に関する研究(3)(最終報告書)

not registered

PNC TJ1281 95-002, 257 Pages, 1995/02

PNC-TJ1281-95-002.pdf:27.26MB

地層処分場からの核種放出のcriticalpathを同定し、かつその移動特性を明らかにする上で特に重要性の高い不均質媒体中の水理・物質移動問題について、地層の持つ不均質性をフラクタルモデル(統計的自己アファインモデル)により表現し、更に場のモデルに対して高解像度の水理解析及び物質移動解析モデルを適用することにより現実的かつ詳細な解析を行う手法の開発を行った。本年度は、昨年度開発したMACRO-AFFINITYコードに対してさらに改良を施し、以下の点で機能の拡張を行った。・堆積岩等の異方的な(フラクタル特性が方向によって異なる)不均質媒体の模擬・放射性核種の崩壊、及び線形・非線形の吸着による移行遅延を考慮したパーティクルトラッキング・複数の異なるフラクタル特性を持つ岩体、あるいは母岩と人工バリアから成るニアフィールドといった複合的な不均質媒体の模擬これらの拡張により、今年度作成したMACRO-AFFINITYVersion2.0は、天然バリアについての性能評価及び不均質多孔質媒体中物質移動試験の解析、といういずれの側面においてもより実用性の高いものとなった。また、改良されたコードを用いて、今年度動燃事業団殿の実施した第二回不均質多孔質媒体中物質移動試験の供試体設計と条件設定を行うとともに、解析結果と試験結果の比較を行い、実際の実験条件の設定値とのずれを考慮することによって解析結果が試験結果と整合的なものとなることを確認した。さらに、今年度の改良点のうち特に異方的なフラクタル場の作成機能を用いて、主流動方向に卓越した相関構造を持つような異方的な供試体の設計と対応する予察解析を行った。

不均質多孔質溶媒中の物質移動解析手法に関する研究(2)(成果報告書)

北村 正史*

PNC TJ1281 94-004, 181 Pages, 1994/02

PNC-TJ1281-94-004.pdf:10.28MB

不均質多孔質媒体中の核種移行は、しばしば、チャンネリングやフィックの法則に従わない分散挙動といった複雑なふるまいをみせる。これは、この様な系では微視的な流速分布が決して均一あるいは正規分布の様な理想的なものとはならないためである。これらの挙動は、核種移行についての最も速い経路を規定し、このため当該領域の周辺への核種放出率を支配するものとなり得る。つまり、性能評価研究の観点からは、これらの「平均からずれた」核種挙動を定量的に取り扱うことが極めて重要となる。本研究では、昨年度に引き続き、統計的に自己アファインなフラクタル理論に基づき岩体中の不均質性とこれが核種移行挙動に及ぼす影響についての検討を行った。今年度は、まず、既存のAFFINITY-2Dコードに対して幾つかの改良を施したMACRO-AFFINITYコードを作成した。MACRO-AFFINITYコードでは、AFFINITY-2Dコードで個々に独立した形で用いられていた各モジューニを統合化することによって、プログラムの詳細に係る技巧的な部分に煩わされることなく一連の解析が効率的に実行可能となった。また、AVS(Advanced Visualisation System)の利用により、計算経過をリアルタイムで見ることのできるグラフィカルユーザーインターフェイスが整備された。更に、作成されたMACRO-AFFINITYコードを用いて次の様な検討を行った。(i)非等方的なフラクタル透水係数場の作成方法(ii)不均質多孔質媒体中物質移動試験の結果との比較(iii)東濃サイトの透水係数のデータとの比較によるフラクタルスケール則の検証(iv)線型あるいは非線型の吸着、及びコロイド移行を考慮することのできるパーティクルトラッキングアルゴリズム(v)ニアフィールド母岩中の核種移行挙動のシミュレーション