(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続された送信アンテナが計測対象となる媒体内に埋設され又は該媒体の表面に当接配置されてなる送電部と、前記送信アンテナと電磁界共振結合する受信アンテナが前記媒体内に埋設され該受信アンテナを介して前記送電部から電力が伝送されるようになっている受電部と、前記送信アンテナの電力値に対する前記受信アンテナの電力値の比率を電力伝送効率として算出する伝送効率算出部と、該電力伝送効率を、前記媒体の飽和度と該飽和度での電力伝送効率との関係を示す飽和度―伝送効率特性に適用することで前記電力伝送効率に相当する飽和度を求めこれを前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間に介在する媒体の飽和度として推定する飽和度推定部とを備えたことを特徴とする飽和度計測システム。
【請求項２】
前記送電部及び前記受電部にそれぞれ無線送信部を設けるとともに、該各無線送信部を介してデータ送信されてきた電力値をデータ受信できるように前記伝送効率算出部を構成した請求項１記載の飽和度計測システム。
【請求項３】
交流電源に接続された送信アンテナが計測対象となる媒体内に埋設され又は該媒体の表面に当接配置されてなる送電部と、前記媒体内に受信アンテナがそれぞれ埋設された複数の受電部とを備えた飽和度計測システムであって、前記各受電部を、その受信アンテナが前記送信アンテナと電磁界共振結合することで前記送電部から電力が伝送され又はその受信アンテナが他の受電部に属する受信アンテナと電磁界共振結合することで前記送電部から間接的に電力が伝送されるようにそれぞれ構成するとともに、前記送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナのうち、互いに電磁界共振結合する少なくとも一組のアンテナ対を構成する２つのアンテナの電力値から該アンテナ対の電力値の比率を電力伝送効率として算出する伝送効率算出部と、該電力伝送効率を、前記媒体の飽和度と該飽和度での電力伝送効率との関係を示す飽和度―伝送効率特性に適用することで前記電力伝送効率に相当する飽和度を求めこれを前記アンテナ対の間に介在する媒体の飽和度として推定する飽和度推定部とを備えたことを特徴とする飽和度計測システム。
【請求項４】
前記送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナを列状に配置した請求項３記載の飽和度計測システム。
【請求項５】
前記送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナのうち、隣り合う２つのアンテナからなるアンテナ対を互いに電磁界共振結合させるとともに、該各アンテナの電力値をそれぞれ計測するように構成した請求項４記載の飽和度計測システム。
【請求項６】
前記送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナのうち、電力値が計測されるアンテナが設けられた前記送電部又は前記受電部に該電力値をデータ送信する無線送信部をそれぞれ設けるとともに、該各無線送信部を介してデータ送信されてきた電力値をデータ受信できるように前記伝送効率算出部を構成した請求項３乃至請求項５のいずれか一記載の飽和度計測システム。
【請求項７】
前記媒体を、放射性廃棄物を地層処分する際の人工バリアの緩衝材とした請求項１乃至請求項６のいずれか一記載の飽和度計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として地盤における水分飽和度を計測する飽和度計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
放射性廃棄物を最終処分するにあたり、高レベル放射性廃棄物は、ガラス固化体、オーバーパック及び緩衝材からなる人工バリアに閉じ込められた状態で地下数百ｍの岩盤内に深地層処分することが予定されており、低レベル放射性廃棄物は、セメント等で固化された廃棄体をドラム缶等の形でコンクリートピットに載置しその周囲を緩衝材からなる人工バリアで囲んだ状態で比較的浅い地盤内に地層処分することが予定されているが、その運用にあたっては、人工バリアを構成する緩衝材の物性を長期間にわたってモニタリングする必要がある。
【０００３】
緩衝材を構成する材料は、膨潤による吸水性が発揮されることで地下水移動を遅らせる機能に優れたベントナイトが有力となっており、かかるベントナイトについては、間隙中を水が占める割合、すなわち水分飽和度（以下、単に飽和度と呼ぶ）に代表される水理特性が重要な監視指標となる。
【０００４】
ベントナイトの飽和度は、比抵抗法やＲＩ法のほか、ＴＤＲ(Time-Domain Reflectometry)と呼ばれる時間領域測定法や、ＦＤＲ(Frequency-Domain Reflectometry)と呼ばれる周波数領域測定法で計測することが可能である。
【０００５】
これらの方法は、地盤構成材料や空気の誘電率と水の誘電率との違いに着目したものであって、装置の小型化が可能であることから、広く採用されるようになってきた（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１３９２４６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６０４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したＴＤＲやＦＤＲでは、計測範囲がプローブ近傍の局所的な地盤領域に限られてしまうおそれがあり、プローブから離れた地盤領域を計測することは難しいという問題を生じていた。
【０００８】
また、ＴＤＲやＦＤＲのプローブを地盤に埋設するにあたっては、プローブへの電力供給ケーブルも併せて地盤に埋設する必要があるため、計測深度が深い場合や計測範囲が大きい場合には設置作業に手間がかかるという問題や、それを回避すべく、バッテリーによる電源供給を採用しようとすると、長期間にわたるモニタリングが困難になるという問題を生じていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、計測範囲が局所的となるのを回避するとともに、設置作業に手間がかからずなおかつ長期間にわたるモニタリングも可能な飽和度計測システムを提供することを目的とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る飽和度計測システムは請求項１に記載したように、交流電源に接続された送信アンテナが計測対象となる媒体内に埋設され又は該媒体の表面に当接配置されてなる送電部と、前記送信アンテナと電磁界共振結合する受信アンテナが前記媒体内に埋設され該受信アンテナを介して前記送電部から電力が伝送されるようになっている受電部と、前記送信アンテナの電力値に対する前記受信アンテナの電力値の比率を電力伝送効率として算出する伝送効率算出部と、該電力伝送効率を、前記媒体の飽和度と該飽和度での電力伝送効率との関係を示す飽和度―伝送効率特性に適用することで前記電力伝送効率に相当する飽和度を求めこれを前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間に介在する媒体の飽和度として推定する飽和度推定部とを備えたものである。
【００１１】
また、本発明に係る飽和度計測システムは、前記送電部及び前記受電部にそれぞれ無線送信部を設けるとともに、該各無線送信部を介してデータ送信されてきた電力値をデータ受信できるように前記伝送効率算出部を構成したものである。
【００１２】
また、本発明に係る飽和度計測システムは請求項３に記載したように、交流電源に接続された送信アンテナが計測対象となる媒体内に埋設され又は該媒体の表面に当接配置されてなる送電部と、前記媒体内に受信アンテナがそれぞれ埋設された複数の受電部とを備えた飽和度計測システムであって、前記各受電部を、その受信アンテナが前記送信アンテナと電磁界共振結合することで前記送電部から電力が伝送され又はその受信アンテナが他の受電部に属する受信アンテナと電磁界共振結合することで前記送電部から間接的に電力が伝送されるようにそれぞれ構成するとともに、前記送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナのうち、互いに電磁界共振結合する少なくとも一組のアンテナ対を構成する２つのアンテナの電力値から該アンテナ対の電力値の比率を電力伝送効率として算出する伝送効率算出部と、該電力伝送効率を、前記媒体の飽和度と該飽和度での電力伝送効率との関係を示す飽和度―伝送効率特性に適用することで前記電力伝送効率に相当する飽和度を求めこれを前記アンテナ対の間に介在する媒体の飽和度として推定する飽和度推定部とを備えたものである。
【００１３】
また、本発明に係る飽和度計測システムは、前記送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナを列状に配置したものである。
【００１４】
また、本発明に係る飽和度計測システムは、前記送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナのうち、隣り合う２つのアンテナからなるアンテナ対を互いに電磁界共振結合させるとともに、該各アンテナの電力値をそれぞれ計測するように構成したものである。
【００１５】
また、本発明に係る飽和度計測システムは、前記送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナのうち、電力値が計測されるアンテナが設けられた前記送電部又は前記受電部に該電力値をデータ送信する無線送信部をそれぞれ設けるとともに、該各無線送信部を介してデータ送信されてきた電力値をデータ受信できるように前記伝送効率算出部を構成したものである。
【００１６】
また、本発明に係る飽和度計測システムは、前記媒体を、放射性廃棄物を地層処分する際の人工バリアの緩衝材としたものである。
【００１７】
非接触で電力を伝送するいわゆるワイヤレス電力伝送は、マイクロ波やレーザを使った放射型と電磁誘導等を使った非放射型に分類されるが、電磁誘導方式は、伝送可能な離間距離（エアギャップ）が数ｃｍ〜数十ｃｍと小さいため、適用範囲には限度がある。
【００１８】
一方、最近においては、非放射型ワイヤレス伝送方式の一つとして電磁界共振結合（電磁共鳴）の研究が進められており、送信アンテナと受信アンテナとの電磁界共振結合を利用することによって、エアギャップが数ｍであっても送信アンテナから受信アンテナへ５０％以上の効率で電力を伝送することが可能であり、今後、広範囲な応用が期待されている（特許文献２）。
【００１９】
本出願人らは、電磁界共振結合によって送信アンテナから受信アンテナへ電力を伝送する際、送信アンテナと受信アンテナとの間に拡がる媒体の飽和度によって伝送効率が異なる点に着目し、これを利用して地盤の飽和度を計測することができないか研究開発を行ったところ、本願発明をなすに至ったものである。
【００２０】
すなわち、本発明に係る飽和度計測システムにおいては、まず、送信アンテナ及び受信アンテナを計測対象の媒体内に埋設する。なお、送信アンテナは、場合によっては媒体の表面に当接するように配置してもかまわない。
【００２１】
ここで、受信アンテナは、送電部の送信アンテナと電磁界共振結合することで該送電部から電力が伝送されるか、あるいは他の受電部に属する受信アンテナと電磁界共振結合することで、該送電部から間接的に電力が伝送されるように構成する。
【００２２】
一方、計測対象となる媒体については、飽和度とそのときの電力伝送効率との関係を飽和度―伝送効率特性として予め求めておく。
【００２３】
飽和度―伝送効率特性を求めるにあたっては、砂質土、粘性土、ベントナイト混合土、ベントナイトといった媒体の種類を定めた上、その媒体についてさまざまな含水状態のものを用意し、該媒体内に、飽和度計測を行う際と同じ構成でアンテナを埋設し、かかる状態で各アンテナの電力値を計測するとともに、計測された電力値からアンテナ間の電力伝送効率を算出する一方、そのときの媒体の飽和度を例えば比抵抗法で計測し、それらから電力伝送効率と飽和度との関係を求めるようにすればよい。
【００２４】
なお、媒体の誘電率や透磁率が飽和度の大きさで変化することを利用して該飽和度を求めることが知られているが、本発明においては、電磁界共振結合における電力伝送時の電力伝送効率を求めることで飽和度を推定するという点で従来の飽和度推定方法とは異なるものである。
【００２５】
次に、送電部の交流電源を作動させるとともに、送電部の電力を、該送電部の送信アンテナと電磁界共振結合する受信アンテナ、場合によってはさらにその受信アンテナと電磁界共振結合する別の受信アンテナを介して受電部に順次伝送するとともに、そのときの各アンテナの電力値を計測し、さらに該電力値を用いて各アンテナ間における電力伝送効率を伝送効率算出部で算出する。
【００２６】
電力伝送効率を算出するにあたっては、例えば地上の管理施設に設置されたコンピュータに演算処理部の一つとして伝送効率算出部を構成しておき、各アンテナで計測された電力値を有線又は無線でデータ送信した後、該電力値を伝送効率算出部に入力すればよい。
【００２７】
電力伝送効率は、受電部が単一の受電部として構成される場合には、送信アンテナの電力値に対する受信アンテナの電力値の比率として算出されるが、複数の受電部として構成される場合には、送信アンテナ及び複数の受信アンテナのうち、互いに電磁界共振結合する少なくとも一組のアンテナ対における電力値の比率として算出される。
【００２８】
例えば送電部と２つの受電部とで本発明に係る飽和度計測システムを構成した場合には、送信アンテナ及び２つの受信アンテナの中から最大３組のアンテナ対を電磁界共振結合可能に構成し、それらから例えば２組のアンテナ対の電力伝送効率を算出するように構成することが想定されるとともに、送電部と３つの受電部とで構成した場合には、送信アンテナ及び３つの受信アンテナの中から最大６組のアンテナ対を電磁界共振結合可能に構成し、それらから例えば３組のアンテナ対の電力伝送効率を算出するように構成することが想定される。
【００２９】
このように複数の受電部が備えられる場合においては、電力伝送効率は、互いに電磁界共振結合しておりかつ送電部からの電力が伝送可能なアンテナ対においてのみ算出が可能である一方、電力伝送可能でかつ電磁界共振結合しているアンテナ対に対し、電力伝送効率がすべて算出される必要はない。
【００３０】
次に、伝送効率算出部で算出された電力伝送効率を上述した飽和度―伝送効率特性に適用することで該電力伝送効率に相当する飽和度を求める演算を飽和度推定部で行い、該飽和度を、受電部が単一の受電部で構成されている場合には、送信アンテナと受信アンテナとの間に介在する媒体の飽和度と推定し、複数の受電部で構成されている場合には、アンテナ対の間に介在する媒体の飽和度と推定する。
【００３１】
このようにすると、電磁界共振結合を用いた電力伝送が数ｍ程度のエアギャップがあっても可能であることから、媒体の飽和度を局所的ではなく、平均的な値として推定することが可能となる。
【００３２】
また、受電部の受信アンテナで計測された電力値をデータ送信する際、無線にしろ有線にしろ、そのデータ送信に必要な電力を電磁界共振結合で伝送されてきた電力でまかなうことができるので、電力供給ケーブルの敷設やそれに代わるバッテリーの設置、さらにはそれらの保守点検作業が不要となり、かくして長期間にわたるモニタリングを確実かつ低コストで実現することができるほか、受電部への電力供給ケーブルを媒体内に埋設する必要がないため、初期設置作業が従来よりも大幅に簡素化される。
【００３３】
本発明では、電磁界共振結合によって電力を伝送する際の電力伝送効率が飽和度推定の基礎データとなるものであって、受電部における負荷の構成は任意であるが、後述するように無線送信部を設けた場合においては、該無線送信部が受電部における負荷になるとともに、それらの無線送信部は、伝送された電力でそれぞれ作動させることができる。
【００３４】
送信アンテナ及び受信アンテナは、それらが電磁界共振結合によって電力伝送が可能である限り、どのように構成するかは任意であるとともに、磁界による共振結合か電界による共振結合かも問わないが、磁界による共振結合の場合には、磁界型アンテナであるヘリカルアンテナで、電界による共振結合の場合には、電界型アンテナであるメアンダラインアンテナでそれぞれ構成することが可能である。
【００３５】
受電部を複数の受電部で構成する場合において、送信アンテナ及び複数の受信アンテナをどのように相対配置するかは任意であるが、これらを列状に配置したならば、より遠方の領域、あるいはより深い領域を計測対象とする場合に適した構成となる。
【００３６】
ここで、送信アンテナ及び複数の受信アンテナのうち、隣り合う２つのアンテナからなるアンテナ対を互いに電磁界共振結合させるとともに、該各アンテナの電力値をそれぞれ計測するように構成したならば、送信アンテナ及び複数の受信アンテナの列状配置経路に沿った媒体の飽和度をすべてのアンテナ間でかつ一括して計測することが可能となる。
【００３７】
計測された電力値は、媒体内に埋設されたデータ送信ケーブルを介して地上にデータ送信するようにしてもかまわないが、これに代えて、受電部が単一の受電部で構成される場合であれば、送電部及び受電部にそれぞれ無線送信部を設けるとともに、該各無線送信部を介してデータ送信されてきた電力値をデータ受信できるように伝送効率算出部を構成することが可能であり、受電部が複数の受電部で構成される場合であれば、送信アンテナ及び複数の受信アンテナのうち、電力値が計測されるアンテナが設けられた送電部又は受電部に該電力値をデータ送信する無線送信部をそれぞれ設けるとともに、該各無線送信部を介してデータ送信されてきた電力値をデータ受信できるように伝送効率算出部を構成することが可能である。
【００３８】
かかる構成によれば、電力供給ケーブルのみならず、データ送信ケーブルの敷設作業も軽減されるため、初期設置作業がさらに容易となる。なお、無線送信部は、電力値が計測されるアンテナだけに設ければ足り、電力伝送専用あるいは電力中継専用のアンテナには設ける必要はない。
【００３９】
本発明を適用するにあたっては、地盤構成材料をはじめ、さまざまな物質や材料を飽和度の計測対象である媒体とすることができるが、放射性廃棄物を地層処分する際の人工バリアの緩衝材を媒体とし、該媒体の飽和度の計測に本発明を適用したならば、確実なモニタリングを長期間にわたってかつ低コストで実現できるという本発明によって、放射性廃棄物の地層処分を健全に運用管理することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１実施形態に係る飽和度計測システムの図であり、(a)はブロック図、(b)は配置図。
【図２】送信アンテナと受信アンテナとの磁界共振結合を示す等価回路図。
【図３】飽和度―伝送効率特性を示したグラフ。
【図４】第２実施形態に係る飽和度計測システムのブロック図。
【図５】第２実施形態に係る飽和度計測システムの配置図。
【図６】第２実施形態の変形例に係る飽和度計測システムの配置図。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明に係る飽和度計測システムの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００４２】
［第１実施形態］
図１(a)は、第１実施形態に係る飽和度計測システムを示したブロック図である。同図(a)に示すように、本実施形態に係る飽和度計測システム１は、本発明に係る飽和度計測システムを地盤８の飽和度推定に適用した例であって、送電部２と受電部３と該送電部及び受電部で計測された電力値をデータ処理する演算処理部４と該演算処理部で必要なデータが記憶保存された記憶部１５とで構成してあり、送電部２は、交流電源５と該交流電源に接続された送信アンテナ６とを備え、受電部３には受信アンテナ７を設けてある。
【００４３】
送信アンテナ６は同図(b)の配置図に示すように、媒体としての地盤８の地表面近傍に埋設してあるとともに、受信アンテナ７は、同じく地盤８内であって送信アンテナ６の下方に埋設してある。
【００４４】
図２は、送信アンテナ６と受信アンテナ７との磁界共振結合を示す等価回路図である。同図に示すように、送信アンテナ６及び受信アンテナ７は、互いに磁界共振結合（磁界共鳴）しているとともに、かかる磁界共振結合によって送電部２から受電部３に電力が伝送されるように構成してある。
【００４５】
送信アンテナ６及び受信アンテナ７は、磁界共鳴に適するよう、螺旋状に形成されたヘリカルコイルでそれぞれ構成するのがよい。
【００４６】
一方、送電部２には送信アンテナ６の電力値を計測する電力計測部９を、受電部３には受信アンテナ７の電力値を計測する電力計測部１０をそれぞれ設けてあるとともに、演算処理部４には、計測された電力値を用いて送信アンテナ６の電力値に対する受信アンテナ７の電力値の比率を電力伝送効率として算出する伝送効率算出部１１と、該電力伝送効率を用いて送信アンテナ６と受信アンテナ７との間に介在する地盤８の領域１３における飽和度を推定する飽和度推定部１２とを設けてある。
【００４７】
ここで、飽和度推定部１２は、伝送効率算出部１１で算出された電力伝送効率を、記憶部１５から読み出された飽和度―伝送効率特性に適用することで該電力伝送効率に相当する飽和度を求め、これを領域１３の飽和度として推定するようになっている。
【００４８】
演算処理部４は、地上の管理施設（図示せず）に設置されたパソコン１４のマザーボード、ＣＰＵ、メモリー、内蔵ハードディスクといったハードウェアと該ハードウェア上で動作するソフトウェアとで構成してあり、上述した記憶部１５は、該パソコンの内蔵ハードディスクで構成することが可能である。
【００４９】
本実施形態に係る飽和度計測システム１を用いて地盤８における領域１３の飽和度を推定するには、飽和度推定に先立ち、まず、領域１３の構成材料である土について飽和度とそのときの電力伝送効率との関係を飽和度―伝送効率特性として予め作成する。
【００５０】
図３は、作成された飽和度―伝送効率特性を示したグラフである。同図に示すように、飽和度―伝送効率特性は、横軸に電力伝送効率を、縦軸に飽和度をとって両者の関係を示したものであり、電力伝送効率が大きくなるほど、飽和度は概ね低下する傾向にある。
【００５１】
飽和度―伝送効率特性を求めるにあたっては、領域１３を構成する土と同じ土質材料についてさまざまな含水状態のものを用意し、これを例えば室内試験土槽に投入するとともにその中に送信アンテナ６及び受信アンテナ７を図１(b)で示した構成と同一の相対位置関係で埋設し、かかる状態で送信アンテナ６及び受信アンテナ７の電力値を計測するとともに、計測された電力値からアンテナ間の電力伝送効率を算出する一方、そのときの土質材料の飽和度を例えば比抵抗法で計測し、それらから電力伝送効率と飽和度との関係を求めればよい。
【００５２】
作成された飽和度―伝送効率特性は、演算処理部４から読出すことができるように記憶部１５にデータ保存しておく。
【００５３】
地盤８における領域１３の飽和度は以下の手順で推定する。すなわち、まず、送電部２の交流電源５を作動させるとともに、送電部２の電力を、該送電部の送信アンテナ６と磁界共振結合する受信アンテナ７を介して受電部３に伝送するとともに、そのときの送信アンテナ６と受信アンテナ７の各電力値を電力計測部９，１０でそれぞれ計測し、これらを地上のパソコン１４に転送する。
【００５４】
次に、電力計測部９，１０で計測された送信アンテナ６と受信アンテナ７の各電力値を用いて、次式、
電力伝送効率＝受信アンテナ７の電力値／送信アンテナ６の電力値  
により、各アンテナ間における電力伝送効率を伝送効率算出部１１で算出する。
【００５５】
次に、予めデータ保存してある飽和度―伝送効率特性を記憶部１５から読み出し、該飽和度―伝送効率特性に伝送効率算出部１１で算出された電力伝送効率を適用することで該電力伝送効率に相当する飽和度を飽和度推定部１２で演算し、該飽和度を、地盤８における領域１３の飽和度と推定する。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態に係る飽和度計測システム１によれば、磁界共振結合を用いた電力伝送が数ｍ程度のエアギャップがあっても可能であることから、地盤８における領域１３の飽和度を局所的ではなく、平均的な値として推定することが可能となる。
【００５７】
また、受電部３で計測された受信アンテナ７の電力値をデータ送信する際、無線にしろ有線にしろ、そのデータ送信に必要な電力を磁界共振結合で送信部２から伝送されてきた電力でまかなうことができるので、電力供給ケーブルの敷設やそれに代わるバッテリーの設置、さらにはそれらの保守点検作業が不要となり、かくして長期間にわたるモニタリングを確実かつ低コストで実現することができるほか、受電部３への電力供給ケーブルを地盤８内に埋設する必要がないため、初期設置作業が従来よりも大幅に簡素化される。
【００５８】
本実施形態では特に言及しなかったが、送電部２及び受電部３にそれぞれ無線送信部を設けるとともに、該各無線送信部を介してデータ送信されてきた電力値をデータ受信できるように伝送効率算出部１１を構成したならば、電力供給ケーブルのみならず、データ送信ケーブルの敷設作業も軽減されるため、初期設置作業がさらに容易となる。
【００５９】
また、本実施形態では、磁界共振結合によって電力伝送を行うようにしたが、これに代えて電界共振結合を利用するようにしてもかまわない。
【００６０】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６１】
図４は、第２実施形態に係る飽和度計測システムを示したブロック図、図５は同じくその配置図である。これらの図に示すように、本実施形態に係る飽和度計測システム４１は、本発明に係る飽和度計測システムを地盤８内に形成された放射性廃棄物の人工バリアであって該人工バリアを構成する緩衝材としてのベントナイト４８の飽和度推定に適用した例であって、送電部２、受電部３ａ、受電部３ｂ及び受電部３ｃを備えるとともに、受電部３ａ、受電部３ｂ及び受電部３ｃにはそれぞれ受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃを設けてあり、演算処理部４は、送電部２及び受電部３ａ，３ｂ，３ｃで計測された電力値をデータ処理するように構成してある。
【００６２】
送信アンテナ６は、媒体としてのベントナイト４８に当接するように該ベントナイト近傍の地盤８に埋設してあるとともに、受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃは、ベントナイト４８内であって送信アンテナ６の下方に深さ方向に沿って列状に順次埋設してある。ここで、受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃは、受信アンテナ７と同様の構成であり、それらの説明を省略する。
【００６３】
送信アンテナ６と受信アンテナ７ａとは図２で説明したと同様、互いに磁界共振結合しており、かかる磁界共振結合によって送電部２から受電部３ａに電力が伝送されるようになっているとともに、同様の磁界共振結合により、受信アンテナ７ａ，７ｂ及び受信アンテナ７ｂ，７ｃはそれぞれ互いに磁界共振結合しており、かかる磁界共振結合によって受電部３ａから受電部３ｂに、さらには受電部３ｂから受電部３ｃへと電力が順次伝送されるようになっている。
【００６４】
すなわち、送信アンテナ６と受信アンテナ７ａ、受信アンテナ７ａと受信アンテナ７ｂ、受信アンテナ７ｂと受信アンテナ７ｃは、それぞれ本発明でいうアンテナ対を構成する。なお、上記以外の組み合わせからなる３組のアンテナ対は、本実施形態では、互いに磁界共振結合していないものとする。
【００６５】
受電部３ａ，３ｂ，３ｃは、第１実施形態の受電部３と同様、受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃの電力値を計測する電力計測部１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備えるとともに、それらに加え、計測された各電力値をデータ送信する無線送信部４２ａ，４２ｂ，４２ｃをそれぞれ備える。
【００６６】
伝送効率算出部１１は、無線送信部４２ａ，４２ｂ，４２ｃからの各電力値を、図示しない無線受信部を介してデータ受信するとともに、これらの電力値から、送信アンテナ６の電力値に対する受信アンテナ７ａの電力値の比率、受信アンテナ７ａの電力値に対する受信アンテナ７ｂの電力値の比率及び受信アンテナ７ｂの電力値に対する受信アンテナ７ｃの電力値の比率を電力伝送効率としてそれぞれ算出するようになっている。
【００６７】
飽和度推定部１２は、伝送効率算出部１１で算出された各電力伝送効率を、記憶部１５から読み出された飽和度―伝送効率特性に適用することで該各電力伝送効率に相当する飽和度をそれぞれ求め、これらを、送信アンテナ６と受信アンテナ７ａとの間、受信アンテナ７ａ，７ｂの間及び受信アンテナ７ｂ，７ｃの間に介在するベントナイト４８における領域１３ａ，１３ｂ，１３ｃの飽和度としてそれぞれ推定するようになっている。
【００６８】
本実施形態に係る飽和度計測システム４１を用いてベントナイト４８の領域１３ａ，１３ｂ，１３ｃの飽和度を推定するには、飽和度推定に先立ち、まず、計測対象であるベントナイト４８の飽和度とそのときの電力伝送効率との関係を、第１実施形態と同様に飽和度―伝送効率特性として予め作成する。
【００６９】
飽和度―伝送効率特性を求めるにあたっては、ベントナイト４８と同じベントナイト材料についてさまざまな含水状態のものを用意し、これを例えば室内試験土槽に投入するとともにその中に送信アンテナ６及び受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃを図５で示した構成と同一の相対位置関係で埋設し、かかる状態で送信アンテナ６及び受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃの電力値を計測するとともに、計測された電力値からアンテナ間の電力伝送効率を算出する一方、そのときのベントナイトの飽和度を例えば比抵抗法で計測し、それらから電力伝送効率と飽和度との関係を求めればよい。
【００７０】
作成されたベントナイトの飽和度―伝送効率特性は、演算処理部４から読出すことができるように記憶部１５にデータ保存しておく。
【００７１】
ベントナイト４８内の領域１３ａ，１３ｂ，１３ｃの飽和度は以下の手順で推定する。すなわち、まず、送電部２の交流電源５を作動させるとともに、送電部２の電力を、該送電部の送信アンテナ６と磁界共振結合する受信アンテナ７ａを介して受電部３ａに伝送するとともに、受電部３ａに伝送された電力を、その受信アンテナ７ａと磁界共振結合する受信アンテナ７ｂを介して受電部３ｂに伝送し、さらに受電部３ｂに伝送された電力を、その受信アンテナ７ｂと磁界共振結合する受信アンテナ７ｃを介して受電部３ｃへと順次伝送する。
【００７２】
一方、磁界共振結合によって送電部２の電力が受電部３ａ，３ｂ，３ｃへと次々に伝送されるときの送信アンテナ６と受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃの各電力値を電力計測部９及び電力計測部１０ａ，１０ｂ，１０ｃでそれぞれ計測し、これらを通信ケーブル（図示せず）及び無線送信部４２ａ，４２ｂ，４２ｃを介して地上のパソコン１４に転送する。
【００７３】
次に、電力計測部９及び電力計測部１０ａで計測された送信アンテナ６と受信アンテナ７ａの各電力値を用いて、次式、
電力伝送効率＝受信アンテナ７ａの電力値／送信アンテナ６の電力値  
により、送信アンテナ６と受信アンテナ７ａとの間における電力伝送効率を伝送効率算出部１１で算出するとともに、電力計測部１０ａ，１０ｂ，１０ｃで計測された受信アンテナ７ａ，７ｂ、及び受信アンテナ７ｂ，７ｃの各電力値を用いて、上記各アンテナ間における電力伝送効率を伝送効率算出部１１で同様に算出する。
【００７４】
次に、予めデータ保存してある飽和度―伝送効率特性を記憶部１５から読み出し、該飽和度―伝送効率特性に伝送効率算出部１１で算出された各電力伝送効率を適用することで該各電力伝送効率に相当する飽和度を飽和度推定部１２で演算し、該各飽和度を、ベントナイト４８内の領域１３ａ，１３ｂ，１３ｃの飽和度と推定する。
【００７５】
以上説明したように、本実施形態に係る飽和度計測システム４１によれば、磁界共振結合を用いた電力伝送が数ｍ程度のエアギャップがあっても可能であることから、ベントナイト４８の飽和度を局所的ではなく、平均的な値として推定することが可能となる。
【００７６】
また、受電部３ａ，３ｂ，３ｃで計測された受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃの電力値をデータ送信する際、それに必要な電力を磁界共振結合で送信部２から順次伝送されてきた電力でまかなうことができるので、電力供給ケーブルの敷設やそれに代わるバッテリーの設置、さらにはそれらの保守点検作業が不要となり、かくして長期間にわたるモニタリングを確実かつ低コストで実現することができるほか、受電部３ａ，３ｂ，３ｃへの電力供給ケーブルをベントナイト４８内に埋設する必要がないため、初期設置作業が従来よりも大幅に簡素化される。
【００７７】
また、本実施形態に係る飽和度計測システム４１によれば、複数の受電部３ａ，３ｂ，３ｃにそれぞれ設けられた受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃを送信アンテナ６とともに深さ方向に沿って列状に配置したので、より深い領域を計測することが可能となる。
【００７８】
また、本実施形態に係る飽和度計測システム４１によれば、送信アンテナ６及び受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃのうち、隣り合う２つのアンテナからなるアンテナ対を互いに電磁界共振結合させるとともに、該各アンテナの電力値をそれぞれ計測するように構成したので、送信アンテナ６及び受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃの列状配置経路に沿ったベントナイト４８の飽和度をすべてのアンテナ間でかつ一括して計測することが可能となる。
【００７９】
また、本実施形態に係る飽和度計測システム４１によれば、計測された電力値をデータ送信するための無線送信部４２ａ，４２ｂ，４２ｃを受電部３ａ，３ｂ，３ｃにそれぞれ設けるようにしたので、電力供給ケーブルのみならず、データ送信ケーブルの敷設作業も軽減されるため、初期設置作業がさらに容易となる。
【００８０】
また、本実施形態に係る飽和度計測システム４１によれば、放射性廃棄物を地層処分する際の人工バリアの緩衝材であるベントナイト４８を飽和度計測の対象媒体としたので、長期間にわたる確実かつ低コストなモニタリングによって、放射性廃棄物の地層処分を健全に運用管理することが可能となる。
【００８１】
加えて、受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃに電力供給ケーブルを接続する必要がなく、なおかつ無線送信部４２ａ，４２ｂ，４２ｃを設けたことによって電力計測部１０ａ，１０ｂ，１０ｃにデータ送信ケーブルを接続する必要がないことから、ベントナイト４８を貫通するケーブル類が一切敷設されないこととなり、かくして地盤８に連通する水ミチがベントナイト４８内に形成されるのを未然に防止することが可能となる。
【００８２】
本実施形態では、放射性廃棄物を地層処分する際の人工バリアの緩衝材に適用した例を説明したが、これに代えて、一般的な地盤に適用することができることは言うまでもない。
【００８３】
また、本実施形態では、磁界共振結合によって電力伝送を行うようにしたが、これに代えて電界共振結合を利用するようにしてもかまわない。
【００８４】
また、本実施形態では、送信アンテナ６及び受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃを深さ方向に沿って列状となるようにベントナイト４８に埋設し、それらのうち、隣り合うアンテナ対、すなわち送信アンテナ６と受信アンテナ７ａ、受信アンテナ７ａと受信アンテナ７ｂ、受信アンテナ７ｂと受信アンテナ７ｃがそれぞれ磁界共振結合されるように構成するとともに、送信アンテナ６及び受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃのそれぞれについて電力値を計測するようにしたが、これら４つのアンテナについてすべて電力値を計測する必要はなく、上述の実施形態に代えて例えば図６(a)に示すように、受信アンテナ７ａ，７ｂでの電力値の計測を省略し、送信アンテナ６及び受信アンテナ７ｃの電力値のみを計測するようにしてもよいし、図６(b)に示すように、送信アンテナ６及び受信アンテナ７ａでの電力値の計測を省略し、受信アンテナ７ｂ，７ｃの電力値のみを計測するようにしてもよい。
【００８５】
かかる変形例の場合、同図(a)のケースでは、送信アンテナ６と受信アンテナ７ｃとの間に拡がる比較的広い範囲にわたる領域１３ｄの飽和度が、同図(b)のケースでは、受信アンテナ７ｂ，７ｃとの間に拡がる領域１３ｄの飽和度がそれぞれ計測されることとなる。なお、同図(a)の受信アンテナ７ａ，７ｂや同図(b)の送信アンテナ６及び受信アンテナ７ａは、電力送電専用あるいは電力中継専用のアンテナとなる。
【００８６】
また、本実施形態では、送信アンテナ６及び受信アンテナ７ａ，７ｂ，７ｃを深さ方向に沿って列状となるようにベントナイト４８に埋設し、それらのうち、隣り合うアンテナ対、すなわち送信アンテナ６と受信アンテナ７ａ、受信アンテナ７ａと受信アンテナ７ｂ、受信アンテナ７ｂと受信アンテナ７ｃがそれぞれ磁界共振結合されるように構成したが、送信アンテナや受信アンテナの相対配置構成は任意であって、それらのうち、どのアンテナ対を電磁界共振結合させるかも任意である。
【符号の説明】
【００８７】
１，４１              飽和度計測システム
２                    送電部
３，３ａ，３ｂ，３ｃ  受電部
４                    演算処理部
５                    交流電源
６                    送信アンテナ
７，７ａ，７ｂ，７ｃ  受信アンテナ
８                    地盤（媒体）
１１                    伝送効率算出部
１２                    飽和度推定部
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ  無線送信部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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