(57)【要約】【課題】成形することが容易な岩石試験体を用いた岩石の拡散試験装置および拡散試験方法を提供する。【解決手段】トレーサーを高濃度に含有する溶液が入れられた高濃度セルＲ１と、トレーサーを低濃度に含有する溶液またはトレーサーを含有しない溶液が入れられた低濃度セルＲ２と、高濃度セルＲ１と低濃度セルＲ２との間に設けられた岩石試験体１６と、これらを格納する試験容器１８とを備え、岩石の実効拡散係数を測定するための拡散試験装置１００であって、試験容器１８は有底有蓋の円筒状の容器であり、岩石試験体１６はこの試験容器１８の内部に同軸状に固定された円筒状の試験体であり、岩石試験体１６の内壁に囲まれる内側領域と、岩石試験体１６の外壁と試験容器１８の内壁とによって囲まれる円筒状の外側領域のうちいずれか一方の領域が高濃度セルＲ１であり、他方の領域が低濃度セルＲ２である。【選択図】図２
2018155556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレーサーを高濃度に含有する溶液が入れられた高濃度セルと、トレーサーを低濃度に含有する溶液またはトレーサーを含有しない溶液が入れられた低濃度セルと、高濃度セルと低濃度セルとの間に設けられた岩石試験体と、これらを格納する試験容器とを備え、岩石の実効拡散係数を測定するための拡散試験装置であって、
試験容器は有底有蓋の円筒状の容器であり、岩石試験体はこの試験容器の内部に同軸状に固定された円筒状の試験体であり、岩石試験体の内壁に囲まれる内側領域と、岩石試験体の外壁と試験容器の内壁とによって囲まれる円筒状の外側領域のうちいずれか一方の領域が高濃度セルであり、他方の領域が低濃度セルであることを特徴とする岩石の拡散試験装置。
【請求項２】
高濃度セルと低濃度セルの容積を等しくするために内側領域の内部に同軸状に固定された円柱状の容積調整体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の岩石の拡散試験装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の岩石の拡散試験装置を用いて、岩石の実効拡散係数を測定する拡散試験方法であって、
円柱状の岩石コアを穿孔して円筒状の岩石試験体を作製し、作製した岩石試験体を試験容器の内部に固定した後、高濃度セルおよび低濃度セルに所定の溶液を入れて試験を開始することを特徴とする岩石の拡散試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、岩石の実効拡散係数などを測定するための拡散試験装置および拡散試験方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高レベル放射性廃棄物をはじめとするさまざまな廃棄物の処分方法の１つに、地下深部の岩盤中に埋設する方法が検討されている。廃棄物を埋設・処分する周辺岩盤での放射性核種や汚染物質などの移動・遅延現象を評価するためには、これらの物質が地下水によって移動する割れ目などの空隙（移行経路）の構造と、空隙内での物質の吸着や、空隙からその周辺のより小さい空隙を有する充填物や岩石基質へのマトリクス拡散といった現象を考慮することが必要となる（例えば、非特許文献１を参照）。従来、物質異動論によれば、微細な空隙を含む多孔質媒体中の物質移動については、Ｆｉｃｋの法則が成立するとして、実効拡散係数を用いた取扱いがなされている（例えば、非特許文献２を参照）。そのため、例えば図４に示すような拡散試験装置１を用いて、透過拡散法（Ｔｈｒｏｕｇｈ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ法）により、種々の岩石に対する実効拡散係数の測定が行われてきている（例えば、非特許文献３、４を参照）。
【０００３】
この図に示すように、この拡散試験装置１は、円盤状の岩石試験体２の両側に高濃度側リザーバー３と低濃度側リザーバー４とを配置したものである。高濃度側リザーバー３にはトレーサー溶液が、低濃度側リザーバー４にはトレーサー未添加の測定溶液が入っている。この装置１において、低濃度側リザーバー４からサンプリングポート５を介して定期的にサンプリングし、岩石試験体２を透過して拡散してきたトレーサーを定量することで、岩石の実効拡散係数を測定する。なお、岩石試験体２はアクリルセル６内のリング状の試料ホルダー７の内側に樹脂８を介して固定され、試料ホルダー７の両側にはＯリング９が設置されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】吉田英一：マトリックス拡散による物質移動の遅延効果の評価手法とその検討，応用地質，Ｖｏｌ.４３，Ｎｏ.１，２００２，ｐ２４−３４．
【非特許文献２】動力炉・核燃料開発事業団：ベントナイト及び岩石中での各種の実効拡散係数，ＰＮＣ ＴＮ ８４１０，１９９２，９２−１６４．
【非特許文献３】喜多治之，岩井孝幸，中嶋悟：花崗岩および凝灰岩間隙水中のイオンの拡散係数の測定，応用地質，Ｖｏｌ.３０，Ｎｏ.２，１９８９，ｐ２６−３２．
【非特許文献４】日本原子力研究開発機構：花崗岩試料を用いた収着・拡散試験および間隙率測定，ＪＡＥＡ−Ｄａｔａ／Ｃｏｄｅ ２０１２−０１３．
【非特許文献５】Ｃｒａｎｋ,  Ｊ.：Ｔｈｅ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ,  Ｓｅｃｏｎｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ,  Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ  Ｐｒｅｓｓ,  Ｏｘｆｏｒｄ.  ，１９７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図４に示すような拡散試験装置を用いて岩石の実効拡散係数を測定する場合、以下のような問題があった。
（１）試験に使用する岩石試験体の寸法が小さく、また薄くなるほど、岩石のカットや研磨が難しくなり、均一な厚さに調整することが難しい。また、市販の岩石成形機はある一定の大きさ（例えばφ５０ｍｍ、Ｈ１００ｍｍ程度）より小さくなると特殊な治具を用いなければ成形ができなくなる。
（２）岩石試験体の厚さを大きくすると成形がしやすくなるが、厚くなるほど試験時間が長くなる。
（３）この拡散試験装置は特注品となるため、コストが増大するおそれがある。
（４）岩石試験体が小さくなると、岩石の不均質性の評価が難しくなる。そのため、試験体の個数を増やすことで不均質性の評価を行う必要が生じる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、成形することが容易な岩石試験体を用いた岩石の拡散試験装置および拡散試験方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る岩石の拡散試験装置は、トレーサーを高濃度に含有する溶液が入れられた高濃度セルと、トレーサーを低濃度に含有する溶液またはトレーサーを含有しない溶液が入れられた低濃度セルと、高濃度セルと低濃度セルとの間に設けられた岩石試験体と、これらを格納する試験容器とを備え、岩石の実効拡散係数を測定するための拡散試験装置であって、試験容器は有底有蓋の円筒状の容器であり、岩石試験体はこの試験容器の内部に同軸状に固定された円筒状の試験体であり、岩石試験体の内壁に囲まれる内側領域と、岩石試験体の外壁と試験容器の内壁とによって囲まれる円筒状の外側領域のうちいずれか一方の領域が高濃度セルであり、他方の領域が低濃度セルであることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る他の岩石の拡散試験装置は、上述した発明において、高濃度セルと低濃度セルの容積を等しくするために内側領域の内部に同軸状に固定された円柱状の容積調整体をさらに備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る岩石の拡散試験方法は、上述した岩石の拡散試験装置を用いて、岩石の実効拡散係数を測定する拡散試験方法であって、円柱状の岩石コアを穿孔して円筒状の岩石試験体を作製し、作製した岩石試験体を試験容器の内部に固定した後、高濃度セルおよび低濃度セルに所定の溶液を入れて試験を開始することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る岩石の拡散試験装置によれば、トレーサーを高濃度に含有する溶液が入れられた高濃度セルと、トレーサーを低濃度に含有する溶液またはトレーサーを含有しない溶液が入れられた低濃度セルと、高濃度セルと低濃度セルとの間に設けられた岩石試験体と、これらを格納する試験容器とを備え、岩石の実効拡散係数を測定するための拡散試験装置であって、試験容器は有底有蓋の円筒状の容器であり、岩石試験体はこの試験容器の内部に同軸状に固定された円筒状の試験体であり、岩石試験体の内壁に囲まれる内側領域と、岩石試験体の外壁と試験容器の内壁とによって囲まれる円筒状の外側領域のうちいずれか一方の領域が高濃度セルであり、他方の領域が低濃度セルであるので、岩石の拡散試験において、従来の円盤状の岩石試験体に比べて比較的容易に成形可能な円筒状の岩石試験体を用いることができるという効果を奏する。
【００１１】
また、本発明に係る他の岩石の拡散試験装置によれば、高濃度セルと低濃度セルの容積を等しくするために内側領域の内部に同軸状に固定された円柱状の容積調整体をさらに備えるので、高濃度セルと低濃度セルの容積を比較的容易に等しくすることができるという効果を奏する。
【００１２】
また、本発明に係る岩石の拡散試験方法によれば、上述した岩石の拡散試験装置を用いて、岩石の実効拡散係数を測定する拡散試験方法であって、円柱状の岩石コアを穿孔して円筒状の岩石試験体を作製し、作製した岩石試験体を試験容器の内部に固定した後、高濃度セルおよび低濃度セルに所定の溶液を入れて試験を開始するので、岩石の拡散試験において、従来の円盤状の岩石試験体に比べて比較的容易に成形可能な円筒状の岩石試験体を用いることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明に係る拡散試験方法で用いる岩石試験体の作製方法の一例を示す概念図である。
【図２】図２は、本発明に係る岩石の拡散試験装置の実施の形態を示す図であり、（１）は側断面図、（２）は平断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る岩石の拡散試験装置および拡散試験方法による試験結果の一例を示すグラフ図である。
【図４】図４は、従来の拡散試験装置の一例を示す図であり、（１）は正面断面図、（２）は（１）のＡ−Ａ線に沿った側断面図である（出典：非特許文献４）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る岩石の拡散試験装置および拡散試験方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
（岩石試験体の作製方法）
まず、本発明に係る岩石の拡散試験装置および拡散試験方法で用いる岩石試験体の作製方法について説明する。
【００１６】
一般に、物理試験における岩石試料はボーリングコアを使用して作製することから、本発明においても、ボーリングコアを使用して岩石試験体を作製する。
【００１７】
まず、ボーリングコアの亀裂等が認められない健岩部から、高さが５０ｍｍ程度となるように円柱状の岩石コアを切り出しておく。
【００１８】
次に、図１に示すように、岩石コア１０の径Ｄ１より一回り小さい径Ｄ２のボーリングロッド１２を用いて、岩石コア１０に同軸状の孔１４をあける。これにより、肉厚５ｍｍ程度の円筒状の岩石試験体１６ができる。例えばφ８１ｍｍ径の岩石コアの場合には、φ７０ｍｍ径のボーリングロッドを用いて穿孔することができる。
【００１９】
この後、円筒状の岩石試験体１６の上下端面を平面研削機にて平らに仕上げておく。
【００２０】
（岩石の拡散試験方法）
次に、上記の岩石試験体を用いた岩石の拡散試験方法について説明する。
【００２１】
図２に示すように、有底円筒状のアクリル容器１８（試験容器）の内部に岩石試験体１６を軸心Ｃと同軸状に配置し、岩石試験体１６の下端面２０を接着剤でアクリル容器１８の底板２２に固定する。なお、岩石試験体１６を接着する接着剤としては、例えば旧ＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｋ  ５６６４）に準拠したタールエポキシ樹脂塗料を用いることが好ましい。こうすることで、アクリル容器１８の内部に、岩石試験体１６の内壁に囲まれる円柱状の内側領域（Ｒ１）と、岩石試験体１６の外壁とアクリル容器１８の内壁とによって囲まれる円筒状の外側領域（Ｒ２）の２つの領域が区画形成される。この内側領域を高濃度セルＲ１とし、外側領域を低濃度セルＲ２とする。
【００２２】
次に、高濃度セルＲ１と低濃度セルＲ２の容積を同じにするために、内側領域に、体積が既知の円柱状または円筒状のアクリル体２４を同軸状に配置し、この下端面２６を上記と同じ接着剤で底板２２に固定する。
【００２３】
接着剤が完全に固まったらアクリル容器１８ごと純水に所定時間（例えば４８時間以上）浸漬させ、岩石試験体１６を飽和させる。
【００２４】
飽和後、一旦アクリル容器１８内の水を取り除き、低濃度セルＲ２内を純水で満たす。
【００２５】
高濃度セルＲ１を、トレーサーとしてのヨウ素イオンの濃度が０．００１Ｍ（１２６．９ｐｐｍ）である溶液で満たした後、アクリル容器１８の上面に乾燥防止用の蓋２８をする。これにより本実施の形態に係る岩石の拡散試験装置１００が完成する。この後、この拡散試験装置１００を用いて試験を開始する。
【００２６】
試験では、一定の期間ごとに高濃度セルＲ１と低濃度セルＲ２の水溶液から一定量をサンプリングする。その後、高濃度セルＲ１および低濃度セルＲ２の溶液をすべて初期の状態に入れ替え、乾燥防止用の蓋２８をして試験を再開する。
【００２７】
上記でサンプリングした溶液からヨウ素イオン濃度を測定する。ヨウ素イオン濃度の測定はＪＩＳ  Ｋ  ０１０２に準じて行うことができる。
【００２８】
（実効拡散係数の算出方法）
実効拡散係数は、トレーサーとなるヨウ素が岩石試験体中の間隙を透過拡散して低濃度セルＲ２に達することによる低濃度セルＲ２のヨウ素濃度の経時変化から求めることができる。上記の試験方法から得られた結果を用いた実効拡散係数の算出方法は以下の通りである。
【００２９】
上記でサンプリングした溶液のヨウ素イオン濃度を測定し、図３に示すように、経過時間ごとの低濃度セルＲ２内における溶液中の累積されたヨウ素イオン濃度変化量を調べる。試験開始当初は、溶質は岩石試験体中の間隙に存在する水の中を拡散し、また岩石試験体中に収着される溶質もあるため、定常状態になるまで低濃度セルＲ２側の濃度は徐々に増加していく。
【００３０】
定常状態になると、図３に示すように、直線的に増加していく。この定常状態における低濃度セルＲ２内の溶液のヨウ素量の変化から傾きを求める。ここで、傾きは、高濃度セルＲ１内のヨウ素量の変化と低濃度セルＲ２内のヨウ素量の変化が一定になる期間から求めるものとする。
【００３１】
次に、求めた傾きを用いて実効拡散係数を求める。この場合、例えば、求めた傾きを下記の式（１）に代入することによって、実効拡散係数を求めることができる（非特許文献５を参照）。
【００３２】
【数１】
2018155556.tif 000003
【００３３】
ここに、
Ｑ（ｔ）：拡散して出てきたヨウ素の総量
Ｃ1：低濃度セルのヨウ素イオン濃度
Ｃ2：高濃度セルのヨウ素イオン濃度
ａ：円筒状岩石試験体の中空内の半径
ｂ：円筒状岩石試験体の外側の半径
Ｄ：実効拡散係数
ｔ：経過時間
【００３４】
本実施の形態によれば、市販の岩石成形機などで岩石試験体１６を容易に成形可能となり、岩石試験体１６の作製に要する時間を大幅に減らせる。また、岩石試験体１６の厚さは従来の拡散試験装置１で用いる円盤状の岩石試験体２（図４を参照）と変わらないため、従来の拡散試験装置１を用いた方法と試験期間はほとんど変わらない。さらに、本実施の形態の拡散試験装置１００はアクリル容器１８等の既製品を用いて作製可能である。また、大きな透過面積で実効拡散試験を行うことから、不均質性をある程度考慮することが可能となり、岩石試験体１６の準備数量を少なくすることができる。
【００３５】
なお、上記の実施の形態において、内側領域を高濃度セルＲ１に、外側領域を低濃度セルＲ２に設定した場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、逆に設定してもよい。つまり、内側領域を低濃度セルＲ２に、外側領域を高濃度セルＲ１に設定してもよい。このようにしても、上記と同様の拡散試験を実施することができる。
【００３６】
以上説明したように、本発明に係る岩石の拡散試験装置によれば、トレーサーを高濃度に含有する溶液が入れられた高濃度セルと、トレーサーを低濃度に含有する溶液またはトレーサーを含有しない溶液が入れられた低濃度セルと、高濃度セルと低濃度セルとの間に設けられた岩石試験体と、これらを格納する試験容器とを備え、岩石の実効拡散係数を測定するための拡散試験装置であって、試験容器は有底有蓋の円筒状の容器であり、岩石試験体はこの試験容器の内部に同軸状に固定された円筒状の試験体であり、岩石試験体の内壁に囲まれる内側領域と、岩石試験体の外壁と試験容器の内壁とによって囲まれる円筒状の外側領域のうちいずれか一方の領域が高濃度セルであり、他方の領域が低濃度セルであるので、岩石の拡散試験において、従来の円盤状の岩石試験体に比べて比較的容易に成形可能な円筒状の岩石試験体を用いることができる。
【００３７】
また、本発明に係る他の岩石の拡散試験装置によれば、高濃度セルと低濃度セルの容積を等しくするために内側領域の内部に同軸状に固定された円柱状の容積調整体をさらに備えるので、高濃度セルと低濃度セルの容積を比較的容易に等しくすることができる。
【００３８】
また、本発明に係る岩石の拡散試験方法によれば、上述した岩石の拡散試験装置を用いて、岩石の実効拡散係数を測定する拡散試験方法であって、円柱状の岩石コアを穿孔して円筒状の岩石試験体を作製し、作製した岩石試験体を試験容器の内部に固定した後、高濃度セルおよび低濃度セルに所定の溶液を入れて試験を開始するので、岩石の拡散試験において、従来の円盤状の岩石試験体に比べて比較的容易に成形可能な円筒状の岩石試験体を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明に係る岩石の拡散試験装置および拡散試験方法は、岩石の実効拡散係数の測定に有用であり、特に、成形容易な岩石試験体を用いて拡散試験を行うのに適している。
【符号の説明】
【００４０】
１０  岩石コア
１２  ボーリングロッド
１４  孔
１６  岩石試験体
１８  アクリル容器（試験容器）
２０，２６  下端面
２２  底板
２４  アクリル体
２８  蓋
１００  岩石の拡散試験装置
Ｃ  軸心
Ｒ１  高濃度セル
Ｒ２  低濃度セル
【図１】
2018155556.tif 000004
【図２】
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【図３】
2018155556.tif 000006
【図４】
2018155556.tif 000007