(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
亀裂を貫通する２本の掘削孔に嵌入され、亀裂の上流側の流体に蛍光トレーサを注入すると共に亀裂の下流側の流体の蛍光状況を検出することで、亀裂内の流体の流れ状況を把握する亀裂内流体試験装置であって、
亀裂の上流側の掘削孔に嵌入される上流側装置と、亀裂の下流側の掘削孔に嵌入される下流側装置と、
下流側装置の下流空間の流体を外部に排出する排出手段と、
下流側装置の検出手段の情報が入力され発光状況を分析する状況分析手段とからなり、
上流側装置には、亀裂の部位を封止するパッカーと、パッカーにより封止されて亀裂に連通する上流空間と、上流空間に蛍光トレーサを注入するトレーサ注入手段とが備えられ、
下流側装置には、亀裂の部位を封止するパッカーと、パッカーにより封止されて亀裂に連通する下流空間と、下流空間に流入した蛍光トレーサを含む流体に光を当てる光源と、下流空間の流体の発光状況を検出する検出手段とが備えられ、
下流側装置の排出手段は、下流空間から掘削孔の軸方向に沿って延びる排出管であり、
下流側装置の光源は、排出管に対して直交する方向に光を当てる発光ダイオードであり、
下流側装置の検出手段は、発光ダイオードで光が当てられた部位の排出管内での発光の光を排出管の軸方向に沿った方向に反射させるプリズムと、プリズムで反射された光を排出管の軸方向から検出する光ファイバーとからなる
ことを特徴とする亀裂内流体試験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の亀裂内流体試験装置において、
状況分析手段は、光ファイバーからの光エネルギーの濃淡を計測することにより蛍光トレーサの濃度を検出し、蛍光トレーサの濃度に基づいて上流側装置から下流側装置までの亀裂を流通する流体の時間を導出する手段である
ことを特徴とする亀裂内流体試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、岩盤などの亀裂を流れる流体の状況（流速等）を検出するための亀裂内流体試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業廃棄物等を処分する廃棄物処分施設では、地下水が流れ込むのを阻止して廃棄物の有害物質等が溶け込むことがないように、セメント等の人工バリア材や耐水性の高いシートで周囲が囲まれる構造とされている。特に、核燃料関連の廃棄物には、放射能レベルが高く長期間にわたって放射能を持ち続ける放射性核種が多く含まれている。
【０００３】
このため、放射性廃棄物は、地下深部の安定した地層に埋没する処理（地層処分）が実施される。放射性廃棄物の地層処分においては、廃棄物周囲の人工バリア材と岩盤の天然バリアとにより安全性が確保される。即ち、人工バリアにより天然バリアへの核種の放出が抑制され、天然バリアにより核種の生物圏への移行が遅延される。
【０００４】
放射性廃棄物の処理においては、岩盤中の地下水の流れが遅い場所や処理施設の形状、生物圏までの距離等、様々な状況を考慮して地層処理施設を構築することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、地下水流や雨水の地中への浸透により特定物質が移動する状況を監視し、地層処理施設における環境への影響を評価することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
放射性廃棄物を超長期にわたり天然バリアに留めておくことは重要なことであり、地下水の移行状況を評価することは放射性廃棄物の地層処分の安全評価に大きな影響を与えるものである。このような安全評価を行なうために、評価の網羅性を担保して客観的な情報を適切に取り扱うことができる安全評価方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
地下水の移動状況（特に移動速度）を現場毎に直接把握することは、放射性核種等の吸着性物質の移行特性を評価することができ、地層処理施設の構築を的確に実施するために重要である。また、地下処理施設の安全評価を高い信頼性で実施することが可能になる。地下水の移行状況を把握する技術としては、岩盤の亀裂を流通する地下水をサンプリングし、サンプリングした地下水の状況（例えば、トレーサの状況）に基づいて地下水の移動速度を評価している。
【０００７】
しかし、亀裂を流通する地下水をサンプリングする場合には、状況の把握までにタイムラグが生じてしまい、移動速度の過渡状況や連続変化を把握することはできなかった。このため、亀裂を流通する地下水を連続的にリアルタイムに把握できる技術の出現が望まれているのが現状である。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２５０６００号公報
【特許文献２】特開２００２−３２８０６５号公報
【特許文献３】特開２００３−１３９８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、岩盤の亀裂を流通する流体の状況を連続的に、しかも、その場で把握することができる亀裂内流体試験装置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】
【００１０】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の亀裂内流体試験装置は、亀裂を貫通する２本の掘削孔に嵌入され、亀裂の上流側の流体に蛍光トレーサを注入すると共に亀裂の下流側の流体の蛍光状況を検出することで、亀裂内の流体の流れ状況を把握する亀裂内流体試験装置であって、亀裂の上流側の掘削孔に嵌入される上流側装置と、亀裂の下流側の掘削孔に嵌入される下流側装置と、下流側装置の下流空間の流体を外部に排出する排出手段と、下流側装置の検出手段の情報が入力され発光状況を分析する状況分析手段とからなり、上流側装置には、亀裂の部位を封止するパッカーと、パッカーにより封止されて亀裂に連通する上流空間と、上流空間に蛍光トレーサを注入するトレーサ注入手段とが備えられ、下流側装置には、亀裂の部位を封止するパッカーと、パッカーにより封止されて亀裂に連通する下流空間と、下流空間に流入した蛍光トレーサを含む流体に光を当てる光源と、下流空間の流体の発光状況を検出する検出手段とが備えられ、下流側装置の排出手段は、下流空間から掘削孔の軸方向に沿って延びる排出管であり、下流側装置の光源は、排出管に対して直交する方向に光を当てる発光ダイオードであり、下流側装置の検出手段は、発光ダイオードで光が当てられた部位の排出管内での発光の光を排出管の軸方向に沿った方向に反射させるプリズムと、プリズムで反射された光を排出管の軸方向から検出する光ファイバーとからなることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る本発明では、上流側装置の上流空間にトレーサ注入手段から蛍光トレーサを注入し、蛍光トレーサを含む流体を亀裂に流通させる。亀裂を流通した蛍光トレーサを含む流体は下流側装置の下流空間に流入し、光源から光が当てられ、発光状態が検出手段により下流空間の部位で検出される。これにより、蛍光トレーサの注入開始から発光までの状況を評価することにより、岩盤の亀裂を流通する流体の状況、例えば、流体の速度を連続的に、しかも、その場で把握することができる。
また、下流空間の流体を排出手段により外部に排出することで、蛍光トレーサを含む流体を長期間にわたり連続的に流通させることができ、検出手段の情報に基づいて状況分析手段により流体の発光状況を連続的に分析することが可能になる。
また、掘削孔の軸方向に沿って延びる排出管を流通する流体に流れ方向に直交する方向から光を当て、光が当てられた部位の排出管内の流体をプリズムにより偏光して光ファイバーで検出するので、光ファイバーを直線状態に配置して発光の状況を検出することができ、掘削孔の径を最小限に留めて亀裂の部位の流体の状況をその場で検出することができる。
【００１６】
また、請求項２に係る本発明の亀裂内流体試験装置は、請求項１に記載の亀裂内流体試験装置において、状況分析手段は、光ファイバーからの光エネルギーの濃淡を計測することにより蛍光トレーサの濃度を検出し、蛍光トレーサの濃度に基づいて上流側装置から下流側装置までの亀裂を流通する流体の時間を導出する手段であることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に係る本発明では、光ファイバーで検出した発光情報に基づいて光エネルギーの濃淡を計測し、蛍光トレーサの濃度に基づいて上流側装置から下流側装置までの亀裂を流通する流体の時間を把握する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の亀裂内流体試験装置は、岩盤の亀裂を流通する流体の状況を連続的に、しかも、その場で把握することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１には本発明の一実施形態例に係る亀裂内流体試験装置の全体構成、図２には下流側装置（上流側装置）の全体を表す断面、図３には掘削孔に嵌合された状態の下流側装置（上流側装置）の全体状況、図４には図２中の蛍光濃度検出部の詳細、図５には図４中のＶ−Ｖ線矢視、図６には図４中のＶＩ−ＶＩ線矢視を示してある。
【００２０】
図１に示すように、岩盤の亀裂１を貫通する掘削孔２、３が形成され、掘削孔２には上流側装置４が嵌入されると共に掘削孔３には下流側装置５が嵌入されている。亀裂１内の流体（水）の流れは、掘削孔２側が上流とされ掘削孔３側が下流とされている（図中右側から左側への流れ）。上流側装置４から亀裂１の部位に蛍光トレーサが注入され、亀裂１を流通した蛍光トレーサを含む水は亀裂１の部位で下流側装置５により発光状況が検出される。
【００２１】
本実施形態例では、上流側装置４及び下流側装置５は同一構成とされ、上流側装置４には蛍光トレーサを注入するための孔外装置６が接続され、下流側装置５には蛍光トレーサを含む水を回収すると共に亀裂１の部位の発光状況が入力されて蛍光トレーサの濃度を導出するための孔外装置７が接続されている。また、上流側装置４及び下流側装置５には亀裂１の部位を封止するパッカー８が設けられ、パッカー８の拡径を維持するために孔外装置６、７から不活性ガス（窒素ガス）が供給される。
【００２２】
つまり、上流側装置４に接続される孔外装置６には、水タンク１１及び蛍光トレーサタンク１２が設けられ、ポンプ１３、１４により蛍光トレーサ及び水が上流側装置４に圧送される（トレーサ注入手段）。また、上流側装置４及び下流側装置５には窒素ボンベ１９が設けられ、パッカー８の拡径の維持のために窒素が送られる。下流側装置５に接続される孔外装置７には、蛍光トレーサを含む水を揚水する揚水ポンプ１５が設けられ、揚水ポンプ１５で揚水された流体を回収する回収タンク１６が設けられている。
【００２３】
更に、下流側装置５で検出された流体の発光状況が入力される蛍光計１７が設けられ、蛍光計１７のデータは状況分析手段としての制御装置１８に送られて蛍光トレーサの濃度が導出される。
【００２４】
下流側装置５側の蛍光トレーサの濃度が制御装置１８で分析され、例えば、蛍光トレーサが注入されてからの濃度変化の時間により亀裂１を流れる流体の速度や流量等が導出される。蛍光トレーサの注入の動作制御、即ち、ポンプ１３、１４の駆動制御や、蛍光トレーサを含む水の揚水制御、即ち、揚水ポンプ１５の駆動制御、パッカー８の拡径を維持する窒素ガスの供給制御等は、制御装置１８で統合して管理されている。
【００２５】
尚、説明は省略したが、亀裂１を流れる流体の圧力や温度、成分等を検出し、制御装置１８で流体の物性や流体に含有する物質の移動状況等を分析することも可能である。
【００２６】
図２〜図６に基づいて上流側装置４及び下流側装置５の具体的な構成を説明する。上流側装置４及び下流側装置５は同一構成であるので、以下の説明は下流側装置５として説明してある。
【００２７】
図２、図３に基づいて下流側装置５の全体を説明する。
【００２８】
図２に示すように、下流側装置５の先端（図中下端：後述する図３に示した掘削孔３の孔底側）には下部パッカーパイプ２２が備えられ、下部パッカーパイプ２２の下端はエンドキャップ２３で閉じられている。下部パッカーパイプ２２の上端には中空状で下部パッカーパイプ２２よりも大径のポートブロック２４が取り付けられている。ポートブロック２４は、例えば、ステンレスの削り出し加工により形成され、フッ素コーティングが施されている。
【００２９】
ポートブロック２４の上部（ポートブロック２４を挟んで下部パッカーパイプ２２の反対側）には上部パッカーパイプ２５が取り付けられ、上部パッカーパイプ２５径は下部パッカーパイプ２２と同径にされている。
【００３０】
下部パッカーパイプ２２の外周には筒状のパッカー８が配され、パッカー８の内周面と下部パッカーパイプ２２の外周面の間には隙間が形成されている。パッカー８の下端部はスライドブロック２６を介して下部パッカーパイプ２２の下端側に取り付けられ、パッカー８の下端部は下部パッカーパイプ２２に対して軸方向に移動自在とされている。パッカー８の上端部は下部パッカーパイプ２２の上端側に固定されている。
【００３１】
また、上部パッカーパイプ２５の外周にはパッカー８が配され、パッカー８の内周面と上部パッカーパイプ２５の外周面の間には隙間が形成され、パッカー８の両端部は上部パッカーパイプ２５の端部の外周面に固定されている。パッカー８の外径とポートブロック２４の外径は同一径にされている。
【００３２】
また、下部パッカーパイプ２２の外周と筒状のパッカー８との間に窒素ガスを導入するガスパイプ２７が備えられ、ガスパイプ２７は上部パッカーパイプ２５及びポートブロック２４の内部を貫通して配されている。また、図３に示すように、上部パッカーパイプ２５の外周と筒状のパッカー８との間に窒素ガスを導入するガスパイプ２８が備えられている。
【００３３】
図３に示すように、岩盤の亀裂１を貫通して掘削孔３が設けられている。ガスパイプ２７、２８から窒素ガスが供給され、パッカー８が拡径された状態にされて下流側装置５が掘削孔３に嵌合されている。これにより、パッカー８により亀裂１の部位が封止され、掘削孔３の壁面とポートブロック２４の外周との間の隙間（下流側空間：上流側装置４の場合は上流側空間）に亀裂１を流通する流体が流れ込むようになっている。
【００３４】
下部パッカーパイプ２２の外周のパッカー８は、下端部が下部パッカーパイプ２２に対して軸方向に移動自在とされ、上端部が下部パッカーパイプ２２の上端側に固定され、更に、上部パッカーパイプ２５のパッカー８は、両端部が上部パッカーパイプ２５の端部の外周面に固定されている。
【００３５】
このため、ポートブロック２４との接続箇所の部材を簡素化してデッドスペースを無くすことができ、僅かな隙間に対する流体の流れを均一に保つことができる。そして、下部パッカーパイプ２２側のパッカー８の下端部がスライド自在となっているので、掘削孔３の向きに拘わらず下流側装置５を掘削孔３の中心近傍に設置することができ、しかも、挿入、抜き外しの際のパッカー８のポートブロック２４側への巻き込みを抑えることができる。
【００３６】
一方、図２に示すように、ポートブロック２４に接続される注入パイプ３１が設けられている。下流側装置５の場合は、注入パイプ３１を設けなくてもよい。上流側装置４の場合、注入パイプ３１は蛍光トレーサタンク１２（図１参照）に接続され、掘削孔３の壁面とポートブロック２４の外周との間の隙間に蛍光トレーサが注入される（トレーサ注入手段）。
【００３７】
また、掘削孔３の壁面とポートブロック２４の外周との間の隙間からの流体を揚水する揚水パイプ３２が設けられ、揚水パイプ３２は揚水ポンプ１５（図１参照）を介して回収タンク１６に接続されている（排出手段）。揚水パイプ３２には流体が流通するフローブロック３３が設けられ、フローブロック３３には、蛍光トレーサを含む流体に光を当てる光源（発光ダイオード：ＬＥＤ）３４と、流体の発光状況を検出する光ファイバー３５とが備えられている。
【００３８】
図４〜図６に基づいてフローブロック３３を詳細に説明する。
【００３９】
図に示すように、フローブロック３３の本体３６（排出管）にはＬＥＤ３４が取り付けられ、本体３６を流通する蛍光トレーサを含む流体（下流空間に流入した流体）に光が当てられる。光は流体の流れに直交する方向（排出管に対して直交する方向）から当てられるようになっている。
【００４０】
また、フローブロック３３の本体３６にはプリズム３７が設けられ、プリズム３７により、ＬＥＤ３４で光が当てられた部位の本体３６の内部での発光の光を本体３６の軸方向に沿った方向、即ち、図４、図５中左側方向に反射するようになっている。プリズム３７には光ファイバー３５の先端が接続され、光ファイバー３５はプリズム３７で反射された光（蛍光トレーサに光が当てられて発光した光）をフローブロック３３の軸方向、即ち、掘削孔３の軸方向から検出するようになっている。そして、光ファイバー３５は蛍光計１７に接続されている。
【００４１】
上述した下流側装置５では、ＬＥＤ３４で光が当てられた部位の本体３６の内部での発光の光をプリズム３７で反射させ、下流側装置５の長手方向に沿って配置された光ファイバー３５により発光した光を検出する。光ファイバー３５で検出された光は蛍光計１７に送られて、光の状況に基づいて制御装置１８で蛍光トレーサの濃度が導出される。
【００４２】
光の検出は流体の流れに対して直交する方向から行う必要があるが、プリズム３７を備えたことにより、光ファイバー３５を曲げることなく配置することができる。光ファイバー３５はガラス製であるので、曲げるためには大きな曲率が必要になり、下流側装置５が大型化してしまうが、プリズム３７を備えて光ファイバー３５を直線状に配置することで、下流側装置５の径方向の大きさを最小限に抑制することができ、径が細い掘削孔３に対応することが可能になる。
【００４３】
上述した実施形態例では、上流側装置４のパッカー８で封止された亀裂１の部位に水タンク１１及び蛍光トレーサタンク１２から水及び蛍光トレーサを供給し、下流側装置５のパッカー８で封止された亀裂１の部位から蛍光トレーサを含む水を揚水しているが、供給と揚水のバランス等を考慮して、下流側装置５のパッカー８で封止された亀裂１の部位に蛍光トレーサの濃度に影響を与えない状態で、回収した流体等を循環させる等の循環系統が構築されている。
【００４４】
また、上述した実施形態では、上流側装置４及び下流側装置５を同一構成としている。このため、上流側装置４の揚水パイプ３２が切換え弁等を介して回収タンク１６（揚水ポンプ１５）に接続されると共に、フローブロック３３の光ファイバー３５が蛍光計１７に接続されている。また、下流側装置５の注入パイプ３１が切換え弁等を介して水タンク１１及び蛍光トレーサタンク１２に接続されている。亀裂１を流れる流体の状況が変化した時等は、切換え弁等を操作して上流側装置４を下流側での揚水に使用すると共に、下流側装置５を上流側での注水に使用するようになっている。
【００４５】
尚、上流側装置４に注入パイプ３１だけを備えると共に、下流側装置５に揚水パイプ３２及びフローブロック３３だけを備え、上流側装置４と下流側装置５をそれぞれ専用の装置とすることも可能である。亀裂１における流体の流れ方向が確定していれば、簡素な構成の亀裂内流体試験装置とすることができる。
【００４６】
上記構成の亀裂内流体試験装置の作用を説明する。
【００４７】
パッカー８を拡径した状態で上流側装置４と下流側装置５を掘削孔２、３に嵌入し、ポートブロック２４の部位と亀裂１の部位を一致させ、掘削孔２、３の亀裂１の部位を封止した状態にする。上流側装置４のポートブロック２４の位置に注入パイプ３１から蛍光トレーサを含む水を供給する。蛍光トレーサを含む水は亀裂１の流体と共に亀裂１を流通し、下流側装置５のポートブロック２４の位置に到達する。下流側装置５では、封止された亀裂１の部位の流体が揚水パイプ３２から回収タンク１６に揚水されている。揚水される流体は、フローブロック３３を通過する際にＬＥＤ３４で光が当てられている。
【００４８】
時間の経過と共に、蛍光トレーサを含む水が亀裂１を流通して下流側装置５の位置に到達する。フローブロック３３で蛍光トレーサにＬＥＤ３４からの光が当てられると蛍光トレーサが発光し、蛍光トレーサの濃度に応じた状態の光がプリズム３７を反射して光ファイバー３５でその場で検出される。このため、蛍光トレーサの移動状況をその場で検出することができる。
【００４９】
光ファイバー３５で検出された光は蛍光計１７に入力されて制御装置１８に送られ、到達までの時間等に応じて亀裂１を流通する流体の状況（速度等）が把握される。例えば、蛍光トレーサとして非収着性のものを適用することにより、機器に蛍光トレーサが収着することが抑制され、上流側装置４への蛍光トレーサの供給開始から下流側装置５での発光検出までの時間により、亀裂１を流通する流体の速度を把握することができる。これにより、亀裂１を流れる流体の状況（速度や含有物質の移行特性）をその場で把握することが可能になる。
【００５０】
また、封止された亀裂１の部位の下流側装置５の流体が揚水パイプ３２から回収タンク１６に揚水されているので、蛍光トレーサを含む流体を長期間にわたり連続的に流通させることができ、光ファイバー３５の情報に基づいて制御装置１８により流体の発光状況を連続的に把握することが可能になる。制御装置１８には、例えば、岩盤の対象となる亀裂１の透水性等のパラメータが記憶され、実際の流体の移動状況に則して蛍光トレーサの移動状況が把握できるようにされている。
【００５１】
上述した亀裂内流体試験装置は、プリズム３７で反射させた光を下流側装置５の長手方向に配した光ファイバー３５により掘削孔３の軸方向から検出するようにしたので、径の細い掘削孔３に対しても装着が容易になり、上流側装置４のパッカー８で封止されたポートブロック２４の部位に蛍光トレーサを注入し、蛍光トレーサを含む流体を亀裂１に流通させて下流側装置５のパッカー８で封止されたポートブロック２４の部位に流入させ、下流側装置５のフローブロック３３を通して揚水し、ＬＥＤ３４で光を当てることで蛍光トレーサを発光させ、蛍光トレーサの到達をその場で光ファイバー３５により検出し、蛍光トレーサの流通状況を評価することができる。このため、亀裂１を流通する流体の状況、例えば、流体の速度を連続的に、しかも、その場で把握することが可能になる。
【００５２】
岩盤の亀裂１を流通する地下水を連続的にリアルタイムに把握することができるので、移動速度の過渡状況や連続変化を確実に把握することができ、例えば、放射性核種等の吸着性物質の移行特性を正確に評価して地層処理施設の構築を的確に実施したり、地下処理施設の安全評価を高い信頼性で実施することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、岩盤などの亀裂を流れる流体の状況（流速等）を検出するための亀裂内流体試験装置の産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態例に係る亀裂内流体試験装置の全体構成図である。
【図２】下流側装置（上流側装置）の全体を表す断面図である。
【図３】掘削孔に嵌合された状態の下流側装置（上流側装置）の全体図である。
【図４】図２中の蛍光濃度検出部の詳細図である。
【図５】図４中のＶ−Ｖ線矢視図である。
【図６】図４中のＶＩ−ＶＩ線矢視図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  亀裂
２、３  掘削孔
４  上流側装置
５  下流側装置
６、７  孔外装置
８  パッカー
１１  水タンク
１２  蛍光トレーサタンク
１３、１４  ポンプ
１５  揚水ポンプ
１６  回収タンク
１７  蛍光計
１８  制御装置
１９  窒素ボンベ
２２  下部パッカーパイプ
２３  エンドキャップ
２４  ポートブロック
２５  上部パッカーパイプ
２６  スライドブロック
２７、２８  ガスパイプ
３１  注入パイプ
３２  揚水パイプ
３３  フローブロック
３４  光源（ＬＥＤ）
３５  光ファイバー
３６  本体
３７  プリズム
【図１】
0005137065.tif 000002
【図２】
0005137065.tif 000003
【図３】
0005137065.tif 000004
【図４】
0005137065.tif 000005
【図５】
0005137065.tif 000006
【図６】
0005137065.tif 000007