(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物の格納躯体を地下に埋設して周辺地盤との間に止水状態を形成する止水充填法であって、粘土系充填材と粘土系充填材よりも高密度な骨材とを混合することにより、格納躯体の平均密度と同等の平均密度となる粘土系混合充填材を作成した後、この粘土系混合充填材を格納躯体と周辺地盤との間に定置することを特徴とする埋設廃棄物の止水充填法。
【請求項２】
廃棄物の格納躯体と周辺地盤との間に定置される充填材であって、平均密度が格納躯体の平均密度と同等となるように、粘土系充填材と粘土系充填材よりも高密度な骨材とを混合したことを特徴とする請求項１に記載の埋設廃棄物の止水充填法に用いる充填材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、埋設廃棄物の止水充填法と充填材に関し、特に埋設する廃棄物の格納躯体が定置位置を沈下せずに維持できる埋設廃棄物の止水充填法とそれに用いる充填材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年における最大のテーマは、社会産業の発展における結果としての産業廃棄物や一般廃棄物を埋立するための廃棄物処分施設の設置、さらには、原子力発電における高、低レベルの放射性廃棄物に関する数百年に及ぶ廃棄処置を社会生活に障害を与えることなく如何に処理するかである。
【０００３】
産業廃棄物や一般廃棄物を埋立するための処分施設では、産業廃棄物が人間の生活環境に影響を与えないようにするために、そこからの漏出汚水が地下に浸透することで環境汚染を引き起こさないように処置することが義務付けられており、地下に埋設するために、図１（ａ）に示すような貯蔵施設が計画されている。
【０００４】
このような施設では、これら廃棄物を格納する躯体として、廃棄物格納用躯体１が計画されており、廃棄物格納用躯体１と周辺地盤２との間に地下水を透過し難い粘土系の充填材３を設置することが考えられている。
【０００５】
この粘土系充填材３は、地下水が廃棄物格納用躯体１の内部に侵入するのを大きく遅らせる、或いは廃棄物中の有毒物質が地下水によって漏出することを防止するために、廃棄物格納用躯体１の全周を十分な厚さで取り囲む形態に設置され、その際、廃棄物格納用躯体１の底部にも粘土系の充填材が敷設されることになる。
【０００６】
又、原子力分野における低レベルの放射性廃棄物に関しては、これらの低レベル放射性廃棄物が人間の生活環境に影響を与えないようにするために、図２（ａ）に示すように、低レベルの放射性廃棄物４を放射性廃棄物格納用躯体５に貯蔵して、地下空洞６に埋設する施設が計画されている。
【０００７】
このような施設においても、貯蔵した放射性廃棄物を格納する放射性廃棄物格納用躯体５と周辺地盤７との間に地下水を透過しにくい粘土系の充填材８を設置することが考えられている。
【０００８】
この粘土系充填材８も、地下水の放射性廃棄物格納用躯体５の内部に侵入するのを大きく遅らせる、或いは放射性廃棄物４の中の有毒物質や放射性核種が浸入してきた地下水中に溶出することで施設外に漏出するのを抑止するために、図示のように放射性廃棄物格納用躯体５の全周を十分な厚さで取り囲む形態で設置され、その際、放射性廃棄物格納用躯体５の底部にも粘土系の充填材８が敷設されることになる。
【０００９】
さらに、高レベル放射性廃棄物を人間の生活環境から安全に隔離するためには、高レベル放射性廃棄物を図３（ａ）及び図4（ａ）に示すように堅固な金属容器に収納した廃棄体パッケージ９を、地下数百ｍの以深に掘削された地下坑道１０に縦もしくは横向きに埋設処分する高レベル放射性廃棄物処分施設が計画されており、このような処分施設でも、廃棄体パッケージ９と地下坑道１０、１０’の隙間に粘土系の充填材１１を設置することが考えられている。
【００１０】
この粘土系充填材１１の場合も、地下水の廃棄体パッケージ９ヘの接触を抑制すること、廃棄体パッケージ９から放射性核種が浸入してきた地下水中に溶出することによって施設外へ漏出すること等を抑止するために、図示のように廃棄体パッケージ９の全周を十分な厚さで取り囲む形態に設置され、その際、廃棄体パツケージ９の底部にも粘土系の充填材１１が敷設される。
【００１１】
しかして、上記の産業廃棄物或いは放射性廃棄物の処分施設においては、千年や万年単位の長期間に亘って、施設が所要のバリア機能を有していることが重要とされており、廃棄物格納用躯体や廃棄体パツケージ周囲に設置される粘土系充填材には、長期に亘って遮水性能や放射性核種遅延性能などのバリア機能を維持できることが必要とされている。
【００１２】
このために、廃棄物格納用躯体１や放射性廃棄物格納用躯体５、或いは廃棄体パッケージ９の周辺に充填される粘土系充填材３、８、１１としては、ベントナイトに砂あるいは砂礫などの骨材を混合して、１．３〜２．２Ｍｇ／ｍ3程度の密度に締固めた充填材を使うことが考えられている。
【００１３】
このように、ベントナイトから成る粘土系充填材を採用する理由は、天然の充填材であることから、１０万年以上の超長期の充填材健全性を見込めること、べントナイトのような粘土をある一定以上混合することで目標にする極めて小さい透水係数を達成できること等からである。
【００１４】
しかるに、廃棄物格納用躯体や放射性廃棄物格納用躯体或いは廃棄体パッケージ等の格納躯体の底部に敷設した粘土系充填材には、廃棄物格納用躯体や放射性廃棄物格納用躯体あるいは廃棄体パッケージと粘土系充填材との密度差に起因する下向きの力が働くために、図１（ｂ）に示すように、粘性流体のような粘性流動が生じることで厚さが減少することが懸念されている。
【００１５】
特に、放射性廃棄物格納用躯体或いは廃棄体パッケージの場合には、その底部に敷設された粘土系充填材に対して、放射性廃棄物格納用躯体、廃棄体パッケージと粘土系充填材との密度差に起因する下向きの力が、万年単位の超長期間に亘って作用し続けることになる。このために、粘土系充填材には、弾性挙動や塑性挙動による変形のみではなく、粘性流動による変形をも生じさせることになる。
【００１６】
しかして、廃棄物格納用躯体や放射性廃棄物格納用躯体或いは廃棄体パッケージの埋設における粘土系充填材の変形問題を、数１０年オーダーの時間軸で評価する際には、弾性挙動と塑性挙動に着目だけで十分であるが、１０００年、１０万年、１００万年といった超長期の変形問題を評価する際には、粘土系充填材の粘性挙動が重要となる。
【００１７】
即ち、千年や万年単位の長期間にあっては、図２（ｂ）、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、粘土系充填材が、長期間に亘る粘性流体のような粘性流動を発生することによって、底部において必要とされている０．７ｍ〜２．０ｍ程度の粘土系充填材の厚さが減少し、結果的に、所要の難透水性能や核種遅延性能が不足してしまう危険性があり、最悪の場合には、施設の健全性を維持すべき期間中に、底部の粘土系充填材の厚さがゼロなってしまうことも考えられ、所要の遮水性熊や放射性核種遅延性能を確保できなくなる可能性があった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の状況に鑑みて提案するものであり、埋設する廃棄物格納用躯体や放射性廃棄物格納用躯体あるいは廃棄体パッケージ等（以下、格納躯体と称する）が長期間に亘ってその定置位置を沈下させることなく維持され、所要の遮水性熊や放射性核種遅延性能を確保できるように構成した埋設廃棄物の止水充填法と充填材を提供している。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明による埋設廃棄物の止水充填法は、廃棄物の格納躯体を地下に埋設して周辺地盤との間に止水状態を形成する止水充填法において、粘土系充填材と粘土系充填材よりも高密度な骨材とを混合することにより、格納躯体の平均密度と同等の平均密度となる粘土系混合充填材を作成した後、この粘土系混合充填材を格納躯体と周辺地盤との間に定置することを特徴としており、廃棄物の格納躯体を沈下させることなくその定置位置を維持することで所要の遮水性熊や放射性核種遅延性能を確保している。
【００２０】
又、本発明による充填材は、上記埋設廃棄物の止水充填法に用いる充填材であって、その平均密度が格納躯体の平均密度と同等となるように、粘土系充填材と粘土系充填材よりも高密度な骨材とを混合したことを特徴としており、密度差に起因する下向きの力を無くして粘性流動の発生を防止している。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明による埋設廃棄物の止水充填法は、廃棄物の格納躯体を地下に埋設して周辺地盤との間に止水状態を形成するために、平均密度を埋設する格納躯体の平均密度と同等に調整して成る粘土系混合充填材を周辺地盤との間に定置するものである。
【００２２】
その実施の形態としては、粘土系充填材として構成されるベントナイトと骨材との混合充填材において、骨材として高密度の骨材を用いることによって粘土系充填材の平均密度を高くし、廃棄物格納用躯体や放射性廃棄物格納用躯体或いは廃棄体パッケージとの密度差をなくするものである。
【００２３】
これによって、廃棄物格納用躯体や放射性廃棄物格納用躯体或いは廃棄体パッケージに作用する重力と浮力とが相殺されることになり、密度差に起因する下向きの力を生じさせないようになって、粘土系充填材が、長期的な粘性流動を起こすことを防止したり、流動速度を抑制している。
【００２４】
従って、粘土系充填材の長期的な粘性流動の防止や流動速度の抑制は、廃棄物格納用躯体や放射性廃棄物格納用躯体或いは廃棄体パッケージの沈下が防止或いは抑制されるものであり、底部に充填されている粘土系充填材における厚さの減少を防止或いは抑制することになって、粘土系充填材は、難透水性能や核種遅延性能等のバリア性能を低下させないように構成することができる。
【００２５】
以上の構成を達成できることは、以下に説明する理論構成によって、これを予測することが出来る。
【００２６】
即ち、図５に示すように、廃棄物格納用躯体や放射性廃棄物格納用躯体或いは廃棄体パッケージ（以下、格納用躯体と称する）が、粘土系充填材の中に沈下する要因は、格納用躯体と粘土系充填材との密度差を起因として、格納用躯体に作用する重力から、粘土系充填材から受ける浮力を差し引いた力によっている。
【００２７】
しかるに、格納用躯体の密度は、公開されている施設概念からの試算によると、放射性廃棄物格納用躯体ではおよそ３．０〜４．２Mg／ｍ3程度であり、廃棄体パッケージの密度は、５．５Mg／ｍ3程度であるから、粘土系充填材の湿潤密度をこれらと同等の密度にできるならば、作用する重力と浮カは均衡するので格納用躯体の沈下挙動は生じなくなり、粘土系充填材の湿潤密度をこれらと近似した密度にできると、粘性流動速度、即ち格納用躯体の沈下速度を抑制することができる。
【００２８】
密度差に起因する格納用躯体の沈下速度は、無限遠の粘性流体中における球体の運動を表現するストークスの法則によって、そのオーダーを大よそ把握することができる。
ストークスの法則は、以下の通りである。
【００２９】
【式１】
0003998051.tif 000002
【００３０】
１．廃棄体パッケージの沈降速度
廃棄体パッケージの密度が、５．５Ｍg／ｍ3、粘性流体を構成するベントナイトの密度が、２．０Ｍｇ／ｍ3の場合に、ベントナイトの粘度をη(Ｐａ・s)とすると、廃棄体パッケージを体積が同じとなるように０．６ｍの球と模擬するならば、廃棄体パッケージの沈降速度ｕ2は、ストークスの法則より以下となる。
【００３１】
【式２】
0003998051.tif 000003
【００３２】
今、ベントナイトの粘度を、η＝１．０×１０16と仮定すると、球の流速は、ｕ2＝８．７×１０-15ｍ／ｓであり、例えば１０万年経過すると約０．２８ｍ沈下することになる。
【００３３】
次に、粘土系充填材の平均密度を高める手法について検証する。
粘土系充填材の平均密度を高めるためには、密度の大きな骨材を混ぜる方法があり、その充填材としては、磁鉄鉱等の天然に存在する高密度の岩を破砕したものや、金属粒子が考えられる。表１に、該当する造岩鉱物として密度４Ｍｇ／ｍ3程度を超えるものを示している。
【００３４】
【表１】
0003998051.tif 000004
【００３５】
しかして、粘土系充填材は、極めて小さな透水係数を有していることが重要であることから、粘土系混合充填材としては、ペントナイトに砂あるいは砂礫などの骨材を混合し締固めた充填材を指向しているが、ベントナイトとケイ砂あるいは礫等の骨材を混合した粘土系混合充填材は、図６に示すようにベントナィトを十数ｗｔ％程度以上に混合しても透水係数のオーダーは大きく変化しないことが確認されている。
【００３６】
又、ベントナイトと砂や砂礫等の骨材を混合した粘土系混合充填材の透水係数は、粘土相の乾燥密度によって決まることが知られているが、図７には、ペントナイト単体とベントナイトにケイ砂を混合した2つの充填材における、骨材の体積を除いて計算したベントナイト乾燥密度（以下、有効ベントナイト乾燥密度と称する）と透水係数の関係を示している。
【００３７】
同図のグラフが示すように、ベントナイト乾燥密度が１．３〜１．８Ｍｇ／ｍ3程度であるならば、透水係数、１．０×１０-12ｍ／ｓ程度以下の充分な難透水性を期待できることを確認することが出来る。
【００３８】
以上のように、粘土系充填材の透水係数は、ベントナイトに骨材が混合していてもその有効ベントナイト乾燥密度を調整することによって、任意に設定できるものである。
【００３９】
次に、以上のような粘土系混合充填材の特性と検討経過を踏まえながら、ベントナイトと高密度骨材の具体的な配合を考えて、粘土系混合充填材の平均密度を試算し、その粘性挙動や透水性能について評価した。
【００４０】
例えば、密度３．０Ｍｇ／ｍ3の放射性廃棄物格納用躯体の周囲に設置する粘土系混合充填材を、有効ベントナイト乾燥密度がρBd＝１．５０Ｍｇ／ｍ3となるように、乾燥密度換算でベントナイト３７ｗｔ％と、密度、５．１７Ｍｇ／ｍ3の磁鉄鉱６３ｗｔ％とを混合すれば、この混合充填材の平均飽和密度は、３．０１Ｍｇ／ｍ3（平均乾燥密度２．７１４Ｍｇ／ｍ3)となり、放射性廃棄物格納用躯体の密度と同じになる。
【００４１】
従って、放射性廃棄物格納用躯体に作用する重力と浮力は相殺され、粘性流動に起因する躯体の沈下は起こらない。
【００４２】
又、有効ベントナイト乾燥密度が１．５０Ｍｇ／ｍ3であることから、その透水係数は、ｋ＝１．０×１０-12ｍ／ｓ程度以下であり、充分な難透水性も確保できる。
【００４３】
従って、ベントナイトに高密度骨材を混合することによって、難透水性を確保しながら、放射性廃棄物格納用躯体の底部に充填された粘土系混合充填材の厚さが減少するのを防止できるので、所要のバリア性能を維持することができる。
【００４４】
又、他の例で検証すると、密度、５．５０Ｍｇ／ｍ3の廃棄体パッケージの周囲に設置する粘土系充填材を、有効ベントナイト乾燥密度がρBd＝１．５０Ｍｇ／ｍ3となるように、乾燥密度換算でベントナイト１０ｗｔ％と、密度、７．５８Ｍｇ／ｍ3の方鉛鉱９０ｗｔ％とを混合すれば、この混合充填材の平均飽和密度は、５．５５１Ｍｇ／ｍ3（平均乾燥密度５．３９Ｍｇ／ｍ3)となり、廃棄体パッケージの密度と同じになることから、廃棄体パッケージに作用する重力と浮力が相殺され、粘性流動に起因する廃棄体パッケージの沈下は起こらない。
【００４５】
この混合充填材は、有効ベントナイト乾燥密度が１．５０Ｍｇ／ｍ3であることから、その透水係数は、ｋ＝１．０×１０-12ｍ／ｓ程度以下であり、充分な難透水性も確保できるので、難透水性を確保しながら、廃棄体パッケージの底部に充填された粘土系充填材の厚さが減少するのを防止できるものであり、所要のバリア性能を維持することができる。
【００４６】
しかして、粘土系充填材の中に混合された高密度の骨材が長期間の間に沈下してしまうと、ベントナイトが上に集まって骨材が下に集中して二層に分離することから、均一な密度の粘土系充填材ではなくなることが懸念される。
【００４７】
そこで、上記検証と同様に、無限粘性流体中の球体の運動を表現するストークスの法則を用いて、ベントナイト中の骨材自体の沈下速度を試算した。
【００４８】
２．高密度骨材の沈降速度
磁鉄鉱等の高密度骨材の密度が、５．１７Ｍg／ｍ3、粘性流体を構成するベントナイトの密度が、２．０Ｍｇ／ｍ3の場合に、ベントナイトの粘度をη(Ｐａ・s)とすると、高密度骨材を４ｃｍの球と模擬するならば高密度骨材の沈降速度ｕ1は、ストークスの法則より以下となる。
【００４９】
【式３】
0003998051.tif 000005
【００５０】
今、ベントナイトの粘度を、η＝１．０×１０16と仮定すると、球の流速は、ｕ1＝８．８×１０-18ｍ／ｓである。
【００５１】
以上のように、最大４ｃｍ程度である骨材の沈下速度は、式２で示した格納用躯体のような寸法の大きい固体の沈下速度に比べて、１／１０００程度と遙かに遅いものであり、粘土系混合充填材において骨材の沈下にって発生する分離による粘土系充填材の密度変化の影響は無視できるものである。
【００５２】
以上の各検証で明らかなように、本発明による埋設廃棄物の止水充填法と充填材は、格納用躯体の周囲に充填する粘土系充填材の平均密度を高くすることで格納用躯体との密度差を無くしており、格納用躯体に作用する重力と浮カを相殺することで密度差に起因する下向きの力を生じさせないことから、粘土系充填材が長期的な粘性流動を起こすことを防ぐか流動速度を低減することによって、格納用躯体の底部に充填された粘土系充填材の厚さの減少を防止してバリア機能の低下を阻止している。
【００５３】
【発明の効果】
本発明による埋設廃棄物の止水充填法は、廃棄物の格納躯体を地下に埋設して周辺地盤との間に止水状態を形成する止水充填法において、粘土系充填材と粘土系充填材よりも高密度な骨材とを混合することにより、格納躯体の平均密度と同等の平均密度となる粘土系混合充填材を作成した後、この粘土系混合充填材を格納躯体と周辺地盤との間に定置することを特徴としているので、所要の難透水性を確保しつつ廃棄物の格納躯体を沈下させることなくその定置位置を維持することで、所要の遮水性熊や放射性核種遅延性能を確保できる効果を発揮している。
【００５４】
又、本発明による充填材は、上記埋設廃棄物の止水充填法に用いる充填材であって、その平均密度が格納躯体の平均密度と同等となるように、粘土系充填材と粘土系充填材よりも高密度な骨材とを混合したことを特徴としているので、密度差に起因する下向きの力を無くして粘性流動の発生を防止できる効果を発揮している。
【図面の簡単な説明】
【  図１】廃棄物処分施設における格納用躯体の定置（ａ）と沈下状態（ｂ）図
【  図２】低レベル放射性廃棄物の処分施設における格納用躯体の定置（ａ）と沈下状態（ｂ）図
【  図３】高レベル放射性廃棄物の処分施設における縦置型廃棄体パッケージの定置（ａ）と沈下状態（ｂ）図
【  図４】高レベル放射性廃棄物の処分施設における横置型廃棄体パッケージの定置（ａ）と沈下状態（ｂ）図
【  図５】粘性流体中の物体に働く重力と浮力の作用イメージ図
【  図６】骨材とベントナイトとの混合材におけるベントナイト混合率と透水係数の相関図
【  図７】ケイ砂、ベントナイトの混合材料における有効ベントナイト乾燥密度（骨材の体積を除いて計算したベントナイトの乾燥密度）と透水係数の相関図
【符号の説明】
１  廃棄物格納用躯体、  ２、７  周辺地盤、
３、８、１１  粘土系充填材、  ４  低レベル放射性廃棄物、
５  放射性廃棄物格納用躯体、  ６  地下空洞、  ９  廃棄体パッケージ、
１０、１０’  地下坑道、
【図１】
0003998051.tif 000006
【図２】
0003998051.tif 000007
【図３】
0003998051.tif 000008
【図４】
0003998051.tif 000009
【図５】
0003998051.tif 000010
【図６】
0003998051.tif 000011
【図７】
0003998051.tif 000012