(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処分孔に定置された廃棄体を囲繞する態様で廃棄体と処分孔との間に敷設される緩衝材であって、吸水することにより膨潤する粘土系土質材料に該粘土系土質材料の膨潤を抑制する電解質の濃度が所定の期間において０．３ｍｏｌ／ｌ以上となるように、電解質を添加したことを特徴とする緩衝材。
【請求項２】
前記電解質は、塩化ナトリウムであることを特徴とする請求項１に記載の緩衝材。
【請求項３】
前記電解質は、塩化カルシウムであることを特徴とする請求項１に記載の緩衝材。
【請求項４】
処分孔に廃棄体を定置するとともに、該廃棄体を囲繞する態様で廃棄体と処分孔との間に緩衝材を敷設する廃棄体の埋設処分方法において、
吸水することにより膨潤する粘土系土質材料に粘土系土質材料の膨潤を抑制する電解質の濃度が所定の期間において０．３ｍｏｌ／ｌ以上となるように、電解質を添加することにより緩衝材とした後、処分孔と廃棄体との間に敷設することを特徴とする廃棄体の埋設処分方法。
【請求項５】
前記電解質を添加する方法として、電解質を溶媒である水に溶かした電解液をあらかじめ作成しておき、それを粉体状または粒状の粘土系土質材料に添加して混練し、その後、所定の密度に締め固めることにより緩衝材としたことを特徴とする請求項４に記載の廃棄体の埋設処分方法。
【請求項６】
処分孔に廃棄体を定置するとともに、該廃棄体を囲繞する態様で廃棄体と処分孔との間に緩衝材を敷設する廃棄体の埋設処分方法において、
吸水することにより膨潤する粘土系土質材料に粘土系土質材料の膨潤を抑制する電解質を添加することにより緩衝材とした後、処分孔と廃棄体との間に敷設する方法で、
前記電解質を添加する方法として、粒状体の電解質と紛状体または粒状体の粘土系土質材料とをあらかじめ空練りして均質化しておき、その後、所定の水分を添加して混練した後、所定の密度に締め固めることにより緩衝材としたことを特徴とする廃棄体の埋設処分方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、緩衝材及び廃棄体の埋設処分方法に関するものであって、特に、放射性廃棄物を封入した廃棄体と該廃棄体を埋設する処分孔との間に敷設される緩衝材、及び該緩衝材を廃棄体と処分孔との間に敷設する廃棄体の埋設処分方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所における原子力の利用に伴い発生する放射性廃棄物は、人間環境に有意な影響を及ぼすことがないように安全に管理するために適切な方法で処理が行われた後、最終的に処分されるようになっている。たとえば、再処理で使用済燃料からウラン、プルトニウム等の有用物を分離した後に残存する放射能レベルの高い廃棄物（高レベル放射性廃棄物）は、ガラスで固化した後、３０〜５０年冷却のために貯蔵され、その後、地下深くに埋設処分することとなっている。
【０００３】
ガラスで固化した放射性廃棄物（ガラス固化体）を埋設する埋設処分施設は、処分坑道と処分孔とを有している。処分坑道は、地下深くに設けられた地下坑道であって、硬岩系岩盤では幌型断面、軟岩系岩盤では三心円の断面を有している。また、処分坑道の勾配は、湧き水の排水に必要な勾配となる。処分孔は、処分坑道の床面を掘削した竪孔であり、一定間隔で設けられる。この処分坑道は、放射性廃棄物の埋設後には、埋め戻して、地下坑道全体が閉鎖されることにより、埋設処分を行うことができる。
【０００４】
ガラス固化体は、オーバーパックに封入した後、処分孔に定置され、その周囲に緩衝材を敷設することになっている。オーバーパックは、ガラス固化体の放射能や発熱量がある程度減衰するまでの期間、地下水をガラス固化体に接触させないように物理的に封じ込めることを目的とした金属製の容器である。緩衝材は、ベントナイトと砂とを混合したベントナイト系土質材料を締め固めたもので構成され、オーバーパック（廃棄体）を物理的に保護するとともに、オーバーパックの閉じ込め機能が失われた後も放射性核種の移行を抑制することが期待されている（たとえば、特許文献１及び非特許文献１参照）。
【０００５】
ところで、緩衝材は、地下水の進入に伴い、膨潤し、オーバーパック定置時の周辺岩盤との隙間や緩衝材内に生じた隙間を充填できることが要求されている。このため、オーバーパック（廃棄体）が処分孔に定置され、その周囲に緩衝材が敷設された後に、処分孔の岩盤面から地下水がしみ出すと、緩衝材が膨潤し、図５に示すように、緩衝材１５が処分坑道１２の床面から膨出することになる。このような事態は、緩衝材１５が所定の密度を維持できないことになり、遮水性能が低下することが懸念される。また、極端に膨潤した場合には、廃棄体１６を正しい位置で支持できない事態も懸念される。
【０００６】
このような事態を防止すべく、図６に示すように、処分孔（竪穴）１３と緩衝材１５との間に止水膜１７を敷設したり、図７に示すように、緩衝材１５と処分坑道１２との間に反力柱１８を設置したり、あるいは、図８に示すように、緩衝体１５を覆う蓋体１９をアンカー２０で固定したりする等が考えられている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３１９７３２号公報
【非特許文献１】原子力発電環境整備機構“高レベル放射性廃棄物地層処分の技術と安全性”［online］２００４年５月掲載：資料室／技術関係／技術関係説明資料［平成２０年４月１０日検索］インターネット＜URL：1210658787861_0.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、これらの案は、止水膜１７の敷設、反力柱１８の設置、アンカー２０の設置等、廃棄体の埋設とは直接関係のないものを敷設したり、設置したりする必要があり、より多くの負担を強いることになる。特に、反力柱を設置した場合には、処分坑道の使用に制限を加えることになり、好ましくない。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、少なくとも処分坑道を埋め戻すまで膨出を抑制できる緩衝材、及び少なくとも処分坑道を埋め戻すまで緩衝材の膨出を抑制できる廃棄体の埋設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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる緩衝材は、処分孔に定置された廃棄体を囲繞する態様で廃棄体と処分孔との間に敷設される緩衝材であって、吸水することにより膨潤する粘土系土質材料に該粘土系土質材料の膨潤を抑制する電解質の濃度が所定の期間において０．３ｍｏｌ／ｌ以上となるように、電解質を添加したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる緩衝材は、上記発明において、前記電解質が、塩化ナトリウムであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる緩衝材は、上記発明において、前記電解質が、塩化カルシウムであることを特徴とする。
【００１３】
本発明にかかる廃棄体の埋設処分方法は、処分孔に廃棄体を定置するとともに、該廃棄体を囲繞する態様で廃棄体と処分孔との間に緩衝材を敷設する廃棄体の埋設処分方法において、吸水することにより膨潤する粘土系土質材料に粘土系土質材料の膨潤を抑制する電解質の濃度が所定の期間において０．３ｍｏｌ／ｌ以上となるように、電解質を添加することにより緩衝材とした後、処分孔と廃棄体との間に敷設することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる廃棄体の埋設処分方法は、上記発明において、前記電解質を添加する方法として、電解質を溶媒である水に溶かした電解液をあらかじめ作成しておき、それを粉体状または粒状の粘土系土質材料に添加して混練し、その後、所定の密度に締め固めることにより緩衝材としたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる廃棄体の埋設処分方法は、処分孔に廃棄体を定置するとともに、該廃棄体を囲繞する態様で廃棄体と処分孔との間に緩衝材を敷設する廃棄体の埋設処分方法において、吸水することにより膨潤する粘土系土質材料に粘土系土質材料の膨潤を抑制する電解質を添加することにより緩衝材とした後、処分孔と廃棄体との間に敷設する方法で、前記電解質を添加する方法として、粒状体の電解質と紛状体または粒状体の粘土系土質材料とをあらかじめ空練りして均質化しておき、その後、所定の水分を添加して混練した後、所定の密度に締め固めることにより緩衝材としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかる緩衝材は、吸水することにより膨潤する粘土系土質材料に該粘土系土質材料の膨潤を抑制する電解質の濃度が所定の期間において０．３ｍｏｌ／ｌ以上となるように、電解質を添加したので、電解質が拡散するまでは粘土系土質材料の膨潤を抑制できる。このため、少なくとも処分坑道を埋め戻すまで緩衝材の膨出を抑制できる。
【００１７】
本発明にかかる廃棄体の埋設処分方法は、吸水することにより膨潤する粘土系土質材料に粘土系土質材料の膨潤を抑制する電解質の濃度が所定の期間において０．３ｍｏｌ／ｌ以上となるように、電解質を添加することにより緩衝材とした後、処分孔と廃棄体との間に敷設するので、電解質が拡散するまでは粘土系土質材料の膨潤を抑制できる。このため、廃棄体の埋設処分後、少なくとも処分坑道を埋め戻すまで緩衝材の膨出を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる緩衝材及び廃棄体の埋設処分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。
【００１９】
本実施の形態で説明する緩衝材は、放射性廃棄物を封入した廃棄体と該廃棄体を埋設する処分孔との間に敷設されるものである。放射性廃棄物は、原子力発電所における原子力の利用に伴い発生するもので、人間環境に有意な影響を及ぼすことがないように安全に管理するために適切な方法で処理が行われた後、最終的に処分されるようになっている。たとえば、再処理で使用済燃料からウラン、プルトニウム等の有用物を分離した後に残存する放射能レベルの高い廃棄物（高レベル放射性廃棄物）は、ガラスで固化した後、３０〜５０年冷却のために貯蔵され、その後、地下深くに埋設処分することになっている。
【００２０】
図１は、放射性廃棄物を埋設する埋設処分施設を示す概念図である。図１に示すように、埋設処分施設は、ガラスで固化した放射性廃棄物（以下「ガラス固化体１」という）を埋設する施設であって、処分坑道２と処分孔３とを有している。処分坑道２は、地下深くに設けられた地下坑道であって、硬岩系岩盤では幌型断面、軟岩系岩盤では三心円の断面を有している。また、処分坑道２の勾配は、湧き水の排水に必要な勾配となる。処分孔３は、処分坑道２の床面を掘削した竪穴であり、一定間隔で設けられる。
【００２１】
ガラス固化体１は、オーバーパック４に封入した後、処分孔３に定置され、その周囲に緩衝材５を敷設することになっている。オーバーパック４は、ガラス固化体１の放射能や発熱量が有る程度減衰するまでの期間、地下水をガラス固化体１に接触させないように物理的に封じ込めることを目的とした金属製の容器であって、ガラス固化体１の放射能と発熱の特性を考慮し、１０００年間の耐用年数が設定されている。オーバーパック４は、収納するガラス固化体１が円柱形であることや耐圧性の観点から円筒形が想定されている。なお、ガラス固化体１をオーバーパック４に封入したものを以下の説明において「廃棄体６」という。
【００２２】
緩衝材５は、廃棄体６を物理的に保護するとともに、オーバーパック４の閉じ込め機能が失われた後も放射性核種の移行を抑制することが期待されているもので、地下水の移動の抑制、溶解した核種の収着、コロイドの移行の防止といった機能が求められる。緩衝材５は、ベントナイトに骨材としてケイ砂を混合したもので構成する。
【００２３】
図２は、ベントナイトの膨潤率を示す図である（参考文献：Nakashima,H., Ishi, T.Nakahata, A., Tanabe, H., Tamura, S.:swelling deformation of compacted bentonite/sand mixture, Clay Science for Engineering, Adachi & Fukue(eds), Balkema,Rotterdam ISBN 90 5809 1759 ）。この図は、乾燥密度が１６００ｋｇ／ｍ３となるように圧縮したベントナイトに淡水を吸水させた場合の膨潤率（膨張量（高さの変化）を試験体の高さに対する比で示したもの）を示したものであって、横軸に時間、縦軸に膨潤率を示している。また、図中に記載してある数値は、上載荷重の値であり、たとえば、７８．５ｋＰａの上載荷重による圧力を受けている場合であっても、１．９倍程度まで膨張することを示している。
【００２４】
図３は、ベントナイトの膨潤特性を示す図である(参考文献：前田他、カルシウム型化及びカルシウム型ベントナイトの基本特性、PNC TN841098-021、動力炉・核燃料開発事業団、1998)。この図は、横軸に乾燥密度、縦軸に膨潤圧を示している。この図によれば、ベントナイトは密度が大きいほど高い膨潤圧を発揮することになる。
【００２５】
このようなベントナイトの膨潤特性は、ベントナイトが含有しているモンモリロナイトという粘土鉱物の吸水膨張作用によるものであり、ベントナイトの乾燥密度が大きい場合に大きな膨潤圧を有するのは、材料中に含まれるモンモリロナイトの粒子の周囲に膨張できる空間が少ないからである。
【００２６】
ベントナイトの吸水膨張のメカニズムは、結晶の層間に存在する水の浸透圧であると解されている。すなわち、モンモリロナイト粒子の水（土質材料の間隙水）の電解質濃度が低ければ、結晶の層間に取り込まれた水の浸透圧は大きく、結果として膨潤圧は大きくなるのに対し、電解質濃度が高ければ、結晶の層間に取り込まれた水の浸透圧は小さく、結果として膨潤圧は小さくなる。
【００２７】
図４は、モンモリロナイトの結晶層間距離と電解質濃度との関係を示した図である（参考文献：Philip F.LOW, Interparticle Forces in Clay Suspensions: Flocculation, Viscous Flow and Swelling,p.163 cms workshop lectures, Volume 4 Clay-Water Interface and its Rheological Implications, 1992, N.Guven, R.M.Pollastro Editors, published by CLAY MINERALS SOCIETY）。この図は、横軸にＮａＣｌ濃度（電解質濃度）、縦軸に結晶の層間距離を示したものである。この図によれば、モンモリロナイト鉱物の結晶構造において、多層構造を有している結晶の層間距離が水のＮａＣｌ濃度（電解質濃度）によって異なることを示している。なお、周囲に水が存在しない場合のモンモリロナイト結晶の層間距離は、１．８ｎｍ程度であるとされている。
【００２８】
この図によれば、ＮａＣｌ濃度（電解質濃度）が０．３ｍｏｌ／ｌよりも小さい水がモンモリロナイト鉱物の周囲に存在する場合には、水が周囲に存在しない場合の３倍程度まで層間距離が拡大することになる。一方、ＮａＣｌ濃度（電解質濃度）が０．３ｍｏｌ／ｌよりも大きい水がモンモリロナイト鉱物の周囲に存在する場合には、層間距離がほとんど拡大しないことになる。
【００２９】
以上説明したベントナイトの特性を考慮して、本実施の形態である緩衝材５は、ベントナイトが含有しているモンモリロナイト鉱物の周囲の水のＮａＣｌ濃度（電解質濃度）が０．３ｍｏｌ〜１．４ｍｏｌとなるようにＮａＣｌ（電解質）を添加したものとする。
【００３０】
以下に、緩衝材の仕様を示す。
・ベントナイト＝Ｎａ型ベントナイト
・骨材：ケイ砂＝ケイ砂１号とケイ砂５号とを１：１の比率で混合したもの
・ベントナイトとケイサの混合比＝７０％：３０％
・乾燥密度＝１６００ｋｇ／ｍ３
・緩衝材の間隙体積率＝約４０％
・電解質の含有率＝４００ｍｏｌ／ｍ３＝４００ｍｏｌ／１６００ｋｇ
（ＮａＣｌの場合に５８ｇ／ｍｏｌ×４００ｍｏｌ／１６００ｋｇ＝２３．２ｋｇ／１６００ｋｇ＝１．４５％）
【００３１】
この仕様の緩衝材に淡水がしみ込んだ場合に、緩衝材１ｍ３の間隙体積に存在する水の量は、０．４ｍ３に相当し、その重さは４００ｋｇ、体積は４００ｌである。ＮａＣｌの量は２３．２ｋｇであるから、間隙水の濃度は１ｍｏｌ／ｌとなる。
【００３２】
図４に示すように、周囲の水のＮａＣｌ濃度（電解質濃度）が１ｍｏｌ／ｌの場合には、モンモリロナイト鉱物の層間距離は１．８ｎｍとほとんど同じ２．０ｎｍであるから、ベントナイトは、膨潤しないことになる。
【００３３】
上述した本実施の形態である緩衝材５は、所定密度に圧縮整形した後、廃棄体６と処分孔３との間に敷設される（ブロック方式）。そして、所定の期間（たとえば、処分坑道に設けた処分孔のすべてに廃棄体が埋設処分されるまでの期間、一区画を構成する処分坑道に設けた処分孔のすべてに廃棄体が埋設されるまでの期間、あるいは埋設処分施設の安全性が確認されるまでの期間）は、処分坑道２を埋め戻すことなく監視することになる。
【００３４】
上述した本実施の形態である緩衝材５によれば、敷設からＮａＣｌ濃度（電解質濃度）が０．３ｍｏｌよりも小さくなるまでは膨潤が抑制される。したがって、敷設からＮａＣｌ濃度（電解質濃度）が０．３ｍｏｌよりも小さくなるまでの期間が上述した所定の期間よりも長ければ、所定の期間に緩衝材が処分坑道２の床面から膨出することがない。なお、緩衝材５の膨潤が抑制される状態では、緩衝材５の遮水性能は十分に発揮されないが、廃棄体６の埋設後短期間（１０００年）においてはオーバーパック４が十分な遮水性能を有するため、安全性は確保されている。
【００３５】
そして、所定の期間経過後は、処分坑道２を埋め戻すことになる。なお、緩衝材中のＮａＣｌ（電解質）は、敷設直後から周囲の地下水に向かって漸次拡散して消失することになる。ここで、圧縮ベントナイトの透水係数は１Ｅ−１３ｍ／ｓ程度であり、一般的な土質材料に比べて著しく小さいので遮水性能は優れているが、拡散係数は１Ｅ−１０ｍ２／ｓ程度であって、自由水中における拡散係数の１／１０程度であるから、かなり早い速度で地山側の地下水に拡散していくことになる。やがて、緩衝材中のＮａＣｌ（電解質）濃度は０．３ｍｏｌ／ｌよりも小さくなるので、モンモリロナイトの結晶間距離は拡大する傾向が顕著になり、結果として膨潤特性が増大する。このような状態になれば、処分孔３から緩衝材５が膨出することになるが、既に処分坑道２が埋め戻されているため、緩衝材５は膨張できずに膨潤圧を発揮した状態で維持される。したがって、緩衝材５は本来の吸水膨張性能、遮水性能を発揮することができる。
【００３６】
上述した実施の形態である緩衝材５は、電解質として塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を添加するものとしたが、塩化ナトリウムに代えて塩化カルシウム（ＣａＣｌ）を添加してもよい。
【００３７】
また、緩衝材５に直接電解質を添加するものとしたが、電解質を溶媒である水に溶かした電解液をあらかじめ作成しておき、それを粉体状または粒状の粘土系土質材料に添加して混練し、その後、所定の密度に締め固めることにより緩衝材５としてもよい。
【００３８】
さらに、粒状体の電解質と紛状体または粒状体の粘土系土質材料とをあらかじめ空練りして均質化しておき、その後、所定の水分を添加して混練した後、所定の密度に締め固めることにより緩衝材５としてもよい。
【００３９】
上述した実施の形態である緩衝材５は、所定密度に圧縮成型した後、廃棄体６と処分孔３との間に敷設するものとしたが、廃棄体６の回りに緩衝材５を充填し、締め固めて敷設するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】埋設処分施設を示す概念図である。
【図２】ベントナイトの膨潤率を示す図である。
【図３】ベントナイトの膨潤特性を示す図である。
【図４】モンモリロナイトの結晶層間距離と電解質濃度との関係を示した図である。
【図５】緩衝材が処分坑道の床面から膨出した状態を示す埋設処分施設を示す断面図である。
【図６】処分孔と緩衝材との間に止水膜を敷設した埋設処分施設を示す断面図である。
【図７】緩衝材と処分坑道との間に反力柱を設置した埋設処分施設を示す断面図である。
【図８】緩衝材を覆う蓋体をアンカーで固定した埋設処分施設を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    ガラス固化体
２    処分坑道
３    処分孔
４    オーバーパック
５    緩衝材
６    廃棄体
【図１】
0005041239.tif 000002
【図２】
0005041239.tif 000003
【図３】
0005041239.tif 000004
【図４】
0005041239.tif 000005
【図５】
0005041239.tif 000006
【図６】
0005041239.tif 000007
【図７】
0005041239.tif 000008
【図８】
0005041239.tif 000009