JAEA

放射性廃棄物の処分へ向けた研究

令和５年７月24日

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
バックエンド研究開発部門 東濃地科学センター
地層科学研究部 計画管理グループ
竹内 竜史

本日の内容JAEA 2

１．高レベル放射性廃棄物の地層処分とは？
２．原子力機構（東濃地科学センター）での研究開発
３．さいごに

高レベル放射性廃棄物の地層処分
約95%
ウラン

プルトニウム

約5%

核分裂生成物JAEA 3

ガラス
ホウ珪酸ガラス
原料
高レベル放射性廃液とガラス原料を混合して約1200℃で溶融

ステンレス製容器(キャニスター）

高レベル放射性廃棄物
貯蔵管理センター（六ケ所村）

地層処分場

30 ～ 50 年 程 度
冷却のために貯蔵管理

重量：約500kg
容量：約150L
含まれる放射性物質：約40kg

高レベル
ガラス固化体＝ 放射性廃棄物

高レベル放射性廃棄物の放射能の変化

JAEA 4

 放射能は時間とともに減少。
 数万年後には、ガラス固化体の放射能は天然のウラン鉱石と同程度となる。

地層処分が選択された理由

JAEA 5

長期管理

地層が持っている物質を閉じ込める性質を利用発射技術等の信頼性に問題

ロンドン条約により禁止

南極条約により禁止

人間による恒久的な管理が困難

JAEA 6

地表と地下の比較

地表(人間による管理)

地下(地層処分)

火山，断層，地震，隆起・浸食，台風，津波，地滑り，隕石 など

自然現象

火山，断層，（地震），隆起・浸食

破壊，爆発，火事，公害，事故，戦争，テロ など

人の行為

掘削(資源)

空気：台風 数秒程度
水 ：河川 数分程度
文字：数千年程度
建物：数千年程度

物質の動き(100mの移動時間)

空気 ：なし地下水：数万年程度残されているもの

化石：数億年程度
地層：数十億年程度・地下での様々な変化は地質学的時間スケールで起こり，地表に比べると極めて 「緩慢」

地震に伴う地下の揺れ
地震発生時の加速度
瑞浪超深地層研究所の、・地表・地下100m・地下300m・地下500mにおいて、地震に伴う揺れ（加速度）を観測

JAEA 7

地表と地下の違い（地震に伴う揺れの例）

JAEA 8観測深度と最大加速度との関係

震源からの距離によらず、地震の揺れは地下に向かうほど小さい
・深度300mで地表の1/3程度
・深度500mで地表の1/4程度
観測位置と震源位置との関係

JAEA 9

地層処分の安全確保の仕組み
火山、活断層、侵食・・・ 日本の地質環境
人間と廃棄体との接近

地下水の存在影響の可能性 地下水による放射性物質の運搬

火山や断層等を避けることで地層処分にとって安定な場所を選択

対 策

適切な多重バリアシステムを構築

工学的対策

人工バリア

天然バリア（岩盤）

安全性の確認

安全評価

処分場の長期安全性を予測的に評価

JAEA10

地層処分システムとは？
人工物と天然の岩盤を組み合わせた多重バリアシステム

地下３００メートル以深火山活動や地殻変動などの影響の少ない
安定な地質環境

オーバーパック

緩衝材

ガラス

金属（炭素鋼）製

粘土を主成分地下深部の環境

放射性物質を閉じ込め，溶け出しにくくする

ガラス固化体と地下水の接触を遮断する地下水や放射性物質の移動を遅くする

・人間活動や自然現象の影響を受けにくい・酸素がほとんどなく，鉄の腐食などが起こりにくい・地下水の動きが極めて遅い

ガラス固化体

人工バリア

岩盤

天然バリア

諸外国の地層処分事業の現状

JAEA 11

岩種

処分施設の深さ

対象廃棄物

未定

300m
以深

ガラス固化体フィンランド エウラヨキ自治体オルキルオト〇2001年：最終処分場の決定〇2016年12月：処分場建設を開始〇処分開始予定：2020年代

結晶質岩

約400～
450m

使用済燃料

スウェーデン エストハンマル自治体フォルスマルク〇2011年3月：立地・建設許可申請〇2022年1月：事業許可発給〇処分開始予定：2030年代

結晶質岩

約500m

使用済燃料

粘土層

約500m

ガラス固化体

国名

処分サイト

日本
未定

フランス

ビュール地下研究所の近傍〇2010年：地下施設展開区域の決定〇2023年：処分場設置許可申請〇処分開始予定：2035~2040年頃

その他、スイス、ドイツ、イギリス、アメリカ、カナダ等で、地層処分の実施に向けたサイトの選定作業や研究開発が進められています。
参考文献：｢諸外国における高レベル放射性廃棄物の処分について（2023年度版）｣ 経済産業省資源エネルギー庁

JAEA12

わが国の地層処分計画の進展
原子力安全委員会報告書「安全規制の基本的考え方」(2000年11月)

原子力発電環境整備機構（NUMO）の設立(2000年10月)「特定放射性廃棄物の最終処分に関する法律」「原子炉等規制法」の改正(2007年6月)

北海道寿都町、神恵内村
文献調査開始(2020年11月)

科学的特性マップ公表(2017年7月)

2030「特定放射性廃棄物の最終処分に関する法律」(2000年6月)

2010
1990

1980
地層処分研究開始（1976年）

地層処分研究開発
第１次取りまとめ(1992年)「地層処分の技術的可能性」

2000

2040

2020
知識マネジメントシステム公開(2010年)

幌延深地層研究所着工(2003年)
旧瑞浪超深地層研究所着工(2002年)

地層処分研究開発
第２次取りまとめ(1999年11月)「地層処分の技術的信頼性」
国による評価(2000年10月）

本日の内容JAEA13

１．高レベル放射性廃棄物の地層処分とは？
２．原子力機構（東濃地科学センター）での研究開発
３．さいごに

原子力機構における地層処分技術開発
東濃地科学センター●旧瑞浪超深地層研究所

深地層の研究施設

JAEA14

幌延深地層研究センター

・地質環境特性に関する研究（結晶質岩[硬岩]、淡水系地下水）・堆積岩[軟岩]
・塩水系地下水●土岐地球年代学研究所

・地質環境の長期安定性に関する研究（イメージ図）核燃料サイクル工学研究所
研究は令和元年度で終了（イメージ図）わが国の地質の分布(海抜-500m)結晶質岩(花崗岩など)と堆積岩(泥岩など)に大きく分けられる（茨城県東海村）（イメージ図）※ Engineering scale Test andResearch Facility※ Quantitative Assessment Radionuclide
Migration Experimental Facility

地層処分基盤研究施設 地層処分放射化学研究施設（ENTRY：コールド施設）（QUARITY：ホット施設）

土岐地球年代学研究所で進める研究

JAEA15

地質環境の長期安定性に関する研究

地層処分にとって安定な場所を選択するために必要な3つの研究を実施中②選んだ場所が将来にわたって安全かを確認する技術を作る（長期予測・影響評価モデルの開発）③過去の活動履歴を知り次の活動を予測するために必要な技術を作る（年代測定技術の開発）“どのくらい”かけて起こってる？

前は”いつ”起こった？

①自然現象の影響のない安全な場所を探す
調査技術を作る（調査技術の開発・体系化）

①安全な場所を探す調査技術を作る

JAEA16<地下深部のマグマの分布を探る調査技術>

将来新たな火山が発生するようなマグマ溜まりの存在の有無を地表から確認するための調査技術を開発しています！
MT法：(Magneto-Telluric：地磁気地電流) Ｎ
自然の地磁気と地電流（比抵抗）を観測して地下深部の地下構造を探査する

▼観測点

▲火山Ｓ

○震源

部分溶融（マグマ）＋流体

マグマのある場所がわかる

②将来にわたって安全かを確認する技術を作る

JAEA17<過去100万年前からの変化のモデルを作成>

猿人

原人

旧人

新人

経済産業省資源エネルギー庁委託事業 高レベル放射性廃棄物等の地層処分に関する技術開発事業 地質環境長期安定性評価確証技術開発

過去の変化をもとに、未来を予測する。
東濃地科学センターHP： https://www.jaea.go.jp/04/tono/
長期変動アニメーション：https://www.jaea.go.jp/04/tono/gsp/visualizations.html

③年代測定技術の重要性

JAEA18“いつ”が分からないと、将来を予測することができない！
年代測定技術がない場合

年代測定技術がある場合隆起して水から離れていったから、40万年で80ｍ隆起したということは、そのうち、何mか隆起するだろう。
かなり昔？
ちょっと昔？
海

ずっと昔？

10万年後には20m隆起するだろう。

80 m
60 m
24 m
0m

４０万年前
３０万年前

海

１２万年前

標高

過去は未来を解くカギ！年代測定技術があると、将来の姿をより正しく予測できる！

③年代測定技術の重要性

JAEA19年代測定法はひとつでいいの？
調べるものに合わせて色々な年代測定法が必要なんだ！
堆積物の放射性炭素年代法

河岸段丘第四系

加速器質量分析装置
基盤岩のウラン・トリウム・ヘリウム年代法

四重極型
質量分析装置堆積物の火山灰層位法

断層

断層ガウジ
※

※断層の運動によって岩石が破砕され、粘土のように粒径が小さくなった部分

断層ガウジのカリウム・アルゴン年代法
希ガス質量分析装置

JAEA

土岐地球年代学研究所で実施できる年代測定法
研究所では、さまざまな自然現象、年代範囲に対応できるように多種多様な年代測定技術を開発・整備しています。

12

広域地下水流動研究と超深地層研究所計画

JAEA21

ローカルスケール領域

リージョナルスケール領域

EL(m)広域地下水流動研究
2 0 km

1 1 5 km

木曽川流域

笠木山（1 ,1 2 8 m）

3 5 km

7 0 km

御嶽山（3 ,0 6 7 m)

恵那山（2 ,1 9 1 m）

屏風山（7 2 9 m）

サイトスケール領域
E.L.
( m)

推定断層
土岐川流域

瑞浪超深地層研究所用地 リージョナルスケール（数10km四方）：深部地下水流動系（涵養域から流出域）の抽出
 ローカルスケール（約10km四方）：深部地下水流動系を包含した領域における地下水流動特性の把握
 サイトスケール（約2km四方）：研究所用地を中心として主要な地質構造の分布を考慮した領域における地下水流動特性の把握
 ブロックスケール（約数十m～数百m四方）：研究
坑道近傍の詳細な地下水流動特性の把握

月吉断層ブロックスケール
領域

日吉川

瑞浪超深地層研究所
用地

1 km

土岐川

国土地理院発行1 :2 5 ,0 0 0地形図「瑞浪」を使用

超深地層研究所計画

JAEA22

広域地下水流動研究（リージョナルスケール）【目的】 モデル構築領域及びその境界条件を適切に設定するために，注目する地点を通過する深部地下水の涵養域から流出域までを包含する深部地下水流動系を抽出すること
N

2500

70 [km]

1500

115 [km]2000

35 [km]1000
20 [km]

領域内最大標高 [m]

3000

500
0020

研究所用地

特徴的な標高が現れる領域

406080
研究所用地を中心とした正方形領域の一辺の長さ [km]100120地形解析による後背地地形の抽出

20 [km]Case B010km

 広範囲の地下水位分布の推定
 地下水位分布を用いた解析結果の妥当性確認

115 [km]

木曽川流域

笠置山 （1,128 [m]）35 [km]70 [km]

御嶽山（3,067 [m])恵那山（2,191 [m]）屏風山（729 [m]）
標高[m]

土岐川流域

研究所用地

水理地質構造モデルの構築
地下水流動解析 解析結果に基づく深部地下水流動系の抽出

広域地下水流動研究（ローカルスケール）【目的】
深部地下水流動系を包含する領域の地下水流動特性を評価するための調査・解析・評価技術を構築すること

地下水流動特性を把握するための考え方① 空中写真判読や物理探査により，大規模な不連続構造などの存在や分布を確認② 地下水流動解析から推定された地下水の主流
動方向に沿った地点でのボーリング調査により，地下水流動や水質分布を把握③ 地下水流動に影響を与える不連続構造の把握のためには，地下水の主流動方向にほぼ直交する断層の水理特性を優先的に調査

JAEA23不連続構造の水理特性の不確実性に着目した感度解析

地下水流動解析結果

水質分布解析結果と地球化学モデルとの整合性を確認

深度1,000ｍ対応水理試験装置の開発
試験装置の仕様

JAEA24

適用温度:0-70ºC
適用深度:G.L.-1,500m（←耐圧性能 約15MPaが必要）
適用孔径：Φ100-140mm
試験方法:間隙水圧測定
パルス試験
スラグ試験
揚水試験
透水係数の測定範囲:10-5-10-12m/sec
その他機能：試験区間および上下区間での水圧／温度測定が可能
シングルパッカー／ダブルパッカーでの試験が可能

広域地下水流動研究と超深地層研究所計画

JAEA25

ローカルスケール領域

リージョナルスケール領域

EL(m)広域地下水流動研究
2 0 km

1 1 5 km

木曽川流域

笠木山（1 ,1 2 8 m）

3 5 km

7 0 km

御嶽山（3 ,0 6 7 m)

恵那山（2 ,1 9 1 m）

屏風山（7 2 9 m）

サイトスケール領域
E.L.
( m)

推定断層
土岐川流域

瑞浪超深地層研究所用地

 リージョナルスケール（数10km四方）：深部地下水流動系（涵養域から流出域）の抽出
 ローカルスケール（約10km四方）：深部地下水流動系を包含した領域における地下水流動特性の把握
 サイトスケール（約2km四方）：研究所用地を中心として主要な地質構造の分布を考慮した領域における地下水流動特性の把握
 ブロックスケール（約数十m～数百m四方）：研究坑道近傍の詳細な地下水流動特性の把握

月吉断層ブロックスケール
領域

日吉川

瑞浪超深地層研究所
用地

1 km

土岐川

国土地理院発行1 :2 5 ,0 0 0地形図「瑞浪」を使用

超深地層研究所計画

超深地層研究所計画（旧瑞浪超深地層研究所の施設概要）
堆積場

防音ハウス
（換気立坑）

コンクリートプラント

JAEA26防音ハウス
（主立坑）

管理棟

巻上設備
排水処理設備

巻上設備

受変電設備
非常用発電設備

工事施工者
事務所

令和元年度に調査研究を終了
令和3年12月に埋戻しを終了【深度500m研究アクセス南坑道】 【深度500m研究アクセス北坑道】

JAEA27

超深地層研究所計画

目標①深部地質環境の調査・解析・評価技術の基盤の整備②深地層における工学技術の基盤の整備【第1段階】
地表からの調査予測研究段階【第2段階】
研究坑道の掘削を伴う研究段階【第3段階】
研究坑道を利用した研究段階(標高:m)
200
堆積岩
0
花崗岩
-200-400
断層【壁面観察】(ボーリングコア)
換気立坑

-600

-1000

堆積岩

測定車

-800 発振装置【岩盤中の物質の移動に関する調査研究】

主立坑

花崗岩

受振機
受振器

(ボーリング調査)-1200

反射してくる振動【反射法弾性波探査】

地表から調査して地下の様子を推定します

断層工事等による様々な振動【研究坑道内での物理探査】研究坑道を掘削しながら研究します(検証)【再冠水試験】

坑道を利用して詳しく研究します繰返しアプローチの適用（第１段階）
重要な要素（モデル化・解析結果への感度の高い不確実性因子）の抽出

JAEA28

概念モデルに基づく調査計画の策定

概念モデル

(a)

抽出された重要な要素を優先的に把握するための調査計画の策定(b)

All_aniso

NNW_high

全ての断層：透水異方性有NNW 断層（－）： 高透水原位置調査

(e)

(d)

N

EL.(m)
500

NW_high

NE_high

NW 系断層（－）： 高透水NE 系断層（－）： 高透水

0-500

水理地質構造モデルの不確実性の影響が大きい箇所-1000

1 km-1500-2000

地下水流動解析

5600

8-664
00EW(m)-67200-600
960000088m)
S(N-水理地質構造モデル

地質構造モデル地下施設掘削中の全水頭（地下水位）の変化
220

主立坑断層

200

MPシステムEL+187～+52mの5区間で計測

MSB-1号孔

160

80
60
40
99/04

ピエゾシステムによる測定

MPシステムによる測定

東北地方太平洋沖地震（M9.0)

100

駿河湾沖地震（M6.5)

120

茨城県沖地震（M7.0)

140

東海道沖地震（M7.4)

160

DH-2号孔紀伊半島沖地震（M7.1)

180

能登半島沖地震（M6.9)

MPシステム
深度約180m～500mの4区間で計測

200

03/03

05/02

07/02

時間

09/02

E.L.m
500

05/02

07/02

A

時間

東北地方太平洋沖地震（M9.0)

03/03

南09/02

11/01

13/01

主立坑断層

0

UHFD

LSFD

-500

ピエゾシステムEL+18～-307mの7区間で計測
01/03

01/03

駿河湾沖地震（M6.5)

60
99/04

茨城県沖地震（M7.0)80

能登半島沖地震（M6.9)

100

東海道沖地震（M7.4)

120

紀伊半島沖地震（M7.1)

140
十勝沖地震（M8.0)

全水頭（El m)

180

十勝沖地震（M8.0)

全水頭（El m)

JAEA29

500m
-1000
11/01

13/01

15/01

地下水流動解析結果

低透水性構造（泥岩層、断層）を挟んで全水頭の変化が異なる

北B

15/01

地下施設掘削中の地下水水質の変化

塩化物イオン濃度（mg/L）

換気立坑

主立坑

換気立坑に設置した集水リングより採取した地下水の塩化物イオン濃度

塩化物イオン濃度（mg/L）

MSB-2号孔

300

200

1000

地下水中の塩化物イオン濃度は一時的に上昇し、その後、低下する（地下深部からの地下水の上昇と地下浅部からの地下水の降下）

JAEA30地下施設掘削中の地下水水質の変化

JAEA31

地下水流動解析結果

 換気立坑が存在する領域で，数十～百数十mの水位低下

 深度500m程度まで，表層水を含む浅部の地下水が流入し，水質がNa・Ca・Clに富む地下水から，SO4・無機炭素に富む地下水組成に徐々に変化

第１段階の予測と整合的な結果

第１段階・第２段階で得られた主な研究開発成果
地質環境の調査・モデル化手法の開発

坑道掘削に伴う地質環境の変化に関する調査・解析
技術の開発

地下水調査機器

地下水の水圧や水質モニタリング

地質構造モデル 坑道掘削に伴う地下水の水圧・水質、岩盤の変位等を捉えるための観測技術及び予測解析
技術を整備

 地上から地下深部の地質環境特性を把握するための調査技術及び解析技術を整備

 坑道掘削工事に伴う地質環境の変化に関する知見を蓄積

地下深部に安全に坑道を掘削する技術の確立
深度500m研究アクセス北坑
道 深度500ｍにおける高い水圧環境の中で安全に坑道を建設・維持する技術及び坑内湧水を抑制する技術などを実証

第3段階における研究開発テーマ

JAEA33

坑道埋め戻し技術の開発

JAEA34－再冠水試験ー 地下施設の建設・操業により乱された地質環境の回復能力の例示と関連する技術の開発
 坑道の掘削・維持管理により乱された地質環境特性の回復・定常化過程の知見を蓄積

予備ステージ(深度100mごと)

換気立坑

深度200m
ボーリング横坑(換気立坑)
深度300mステージ

主立坑

深度200m
ボーリング横坑(主立坑)

深度300m研究アクセス坑道

深度500m研究アクセス北坑道

深度500m研究アクセス南坑道

冠水坑道
深度500mステージ

 坑道閉鎖時の坑道・施設スケールでの地質環境特性の変化（回復過程）の観測・解析技術，施設閉鎖後の地質環境の長期的変遷を推定する解析手法の開発

JAEA35

再冠水試験（水圧）

4冠水試験

342
31
2

冠水坑道

1冠水試験

 坑道掘削、冠水、排水に伴う水圧変化から坑道周辺の水理学的不均質性を確認
 坑道および坑道周辺の観測孔において、冠水に伴う水圧回復を確認

再冠水試験（水質）65412MI33号孔
冠水試験

冠水坑道区間210pHpH
9.098400区間2200ORP (mV)

ORP(mV)11110.0

8.002-100DO

4.00-200-400-2001.0ORP

6.02.0DO（mg/L）

11.0

3JAEA360.0

区間2DO(mg/L)

 冠水坑道内のpHは、冠水によりアルカリ性に変化

 冠水により、冠水坑道内は数か月で還元状態に復元、また、無酸素状態も復元

0.0

 坑道周辺は、冠水坑道掘削後から徐々に酸化的に変化し、坑道冠水中は還元的に変化、排水後は酸化的に変化

令和2年度以降の超深地層研究所

JAEA37

超深地層研究所計画における調査研究は2019年度で終了
坑道の埋め戻しは2021年度に終了
現在、坑道埋戻し後の地下水の環境（水圧・水質）モニタリングを実施中

地下水の環境モニタリング調査の一例○地下水の水圧・水質の観測結果①②③④

埋め戻しの進捗に伴う地下水の水圧変化
区間2 区間1拡大図● ①● ②
● ③
● ④

12MI33号孔の観測区間（mabh：ボーリング孔沿いの距離）・区間1：105.4～107（mabh）
・区間2：85.7～104.5（mabh）

環境モニタリング調査の位置図（研究坑道内）

地下水の塩化物イオン濃度の変化

JAEA38これまでに得られた成果

https://www.jaea.go.jp/04/tono/

JAEA39本日の内容JAEA40１．高レベル放射性廃棄物の地層処分とは？
２．原子力機構（東濃地科学センター）での研究開発
３．さいごにさいごに

JAEA41

日本には、これまでの原子力発電の利用によって、既にガラス固化体で2万6千本相当にのぼる高レベル放射性廃棄物が存在します。この高レベル放射性廃棄物を、どう措置するかは、国全体の問題です。
地層処分は、この高レベル放射性廃棄物の問題を安全に解決するための方策として、世界中で採用されている方法です。日本でも安全に行うことができる見通しが得られています。
皆さん一人一人が高レベル放射性廃棄物の地層処分に興味を持ち、高レベル放射性廃棄物の地層処分について考えるきっかけになると幸いです。