人工バリアの性能評価（公財）原子力環境整備促進・資金管理センター
処分技術調査研究プロジェクト
大和田 仁

バックエンド週末基礎講座 Oct. 31st 20101放射性廃棄物の種類と処分方策

処分形態と処分深度

発生源
浅地中処分（ピット／トレンチ）①原子力発電所・運転に伴って発生する廃棄物（冷却水運転に伴って発生する廃棄物（冷却水、イオン交換樹脂など）
イオン交換樹脂など）
1GBq/tを超えるもの
・原子炉の点検や解体等に伴って発生する廃棄物（炉心構造物等の放射化金属を含む）
・使用済み核燃料→我が国では全量を再処理する（廃棄物ではない）
使用済み核燃料→我が国では全量を再処理する（廃棄物ではない）

余裕深度処分
GL‐50～‐150m②燃料加工施設・ウラン燃料加工施設から発生するもの→ウラン廃棄物：処分方策は検討中
・ＭＯＸ燃料加工施設から発生するもの→いわゆるTRU廃棄物③再処理工場・ガラス固化体以外の廃棄物（施設の解体廃棄物を含む）→いわゆるTRU廃棄物

8.3GBq/tを超えるもの、I‐129を相当量含む
もの

地層処分
GL‐300m
以深・ガラス固化体→高レベル廃棄物④放射性物質を使う研究機関⑤放射性物質を使う医療機関

RI・研究所等廃棄物

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放射性廃棄物の処分における安全確保
・ 処分場の建設から操業開始まで→ 一般の工事と同様、作業における安全の確保、空洞の確保
・ 操業期間から埋め戻しまで→ ① 放射線からの防護 ： 必要な遮蔽を行う② 放射性物質の漏洩の防止 ： 輸送容器、処分容器等による核種の閉じ込め③ 放射性物質の移行の防止 ： 処分容器による核種の閉じ込め・ 処分坑道の埋め戻しから閉鎖まで→ ① 放射性物質の漏洩の防止 ： 人工バリアによる核種の閉じ込め② 放射性物質の移行の防止 ： 人工バリアによる核種の閉じ込め※ 少なくとも処分場の閉鎖までは再取り出しを考慮しなければならないが、少なくとも処分場の閉鎖までは再取り出しを考慮しなければならないが処分容器のみで物理的に閉じ込める機能を持たせることを明確に要求しては居ない
・ 処分場閉鎖後→ ① 生物圏（地表付近）からの離隔 ： 十分な処分深度と移行距離*1② 放射性物質の移行の抑制 ： 人工バリアおよび天然バリアによる核種の移行抑制*2＊１ 移行距離とは、処分施設からもっとも近い断層等の移行経路までの距離のこと。 高レベル廃棄物地層処分第2次とりまとめおよび第2次TRUレポートでは、最寄りの断層までの距離を100mと仮定している。
＊２ 核種の移行抑制には、地質媒体および人工バリア中の小さな拡散係数、小さな透水係数による抑制の他、人工バリ核種の移行抑制には 地質媒体および人工バリア中の小さな拡散係数 小さな透水係数による抑制の他 人工バリア材や地質媒体への収着、地質媒体内への核種の拡散等が考えられている。
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人工バリアとは？
・放射性物質を人間環境から隔離するために設けられる障壁のうち、最も内側にある機能放射性物質を環境から隔離するため 設 られる障壁 うち 最も内側 ある機能（Wikipedia）

・地下水によって放射性物質が人間環境に運ばれてくることを抑制するため人工的に設けられる障壁をいい ガラス固化体 オ バパ クおよび緩衝材をまとめていうられる障壁をいい、ガラス固化体、オーバパックおよび緩衝材をまとめていう。
（ATOMICA）

緩衝材・埋め戻し材

支保工

構造躯体
廃棄体 廃棄体容器 充填材
廃棄体・廃棄体容器・充填材
TRU廃棄物の地層処分の処分概念の例
http://www jnfl co jp/business-cycle/2
http://www.jnfl.co.jp/businesscycle/2_maisetsu/maisetsu_03/maisetsu_04/maisetsu_04_04.html
maisetsu/maisetsu 03/maisetsu 04/maisetsu 04 04 html

浅地中ピット処分の処分概念の例 （日本原燃六カ所埋設センター 2号埋設）
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人工バリアとは？

ガラス固化体オーバーパック

緩衝材
低拡散材

緩衝材

コンクリートピット

埋戻し材

余裕深度処分の処分概念の例（公財）原環センター：地下空洞型処分施設性能確証試験）

高レベル廃棄物の処分概念の例（公財）原環センター：実規模実証設備（幌延） 展示物

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性能評価とは？
・性能評価と安全評価（ここでの定義）
性能評価と安全評価
定義

性能評価（施設の性能を示すもの）
・処分場の置かれた環境、設計において、処分場の置かれた環境 設計において処分場の性能を示すもの,処分場が想定した機能を果たすかどうか確認するもの
機能を果たすかどうか確認するもの。
必ずしも保守的な設定によらない安全評価（安全性を示すもの）
・処分場の置かれた環境、設計において、放射性核種の影響が十分に低く保たれることを示すもの、方法。
・設置許可申請等に伴って、施設の安全性が担保担保されることを確認するもの、方法。
を確認す、方法。
不確実性を含む事象は保守的な考え方を用いて評価
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人工バリアの機能 ① 浅地中ピット処分（LLW）の場合
性能評価：処分場が想定した機能を果たすかどうか確認するもの。
性能評価
処分場が想定した機能を果たすかどうか確認するもの→人工バリアの機能排水・監視設備

ベントナイト混合土 :放射性核種の移行抑制、雨水 地下水の侵入・移行抑制
雨水、地下水の侵入移行抑制（止水性、低拡散性、収着性）
コンクリートピット ： 操業時の安全の確保、空洞の確保
放射性核種の移行抑制 地下水の侵入抑制
放射性核種の移行抑制、地下水の侵入抑制（止水性、低拡散性）
廃棄体（200ℓドラム缶）
内部充填材（セメント系材料）：放射性核種の移行抑制
操業時の放射性物質の漏洩の防止
セメント系充填材 ： 放射性核種の移行抑制、地下水の侵入抑制（止水性、低拡散性、収着性）
ポーラスコンクリート ： 埋め戻し後の管理期間までに施設に侵入した地下水等を排水する
侵入地下水等を排水する

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人工バリアの機能 ② 余裕深度処分（LLW）の場合
支保工 ： 作業における安全の確保、空洞の確保
埋め戻し材： ベントナイト系材料
放射性核種の移行抑制、地下水の侵入移行抑制（収着性、低拡散性、収着性）
緩衝材： ベントナイト系材料
放射性核種の移行抑制、地下水の侵入・移行抑制（止水性、低拡散性、収着性）
低拡散材： セメント系材料
低拡散材
系材料
放射性核種の移行抑制、地下水の侵入・移行抑制（止水性、低拡散性、収着性）
コンクリ トピット： セメント系材料
コンクリートピット：
操業時の安全の確保、空洞の確保
放射性核種の移行抑制、地下水の侵入・移行抑制（止水性、低拡散性、収着性）
インバート ： 作業における安全の確保、空洞の確保
廃棄体容器、充填材 ： （鋼製角形容器）
操業時の放射性物質の漏洩の防止、放射線からの防護

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人工バリアの機能 ③ TRU廃棄物の地層処分の場合
支保工 ： 作業における安全の確保、空洞の確保
緩衝材・埋め戻し材

埋め戻し材： ベントナイト系材料
放射性核種 移行抑制 地 水 侵入移行抑制
放射性核種の移行抑制、地下水の侵入移行抑制（収着性、低拡散性、収着性）
緩衝材： ベントナイト系材料
放射性核種の移行抑制、地下水の侵入・移行抑制（止水性、低拡散性、収着性）
構造躯体： 鋼製、コンクリート製
操業時の安全の確保、空洞の確保
廃棄体容器 ： 鋼製またはコンクリート製
操業時の安全の確保、放射性核種の移行抑制、地下水の侵入 移行抑制（止水性 低拡散性 収着性）
入・移行抑制（止水性、低拡散性、収着性）
充填材 ： （モルタル等のセメント系材料、砂等）
放射性核種の移行抑制（止水性 低拡散性 収着性）
（止水性、低拡散性、収着性）
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人工バリアの機能 ④ 高レベル廃棄物の地層処分の場合
支保工 ： 作業における安全の確保、空洞の確保
埋め戻し材 ベントナイト系材料
埋め戻し材：ントナイト系材料
放射性核種の移行抑制、地下水の侵入移行抑制（収着性、低拡散性、収着性）
緩衝材： ベントナイト系材料
放射性核種の移行抑制、地下水の侵入・移行抑制（止水性、低拡散性、収着性）
オーバーパック： 炭素鋼
放射性核種の放出抑制（1000年間）
キャニスタ： 炭素鋼
ガラス固化体ガラスの溶解による核種の放出抑制

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人工バリアの機能 ⑤各人工バリア材料に期待される機能
主に使われる材料は・・・・
ベントナイト系材料 ： 埋め戻し材（ベントナイト混合土）
緩衝材（ベントナイト、硅砂混合ベントナイト）
主に期待する機能 ： 止水性、低拡散性、収着性・・・処分場内を拡散場に保つとともに、収着によって処分場内を拡散場に保つとともに、収着によって核種の移行を抑制する
セメント系材料 ： 支保工、低拡散材、充填材、廃棄体容器、（容器内の充填材）
主に期待する機能 ： 収着性 ・・・収着によって核種の移行を抑制する： 低拡散性（余裕深度処分でのみ期待）・・・ 核種の拡散を抑制することで移行を遅延させる
金属材料 ： オーバーパック、キャニスタ、構造躯体
主に期待する機能 ： 腐食によって開口するまでの期間（最低1000年間）、放射性核種を内部に物理的に閉じ込める
その他 ： ガラス（ガラス固化体）
主に期待する機能 ： ガラスの遅い溶解による核種の放出抑制
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何をしなければならないか?
・地下水移行シナリオ
地下水移行シナリオ
廃棄物に含まれる放射性核種が、地下水に溶け出し、地下水の流れに沿って移流・拡散・希釈等によって移行するシナリオ 断層等に沿った移行により地表（生物圏）へ亀裂に沿 た移流/地質媒体 の収着
亀裂に沿った移流/地質媒体への収着
瞬時放出/溶解/物理閉じ込め
多孔質媒体中の拡散/収着

生物圏への影響は、食物連鎖、河川水の飲用等を考慮した線量係数を断層での「そのときの」核種を基に地表に到達するまでの減衰を考慮した濃度に対して乗じて算出される。

・日本人は海藻をよく食べるので、海水に移行したヨウ素の影響が大きく算出される。

廃棄体 移流/拡散

卓越した亀裂、断層等の「速い」移行経路
この間にかかる時間が長いほど、減衰を期待できる・処分場が想定した機能を果たすかどうか確認するためには、評価対象とする期間、各バリア材料が十分機能することを示す必要がある。
種
決、放動 、・核種のソースタームを決めるとともに、その放出挙動や、移行経路でのバリア材による移行抑制効果を予測する。
→ そのためには、各バリア材料の性能がどのように発現するのかを理解し、機能が変化する場合にはその辺かも予測する必要がある。

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人工バリアの性能（１） ソースターム‐1
１．ソースターム
a. 高レベル廃棄物のソースターム①ガラス固化体に含まれる核種の組成②ガラス固化体からの核種の放出メカニズム
ガラス固化体の浸出試験の結果、固化体のマトリッガラス固化体の浸出試験の結果固化体のマトリックスのホウケイ酸塩ガラスからのホウ素の溶出と調和的に核種が放出されるものとされた。

③オーバーパックの寿命・単寿命核種がほぼ減衰し、その危険性が低くなる
1000年間、オーバーパックによって物理的に核種を年間、オック よ
物理的 核種を閉じ込める・オーバーパックの材質となる金属（リファレンスでは炭素鋼）の腐食速度を基にしたオーバーパック厚さ： 40mm
40・操業中の放射線安全（遮蔽）を考慮してオーバーパックの厚さ（190mm）が設定されている

わが国における高レベル放射性廃棄物地層処分の技術的信頼性— 地層処分研究開発第2次取りまとめ—
第３分冊 pp.V-29

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人工バリアの性能（１） ソースターム‐2b. その他の廃棄物のソースタームb
その他の廃棄物のソ スタ ム
基本的に、放射性核種は処分場が地下水によって飽和した時点で瞬時に廃棄体定置領域に放出されるものとして設定されている。
・廃棄体（ドラム缶等）の寿命、廃棄体内部充填材等のセメント系材料のひび割れ発生等を予測することが困難。
・廃棄物の形態が多種多様 （液体や粉体をセメント固化したものや雑固体、（液体や粉体をセメント固化したものや雑固体付着物など）

例外：TRU廃棄物のグル プ２（ハル エンドピ ス）からの核種の放出
例外：TRU廃棄物のグループ２（ハル・エンドピース）からの核種の放出
ハル・エンドピース（ジルカロイ）に含まれる放射性核種① 表面への付着（FP）及びジルカロイの酸化被膜に含まれるC-14→ 瞬時放出を仮定
・酸化被膜からの放出メカニズムが明らかでない・付着した核種は速やかに地下水に放出されるものと考えられる② ジルカロイ中の放射化生成核種→ ジルカロイの腐食速度を仮定し、調和的に核種が放出される

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人工バリアの性能（2） 各材料の性能
1. ベントナイト系材料の性能
ベ系材料 性能
主に期待する機能は、止水性、低拡散性、収着性
ベントナイト系材料の拡散係数および透水係数は、有効スメクタイト密度の関数として表す事ができる。
→処分場の設計に当たっては、長期的な変化も考慮して、緩衝材厚さおよび配合を設定している。
→性能評価では有効スメクタイト密度の変化を考慮した拡散係数、透水係数の設定が必要となる場合がある。

長期的に考慮すべき事象
セメント系材料から浸出する高アルカリ水の影響、イライト化、疑クロライト化 ・・・・・有効スメクタイト密度の変化の原因

中性核種（HTO)、陽イオン核種、陰イオン核種の実行拡散係数の算出式
θ：間隙率 De:実行拡散係数 Fs：有効スメクタイト密度 D*：自由水中の拡散係数

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人工バリアの性能（2） 各材料の性能
2. セメント系材料の性能
系材料 性能主に期待する機能は収着性。
・潜在的には止水性や低拡散性を期待できるが ひび割れの発生等による性能低きるが、ひび割れの発生等による性能低下の予測が困難なことから、積極的に期待する機能とはされていない。
・この場合透水係数は砂なみとして評価される

余裕深度処分では低拡散性に期待。
・外側の緩衝材層で拡散場を維持することで、ひび割れの発生等の影響を回避し、密実なセメント系材料で低透水層を施工することで、核種の拡散を抑制

長期評価において、セメント系材料への核種の分配係数はその効果成分であ
核種 分配係数 そ 効果成分 あるC-S-Hの量を考慮して設定する。
拡散係数の変化は、変質（右図）にともなう空隙率の変化の関数。

長期的に考慮すべき事象
・溶脱による高アルカリ地下水の供給→ソースターム
・溶脱に伴う空隙率の変化、C-S-H量の変化

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人工バリアの性能評価（１） 性能評価の流れ
処分概念
ソースターム
各材料の性能想定事象
解析体系の設定
初期値の設定現象の理解

FEP, PIDの活用

シナリオ

どのシナリオを選択するか（蓋然性と影響度）

場の設定

考慮する事象の選択

核種移行の評価

人工バリアの性能
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人工バリアの性能評価（２） 現象の理解
ここまでに述べてきた 処分概念、ソースターム、各材料の性能とその変化等を理解し、処分場で起こる現象を推定、理解する。
・FEP （Feature、Event、Process）の活用
各部材（廃棄体、廃棄体容器、充填材、構造躯体、緩衝材、埋め戻し材、支保）ごとに、処分時および処分後、処分時お処分後に想定される現象について、その原因と影響（拡散係数や収着性の変化など）を記述したもの。
・PID （Process InfluenceDiagram）
FEP等に記述された現象について、その発端事象から、そいて その発端事象から その結果生じる事象とを結び、それぞれのつながりを明らかにしたもの
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FEPリストの例（第2次TRUレポート）

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人工バリアの性能評価（３） シナリオ
起こる可能性が高い（蓋然性が高い）シナリオ
起る可能性が高い（蓋然性が高い）シナリオ
・地下水移行シナリオ
廃棄物に含まれる放射性核種が、地下水に溶け出し、地下水の流れに沿って移流・拡散・希釈等によって移行するシナリオ 断層等に沿った移行により地表（生物圏）へ
生物圏への影響は、食物連鎖、河川水の飲用
亀裂に沿 た移流/地質媒体 の収着
亀裂に沿った移流/地質媒体への収着

瞬時放出/溶解/物理閉じ込め
多孔質媒体中の拡散/収着等を考慮した線量係数を断層での「そのときの」核種を基に地表に到達するまでの減衰を考慮した濃度に対して乗じて算出される。

廃棄体 移流/拡散

卓越した亀裂、断層等の「速い」移行経路
この間にかかる時間が長いほど、減衰を期待できる・ガス移行シナリオ
ガス移行シナリオ
廃棄物に含まれるガス状の放射性核種が、ガスの状態で地質媒体中を移行するシナリオ
その他のシナリオ
・人間浸入シナリオ／ボーリングシナリオ：ボーリング等によって処分施設が貫かれ、そのボーリングコアの観察者が被爆する際の影響を評価するシナリオ
・火山影響シナリオ ： 活火山の噴火が処分場を直撃した場合の影響を評価するシナリオ
・隆起浸食シナリオ
隆起浸食シナリオ ： 氷河期の到来等による海水準変動に伴い、処分場周囲の岩盤が氷河期の到来等による海水準変動に伴い 処分場周囲の岩盤が浸食され、処分場が地表に露出するシナリオ
バックエンド週末基礎講座 Oct. 31st 201020

人工バリアの性能評価（４） 場およびその変化の設定（環境解析）
・FEP、PIDを活用して、処分場で想定される事象をピックアップする。
例： セメント系材料の変質とそれに伴う緩衝材の変質・処分概念を解析モデル化
例：1次元モデル、疑似1次元モデル

・初期値の設定 （各部材の設計値等を用いて、初期の透水係数・拡散係数等を設定）→ OHP No.13～16 参照
これらの設定に基づいて人工バリアの変化を予測

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人工バリアの性能評価（4） 核種移行計算
場 を設定“場“を設定・環境解析の結果を基に、時間ごと、部材ごとの性能（拡散係数、分配係数など）を設定する。
・環境解析と核種移行計算とを連成しない場合 どの時間帯にどの状態を設定
・環境解析と核種移行計算とを連成しない場合、どの時間帯にどの状態を設定するかがポイント
時間ごとに設定された“場”（拡散係数、分配係数など）をもとに核種の移行を計算

第2次TRUレポートの人工バリアからの核種の移行率の解析結果
バックエンド週末基礎講座 Oct. 31st 201022

人工バリアの性能評価（5） 人工バリアの評価と処分場の評価
人工バリアから移行した核種は、岩盤中の亀裂、空隙を移行して、断層等の「速い」移行経路に達し、そこから地表に運ばれる。その際の経過時間及び希釈、減衰を考慮し、線量換算係数を乗じることで、線量が算出される

バックエンド週末基礎講座 Oct. 31st 201023