平成21年10月25日2009年度バックエンド週末基礎講座（北大）

実践講座Ⅲ 地下環境特性
北海道大学大学院工学研究科
環境フィールド工学専攻
五十嵐敏文

講座の内容 地下環境特性とその意味
 処分にともなう地下環境特性の変遷
 サイト選定のプロセス
 各段階における地下環境特性
 建設期間中およびそれ以降の課題
 その他

地下環境特性（性能評価）
 地下水流動：流速（ダルシー流速）

透水係数、動水勾配、割れ目性状
 放射性核種化学種：酸化数などの化学形態

pH、Eh、温度、共存物質、・・・
 放射性核種移行：移流（実流速）、分散、拡散収着、（放射崩壊）、・・・（有効）間隙率、拡散係数、屈曲度、分配係数（Kd）、（崩壊定数）、・・・

地下環境特性（施設建設）
 力学的検討：空洞の安定性、掘削影響領域の評価

初期地圧、弾性係数、せん断強度、・・・
 熱的検討：廃棄体の設置レイアウト

熱伝導率、比熱、・・・
 人工バリアとの相互作用：力学的、熱的、化学的作用
 排水処理、残土処理ダルシーの式
Darcyが1856年に上水道のろ過砂の実験からこの法則を発見

Qv   k  iA
ここで、v：（見かけの）流速、i：動水勾配（水頭勾配）、k：比例定数、
Q：流量、A：土の透水断面積
透水係数（hydraulic conductivity）

dhids
ここで、s：浸透方向にそった距離、
h：全水頭(=p/γw+z)、p/γw：圧力水頭、
z：位置水頭、p：水圧、γw：水の単位体積重量
図 1

透水と水頭

pe-pH diagram, Eh-pH diagram, Pourbaix diagram

図 2

O2(g) + 4H+ + 4e = 2H2O
1KPO 2 [H  ] 4 [e] 4log K  83.1(25℃, 1bar ) log PO 2  4 log[H  ]  4 log[e]  83.11pe  20.8  pH  log PO 2
42H+ + 2e = H2(g)PH 2K  2 2[ H ] [e ]log K  0equation ①log PH 2  2 log[H  ]  2 log[e]  01pe  pH  log PH 22equation ②

分散と拡散図 3 aから投入されたあひるの河川中での流下状況（Schwartz and Zhang, 2003）

収着平衡と収着等温線
被収着質がどこまで収着されるか⇒収着平衡（sorption equilibrium）
q = f (C, T) (4.1)⇒収着等温線（sorption isotherm）
ここで、q：収着量、C：被収着質の平衡濃度（非収着質がガスの場合、分圧）、T：絶対温度
収着平衡に至るまでどれくらいの時間が必要か⇒収着速度

収着モデル ヘンリー（Henry）型

q=Kd・C (1)Kd：分配係数（distribution coefficient）
核種、媒体、周辺環境に依存 ラングミュア（Langmuir）型

qmax k L Cq
(2)
1  k LC フロイントリッヒ（Freundlich）型

q=α・Cβ(3) その他モデル（イオン交換モデル、表面錯体モデル）

分配係数等のデータベース
日本原子力研究開発機構 地層処分研究開発
部門 地層処分基盤研究開発ユニット 核種移行研究グループでは、
熱力学データベース（Thermodynamic DataBase: TDB）
収着データベース（Sorption DataBase: SDB）
拡散データベース（Diffusion DataBase: DDB）を開発

JAEA-SDBシステムの概要
 37元素、種々の固相（岩石、鉱物、粘土、酸化物、土壌、セメント材料）
 登録データ：分配係数約24,000、文献約310
 データベースの構成：酸化状態、液固比、pH、Eh、試験
雰囲気、温度、試験期間、固液分離法など
 信頼度を3段階で表示
詳細はhttp://migrationdb.jaea.go.jp/nmdb/db/sdb/search_1.jsp

地下環境特性の変遷
 処分施設掘削・建設前の状態
 処分施設建設中の状態
 処分後の状態

酸化還元雰囲気
温度環境
主要なバリア

建設前

建設中

埋め戻し後100～1000年

1000年以降

無酸素
還元環境

大気中酸
素濃度

酸素濃度減少、還元環境へ

無酸素
還元環境

30～50℃

大気温度＋α

100℃以下（崩壊熱）

30～50℃--

人工バリア（オーバーパック等）

緩衝材
天然バリア

サイト選定のプロセス
 概要調査地区選定段階（文献調査）
 精密調査地区選定段階（地表からの調査）
 処分施設建設地選定段階（地下での詳細調査）

図 3 ３段階の処分地選定過程（NUMO-TR-07-01より）

外国における処分サイト選定例
 スウェーデン

1993-2000 8地点におけるフィージビリティ調査
2002-2008 2地点におけるサイト調査（エストハンマル、オスカーシャム）
2009
エストハンマルに決定 フィンランド
1986-1992 5地点における概略サイト特性調査
1993-2000 4地点における詳細サイト特性調査
2001
オルキルオトに決定日本の現状 概要調査地区選定段階よりも前段階 地下研究施設2箇所

演習問題必要東濃地科学センター

幌延深地層研究センター

主立坑 400m
換気立坑 420m

東立坑 155m
換気立坑 250m

JAEAホームページより

建設期間中の課題
 トンネル湧水

幌延：全窒素（78 mg/L）、ホウ素(48 mg/L)
東濃：フッ素（8.7 mg/L）、ホウ素(1.2 mg/L)
自然由来
 掘削土（ずり）置場からの浸出水
水質汚濁防止法
 掘削土

土壌汚染対策法

掘削残土への対応

掘削土（ズリ）置場（平成19年11月撮影）

JAEAホームページより

土壌汚染対策法（平成15年2月）
 人為由来に限定
 溶出量・含有量（1N塩酸抽出量）に基づき評価
 自然的原因による全含有量の上限値の目安が提示（例

えばAsは全含有量で39 mg/kg）（環水土第20号、Ｈ15）

改正土壌汚染対策法（平成22年4月）
 人為由来と自然由来の区別なし
 搬出汚染土壌
 指定区域から形質変更時要届出区域，要措置区域へ

とくに北海道では人為由来の汚染はあるはず（北海道では指定区域1件）⇒ 土地取引が活発でないため件数も限られ、公にはなりにくい
それよりも鉱山、温泉、火山、泥炭地が多いため，自然由来の重金属類による汚染が多い⇒ どのような場合対策が必要なのか？
どの程度までの対策が適正なのか？
熊や鹿のリスクまで考慮するのか？

河川堆積物のヒ素含有量分布「日本の地球化学図」（2004）より

道内の自然由来の汚染の特徴
 岩盤掘削ずり（岩ずり）の重金属汚染
 温泉・鉱山・泥炭地に由来する土壌・地下水汚染
 ヒ素、鉛、セレン等による汚染

山間部：泥岩、変質火山岩などのトンネル掘削ずり
市街地：鉱山、温泉の影響のある扇状地、泥炭地

自然由来汚染土の対策例① 二重シートによる遮水② 単層のシートによる遮水③ ベントナイト混合土による遮水④ Mg系材料を用いた不溶化⑤ Fe系材料を用いた不溶化あるいは敷土吸着⑥ Ce系材料を用いた敷土吸着⑦ シート遮水による旧トンネル内への埋め戻し⑧ セメント工場への搬出⑨ 土壌浄化施設への搬出⑩ 要対策ずりと無対策ずりとの混合によるpH調整処理⑪ 浸透水の集水・処理⑫ 一体となる地域への埋め戻し二重シートの例（１）（道内）

二重シートの例（２）（八甲田トンネル）

ベントナイト混合土による遮水例（道内）

セメント固化の例（道内）

対策合理化のための課題
 発生源（重金属類溶出濃度の経時変化）の評価

溶出量、含有量試験ではなく、埋め立て環境に応じた溶出濃度の変化の把握
 対策の効果の定量化

各対策による敷地境界などでの濃度変化の評価
 合理化手法の構築

対策の仕様をパラメータとした敷地境界などでの濃度変化の評価

リサイクルの例☆吸着層模式概念
覆土掘削ずりアスファルト舗装
吸着層

清浄土で覆土（層厚50cm）
表面緑化
立入防止柵掘削ずり

吸着層(層厚30cm 現地発生土+吸着材)

地下水モニタリング
井戸

吸着層工法設計例
主な条件
・吸着層厚
0.3 m
・残土高さ5m・吸着層密度 1.77 g/cm3
・吸着層分配係数250～2500 ml/g

覆土

重金属含有建設残土

100

50

8040

As (μg/L)

As (μg/L)

吸着層

60
40

30
20200

Kd = 250 ml/g
Kd = 1000 ml/g
Kd = 2500 ml/g

1005001000

Time (y)

1500

2000

00500

1000

1500

Time (y)

2000

2500

3000

溶出濃度変化把握のためのカラム試験
 充填層厚の影響
ケース1：
泥岩層厚15cm

As (μg/L)

200
ケ ー ス １ケ ー ス ２ケ ー ス ３

150
100

ケース2：
泥岩層厚30cm
ケース3：
泥岩層厚45cm

500048Time12(weeks)1620

カラム試験（浸透水量の影響）

ケース1： 降雨浸透量 20 mm/w, 泥岩層厚20 cm
ケース2： 降雨浸透量 40 mm/w, 泥岩層厚20 cm
ケース3： 降雨浸透量 80 mm/w, 泥岩層厚20 cm

溶出量に及ぼすpHやEhの影響
1010000

Reducing conditions
AnoxicOxic

As (µg/L)

1000

Reducingconditions
Anoxic100

Pb (mg/L)

1

0.1

0.01

0.001

1002

468
pH

10

12140246810pH

pH、Ehなどによって溶出量異なる
現地環境に近い条件で実施することが必要

1214

Asの固相中の形態（分別抽出）
100%
90%
80%

Residual/crystalline

70%

with Fe-Mn Oxides

60%with Carbonates

50%

Exchangeable

40%
30%
20%
10%
0%
H16I2T8ST5-8ST6-3ST6'-5ST6-14(10.5 mg/kg) (17 mg/kg) (13 mg/kg) (264 mg/kg) (46 mg/kg) (346 mg/kg) (224mg/kg) 全含有量

模擬土捨場試験

実現象を模擬した試験による発生源評価

性能評価・安全評価の検証
 地下水流動：地下水年代測定による検証
36Cl/Cl、129I/127I
36Clの半減期30万年
129Iの半減期1570万年

地下水流動解析結果を年代測定によって検証
地下水年代と地層の形成年代との比較
 核種移行：ナチュラル・アナログによる検証

まとめ
 処分後の評価も重要であるが、建設期間中の課題も重要 多くの経験が必要（想定外の事象、シナリオもある）
多くの概要調査地区と少しの精密調査地区が必要
 性能評価・安全評価の結果をできる範囲で検証
 広い知識を活用し、チャレンジ