筑波大学 オンライン授業

環境動態解析学野外実験II「地下施設“仮想”見学を通して学ぶ
地層処分技術に関する研究開発の概要」
2022年2月25日 １限目

幌延深地層研究センター 深地層研究部
堆積岩地質環境研究グループ
宮川和也
0本日の内容1限目 幌延深地層研究計画の概要
2限目 地下施設“仮想”見学
3限目 個別の研究事例紹介

地層処分について、各国のエネルギー情勢や地政学、時事、放射性廃棄物全般、各国の取り組みを踏まえた詳細な解説は、岩月講師による環境動態解析学野外実験II（2020）および竹内講師による原子力災害環境影響評価論I（2020）のオンライン教材をご活用ください。

1

幌延深地層研究計画の概要

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
核燃料・バックエンド研究開発部門
幌延深地層研究センター
令和４年２月25日（金）本日のご説明内容
１．研究の概要
２．研究成果①第1段階の調査研究成果②第2段階の調査研究成果③第3段階の調査研究成果④令和2年度以降の幌延深地層研究計画
３．情報発信と理解醸成に向けた取り組み
参考資料

3

地層処分技術に関する研究開発拠点
核燃料・バックエンド研究開発部門

核燃料・バックエンド研究開発部門

東濃地科学センター

幌延深地層研究センター●旧瑞浪超深地層研究所(結晶質岩)

深地層の研究施設●幌延深地層研究センター(堆積岩)

土岐地球年代学研究所（イメージ図）核燃料・バックエンド研究開発部門

核燃料サイクル工学研究所（茨城県東海村）
エントリー【地下施設イメージ図】※ 旧瑞浪超深地層研究所では、令和4年1月に、地下施設の 地層処分基盤研究施設（コールド施設）埋め戻しが完了しました。

クオリティ

地層処分放射化学研究施設（ホット施設）

雰囲気制御
グローブボックス【地下施設イメージ図】 令和3年8月更新
イメージ図は今後の調査研究により見直すことがあります。

4

高レベル放射性廃棄物とは？
ガラス固化

ウラン探鉱

（高レベル放射性廃棄物）

再処理

核燃料
サイクル

再処理により発生した廃液をホウケイ酸ガラスに混ぜて約1,200℃で溶融したものをステンレス容器に注入・固化
ガラスの分子構造

原子力発電
使用済燃料
（燃料集合体）

ガラス固化体

酸素
ケイ素
ナトリウム
ホウ素アクチニド
他の廃棄物元素ガラス
キャニスター（ステンレス製）

・高さ：134 cm
・直径： 43 cm
・重さ：500 kg
100万キロワットの原子炉を1年間運転 ⇒ 約30本

（模式図）

5

地層処分システムとは？
天然の岩盤と人工物を組み合わせた多重バリアシステム
地下
#
$
$%
&'(以深

火山活動や地殻変動などの影響の少ない
安定な地質環境岩盤
地下深部の環境・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

天然バリア

緩衝材

オーバーパック

粘土を主成分金属（炭素鋼）製

ガラス

地下水や放射性物質の移動を遅くする

ガラス固化体と地下水の接触を遮断する

放射性物質を閉じ込め，溶け出しにくくする

人工バリア

ガラス固化体6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)「特定放射性廃棄物の最終処分に関する法律」(2000年6月)

2030
2010
2000
1990

1980
地層処分研究開始（1976年）

2040

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」

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）

7わが国の地層処分に係る体制
国

NUMO

電力会
社
等

拠出

支援

積
立

原
環
セン
タ+

○事業の安全な実施○経済性･効率性向上のための技術開発

取
戻%

監督

○基本方針の策定○最終処分計画策定等

規制○安全指針等の策定

事業と規制を支える技術基盤

原子力機構を中心とした研究開発機関○深地層の研究施設等を活用した，深地層の科学的研究○地層処分技術の信頼性向上や安全評価手法の高度化等に向けた基盤的な研究開発（原子力政策大綱等に基づく）

8

世界の地下研究施設

9

なぜ、深地層の研究施設が必要か？
※ 地層処分は長期にわたる初めての事業であり，具体的な調査の方法論を段階的に整備していくことが必要※ 処分候補地の調査では，確立された技術を用いて信頼性の高いデータを取得することが不可欠⇒ 調査・評価技術を事前に検証するための深地層の研究施設が必要

深地層の研究施設

処分場候補地

目的：調査するための技術の開発・確立

目的：処分場としての適性を評価するための調査＜代表的な地質環境＞
・堆積岩（幌延）・結晶質岩（瑞浪）＜応募された場所＞

調査－予測－検証による技術の確立

調査による
地下の予測

確立された技術による適性の評価検証された技術
長期性能の保証検証された調査技術による地下の把握

追加調査による予測結果の検証
地質環境の理解↓調査技術の体系化
適用性確認

長期性能の確認

試行錯誤ができる

失敗は許されない地質環境の理解↓
処分地としての適性評価
処分場の設計・安全評価10

日本に２つのｼﾞｪﾈﾘｯｸ地下研究施設（Generic URL）
① 地層処分技術を実際の地質環境に適用して確認② わが国固有の地質環境の理解
結晶質岩③ 深地層を体験・理解する場

堆積岩※ 旧瑞浪超深地層研究所では、令和4年1月に、地下施設の埋め戻しが完了しました。

旧瑞浪超深地層研究所

幌延深地層研究センター（岐阜県瑞浪市）（北海道幌延町）
鉱物粒子

花崗岩（結晶質岩）
淡水系
硬 岩【地下施設イメージ図】

泥 岩
（堆積岩）

割れ目
地下水
地下水

塩水系
軟 岩
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研究内容
【地層科学研究】（深地層の科学的研究）
物理探査「地下がどうなっているのか」，「なぜそんな仕組みになっているのか」そして「将来どうなるのか」を明らかにする研究。地下水や岩盤などの性質を調べることを通じ，地下深部の地質環境を把握するための技術開発を行い，地層処分研究開発の基盤とする。
地上からのボーリング調査孔間透水試験

コア採取・観察
物理検層など坑道掘削影響試験【地層処分研究開発】
低ｱﾙｶﾘ性ｺﾝｸﾘｰﾄ材料の試験

地下水の採水岩盤力学試験

実際に地下深部で，地層処分システムの設計・施工が可能かどうかを確認。
工学的技術とともに，研究の成果をその都度モデルに反映させて，安全性を評価する技術の信頼性を高める。
調査坑道での原位置試験イメージ

オーバーパック腐食試験
オイルなどの供給管

加熱用ヒーター

測定点

緩衝材
模擬オーバーパック

12幌延深地層研究計画スケジュール
年度
項目

H12

H17H22

H27(2000)(2005)(2010)(2015)

第1期中期計画

第2期中期計画

R4R10(2021) (2022)

R3(2028)

第3期中長期計画

第4期中長期計画▼H13.3 調査開始

第1段階

調査
研究

▼第1段階成果の取りまとめ（H19.3）

第2段階
掘削工事開始▼(H17.11)▼第2段階成果の取りまとめ（H29.3）▼350m坑道掘削終了(H26.6)

第3段階▼第3段階：必須の課題2015－2019年度の取りまとめ（R2.3）

第１段階 : 地上からの調査研究段階
第２段階 : 坑道掘削(地下施設建設)時の調査研究段階
第３段階 : 地下施設での調査研究段階※ 令和2年1月に「令和2年度以降の幌延深地層研究計画」を策定し、令和2年度以降、第3期及び第4期中長期計画期間の9年間、研究に取り組んでいくこととしています。

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第1段階の調査研究の成果の例
地表における地質学的調査
㏁僻垨$

地質調査

彯垨$

地質観察

京垨$

140m調査坑道
地中変位計の設置

初期地圧測定250m調査坑道

地表地質調査平成24年度までの掘削範囲

反射法地震探査水圧水質モニタリング

地上からのボーリング調査

350m調査坑道

ｺﾝｸﾘｰﾄ材料の影響調査
地下施設の建設欫氂氵汽泖泲沘(氶殻+ ,氵怕仿噬坷氵夳仇傊埽氦6 汫汢氂氧毮毘池汐氍殼

原位置トレーサー試験

剥ぎ取り露頭調査／坑道壁面調査

地上からの調査結果を統合した
地質構造モデル
小規模な断層の概念化

小規模な断層の分布をモデル化地下施設の設計に反映

Ø 概要調査に必要な基盤技術の整備•地表からの調査による深部地質環境を把握するための調査解析評価技術の構築•地表からの調査に適用した調査・モデル化手法の有効性を確認

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第２段階の調査研究の成果の例
掘削損傷領域を推定するための 低アルカリ性コンクリート材料を用いた調査・解析技術
吹付け施工の適用性確認

坑道での掘削影響領域調査

東立坑周辺における地下水中の塩分濃度の空間分布

東立坑掘削前 （第1段階調査時）

吹付け施工の様子

弾性波トモグラフィ結果• 掘削影響領域の掘削後の経時変動はほとんどない。

• HFSCを用いた吹付け施工を行い、その施工性に問題のないことを確認• 低アルカリ性セメント材料を使用した坑道の本格的な吹付け施工は世界初

東立坑 （地表から380mまで掘削）• 浅部において塩分濃度が低下しているものの、稚内層下部における塩分濃度分布に顕著な変化は認められない。

Ø 精密調査前半に必要な基盤技術の整備•坑道掘削による深部地質環境の変化の程度や現象の理解及び必要な調査技術の整備•坑道の掘削工事・維持管理を通じて，掘削技術・施工対策技術，安全確保・維持管理技術の適用事例の提示及び有効性の確認
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第３段階の調査研究の現状：人工バリア性能確認試験①試験孔の掘削

大口径掘削機人工バリア性能確認試験の目的【施工】「地層処分研究開発第2次取りまとめ」で示した処分概念が実際の地下環境で構築できることの実証【設計】
幌延を事例とした設計手法の提示【計測】
熱－水－応力－化学連成現象を評価するための検証データの取得（再冠水までの過渡期を対象）②人工バリアの設置

真空把持

模擬オーバーパックの設置③坑道の埋め戻し

転圧締め固め

試験孔の掘削中の様子④コンクリートプラグの設置

鉄筋組立

ブロック設置脱型

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第３段階の調査研究の現状：物質移行試験
岩盤マトリクス及び人工バリア
健岩部対象 中の物質移行特性の把握
緩衝材

350m調査坑道

単一割れ目対象
割れ目内の物質移行特性の把握

トレーサーの拡がり

孔長3m程度

径150mm

径76mm

径150mmパッカー

岩盤中の割れ目

トレーサー溶液

径76mm

トレーサー注入トレーサー回収
水理・トレーサー
試験装置

削孔状況

ボーリング孔人工バリアと天然大きさによる影響
バリアの比較の比較
試験概念図

削孔状況

試験概念図

透水試験実施状況

装置設置状況

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第３段階の調査研究の現状：処分概念オプションの実証

定置部
PEM

PEM（Prefabricated Engineeringbarrier system Module）：
鋼製容器の中にオーバーパックや緩衝材を設置して一体化したもの

搬送部

搬送定置・回収試験

上部開放部に充填された充填材

350m調査坑道

搬送・定置装置のイメージ図

模擬PEM：
直径約2.5m
長さ約3.5m

PEM
下部狭隘部

PEM
フォーク

右上
スクリュー
左上
スクリュー

除去試験前の状態

右下
スクリュー

左下
スクリュー

フォークをPEMの下に差し込み、エアベアリング（空気の力で浮かすことで、軽い力でも前後に動かせるようになる）で浮かせて、模擬PEM（約36.5トン）を動かします

埋め戻し材であるベントナイトペレット（ベントナイト100％）を、4本からなる充填装置（スクリューコンベア）で下部狭隘部にスクリュー方 回転する刃を押し当てて、模擬式で供給しながら、隙間の奥側から PEM上部開放部の充填材を削りな充填を行います。
がら取り除きます(機械式除去) 18

第３段階の調査研究の現状：地殻変動に対する堆積岩の緩衝能力の検証

水圧擾乱試験の概念図

水圧擾乱試験の作業状況

DIと割れ目内の透水性の関係
ダクティリティインデックス（DI）
岩石の強度・応力状態を示すために新たに定義した指標であり、この値が高いほど、岩石は見かけ上、やわらかくなります。
岩盤にかかる平均有効応力（岩石に実際にかかる平均的な負荷応力）をその健岩部の引張強度（岩石の引っ張り破壊に対する強度）で除した値で定義されます。

掘削損傷領域のひび割れへの蛍光樹脂の注入結果

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幌延深地層研究センターで実施中の研究の目的と得られる成果「研究の目的」Ø 高レベル放射性廃棄物の地層処分技術に関する研究開発
地層処分技術とは、ü処分事業を進める際に必要な「技術」
ü調査、建設、操業、安全審査で使う「技術」⇒ 調査機器、分析手法、調査・試験方法、解析手法、予測手法、評価手法 など
研究開発とは、⇒ 高度化、信頼性向上、精度向上、検証、高性能にする、より確かなものにする「成果」
Ø 地層処分の技術基盤の整備。具体的には、幌延
深地層研究センターの地下施設において、調査技術やモデル化・解析技術を実際の地質環境に適用して、その有効性が示されること。

人工バリア周辺で生じる現象の概念図

ガラスの溶解オーバーパックの腐食

地下水と鉱物との反応20令和２年度以降の幌延深地層研究計画①実際の地質環境における人工バリアの適用性確認
Ø 人工バリア性能確認試験
Ø 物質移行試験

埋め戻し材ブロック

コンクリートプラグ

埋め戻し材（転圧締め固め）②処分概念オプションの実証

計測システム室

模擬オーバーパック(模擬OP)

人工バリア性能確認試験
Ø 人工バリアの定置・品質確認などのの解体調査のイメージ
人工バリア性能確認試験の概要
方法論に関する実証試験
・操業・回収技術等の技術オプションの実証、閉鎖技術の実証
・坑道スケール～ピットスケールでの調査・設計・評価
技術の体系化Ø 高温度（100℃以上）等の限界的条件下での人工バリア
閉鎖技術オプションの整理性能確認試験
緩衝材

試験坑道4③地殻変動に対する堆積岩の緩衝能力の検証Ø 水圧擾乱試験などによる緩衝能力の検証・定量化
・地殻変動が地層の透水性に与える影響の把握
・地下水流れが非常に遅い領域を調査・評価する技術の高度化
Ø 地殻変動による人工バリアへの影響・回復挙動試験

廃棄体定置決定や間隔設定の考え方の整理

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幌延深地層研究センター施設配置図

換気立坑

排水処理設備

ゆめ地創館
地層処分
実規模試験施設

西立坑

東立坑

試験棟

研究管理棟
平成２４年１０月８日撮影

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地下施設の建設状況
立坑掘削状況
東立坑 ： 掘削深度 380.0m
換気立坑 ： 掘削深度 380.0m
西立坑 ： 掘削深度 365.0m
調査坑道掘削状況
深度140m調査坑道 ： 掘削長 186.1 m
深度250m調査坑道 ： 掘削長 190.6 m
深度350m調査坑道 ： 掘削長 757.1 m
深度500mまで拡張する計画を決定し、令和3年度の確認会議＊で確認を受けました。
＊北海道及び幌延町により設置された会議体。幌延深地層研究計画における協定の履行状況を確認するもの。

350m調査坑道
試験坑道４
人工バリア性能確認試験実施箇所（平成28年5月11日撮影）

西立坑（平成26年3月26日撮影）

東立坑（平成28年6月8日撮影）

350m調査坑道
東周回坑道（平成28年6月28日撮影）

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湧水・メタンガスへの安全対策
大量湧水への安全対策①北るもい漁協との協定に基づく対応（天塩川への放流量は1日当たり最大750m3）・坑内からの排水は，脱ホウ素・脱窒素処理したうえで，天塩川下流に放流（定期的に水質調査）
・1日当たりの坑内排水量が750m3を超える可能性がある場合には，超過分の排水を貯水可能設備へ一時貯水したうえで，坑内排水量の減少に応じて放流①②②グラウト施工による湧水抑制対策
・プレグラウト：掘削前の地質調査により，大量湧水が予測された場合・ポストグラウト：掘削後に大量の湧水があった場合

メタンガスへの安全対策

③
坑道

④
③

グラウト：岩盤に孔をあけ，水みちとなる岩盤の割れ目の中にセメントなどの固化材を圧入・充填することにより，湧水を止める技術①地下坑道の換気：地上の新鮮な空気を強制的に地下に送ることによる換気②メタンガス濃度による段階的な管理

②
①

破砕帯

・坑道内に設置したメタンガス検知器によりガス濃度を常時監視し，段階的に管理・点火源にならない機器（防爆仕様）の使用
メタンガス濃度対応基準
メタンガス濃度（Vol%）
0.25以上
0.5以上
1.0以上
1.0以上
1.3以上
1.5以上**労働安全衛生規則に基づく措置

対応内容
火器使用作業の禁止，非防爆電動工具の使用禁止
火薬取扱作業の禁止
パトライト点灯＆一斉放送
作業員退避
パトライト点灯＆サイレン
坑内電源遮断メタンガスが爆発する条件
・空気中のメタンガス濃度が５％～１５％・酸素・火気（点火源）

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情報発信と理解醸成に向けた取り組み
ホームページでの情報発信

計画説明会・成果報告会、地下施設見学会などの開催

l ゆめ地創館 館内案内動画の制作・公開
l お客様からのご質問に対する回答やご意見を掲載「令和2年度調査研究成果報告」（住民説明会）（国際交流施設 令和3年7月20日）「札幌報告会2021」（札幌市教育文化会館 令和3年11月9日）【住民説明会・札幌報告会2021はライブ配信もあわせて実施】
JAEA幌延チャンネル（YouTube）

その他
l 地下施設の工事や調査研究の状況を毎週更新
l メタンガス濃度、排水量等の地下施設の管理状況
を毎日更新 など

ツイッターでの情報発信

調査坑道での⾒学の様⼦

地下施設見学
4月～10月 火、木曜日
11月～ 3月 木曜日
4月～10月 第４日曜日に開催

地下施設の見学者数
n 令和元年度 ：1,344名
n 令和 ２年度 ： 542名
n 令和 ３年度 ： 489名
（R4.1月末）

幌延町広報誌「ほろのべの窓」での研究内容紹介の連載※2020年7月号から連載を開始

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ゆめ地創館館内状況
幌延深地層研究センターで行っている地下深部の研究内容の紹介

地下施設リアルタイムモニタ調査坑道での調査研究の概要についての展示ゆめ地創館の来館者数
n 令和元年度・・・ 8,092名
n 令和 ２年度・・・ 3,077名
n 令和 ３年度・・・ 2,528名
累計・・・123,735 名 （R4.1月末現在）

地下施設の様子を3D画像などでご覧いただける
主な見学者「深掘りサイエンスツアー」
n 一般（地域の方々など）
n 自治体関係者
n 電気事業関係者
n 国内外の研究機関及び学会関係者など

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地層処分実規模試験施設
地層処分への理解促進のため、実物大の人工バリアや実際の地下環境において試験を行った、横置きPEM方式定置装置・隙間充填装置など、高レベル放射性廃棄物の処分に関連する技術の研究状況とその成果を展示

横置きPEM方式に関わる装置の展示

地層処分実規模試験施設の来館者数
n 令和元年度・・・ 6,211名
n 令和 ２年度･･･ 2,414名
n 令和 ３年度・・・ 2,093名
累計・・・65,337 名 （R4.1月末現在）

人工バリアカットモデルの展示（オーバーパックと緩衝材）

主な見学者
n 一般（地域の方々など）
n 自治体関係者
n 電気事業関係者
n 国内外の研究機関及び学会関係者など

ベントナイト止水実験

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参考① 幌延深地層研究所の立地経緯○昭和59年7月：幌延町議会が「貯蔵工学センター」の誘致を決議○平成2年7月：道議会にて設置反対を決議○平成10年12月：サイクル機構より北海道知事及び幌延町長に対し「幌延町における深地層の研究について」申し入れ。
○平成12年5月：幌延町は「深地層の研究の推進に関する条例」を制定。
○平成12年10月：北海道議会第3回定例議会において知事が受け入れを表明。同議会において、「北海道における特定放射性廃棄物に関する条例」を可決。
○平成12年11月：科学技術庁原子力局長立会いの下、サイクル機構と北海道及び幌延町との間で「幌延町における深地層の研究に関する協定（三者協定）」を締結。
○平成13年4月1日：幌延深地層研究センター設置。
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参考② 幌延町における深地層の研究に関する協定書◆署名日 平成12年11月16日◆署名者 堀達也北海道知事、上山利勝幌延町長、都甲泰正ｻｲｸﾙ機構理事長（立会人：中澤佐市科技庁原子力局長）

第２条： 丙は、研究実施区域に、研究期間中はもとより研究終了後においても、放射性廃棄物を持ち込むことや使用することはしない。
n 第３条： 丙は、深地層の研究所を放射性廃棄物の最終処分を行う実施主体へ譲渡し、又は貸与しない。
n 第４条： 丙は、深地層の研究終了後は、地上の研究施設を閉鎖し、地下施設を埋め戻すものとする。
n 第５条： 丙は、当該研究実施区域を将来とも放射性廃棄物の最終処分場とせず、幌延町に放射性廃棄物の中間貯蔵施設を将来とも設置しない。
n 第６条： 丙は、積極的に情報公開に努めるものとする。
n 第７条：丙は、計画の内容を変更する場合には、事前に甲及び乙と協議するものとする。
n29

参考③ 北海道における特定放射性廃棄物に関する条例
平成12年10月24日 条例第120号
北海道は、豊かで優れた自然環境に恵まれた地域であり、この自然の恵みの下に、北国らしい生活を営み、個性ある文化を育んできた。
一方、発電用原子炉の運転に伴って生じた使用済燃料の再処理後に生ずる特定放射性廃棄物は、長期間にわたり人間環境から隔離する必要がある。現時点では、その処分方法の信頼性向上に積極的に取り組んでいるが、処分方法が十分確立されておらず、その試験研究の一層の推進が求められており、その処分方法の試験研究を進める必要がある。
私たちは、健康で文化的な生活を営むため、現在と将来の世代が共有する限りある環境を、将来に引き継ぐ責務を有しており、こうした状況の下では、特定放射性廃棄物の持込みは慎重に対処すべきであり、受け入れ難いことを宣言する。

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参考④ 幌延町における深地層の研究の推進に関する条例
平成12年5月11日 条例第25号（目的）
第１条 この条例は、わが国のエネルギー政策の推進に協力するために、深地層の研究に対する本町の基本方針を定め、地域の振興を図ることを目的とする。
（基本方針）
第２条 幌延町は、核燃料サイクル開発機構（以下「サイクル機構」という。）から立地の申し入れを受けた深地層の研究施設について、原子力政策の推進と地域の振興に資することから、これを受け入れるものとする。
２ 幌延町は、深地層の研究を円滑に推進するために、研究の期間中及び終了後において、町内に放射性廃棄物の持ち込みは認めないものとする。
３ 幌延町は、深地層の研究施設の設置にあたり、国、北海道及びサイクル機構に対して、地域の振興に資する施策が積極的に実施されることを要望するものとする。
（基本方針の通知）
第３条 幌延町は、第１条の目的達成のため、前条に定める基本方針を国、北海道及びサイクル機構等に通知するものとする。

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参考⑤ 令和２年度以降の幌延深地層研究計画
ー自治体との協議ー
令和元年8月2日：原子力機構が本計画（案）を自治体へ提示

9月～11月：自治体が研究計画の必要性、妥当性、三者協定との整合性を確認する確認会議を5回開催
12月9日：幌延町長が幌延町議会で本計画（案）の受け入れを表明

12月10日 ：北海道知事が北海道議会で本計画（案）の受け入れを表明
令和2年 1月23日 ：幌延町より了承の旨の文書を受領
1月24日 ：北海道より了承の旨の文書を発送（道知事記者会見）

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