添付2-4-3

日本原子力研究開発機構
深地層研究部 堆積岩処分技術開発グループ1

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

ガラス固化体人工バリア
2

人工バリア性能確認試験の概要
人工バリア性能確認試験は、第２次取りまとめ※に示された軟岩系岩盤における処分孔竪置き方式を対象として、実物大の模擬人工バリアを実際の地下環境下に設置した上で、試験坑道の一部を埋め戻し、熱－水－応力－化学連成現象（THMC連成現象）に関する計測データを取得する試験※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-(1999）「日本でも地層処分が技術的に十分信頼性をもって行えること」、「今後、地層処分を進めていく際の技術的な拠り所が得られたこと」を示したレポート

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）
人工バリア性能確認試験
試験坑道4

緩衝材
計測システム模擬オーバーパック

換気立坑
東立坑
西立坑

人工バリア性能確認試験イメージ図

350m調査坑道
3

人工バリア性能確認試験の目的と実施内容【設計】
 幌延を事例とした設計手法の提示
人工バリア（緩衝材、オーバーパック）の設計手
法の適用性の確認
閉鎖技術（埋め戻し材、力学プラグ）に関する設
計手法の適用性確認【製作・施工】
 「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
処分孔（模擬）の掘削方法の例示
緩衝材ブロックの定置方法の例示
埋め戻し材施工方法の例示
プラグ施工方法の例示、など【データ計測と連成解析】
 THMC連成現象を評価するための検証
データの取得人工バリア、埋め戻し材中に設置したセンサーによるデータ計測
計測データを用いた連成解析手法の整備
モニタリング手法の適用性確認

これまで整理されてきた考え方で幌延の地質環境下（堆積岩、塩水地下水）で、人工バリアや埋め戻し材の仕様は決定できる？

設計で決まった仕様のものをどのようにつくる？
どのように品質を確認する？
原位置でどのように施工する？

室内試験などの地上試験の結果と実規模原位置試験の結果は同じ？
これまでに作成してきた解析コードで原位置のデータは再現できる？

4

人工バリア性能確認試験のスケール
試験坑道47.3m
3.0m
埋め戻し材(ブロック)

コンクリートプラグ
4.0m

埋め戻し材(転圧)
2.4m

土留め壁
（鋼製壁）

4.2m

緩衝材ブロック

岩盤

模擬オーバーパック（OP）
5

人工バリア、埋め戻し材の設計・製作
緩衝材
 材料 : クニゲルV1 （70％） + 硅砂 （30％）
 形状: 円柱、扇型
 乾燥密度 : 1.8 g/cm3
 初期含水比：10.5%70cm
173cm35cm
300kg
82cm

模擬オーバーパック
 材料 : 炭素鋼
 寸法 : 直径82cm、高さ173cm
 重量： 5.8 t
5.8 t

埋め戻し材
 材料: クニゲルV1 （40％） + 掘削ズリ （60％）
 乾燥密度： 転圧部 1.2g/cm3
ブロック部 1.4g/cm3

模擬オーバーパック

緩衝材
30cm

30cm

10cm

プラグ
 材料 : 低アルカリコンクリート

16.5kg

埋め戻し材（ﾌﾞﾛｯｸ）
6

人工バリア性能確認試験 施工の様子
試験坑道４

坑道支保（吹付けコンクリート）

注水システム

7.3m
3.0m

⑥
埋め戻し材ブロック

4.0m

⑤

①

埋め戻し材転圧

⑦

2.4m

③

②②模擬処分孔の掘削

コンクリートプラグ①試験坑道の掘削加熱
模擬OP

4.2m

④

注水システム（珪砂）緩衝材ブロック⑥埋め戻し材ブロックの設置③緩衝材の設置

岩盤⑦コンクリートプラグの設置④模擬OPの設置⑤埋め戻し材転圧7人工バリア性能確認試験の工程‘13 ‘14 ‘15 ‘16 ‘17 ‘18 ‘19 ‘20 ‘21 ‘22 ‘23･･･

試験坑道の掘削
模擬処分孔の掘削
人工バリア（模擬OP・緩衝材）の設置
坑道の埋め戻し（埋め戻し材・プラグ）
加熱試験

本日の見学

注水
2015年1月

減熱試験
解体調査

8

人工バリア性能確認試験における設計

これまで整理されてきた考え方で幌延の地質環境下（堆積岩、塩水地下水）で、人工バリアや埋め戻し材の仕様は決定できる？

【設計】
 幌延を事例とした設計手法の提示
人工バリア（緩衝材、オーバーパック）の設計手法の適用性の確認
閉鎖技術（埋め戻し材、力学プラグ）に関する設計手法の適用性確認

9設計：緩衝材の設計手法の適用性の確認•

平成17年取りまとめで構築された緩衝材の設計フローをもとに、人工バリア性能確認試験を実施
する深度350mの地質環境条件に基づいて試設計を行い、設計事例の妥当性の再検証を実施

オーバーパックなどの仕様情報を必要とせず緩衝材単独で設計可能な要件
止水性を満たす下限密度

自己シール性を満たす下限密度

コロイドろ過機能を有する下限密度

緩衝材仮仕様の設定

施工可能な上限密度
オーバーバックの仕様設定

オーバーパック仕様の情報を必要とする設計要件項目
廃棄体を支持できる
下限密度

NG

緩衝材仮仕様の確認

自己シール性を満たす下限密度（OP設計に伴う隙間など）

OK

OP腐食膨脹などの応力に対する緩衝性（変形能）を有する密度

緩衝材仮仕様の決定

緩衝材の設計フロー図
10

設計：緩衝材の設計手法の適用性の確認
深度350mの地質環境条件に基づく緩衝材（ブロック方式）の試設計結果
1.0

自己シール性を満たす下限密度
コロイドろ過機能を有する下限密度

応力に対する緩衝性（変形能）を有する上限密度

止水性を満たす
下限密度0.90.8

緩衝材厚さ [m]

緩衝材の仮仕様の決定
0.7

緩衝材の仮仕様の設定
ベントナイト70% + ケイ砂30%、乾燥密度1.6 Mg/m3

0.60.5⇒オーバーパックの仕様設定
サイト環境条件に応じて要件を満足する幅を設定することで柔軟な設計が可能であることを確認

0.40.3
廃棄体を支持できる下限密度0.20.51.0

施工可能な
上限密度
1.52.0有効粘土密度[Mg/m3]11

設計：埋め戻し材の設計手法の適用性の確認
埋め戻し材仕様の検討• 地下施設の処分概念に影響を与えないように坑道を処置しておくことが必要• 掘削ズリは材料調達のしやすさや経済性の観点から埋め戻し材として利用することが有効的• 幌延の掘削ズリにベントナイトを混合した材料について、設計要件を満たすように埋め戻し材の試設計を実施
幌延の地質環境条件

設計要件
低透水性、自己シール性、製作・施工性、力学的安定性

試設計結果
配合：掘削ズリ(60wt%)+ベントナイト(40wt%)
施工方法：転圧締固め（坑道下部）、ブロック定置（坑道上部）
目標乾燥密度：1.2Mg/m3(転圧締固め)、1.4Mg/m3（ブロック）
埋め戻し材の設計フロー

埋め戻し材の具体的な設計フローを構築し、幌延の地質環境条件を一例とした試設計を行うことにより、設計フローの適用性を確認
12

人工バリア性能確認試験における製作・施工・品質管理

設計で決まった仕様のものをどのようにつくる？
どのように品質を確認する？
原位置でどのように施工する？

【製作・施工】
 「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
処分孔（模擬）の掘削方法の例示
緩衝材ブロックの定置方法の例示
埋め戻し材施工方法の例示
プラグ施工方法の例示、など

13

施工：処分孔（模擬）の掘削方法の例示
処分孔（模擬）の掘削方法の例示• 竪置き方式を想定した直径2.4m､深さ4.2mの大口径の処分孔を掘削するために、外掘りケーシ
ング工法と中掘りオーガー工法を同一のマシンで施工可能な専用の掘削機械（大口径掘削機）を開発
ケーシング掘削

中堀（大）開発のコンセプト
 狭隘な地下空間において一貫施工が可能な機械設備
 多数の処分孔掘削の連続施工が可能な高い掘削能率と機動性
 より安全でシンプルな施工が可能
処分孔の掘削からオーバーパック設置前の段階まで、一連の施工を当該機械のみで適用できることを確認

大口径掘削機

外堀ケーシング掘削状況

中堀（小）試験孔掘削概念図

中堀オーガー掘削状況
14

製作・施工：緩衝材ブロックの製作と定置方法の例示
緩衝材ブロックの製作• 製作は施工時の隙間を考慮し、試設計結果（膨潤時乾燥密度1.6Mg/m3）を満たすように乾燥密度1.8Mg/m3のブロックを製作• 緩衝材ブロックは混合土を金型に投入し圧縮成型機械
により静的に圧縮成型
緩衝材の定置• 原子力環境整備促進・資金管理センター（原環センター）により開発された緩衝材定置技術である真空把持装置について地下での適用性を確認

①材料投入

②圧縮成型

緩衝材の定置（真空把持）

原位置においても真空把持装置が適用可能であることを確認
品質管理• ブロックごとのばらつきを少なくし、設計仕様を満足するか確認するために成型前、成型時、成型後の各々の段階において管理項目の測定を実施
成型前
含水比、メチレンブルー吸着量

成型時
材料投入量、成型圧力、圧縮保持時間

成型後寸法、質量、外観成型品ごとのばらつきが少なく、設計仕様を満たす緩衝材ブロックが製作可能なことを確認
15

製作・施工：埋め戻し材の製作と施工方法の例示
埋め戻し材混合土とブロックの製作• 混合土（粒径20mm以下の掘削ズリ：ベントナイト＝60:40wt%）を製作• 転圧締固め部は事前確認試験結果より目標乾燥密度を1.2Mg/m3に設定• 埋め戻し材ブロックは混合土を金型に投入し圧縮成型機械により静的に圧縮成型• 埋め戻し材ブロックは施工時の隙間や剛性を考慮し乾燥密度は1.4Mg/m3で製作

乾燥密度：1.4Mg/m3

乾燥密度：1.2Mg/m3

埋め戻しイメージ図

埋め戻し材の施工
ブロック定置
転圧締固め• 埋め戻し材下部はハンドガイドローラーにより、設定した目標乾燥密度をクリアするように転圧締固め施工• 埋め戻し材上部は目標乾燥密度をクリアするように製作したブロックを設置
埋め戻し材の施工例
品質管理• 埋め戻し材ブロックは緩衝材ブロックと同様、成型前、成型時、成型後の各々の段階における管理項目の測定を実施• 転圧締固め部は転圧時に巻き出し厚さと仕上がり厚さの測定を行い、転圧後に原位置密度測定（砂置換法、 RI法、熱伝導率法、レベル測量）を実施
RI法

巻き出し厚さの測定

熱伝導率法（QTM）

砂置換法

いずれの方法においても、乾燥密度測定を実施した層において、転圧締固めの目標乾燥密度1.2 Mg/m3以上を満たしていることを確認、RI法が比較的簡便かつ適用性の高い方法であることを確認
16

人工バリア定置後に人工バリア周辺（ニアフィールド）で想定される主な現象

17

処分場閉鎖後のストーリーボードの例
処分場閉鎖後に期待される処分場のシステムとしてのふるまい→時間スケール→空間スケール

処分場システムの状態の変遷とそれに応じた核種の移行は、空間スケールと時間スケールによって異なる

人工バリア性能確認試験で対象とする範囲※竪置き・ブロック方式

出典：NUMO(2021)包括的技術報告書
18人工バリア定置後に想定される現象の一例
掘削影響領域の発生• 止水プラグによる掘削影響領域の分断

各種坑道の掘削
湧水、排水、地下水位の低下
不飽和領域の拡大、酸化性環境

坑道の埋め戻し• 母岩の再冠水とともに飽和緩衝材の設置• 地下水の浸潤による緩衝材の飽和、膨潤• 低透水場の形成

母岩• 坑道周囲の母岩は不飽和、酸化性環境• 坑道の埋め戻し後、時間経過とともに飽和、還元環境へ回帰

OP（ガラス固化体）の設置
地下水反応• ガラス固化からの発熱による周辺の温度が上昇• 時間経過とともにガラス固化体の発熱量は低下• OPの腐食• 地下水と鉱物の反応• セメント系材料と地下水の反応、周辺母岩や緩衝材の変質

19熱-水-力学-化学連成現象
 地層処分における人工バリア定置後に想定される主な現象
・ガラス固化体からの発熱、周辺岩盤からの地下水の浸潤
・地下水浸潤による緩衝材の飽和と膨潤応力の発生
・地下水浸潤によるオーバーパック（OP）の腐食
・緩衝材間隙水と鉱物との反応など緩衝材の飽和緩衝材の膨潤周辺岩盤からの地下水の浸潤
イオンの移動OPの腐食
OP
ガラス固化体発熱

 これらの現象は相互に影響し合う複合的な連成現象となる（THMC連成現象：熱-水-力学-化学連成現象）
 このようなニアフィールドの過渡期状態変遷の評価は、安全評価における初期状態設定やオーバーパックの寿命評価に必要となるニアフィールドの環境条件の設定上重要となり、それらの連成現象の評
価手法の整備（解析ツールの整備）が必要

鉱物との反応緩衝材

THMC連成現象の一例

幌延URLにおいて人工バリア性能確認試験の実施
 緩衝材中の熱伝導挙動の把握
 緩衝材・埋め戻し材中の不飽和から飽和への過渡期現象の把握
 緩衝材・埋め戻し材中の力学挙動の把握
 オーバーパックの腐食挙動の把握
 間隙水の化学特性の把握
20

人工バリア性能確認試験におけるデータ計測と連成解析

室内試験などの地上試験の結果と実規模原位置試験の結果は同じ？
これまでに作成してきた解析コードで原位置のデータは再現できる？

【データ計測と連成解析】 THMC連成現象を評価するための検証
データの取得人工バリア、埋め戻し材中に設置したセンサーによるデータ計測
計測データを用いた連成解析手法の整備
モニタリング手法の適用性確認

21

加熱装置
試験坑道４

減熱開始
（設定温度約50℃）

加熱
模擬OP
岩盤

熱媒体（オイル）充填

ヒーター停止加熱開始（設定温度約95℃）

絶縁塗料

電気ヒーター

炭素鋼(SFVC1)
おもり
22

注水装置
埋め戻し材

注水システム

緩衝材

ボーリング孔配管
注水システム

珪砂

緩衝材

緩衝材

珪砂
有孔管

23

設置センサー一覧
設置センサー

振動弦

数量

計測項目

試験孔部 埋め戻し部 プラグ部

土圧

緩衝材中の土圧、埋め戻し材外周部の土圧、プラグ外周部の土圧

13

間隙水圧

緩衝材中および珪砂中の間隙圧

16

変位

緩衝材中の変位6

ひずみ

プラグ表面のひずみ

108

温度（熱電対）緩衝材中の温度22

湿度計

緩衝材中の湿度（水分量）

6サイクロメータ

緩衝材中のサクション（水分量）

9標準計測

埋め戻し材中の比誘電率（水分量）

温度補償計測緩衝材中の比誘電率（水分量）

12

温度

緩衝材中の温度6

光学式pH計

緩衝材中のpH9自然電位（白金電極）

緩衝材中の自然電位

9炭素鋼腐食センサー

模擬オーバーパックの液抵抗、分極抵抗（腐食速度）

12比抵抗トモグラフィ

緩衝材中の比抵抗（水分量）

262

緩衝材膨出センサー

埋め戻し材側への緩衝材の膨出量

流量計

緩衝材及び埋め戻し材中への注水量

温度計

模擬オーバーパックの表面温度

水分量（FDR-V）

31

15

2
緩衝材、埋め戻し材それぞれに異なるレンジの流量計を設置（３種類）
模擬オーバーパック表面に１０か所

24

緩衝材中のセンサー配置
10

3

5

RH002 FD002
PS002
RH003 FD003
PS003

RH001 FD001
PS001

RH005 FD005
PS005
RH006 FD006
PS006

RH004 FD004
PS004

TP011

TP007
TP005

TP002
DS002-1

PP003 PP002

DS002-2

TP001

DS001-1

DS002-3
TP006

TP004

TE006

PP006 PP005

PP001

C004

TE005
TE004

TE003

PP012

TE002
TE001
PH001

C003

C002

C006

C007

EH001
EH002
EH003

69
DS002-5
PS009
PS008
PS007

PH005

TP013
TP012

C012
PP014 PP013
C011

12

PP011

CH7
CH6
CH5

PPWL001

TEBS01 CH4
CH3

PPWL002

CH2

C009

C010

EH006

Plug

11
DS002-6

PH007

EH004
EH005

PH006

Plug

Plug

PH004

C005

PH003

Plug

TE007

PP010 PP009

PH002

PP004

TE008

TP008C008

TE011
TE010

PP008 PP007

TP003

TE009

TP009

TE012

C001

TP010

DS002-4

CH1CH8PP016 PP015

EH007
EH008
EH009

CH9
Buffer material
swelling sensor

PH008

TPWL001

TEBS02

CH10

CH11
CH12PH009

CH13
CH14

Plug

Plug

Plug

Plug

Anchorage point of sensors

25

埋め戻し材中のセンサー配置
B

A

C

STP008TPP010

STP007

STP006

STP004

TPP006

STP005

TPB029TPP009TPP008TPP007SL

STP001

TPP004

STP003DEE

TPBWL002,
PPBWL002

TPBWL001,PPBWL001

TPP001plug

FDB009FDB011TPB016
FDB008FDB006
FDB007

Buffermaterial

FDB013

FDB012TPB023G
FDB004

FDB010

TPB012

FDB015SL

TPB018TPB017TPB013

TPB028F

TPB019TPB015
TPB020

FDB014

TPP003

TPB012TPB020

TPB024

TPB027

TPB022

TPP005
TPP002Duct for cables of sensors

TPB030

TPB025
TPB026
TPB021

Duct for cables of sensors

STP002

D

TPB031TPB014TPB009FDB005SL

SL

TPB007

FDB003
FDB001TPB011TPB010

TPB004TPB005
TPB006TPB008FDB002
TPB003

TPB002
TPB00126

計測データの一例（緩衝材）
加熱

注水

飽和度（比抵抗トモグラフィ）

温度（熱電対）間隙圧（間隙水圧計）

サクション（サイクロメータ）

全応力（土圧計）

相対湿度（湿度計）

変位量（変位計）

pH計（光学式pH計）27

人工バリア性能確認試験における連成現象と連成解析
解析モデル

データ取得
 緩衝材底部及び埋め戻し材周りの注水量とOPの温度をコントールすることで、人工バリア及び埋め戻し材中の連成データを取得

埋め戻し材（ブロック）

注水管

埋め戻し材（転圧）
埋め戻し（ブロック）

埋め戻し（転圧）
コンクリート
緩衝材

複数の温度条件、注水条
件における実測値と解析値の比較を通じて解析モデ
ルの妥当性・センサーの精度・プロセスの相互作用・影響因子等について検討

加熱

岩盤

捉えたい人工バリア中の主な現象
・注水による水の移動（飽和度分布）
これらの現象は相・加熱による熱の移動（温度分布）
互に影響し合う・水による膨潤応力の発生（応力分布） （THMC連成現象）
・オーバーパックの腐食

緩衝材

境界条件
埋め戻し部注水圧
模擬OP表面温度
硅砂部温度、注水圧水理条件
 初期条件 緩衝材設置時の初期飽和度（50%）
 硅砂中の間隙水圧（実測値）を外側境界条件
 埋め戻し外側の間隙水圧（実測値）を外側境界条件
 硅砂中は常に飽和
温度条件
 初期条件 初期の緩衝材中の温度（実測値）
 模擬オーバーパック表面の温度（実測値）を内側境界条件
 硅砂中の温度（実測値）を外側境界条件

各種センサーにより計測
28

THM連成解析の一例

29

熱ー水ー応力連成解析（THAMES）
THAMES：THM連成現象が解析できる三次元有限要素（FEM）解析コード
温度勾配による水分の移動
温度変化による透水係数の変化

熱（温度）

水の流れによる熱の移動
飽和度変化による比熱や熱伝導率の変化

熱応力の発生水（流速、飽和度）

密度変化による透水係数や水分特性曲線の変化

密度変化による熱伝導率の変化
飽和度上昇に伴う膨潤応力の発生
飽和度変化による力学パラメータの変化

応力(変形)

THAMESで考慮するTHM連成現象
30解析結果の一例••

THM連成解析コードTHAMESを用いて人工バリア性能確認試験の再現解析を実施
検討結果から課題の抽出を行い、連成パラメータの取得や解析コードの改良を実施
緩衝材 温度（熱電対）埋め戻し材（ブロック）

緩衝材 飽和度（サイクロメータ）

埋め戻し材（転圧）

緩衝材

課題：連成パラメータの取得

境界条件
埋め戻し部注水圧
模擬OP表面温度
硅砂部温度、注水圧
出力ポイント

緩衝材 全応力（土圧計）

緩衝材 変位（変位計）

解析モデルと境界条件
計測データと連成解析結果（THAMES）の比較••

THMC連成解析コードCouplysを用いて、化学的な環境の変化を定量的に示す事例解析を実施
緩衝材中の空気の動きに着目し、気液二相流THM連成解析を実施（Code-Bright）
連成評価手法のさらなる高度化のためには、減熱時のデータ取得、計測データとの比較検証により抽出された課題（連成パラメータや気相の影響）の継続検討、他解析コードとの比較検証が必要
31

研究成果の活用（設計・製作・施工）
研究成果の概要

閉鎖技術の施工と品質管理

閉鎖技術の施工

コンクリートプラグ

埋め戻し材（ブロック）
埋め戻し材（転圧）緩衝材
模擬オーバーパック人工バリア、閉鎖技術の設計・製作・品質管理

研究成果の活用

人工バリアの定置技術

処分孔掘削技術

設計手法の適用性確認
 これまでに構築した人工バリアの設計フローに加え、新たに埋め戻し材に関する個別設計フローを構築し、その適用性を確認、人工バリア等の合理化設計技術に寄与
製作・施工及び品質管理手法の適用性確認
 新たに処分孔掘削技術の開発を含め、製作・施工技術や品質管理方法の適用性を例示、精密調査の段階（地下調査施設での調査）における安全性・合理性などを考慮した手順や工法の選定に寄与
32

今後の課題（データ計測・連成解析）
今後の課題
連成解析手法の高度化
 ガラス固化体からの発熱量の低下を模擬した原位置試験や解体調査による検証データの拡充、抽出された課題（連成パラメータの取得、気相の影響など）の継続検討、国際プロジェクトを通じた他解析コードとの比較検討を行うことで連成解析コードのさらなる高度化を目指す
モニタリング手法の適用性確認
 計測データの妥当性やセンサー長期耐用性等について、解体調査時に詳細を検証することで計測データの品質向上やモニタリング手法の高度化に資する情報の整理を目指す

今後の予定
減熱試験の実施
ヒーター温度連成解析手法の高度化• 連成パラメータの取得、気相の影響を確認するための室内、原位置試験• 国際プロジェクトによる他解析コードとの比較検討
DECOVALEX2023 （2020～2023） Task D「Full-scale Engineered Barrier System Experiment at Horonobe URL」

廃棄体からの発熱量の低下を模擬した減熱試験

約90℃

約２3℃
（原位置）

現在 解体調査

緩衝材

計測システム解体調査（サンプリング）• 計測データの校正、センサーの詳細確認• 人工バリア、埋め戻し材、岩盤、コンクリートやそれらの界面の詳細確認

設置センサー33