第¿部
放射性廃棄物処理・処分技術

第

章

2

高レベル放射性廃棄物処分

第２章
我孫子研究所

研究参事

駒田

広也

我孫子研究所地質部

主任研究員

宮川

公雄

我孫子研究所地質部

主任研究員

阿部信太郎

狛江研究所原子力システム部

上席研究員

塚本

我孫子研究所地質部

主任研究員

田中

高レベル放射性廃棄物処分 ● 目
我孫子研究所地質部

次

部長

田中

和広

我孫子研究所地質部

主任研究員

近藤

浩文

我孫子研究所地震耐震部

主任研究員

小峰

秀雄

政樹

我孫子研究所地質部

上席研究員

五十嵐敏文

靖治

我孫子研究所地質部

主任研究員

長谷川琢磨

２−１

事業化に向けての技術開発………………………………………………………………………………………………19

２−２

地質環境の長期安定性評価−処分候補地選定のための研究−

２−３

地質・地下水環境特性の調査・評価−処分予定地選定のための研究−

２−４

ベントナイト系緩衝材・埋戻し材の膨潤・透水特性−処分施設の設計・建設のための研究−

２−５

人工バリアの性能評価手法 −処分の安全評価のための研究− ………………………………………………………33

２−６

天然バリアの性能評価手法 −処分の安全評価のための研究− ………………………………………………………36

駒田 浩也（８ページに掲載）

宮川 公雄（1983年入所）
主に放射性廃棄物処分の地層処分に係わる研究に携わってきた。現在は沿岸部・結晶質岩地域における水理地質構造特性の研究に従事している。

阿部信太郎（1992年入所）
これまで活断層調査の高精度化に関する研
究に物理探査の立場から携わってきた。最近
では、湖における３次元反射法地震探査や地下レーダーを用いた高精度３次元反射法探査、
マグマや地震発生層の把握を目的とした自然地震を用いた深部地殻構造探査に取り組んでいる。今後は、地殻変動のモニタリングや長期変動予測に取り組む。
塚本 政樹（1982年入所）
高レベル廃棄物地層処分時の核種移行挙動
予測手法研究に従事し、ガラスの浸出性評価に関する３国共同研究ではスウェーデンのス
ツヅビク社に滞在、TRU廃棄物処分概念構
築のための共同作業に参加した後、同廃棄物処分システム安全性研究に取り組んでいる。

田中 靖治（1987年入所）入所以来、地下深部の岩盤の水理特性評価試験および地下水流動解析に従事してきた。
特に、多孔式透水試験のデータに対する逆解
析や地盤統計学的手法により、限られたボーリング孔での地下水調査データから岩盤内の水理特性分布を推定することを目指している。

18………………………………………………………23……………………………………………25…………………28

田中 和広（1977年入所）
これまで、水力、原子力地点の立地選定や建設のための地質調査に従事してきた。最近
10年は高レベル放射性廃棄物の地層処分における地質環境の長期安定性の評価や深部地
質・地下水調査技術の開発に携わっている。
今後はサイト選定へ向けて技術の体系化を図りたい。
近藤 浩文（1991年入所）
これまで、水力発電所地点の計画および建設に係わる地質調査に携わってきた。また、
最近では、高レベル放射性廃棄物の地層処分に係わる火成活動特性評価の研究に従事している。

小峯 秀雄（1987年入所）
専門は地盤工学。放射性廃棄物処分におけるベントナイト系緩衝材・埋戻し材の特性評価手法の開発の他、都市土木工事における地盤改良技術や火力発電所の石炭灰の処分技術の開発に携わる。
現在は、「地盤環境」の観点から、放射性および産業廃棄物処分場建設に係わる研究、特に遮水材料の開発とその特性評価・遮水構造設計手法の開発に取り組んでいる。

五十嵐敏文（1983年入所）入所以来、電気事業に伴い発生する廃棄物（放射性廃棄物や石炭灰）に起因する無機物
質の地圏における移行・拡散挙動の評価研究に従事。

長谷川琢磨（1994年入所）
これまで、地下水流動評価の高度化のために、地下水流動に伴う物質やガスの移行などの連成現象について、数値解析手法の開発・適用を行ってきた。今後は、連成する現象を拡張するだけでなく、入力データの統計的評
価などに取り組み、その適用性の向上を目指
したい。

２−１

事業化に向けての技術開発

わが国における高レベル放射性廃棄物対策として、

ばに処分開始のスケジュールを設定し、図 2-1-1 に示す

2000 年に地層処分の実施主体「原子力発電環境整備機

ように、処分事業全体のマスタースケジュールを設定

構」が設立され、高レベル放射性廃棄物であるガラスした。

固化体の発生時期とその後の固化体の冷却期間等を勘ここで、処分候補地の選定段階では、文献調査を中案して、2030 年代から遅くとも 2040 年代半ばまでには心とした「処分候補地の要件」に照らした候補地とし処分を開始する計画としている。実施主体によって進ての適合性評価、候補地の絞り込みを行う。この段階

められる処分地選定、処分地の特性調査、処分場の設のサイト特性調査では、文献調査、リモートセンシン

計・建設、処分場の安全評価、廃棄体の埋設、処分場

グ等、現地に立ち入らない方法で処分候補地を調査しの閉鎖・解体などの一連の処分事業が遅滞なく推進でなければならないと想定される。特に、選定には、「最きるように関連する技術を整備しておく必要がある。

近の火山活動」、「著しい隆起・沈降地域」、「活断層のこれに対して、当所は実施主体が行う一連の実作業を机上の検討で模擬し、わが国において高レベル放射有無およびその位置」、「地質構造の広がりと構成する地層及び岩相」に注意を要する。

性廃棄物地層処分が事業化の観点から可能であること

つぎに処分予定地の選定段階では、処分候補地からを示すとともに、地層処分の事業化に必要な関連技術

処分予定地を選定することになる。この段階から実際を取りまとめたÂ。

に現地に入ってのサイト特性調査が可能となる。選定には広域な地質学的な適合性、社会経済的環境として

2-1-1

地層処分施設の概念の適合性を判断することが基本となる。
さらに進んで処分地の選定では、処分施設の設置位

ここで検討する地層処分施設の概念は実現性等を考置を絞り込むために行う地上からの詳細調査を行う期慮して、これまでに諸外国、核燃料サイクル開発機構

間、および処分施設建設予定地において地下特性調査

等が検討した処分概念をおおむね踏襲するものとした。

施設を建設し、その施設を用いたサイト特性調査及び即ち、地下数百ｍから 1000 ｍ深さに、人工バリア（ガラ

処分技術の実証を行う期間とに分けられる。

ス固化体、オーバーパック、緩衝材などの人工的な製

地上からの詳細調査期間では、処分予定地を対象と作物）と天然バリア（天然の地層）を組み合わせた多重バ

したより狭い区域のより詳細なデータと深さ方向の詳リアで、高レベル放射性廃棄物を長期間にわたり隔離

細なデータを取得するものとし、地表地質精査、ボーし、放射性物質による影響が人間環境に及ぼさないよ

リング調査、物理探査、トレンチ、断層調査ボーリン

うにするシステムである。

グ等からなる。
地下施設での調査および処分技術実証の期間では、

2-1-2

処分事業のマスタースケジュール（案）の設定と実施手順

地下特性調査施設の建設を行うとともに、地下における岩盤特性、水理特性、地球化学的特性等を把握する「サイト特性調査」、深部地下空洞掘削等の建設施工技

地層処分の事業化にとって、最も重要な課題である術、オーバーパック、緩衝材、埋め戻し材等のハンド事業化のための具体的マスタースケジュールとその実リング技術、ならびに原位置でのバリア性能評価を実

施手順を示した。

証する「処分技術の実証」を行う。

10 年間程度で処分候補地選定とその後の処分予定地
選定、15 年間程度で処分予定地のサイト特性調査、処2-1-3

処分施設の概念設計

分場設計、安全審査を経て、最終的な処分地の決定、10 年間程度の処分場建設期間を見込んで、2030 年代半

地層処分施設は主に、高レベル放射性廃棄物である

電中研レビュー No.40 ● 19

2000

処分実施スケジュールと主要なマイルストー
ン（例）

実施主体
設立

想定される処分事業の主行為（例）

2010

2020

候補地選定

予定地選定

処分地選定

安全
審査

→国の確認

→国の確認

→国の確認

→国の許可

・・・
広公候
報募補
活／地
動申選
し定
入調
れ査
／
候
補
地
選
定

・・・・
環予処予
境備分定
調的施地
査な設選
安の定
全概調
評念査
価設／
計廃
検業
体
討地

・・・・
サ処処事
イ分分業
ト技地許
特術選可
性の定申
調実 請
査証

・・
処建
分設
施／
設工
の事
詳方
細法
設の
計認
可
申
請

選
定

必要と考えられる基準・ ・安全確保 ・候補地選 ・予定地選定基準
指針類（例）
の考え方
定要件
・安全要件

図2-1-1

2030
建設
開始

2040

操業
開始

閉鎖
開始

管理
終了

（→国の許可）
・・・
廃廃埋
業業戻
体体し
確定
認置
申
請

・処分地選定基準・安全審査指針

2090 （西暦）

・
閉
鎖
後
管
理

・
事
業
廃
止
確
認
申
請

・操業基準
・閉鎖基準
・埋戻し基準 ・管理終了の要件

処分事業の実施スケジュールと実施手順の検討例

ガラス固化体を受け入れる施設等の地上施設とガラスをベントナイトで混合した材料の使用を検討している。

固化体を埋設する地下施設とからなる。これら処分施

図 2-1-3 に地上施設の鳥瞰図を示した。地上施設の面積

設の設計の考え方とその例示を行なった。

として約 40 万ｍ 2、他に掘削ズリ置き場として約 50 万

わが国では、まだ処分地が決定されていないので、

ｍ 2 が必要となる。

処分地の地質条件として、我が国に比較的広く分布する花崗岩等の結晶質岩盤と砂岩・泥岩等の堆積岩盤の２種類を前提として、４万本（日本の商業用原子力発電が運転を開始した 1966 年から、今後 2015 年までの原子処分坑道力発電に伴う発生量に相当）を１箇所に処分する施設を埋戻し材

・人工バリア
人工バリアはガラス固化体、オーバーパック、緩衝

1100

検討した。

20

材から構成されるもので、高レベル放射性廃棄物に対位の役割分担を明確して、地質環境条件に応じた設計の概念を構築した。

10

800
180

10 400

隙間用緩衝材

10
緩衝材

3810
2660
1860
1710

クの厚さ 18cm、緩衝材の厚さ 40cm とした人工バリア

400 10緩衝材よりもベント
ナイトの含有量を少
なくする。

30

して人工的なバリアを構成するものである。これら部を行なった結果、図 2-1-2 に示すように、オーバーパッ

埋戻し材ブロック処分孔

オーバーパック
ガラス固化体・地上施設
180 430 180
55

パックに封入・溶接・検査する施設、緩衝材や埋め戻

床面処理材

400

地上施設には、ガラス固化体を受け入れ、オーバー

削ズリ置き場等のような廃棄体を地下施設に定置・埋50

し材を製作する施設、さらに管理棟、資材置き場、掘
40

1620

40

1700

設するための準備工程や後行程となる様々な施設が建設される。地下施設の埋め戻しには、地下の掘削ズリ

20

図2-1-2

人工バリアの設計

図るために、遠隔で操作する設備が必要となり、それらの設備の概念設計を行った。
・地下施設の埋め戻し
廃棄体の埋設が終了すると、事前に決められた閉鎖の条件を満たしていることを確認して、地下施設を閉鎖するために埋め戻すことになる。埋め戻し材としては、ベントナイト、砂、礫、現地発生ズリ等の混合材を適切に配合した材料を検討している。

2-1-4
図2-1-3

処分施設の安全評価

地上施設の鳥瞰図

処分施設が将来にわたって人間環境への影響がない
ことを評価する必要がある。本検討では、国内外の安・地下施設
地下の岩盤中に処分坑道を掘削して、その底部の処全評価に関する現状の考え方を参考にして、図 2-1-5 の分孔にガラス固化体を収納した廃棄体を埋設していく

ような安全評価のシナリオを設定してした。地下水シことになる。地下施設には、図 2-1-4 に示すように、そ

ナリオでは廃棄物からの漏洩した放射性核種が人間おの他に廃棄体の搬入、作業員の通路、換気用の各種坑よび環境に接触するプロセスを検討し、人間への長期道等の建設も必要となる。廃棄体の埋設間隔は処分坑的な影響を被ばく線量当量等で表し、目標線量当量と道や処分孔の力学的安定性保持の条件と、廃棄体から比較することによって行われるのが一般的である。一の発熱を発散させる熱的条件とから決定される。設計

方、接近シナリオでは放射性核種が地下水を媒介せず例として堆積岩盤の地下約 500 ｍに４万本を処分する場に人間環境に接近し、被ばくをもたらすことを想定し合、処分坑道の総延長が約 200km、地下施設の面積が

ている。

２

安全評価例として、堆積岩盤の地下 500m に設置され約 2.5km になった。

た処分施設の地下水シナリオの場合を図 2-1-6 に示す。

・廃棄体のハンドリング
廃棄体を地上施設から地下施設に搬入して処分孔に隆起・侵食シナリオが最も線量当量が高くなっている

定置し埋設することになる。廃棄体１体は約 5 ｔ、緩衝が、どのシナリオに対しても、現行の低レベル放射性材は約 10 ｔにもなり、いずれもかなりの重量となる。

廃棄物埋設で用いられている 10 μ Sv/y よりも１オーダ

しかも、ハンドリングには廃棄体からの被ばく低減をー以上低くなっている。なお、隆起・侵食シナリオでは、一定速度で隆起し、同じ度合いで侵食をうけると想定し、最大 300 ｍの隆起・侵食を受け、最終的には土被り厚さ 200 ｍと想定している。

立札

この結果は、安全評価手法の一つの例示としてとらえる必要があるが、ここで例示した処分施設は、長期にわたっておおむね良好な性能を持つものと考えられる。

今後、実際の処分場が決定されるに際し、ここで仮
主要坑道
処分坑道

想した処分地との相違が生じるが、提示した検討手法
は広く応用可能であり、実際の処分事業推進に貴重な連絡坑道

図2-1-4

情報を提供するものである。すなわち、核燃料サイク処分孔

地下施設での空洞（坑道）群の構成

ル開発機構等での地層処分成立性への技術検討に加え、ここで示した手順に準拠し、もしくはこれを応用する

電中研レビュー No.40 ● 21

基本シナリオ
外部環境（地質環境条件、気象条件等）が変化しないシナリオ
人工バリアについては想定範囲内の劣化を考慮

地下水シナリオ
地下水を介して放射性核種が人間と接触する

変動シナリオ
外部環境（地質環境条件、気象条件等）の想定範囲内の変動を考慮したシナリオ、人工バリアも地質環境の変動の影響を考慮

地層処分が人間と環境に及ぼし得る
潜在的影響

天然事象シナリオ
隆起／浸食、火山活動等により廃棄物と人間が直接接触する
シナリオ

接近シナリオ
廃棄物と人間が直接接触する

人間侵入シナリオ
人間が処分場に侵入し、廃棄物と接触するシナリオ

図2-1-5

安全評価シナリオの分類

10−5
10−6

基本シナリオ（人工バリア標準ケース）
氷期継続シナリオ

10−7

間氷期継続シナリオ（淡水域）
間氷期継続シナリオ（塩水域）10−8

隆起・浸食シナリオ（人工バリア標準ケース）

線量当量（Sv／年）

隆起・浸食シナリオ（人工バリア保守ケース）
10−9

沈降シナリオ（移行距離500m）

10−10
10−11
10−12
10−13
10−14
10−15
105

106
107
処分後の経過時間（年）

図2-1-6105

被ばく線量当量評価例（堆積岩サイト、設置深度500m）

ことにより、実施主体は必要な技術の開発および許認研究開発、実証に依存する点も多いが、当面の処分事

可対応等の事業推進に必要な技術事項へのタイムリー

業を技術面から軌道に乗せる作業の一部は行えたもの

な対応をすることができるものと確信する。

と考える。

処分事業化の検討は始まったばかりであり、今後の

22

２−２

地質環境の長期安定性評価−処分候補地選定のための研究∏〜º−

放射性廃棄物は長寿命の放射性核種を含むことから、代の異なる河成段丘面の比高差を用いた手法の適用を長期的な安全性の確保が重要であり、そのためには処行なった（図 2-2-1）。さらに、得られた隆起速度の分布分場を設置する地下深部環境の長期的な安定性の評価

や地球物理学的データ、超短期地殻変動などのデータが重要である。候補地選定の段階においては文献調査を総合化し、地殻変動特性区分を検討した｡また、段丘から、処分場に致命的な影響を与える可能性のある地面の形成年代の検討のため、新たに、熱ルミネッセンス

点は除外することが求められている。地質環境の長期（TL）法、光励起蛍光（PSL）法を用いた堆積物年代測定

的な安定性の検討のためには、特に将来の変動の予測手法の開発を行なった。

が重要な課題となっている。
このため、地層処分の安全性に影響を与える地質要

2-2-3

火山活動

因の抽出、将来予測の考え方について検討を行うとともに、断層活動、火山活動、隆起・沈降、気候変化に火山活動は、処分場の直撃による破壊や熱対流、地ついて既往の知見の整理を行った。さらに、個別の地

化学環境の変化により処分の安全性に大きな影響を与質環境条件である、隆起・沈降、火山活動、地震時のえることが予想される｡このため、東北地域をケースス

地下水挙動に関してそれぞれの変動特性調査・評価手

タデイ地域として、約 1400 万年前以降の火山活動の時法の検討を行った。

2-2-1

将来予測の考え方

将来的な地質変動の予測に関しては、確率論による方法､外挿法による方法、類推による方法、モデルを用いたシミュレーションによる方法などがある。現状では．過去から現在までの変動の履歴を検討し、その中から時間的､空間的な変動の普遍性､法則性を見出すことにより、その傾向を将来へ外挿する｢外挿法｣がもっとも一般的である。将来の予測のためには、変動の時
間的、空間的な特徴を明らかとするとともに、現象発現の背景となるメカニズムを検討することが重要であ
る。

凡例
44m
● 既存のデータによる最終間氷期海成段丘と現海水面との比高
57▲ 新たに算出した
最終間氷期海成段丘と現海水面との比高
65◯ 新たに算出した
最終間氷期海成段丘と現川床との比高（BV法による）
70△ 新たに算出した
１サイクル前の氷期段丘と最終氷期後半海成段丘との比高（TT法による）

2-2-2 隆起運動
隆起運動は、処分施設の地上への接近による周辺地
質環境の変化や場合によっては露出により人間環境に重大な影響を与える事が予想される。このため、段丘等の地形基準面を用いた過去十数万年間の隆起速度を求める手法を開発した。特に、内陸部を含めた隆起速度の検討のため、同様の環境下において形成された時

図2-2-1

東北中北部地域における最近12万年間の隆起量の検討例（60）は参考値

電中研レビュー No.40 ● 23

空的変遷の検討を行ない、火山活動は火山フロントのタ取得と、シミュレーションを行なった｡その結果広域

位置に規制されること、活動域、非活動域が存在する

的に地下水が変動するがその程度は地震断層沿いを除こと、活動域は時代とともに収斂し第四紀の活動は火くと水位変動は数 10cm 〜数ｍ程度であること，変動の山群（クラスター）の中に限定されることなどを明らか

特性は地殻の応力−ひずみ解析により説明できることとした（図 2-2-2）｡火山や温泉などの地熱活動について等を明らかにした。以上より、地震時の地下水挙動がもデータ整理を行い、第四紀火山から約 20km までが影地層処分の安全性に与える影響は小さいものと判断さ響範囲であることを明らかにした｡さらに、サイトの特れる。

性評価のため自然地震波を用いた、地下深部におけるマグマの可視化技術の開発を行なった（図 2-2-3）｡

今後、地層処分に重大な影響を与えると考えられる
地質環境条件について、過去の変動特性から避けるべ

2-2-4

地震時の地下水挙動

き範囲などを決定する。また、候補地が決定された後に、選定において判断した結果をデータで検証するた

地震の前後における地下水変動の地層処分に与えるめの手法の開発を行うことが必要である。

影響の評価のため、兵庫県南部地震を対象としてデー

139°E

141°E

41°N

39°N

0

50

100
km

赤丸：第四紀火山、黒丸：1400万年前から170万年前の火山中心相

図2-2-224

東北日本背弧側における1400万年前以降の火山活動域と非火山活動域の分布

図2-2-3

２−３

鬼首火山地域における３次元地震波トモグラフィー結果の例（明るい部分が低速度域でマグマの可能性がある。
）

地質・地下水環境特性の調査・評価−処分予定地選定のための研究Ω〜≈−

地層処分の安全性を確保するには、天然バリアであ

地下水流動特性に関しては地下水流速・流向、地下水

る地下深部岩盤の地質・地下水特性を明らかにするこ

年代（滞留時間）等が重要となる。地下水の地化学特性とが重要であり、サイト選定や選定されたサイトの特は核種の移行に影響を与えることが予想され、酸化還性調査の各段階における調査や評価のための手法の開元電位などが重要なパラメータとなる。また、地下水発、体系化を行う必要がある。このため当所では、電の流動の場であり地下水の水質形成に影響を与える地

力構造物の建設に伴う調査・評価等において開発・蓄質・地質構造の調査は、上記の特性を評価する上で特積された技術をさらに発展させるとともに新たな技術に重要と考えられる。

開発を含む技術の体系化を図っている。

2-3-2 水理特性調査
2-3-1 地質・地下水調査の考え方
地下水理特性調査としては地下水位測定、間隙水圧当所における天然バリアの評価研究の考え方を図 2-

測定、流向・流速測定、フローメータ検層、トレーサ

3-1 に示す。地質・地下水に関する天然バリアの安全性

ー試験、ラドン検層、透水試験（原位置，室内）等の開は岩盤中の地下水流動評価と核種移行評価により総合発を行なっている｡図 2-3-2 に水みちを特定するため新的に評価がなされる。地下水流動評価については、対たに開発したフローメータ検層装置の適用結果につい

象岩盤の地下水の流れやすさはどうか（透水性）？どのて示す｡また、図 2-3-3 に孔間透水試験結果から逆解析

ように水が流れているか（地下水流動特性）？といったにより求めた透水係数の２次元分布を示す｡

二つの側面から判断される。透水性に関しては、透水係数や水みちといったパラメータや概念が重要であり、電中研レビュー No.40 ● 25

透水性
・透水係数
・水みち

水の流れ易さ（モデル化）［器］

地下水の流動特性・流速・流向・年代（滞留時間）

［器］

堆積岩
・圧密過程
・続成作用
・層状構造

結品質岩：割れ目
・性状
・方向
・分布特性
・充填鉱物

水理地質構造のモデル化
地下水流動解析

地
下
水
流
動
評
価

（モデル化）

天
然
バ
リ
ア
の
性
能
評
価

水の流れ方

結晶質岩：割れ目
・微少割れ目
・充填鉱物
・表面構造

堆積岩
・続成作用
・炭質物

核
種
移
行
評
価

（水─岩石相互反応）

地下水の地化学特性
・水質
・pH
・Eh
・電気伝導度・微生物

核種移行解析

天然バリアの性能評価の考え方

南

坑
0
5

水─岩石反応
・変質
・風化
・圧密
・続成
・割れ目充填鉱物

核種の移動のしやすさ

図2-3-1

0

地
質
環
境
の
長
期
安
定
評
価

地質環境の将来予測
・隆起・沈降・断層活動
・地震・火山・地熱活動

20

40

内

流

60

北

東

速 （mm/sec）
80

100

南（深度−m）
32.00

32.05

120

5m区間透水試験
フローメーター検層

32.10

10
32.15

深

度 （−G.L.m）

15
20
水みち A
方向：N51W44NE、幅：1mm

25

南

30
1.4×10−4cm/sec
35

A

北

東

32.15

南（深度−m）
58.45

1.4×10−4cm/sec

40

58.50

45
58.55

50
55

4.7×10−4cm/sec
水

65
10−7

10−6
透

図2-3-2

2-3-3

58.60

B

60
み

10−5
水 係

ち
58.65

10−4
10−3
数 （cm/sec）

水みちを特定するためのフローメータ検層装置の適用例（孔内流速の変化箇所は透水係数が大きく開口割れ目が観察され、水みちとなっている。）

地化学特性調査

地化学特性調査としては、岩盤地化学特性調査（充填2-3-4

地質構造特性調査

地質・地質構造特性調査は、その目的、スケール，

鉱物の化学分析）、地下水の地化学特性調査（水温、電精度，調査の段階などの観点から、リモートセンシン

気伝導度、pH、Eh、溶存酸素、一般水質、微量元素、グ技術（衛星など）、地表調査技術、トレンチ調査技術、

溶存有機物、安定同位体、放射性元素，溶存ガス）があ

物理探査技術（ジオトモグラフィー等）、ボーリング孔る。図 2-3-4 に沿岸域における地下水の比抵抗と割れ目を利用した調査技術（ボーリング掘削技術を含む）、坑分布を示す｡

道を利用した調査技術、室内試験、環境影響評価技術，

26

長期計測技術等に関する技術開発を行なっている。特るための新たなボーリング技術の開発を含む調査手法に結晶質岩の水理特性を支配する様々なスケールの割の開発と体系化を行なった｡

れ目構造の調査技術や堆積岩の層状構造を明らかとす

深度（m）

B−7孔

B−8孔

Log10 k（cm/sec）

−20

−20

−30

−30

−40

−40

−50

−50

−60

−60

−15

−10

−5

0

5

10

−3.5
−4.0
−4.5
−5.0
−5.5
−6.0
−6.5

−3.0
−3.5
−4.0
−4.5
−5.0
−5.5
−6.0

15
（m）

図2-3-3 孔間透水試験結果より求めた透水係数の２次元分布の例
EL
50（G.L−m）

B12

EL
50

B1
（G.L−m）
B2

0

0

−50

−50

−100

−100

−150

−150

−200

−200

−250

−250

−300

−300

−350

−350

−400

−400

−450

−450

−500

−500

40
（mS/cm）

0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
坑内水電気伝導度
200

5001000 2000 5000（ohm−m）

比抵抗

図2-3-4 沿岸域における地下水の比抵抗と電気伝導度の分布の例

電中研レビュー No.40 ● 27

２−４

ベントナイト系緩衝材・埋戻し材の膨潤・透水特性−処分施設の設計・建設のための研究−れている（図 2-4-1）
。

2-4-1

高レベル放射性廃棄物処分とベント
ナイト系粘土材料

一方、処分孔ピット間を連結する坑道部においても、
砂・ベントナイト混合材料の利用が有望視されている。
この部分に用いられる材料は、「埋戻し材」と呼ばれ、高レベル放射性廃棄物の地下処分施設の建設に際し、先の緩衝材と比べてベントナイトの含有量が低い混合

廃棄物収納容器と周辺地盤との間を埋め戻す材料の開材料の利用が検討されている。埋戻し材には、坑道部発が必要とされている。この材料には、放射性核種をを充填しトンネル周辺岩盤の緩み域の拡大や過度の変長期間隔離する必要性等から、非常に高い止水性や膨形を可能な限り防ぎ、かつ埋戻し部が水みちなどの水潤性等が要求されており、ベントナイトと呼ばれる粘理的な弱点にならないようにする役割が期待されてい土材料の利用が考えられている。ベントナイトの止水る。このような観点から、埋戻し材にも低透水性をは性や膨潤性は締固めることにより、一層向上するので、じめ、処分坑道内に有意な水みちを発生させずに低透

実際の処分では、高圧で締固めて利用することが有望

水性をより向上させるための機能として膨潤性が要求視されている。また、ベントナイトのみで実施するこされている。

とは経済的ではないので、比較的安価な砂や現地発生

以上のように、ベントナイトを含有する緩衝材・埋土をベントナイトに混合して利用することも考えられ戻し材は、高レベル放射性廃棄物の処分技術においてている。このようなベントナイトを含有する粘土材料

重要な役割を期待されている。特に、その膨潤特性とは緩衝材と呼ばれており、長期間にわたり廃棄物を人

低透水性は緩衝材・埋戻し材としての役割を果たすた

間の生活圏から隔離することは勿論のこと、処分施設

めの重要な機能と考えられている。このような背景かの建設に伴い生じる廃棄物収納容器や周辺地盤との間ら、当所では、ベントナイトを含有する粘土材料の透の隙間部分を、膨潤変形により充填する役割が期待さ

水特性および膨潤特性について実験的な調査を進める処分施設への地下水の侵入前

処分坑道

処分施設への地下水の侵入後地下水の侵入周辺岩盤

埋戻し材

廃棄物収納容器や周辺岩盤と緩衝材との間に生じる隙間部分

緩衝材

廃棄物収
納容器

処分孔ピット*処分坑道壁面には、埋戻し材の膨潤に伴う圧
力が作用

処分坑道

周辺岩盤
地下水の侵入)緩衝材の膨潤変形
により隙間部分が充填され、処分孔壁に
圧力が作用

廃棄物収
納容器

当所で開発した膨潤評価式は、緩衝材や埋戻し材の材料条件（ベントナイトの種類、初期乾燥密度、寸法およびベントナイト配合率等）や処分施設周辺の環境条件（温度や地下水の水質等）に応じて、緩衝材や埋戻し材の膨潤挙動を定量的に評価できる。
これにより、地下水が侵入した後に処分孔壁に作用する緩衝材の発生圧力（右上図の)）や処分坑道壁面に作用する埋戻し材の圧力（右上図の*）などを算出することができ、処分施設の力学的安定性の検討が行える。

図2-4-128

高レベル放射性廃棄物処分における緩衝材・埋戻し材の役割

と共に、緩衝材・埋戻し材に要求される性能に応じて、したところ、ほぼ整合することが分かった（図 2-4-3）»。

砂とベントナイトの質量比率や締固め密度などの材料提案した膨潤評価式によれば、地下水が浸入した後仕様を設計できる手法の開発を行っている。

に処分孔壁や坑道壁面に作用する緩衝材や埋戻し材の

ここでは、当所で実施している緩衝材・埋戻し材の圧力を算出することができ、実際に用いる材料や環境

膨潤および透水特性について概説すると共に、当所で条件に則した処分施設の力学的安定性の検討が可能と開発した膨潤評価式とその利用について述べる。

なる（図 2-4-1）。

2-4-2

2-4-3

緩衝材・埋戻し材の膨潤特性と評価
式の開発

緩衝材・埋戻し材の透水特性とその内部構造観察緩衝材や埋戻し材には、周辺岩盤との間に生じる隙

緩衝材・埋戻し材の最も重要な性質は放射性核種を間を充填するための高い膨潤性が要求されており、こ人間の生活圏から長期間隔離するための低透水性であのような観点からの材料設計が必要とされている（図 2-

り、当所では、砂・ベントナイト混合材料の透水特性4-1）。このような背景から、当所ではベントナイトのみ

について実験的研究を行っている。ここでは、砂・ベを締固めた材料に対する膨潤評価式を提案し、国産ベントナイト混合材料の基本的な透水特性および最長 120∆、«

ントナイトに対して適用性を確認してきた。今後は、日間にわたってデータを取得した長期透水特性につい比較的安価な砂や現地発生土をベントナイトに混合して述べるÀ〜Õとともに、電子顕微鏡による微視的な観察て利用することや海外産ベントナイトを利用すること

結果…、 も合わせて報告する。

により、経済性を高めることが重要である。これらの

図 2-4-4 に砂・ベントナイト混合材料の透水係数とベ材料への適用を可能にするため、様々な材料条件（密度ントナイト配合率の関係を示す。ベントナイト配合率

や砂・ベントナイトの配合割合、陽イオンの種類等）とは、全試料の乾燥質量に対するベントナイトの乾燥や環境条件（地下水の水質や温度等）を考慮した膨潤評

質量を百分率で表示したものである。ベントナイトに»価式を新たに構築し提案している 。

は山形県月布産のクニゲル V1（クニミネ工業製）、砂に

当所では、粘土鉱物結晶間の反発力を評価できる拡は粒径 53 〜 590 μ m の三河珪砂 6 号を用いている。こ散二重層理論式と結晶間の引力である van der Waals 力の図から、ベントナイト配合率が 5 〜 20%の範囲では、を評価できる理論式を、小峯らの提案するパラメータ

ベントナイト量の増加に伴い透水係数は著しく低下す…、とるが、20%以上になると透水係数の低下の割合が小さく

組み合わせることにより、緩衝材・埋戻し材の膨潤評なることが分かる。配合率が 5 〜 20%の場合、透水係数価式を提案した（図 2-4-2）。この膨潤評価式では、砂とは 1 × 10 − 10 〜 5 × 10 − 12 m/sec の範囲で大きく変化しベントナイトの質量比率に関するパラメータを導入すているが、20%以上では 5 × 10 − 12 〜 1 × 10 − 12 m/sec のることにより配合割合を考慮している。また、ベント

範囲にある。

「モンモリロナイトの膨潤体積ひずみ」の算出式

ナイトに含有される主要陽イオンである Na、Ca、K、

上記の結果をより深く理解するため、試料周辺の温Mg の個数やイオン半径、価数等に関するパラメータを度と水蒸気圧が制御できる走査型電子顕微鏡により、用いることにより、陽イオンの種類と組成を考慮でき

砂・ベントナイト混合材料中のベントナイトの膨潤挙るようにしている。

動を観察した。図 2-4-5、2-4-6 はベントナイト配合率

この膨潤評価式の適用性を調べるため、国産ベントが 10%および 50%の砂・ベントナイト混合材料内部におナイトを用いた緩衝材・埋戻し材（ベントナイトの配合

けるベントナイトの膨潤挙動の観察結果を例示したも率： 5 〜 100%、乾燥密度： 1.19 〜 2.27 Mg/m3）およびのである。いずれの写真も、加水前には水みちになる

海外産ベントナイトや他の国産ベントナイト（乾燥密と考えられる間隙が観察されている。また、混合材料

3

度： 0.99 〜 2.01 Mg/m ）の膨潤圧・膨潤変形特性に関す中のベントナイトが吸水により体積膨張している状況

る実験データと提案した膨潤評価式の計算結果を比較が観察写真から認められる。ベントナイト配合率 10%の電中研レビュー No.40 ● 29

反発力 fr

結晶層間
距離 2d

モンモリロナイト結晶層間に作用する力の算出式（拡散二重層理論式）

引力 fa

モンモリロナイト結晶層¸

モンモリロナイト結晶と層間に作用する力の概念

吸水前（層間水なし）

ベントナイトの主要交換性陽イオンである Na, Ca, K, Mg の個数、イオン半径、価数などに関するパラメータを用い、陽イオンの種類と組成
を考慮

吸水後

交換性陽イオンの非水和状態で
の直径

膨潤後の
結晶層間
距離
2dfinal

モンモリロナイト結晶レベ
ルの膨潤変形の評価式（当所の提案式）

モンモリロナ
イト結晶層¹

結晶レベルから観たモンモリロナイトの膨潤体積ひずみ

吸水後
吸水中
吸水前

鉛直圧

砂とベントナイトの質量比率に関するパラメータを導入し、配合割合を考慮

鉛直圧
鉛直圧
緩衝材・埋戻し材の膨潤変形とモンモリ
ロナイト結晶レベルの膨潤変形を関係づける評価式（当所の提案式）

ベントナイト砂粒子
間隙（モンモリロ
吸水により膨潤した
ナイトと石英、
モンモリロナイト
斜長石等により構成されてº 緩衝材・埋戻し材中のモンモリロナイトの膨潤挙動のイメージいる）
以上の理論式と提案式を組み合わせることにより、緩衝材・埋戻し材の膨潤評価式を提案

図2-4-2

緩衝材・埋戻し材の膨潤評価式の概念混合材料では、吸水によるベントナイトの体積膨張は30%の混合材料に対し行ったところ、ベントナイト配合

水みちとなり得る間隙を十分に充填するまでに至って率が 20%以上の試料では、間隙がベントナイトの体積膨なく、加水後も間隙が存在していることが分かる。一張により徐々に充填され、最終的には完全に間隙が充方、ベントナイト配合率 50%の混合材料の観察結果では、填されている状況が認められた。

ベントナイトが吸水により体積膨張し、それにより水

図 2-4-4 に示すように砂・ベントナイト混合材料の透みちとなり得る間隙がほぼ完全に充填されていること

水係数は、配合率が 5 〜 20%の範囲では、ベントナイトが分かる。同様の観察をベントナイト配合率 5%, 20%,

量の増加に伴い透水係数は大きく低下している。一方、

30

10−9

4000
10−10
透水係数、k（m/sec）

最大膨潤圧、Psmax（kPa）

5000

3000

2000

1000

0
0.8

10−11

10−12
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
初期乾燥密度、ρd0（Mg/m3）

2.2

クニゲルV1：日本・山形県産、Naを主要な交換性陽イオンとする
ベントナイトボルクレイ：アメリカ・ワイオミング州産、Na を主要な交換性陽イオンとするベントナイト
ネオクニボンド：日本・宮城県産、Ca を主要な交換性陽イオンとするベントナイトに炭酸ナトリウムを加え、人工的にNa型にしたベントナイト

10−13
0

20

30

40

50

60

ベントナイト配合率、α（％）

図2-4-4
図2-4-310膨潤評価式の適用性

砂・ベントナイト混合材料の浸透係数とベントナイト配合率の関係

砂粒子
砂粒子上の微粒子はベントナイト間隙

吸水によるベントナイトの体
積膨張は観察できるが、間隙を十分に充填するまでに至っ
ていない。

加水

最適含水比の状態

図2-4-5

砂粒子
砂粒子上の微粒子はベントナイト

加水後の状態

ベントナイト配合率10％の砂・ベントナイト混合材料中のベントナイトの膨潤挙動

吸水によるベントナイトの体積膨張により、間隙が充填されていく過程が観察できる。

間隙

ベントナイトの体積膨張により、間隙がほぼ完全に充填された状態。

加水

最適含水比の状態

図2-4-6

ベントナイトの体積膨張により、間隙が充填され
ている。

加水

加水中の状態

加水後の状態

ベントナイト配合率50％の砂・ベントナイト混合材料中のベントナイトの膨潤挙動

電中研レビュー No.40 ● 31

20%以上になると透水係数の低下の割合が小さくなる。

10−10

図 2-4-5 に例示するように、配合率 5%、10%では、間隙ナイト量の増加により間隙の充填程度は大きく変化し、したがって透水係数の変化も大きくなるものと考えられる。一方、図 2-4-6 に例示するように、ベントナイト

透水係数（m/sec）

が完全には充填されない。このような場合は、ベント
10−11

10−12

配合率が 20%以上の場合は、ベントナイトの膨潤により混合材料中の間隙がほぼ完全に充填されるので、混合10−13

材料の透水係数は 10 − 11 m/sec 以下と非常に小さく、ま

0

1000

たベントナイト量の増加に伴う透水係数の低下傾向も

2000

3000

時間（hour）_

小さくなるものと考えられる。

乾燥密度が比較的大きい場合

10−10以上に述べた透水特性および電子顕微鏡観察の結果

トナイトが膨潤により混合材料中の間隙を充填することに起因していることが明らかになった。
図 2-4-7 に、それぞれ 1.58 〜 1.62 Mg/m3 および 1.71
〜 1.79 Mg/m3 の範囲にある乾燥密度の砂・ベントナイ

透水係数（m/sec）

から、砂・ベントナイト混合材料の止水性能は、ベン
10−11

10−12

ト混合材料の透水係数と経過時間の関係を示す。これ
らの図から、ベントナイト配合率が 10、20%の場合、透水係数は 7 × 10

− 11

〜 4 × 10− 12

m/sec の範囲に、30%と

10−13
0

1000

2000

3000

時間（hour）

50%では 6 × 10 − 12 〜 1 × 10 − 12 m/sec の範囲にあること`

乾燥密度が比較的小さい場合が分かる。また、同じベントナイト配合率であれば、乾燥密度の大きい供試体の方が、その透水係数はやや

図2-4-7

砂・ベントナイト混合材料の長期透水特性

低い値になっている。
完全には間隙は充填されていなかった。このことから、各供試体の透水係数の経時変化については、ベント

ベントナイト配合率が比較的低い 10%や 20%の場合は、ナイト配合率が 50%の場合は約 3000 時間経過まで、間隙の充填程度が不十分であり、時間の経過に伴いベ30%の場合は約 1200 時間経過までの範囲で、その透水

ントナイト粒子が砂粒子間を移動することが考えられ係数の変化はほとんどないことが、図 2-4-7 の結果からる。これにより、時間経過に伴う透水係数の変化が生分かる。一方、ベントナイト配合率が 10%と 20%の場合

じたものと思われる。50%等のベントナイト配合率が比は、先の 30%や 50%の配合率の場合と比較して、やや透較的高い場合には、砂粒子間の間隙はベントナイトの水係数に変化が認められる。

膨潤によりほぼ完全に充填された状態であり、さらに

図 2-4-5、2-4-6 に示したように、ベントナイト配合率

間隙充填後もある程度の圧力を発生している状態にあが 50%の場合、砂粒子間の間隙部分を膨潤したベントナ

るため、透水係数は低く時間が経過してもその変化は

イトがほぼ完全に充填していたのに対し、配合率が 10%小さいと考えられる。

の場合には、ベントナイトの膨潤は生じているものの、

32

２−５

人工バリアの性能評価手法−処分の安全評価のための研究−
実性を解析するコードも整備した。表 2-5-1 に当所が開

2-5-1

人工バリアシステム全体の性能

人工バリア性能評価は人工バリアシステム全体およ発した人工バリア性能評価コードŒ、œをまとめた。

2-5-2

びシステム構成要素の性能を定量化し、合理的な設計

人工バリア要素の性能評価モデルと評価例

や被ばく評価のための天然バリア解析への入力データ¸

を得る目的で実施する。

ガラス固化体からの核種溶出

人工バリアシステム全体の性能は、システム構成要

STRAG4 Œ、–は、ガラス固化体中の発熱による温度分素である高レベルガラス固化体からの溶解、腐食した

布、放射性核種の濃度拡散と熱拡散、シリカ成分の溶オーバーパック容器や緩衝材中を通過する放射性核種

解反応、ガラス表面層の成長と層中の拡散、溶解したの移行挙動を、移流分散方程式を基本とした核種移行

ガラス成分と地下水成分との地球化学反応を総合的に解析で評価する。この解析を実施するにあたり、ガラ

解くコードである。

ス固化体の溶解をはじめとする構成要素の挙動、なら

ガラス固化体中での放射性核種の動きやすさは各核びに吸着反応や沈殿反応など核種の移行に影響する種の拡散係数の活性化エネルギで決まり、拡散により種々の事象の現象論的解析は、長期に渡る性能を実験

ガラス固化体表面に移動した核種は、ガラス固化体母的に示すことの限界から不可欠であり、システム全体

材ホウケイ酸ガラスマトリクスの溶解に伴い周辺地下解析のパラメータ条件の妥当性を示すなどの支援的な水に溶解する。その後一部の核種は地下水成分との沈役割を担う点でも重要である（図 2-5-1）。

殿反応により、地下水中濃度が溶解度と等しくなる。

当所では、システム構成要素の性能を解析するに際従って、ホウケイ酸ガラスの溶解挙動の記述がガラスし、処分場条件下で起こることが想定される地球化学

固化体からの核種溶出を定量的に表す際に重要となる。

的反応を考慮できる解析手法を開発し、高レベル廃棄

ホウケイ酸ガラスの溶解モデルは、その主成分であ物を対象とした人工バリアシステム要素の性能評価をる二酸化ケイ素の溶解機構を説明した遷移状態理論に実施するとともに、他の廃棄物の処分システム性能評

基づく一次反応速度式に、実放射性ガラスを用いた浸価への応用も試みつつある。同時に人工バリアシステ

出試験の結果—を基に、経験的な補正項を加えた溶解速

ム全体性能を評価する移流分散コード、ならびに入力

度式で表した。この溶解速度式ではガラス周辺の地下パラメータの頻度分布を考慮したシステム性能の不確

水中ケイ酸濃度が飽和濃度に近づくにつれて、溶解速度が補正項である長期溶解速度に近い値となる。本コードは地下水中ケイ酸濃度を地球化学平衡計算で求め、人工バリアシステムの性能評価の特徴
経験のない長期間が対象

データの範囲全てを知ることの限界

実証試験に限界

安全側のデータ設定

ナチュラルアナログによる補完
ガラス固化体の例（１千万年）
鉄の腐食（100余年）
緩衝材の安定性（鉱山の例）

計算機シミュレーションの必要性

図2-5-1

過度に安全側の設定
非現実的答え
合理的判断

合理的判断のためには重要な現象の理解が必要

人工バリアシステム性能評価の特徴

表2-5-1

当所の人工バリア性能評価コード
コ

ー

ド

名

略

称

ガラス固化体溶解挙動解析コード

STRAG4

オーバーパック容器腐食挙動解析コード

CRANP

緩衝材中核種移行解析コードGESPER

人工バリア安全評価コード

RAPRAN

人工バリア性能不確実性解析コード

IMUPAS

電中研レビュー No.40 ● 33

A

地下水中の溶存酸素による均一腐食反応

上記の溶解反応に加え、ガラス成分の溶解に伴い表B

地下水成分の放射線分解で発生する酸素の影響面に成長する変質層の成長とその中での拡散による物

C

低酸素濃度条件での水還元型腐食反応

質移動もモデル化した。また、ガラスの溶解の進展にD

処分場内の温度変化を考慮した拡散係数の変化

溶解速度にフィードバックしている。

伴い、固化体の表面積が減少する影響も考慮している。

オーバーパック腐食の解析結果を腐食量を時間の関さらに固化体周囲のオーバーパック腐食生成物へのケ数として図 2-5-3 に示す。腐食量は 1,000 年間でおよそ 2

イ酸吸着の効果や鉄イオンとの共沈効果も地球化学平〜 4cm であり、殆どが水還元型の腐食反応に起因し、衡反応として取り入れることも可能である。

溶存酸素による腐食は 1,000 年間で僅か数 mm である。

同コードは種々の実験室データとの比較解析から、モ

水素発生型腐食を水の還元と鉄の溶解反応それぞれをデルやコード内で用いる定数の妥当性を確認した–、“。

電極反応と捉えた場合の反応速度式の定数の設定によ試算によれば、ガラス固化体は処分場温度が 90 ℃でり、腐食量に約２倍の相違が現れる。腐食量は、短期

Œ、–、‘一定という条件でも 5 万年以上（図 2-5-2）、また、の室内試験による腐食速度 5 〜 6 μ m/y ‘の外挿による地層の温度と同程度の 30 ℃では 100 万年程度の寿命が推定値と調和するが、腐食生成物による抑制効果を考期待できる可能性が示されているŒ。

慮すれば、より小さい値となる可能性が高い。また、

このような極めて長期の溶解寿命は、処分後 1,000 年–

水還元型の腐食反応は 400 年後以降は定常状態となり、間には固化体の発熱による影響がなくなり 、固化体の一定となった腐食速度から、25cm の厚さ ’を想定した

溶解開始時点ですでにケイ酸濃度が飽和溶解度に達す

オーバーパックの全面腐食寿命を推定すると，反応速るために、ガラスの溶解が極めて小さい長期溶解反応

度定数の設定により 17,000 〜 90,000 年となる。

速度のみで決まることによる。
º¹

オーバーパック容器の腐食寿命解析

緩衝材中の核種移行解析
圧縮したベントナイトを想定した緩衝材領域では、

CRANP Œはガラス固化体の周囲のキャニスタあるいはオーバーパックが地下水と接触することにより起こ

拡散が物質移行のメカニズムとなる。従って拡散方程式が緩衝材中の核種移行解析の基本方程式となる。

る金属腐食挙動を解析して、容器の封じ込め性能を評

一方、ヘンリー吸着を仮定して吸着の程度を表す分価するコードである。鉄の腐食反応と金属材料表面で配係数は単純で計算コードでの扱いが簡易という利点の電極反応を考慮し、以下の反応をモデル化してある。

があるが、化学条件の変化を追従できず、環境条件の変化に伴うパラメータの変動を考慮できない。GESPER
は核種と緩衝材との吸着反応機構として、表面錯体生

100

成反応、イオン交換反応を考慮し、それぞれの反応と処分場
地下500mのケース

オーバーパック厚25cm
10-2

10

かなり厳しい条件で計算しても1万年で約1/100しか溶けない

10-3

10-4

10-5
10-1

101

102

103

1
全面腐食に対する

オーバーパック寿命
0.1

最大の特徴：
現状で考え得る殆どの影響を網羅
100

腐食厚さ（cm）

廃棄物ガラスの溶けた割合

10-1

全量が溶けるとこの線になる

104

105

0.01
100

処分後年数

図2-5-2

34

STRAG4によるガラス固化体溶解
挙動予測試算例

図2-5-3

電極反応速度式の定数値の幅による漢籍結果の変動範囲
101

102
103
処分後経過年数

104

105

CRANPによるオーバーパック容器
腐食挙動予測試算例

移流・拡散挙動とをカップリングした解析が可能であた、人工バリア周辺岩盤や天然バリア領域の解析にもる。従って、環境条件や時間に伴う吸着の程度の変化対応できる。

’

を解析に取り入れることができる 。

これまでに、人工バリアからの核種漏洩挙動に対する核種の固体表面への吸着反応を、水溶液中での錯体

液相および固相での溶解度の同位体分配の影響、緩衝材

生成反応に見立てた表面錯体生成反応モデルは、一般

外側の境界条件や周辺岩盤中地下水流速の影響、溶解度的な元素の鉄鉱物や土壌への吸着を対象として研究さ等のパラメータの変動の影響、緩衝材の分配係数や間隙

れてきた

÷、◊

。しかし、現状緩衝材の材料として有望視率等の時間変化の影響把握に用いているŒ、‡、‚、„。

されているベントナイトを対象とした表面錯体モデルに必要なパラメ−タは希少なため、Np や Pu 等の吸着

2-5-4

人工バリア性能の不確実性解析

データを取得した上で解析を行い、同コードの適用性を検討してきた “、ÿ〜‡。分配係数を用いた評価の妥当モデルやパラメータの不確かさにより、ガラス固化体

性を確かめる一手段として、表面錯体生成反応モデルの溶解寿命が評価モデルや入力パラメータ設定により異による Np、Pu、およびイオン交換モデルによる Cs のなったり、ベントナイトの種類や環境条件により核種の拡散挙動の詳細解析と、分配係数による簡易解析を比分配係数が幅広く分布する。人工バリアシステムの性能較検討した。

や仕様を検討する上で、パラメータの分布を考慮するこ

その結果、緩衝材からの核種漏洩の立ち上がりに、とで、評価結果の幅と確率の議論が可能となる。

数値解法上の原因と思われる差が見られたが、定常フ

当所の IMUPAS ‰コードは、人工バリアシステム領域

ラックスはほぼ等しくなり、一定値の分配係数しか取の核種移行を解析解で求め、解析解コードに入力する

り扱えないモデルでも正しい値の入力により、妥当なパラメータをその分布関数から LHS 法で抽出して繰りŒ

結果が得られることが確認できた 。

返し計算することにより解析結果を分布の形で得ることができる。

2-5-3 人工バリアシステム全体の性能評価

図 2-5-5 はガラス固化体の溶解寿命、人工バリア内部
地下水中の核種溶解度、緩衝材への核種吸着分配係数

分配係数を用いた計算の妥当性に基づく一次元移流の分布関数を想定し、人工バリア領域からの核種漏洩

分散コード RAPRAN ·は、移行現象を詳細にモデル化

フラックスの最大値と緩衝材厚さの関係を試算した結しない点で機動性に富み、種々の条件での人工バリア

果である。

システムからの核種漏洩挙動の計算が可能である。ま

2.0×104

毒性指数（−）

毒性指数の最大値（−）

プロットは表面錯体またはイオン交換、
実線は分配係数による計算結果

同図には得られた漏洩フラックス最大値の分布の中

1.5

1.0
分布の平均値

0.5

0.0
0

GESPERによる緩衝材からの核種漏洩挙動の解析結果（吸着モデルの違いによる比較）

20

40

60

80

100

緩衝材厚さ（cm）

処分後経過年数

図2-5-4

分布の＋3σ

図2-5-5

IMUPASコードによる緩衝材厚さと漏洩フラックスの関係の試算結果

電中研レビュー No.40 ● 35

心値と +3 σ（分布の 99.5%が含まれる範囲）を示した。

メータのばらつきによるバリア性能の不確実性を評価

両者とも緩衝材の厚さの増加に伴い減少し、凡そ 30 cmするコ−ドを開発し、今後の評価に備えた。地下深部程度以上では漏洩フラックスの減少の程度が小さくなの現象の正確な把握をはじめとして、今後解明すべきり、核種漏洩低減の観点からの最適な厚さへのパラメ

点が残されているが、開発した手法に適切なパラメーータ分布の影響は小さいことが示されたœ、‰。

タを組み合わせることにより、概略の安全評価が可能

これまでに人工バリアシステム要素ならびにシステと考える。

ム全体の性能解析を目的とした核種移行シミュレ−シ

一連の評価コードは、今後の TRU 廃棄物処分システ

ョンコ−ドを開発し、その時点で入手可能なデータをム性能評価に向けて拡張改良する。同時に逐次得られ基に人工バリアシステムの性能評価を行い、入力パラ

る知見を基に、上記評価を実施する。

２−６

天然バリアの性能評価手法−処分の安全評価のための研究−

高レベル放射性廃棄物地層処分の安全性を評価するた

前述の高レベル放射性廃棄物地層処分の事業化研究にめには、人工バリア性能評価に引き続き、人工バリアか

おいては、代表的な地質条件として、花崗岩地域では簡ら放出される核種の天然バリアとなる岩盤中での移行挙略化した二重間隙モデルを用い、堆積岩地域では各地層動を評価するという天然バリア性能評価が必要となる。

を一定の物性値で代表させる多孔質媒体モデルを用いた

そのためには、核種の移行媒体となる岩盤の水理地質構がÂ、Ê、より現実に近い状況をシミュレートできるスメ

造を適切にモデル化すること、構築された水理地質モデ

アード割れ目モデルÁ、Ëや同一地層中の物性値のバラツ

ル中の地下水流動を評価すること、そして地下水とともキも考慮できるモデルÈ、Íの構築・検証を進めている。

に移行する核種の移行を評価することが重要となる。本節では、当所におけるこれまでの天然バリア性能評価手

2-6-2

岩盤中地下水流動解析手法法の開発・検証・高度化の状況について紹介する。
構築された水理地質モデルに対して地下水流動解析

2-6-1

水理地質構造のモデル化を行うことになるが、当所ではこれまで、異方性多孔質媒体モデル、スメアード割れ目モデル、離散割れ目

現在、岩盤中の地下水流動や核種移行評価のための媒体モデルは、結晶質岩を対象とした亀裂性媒体モデ

モデル、二重間隙モデルによる地下水流動解析手法の開発、検証を行ってきたÁ、Ë、Î、Ï。

ルと堆積岩を対象とした多孔質媒体モデルとに大別さ

岩盤中の割れ目を効率的に評価できるスメアード割れる。さらに、亀裂性媒体モデルは、実際の割れ目のれ目モデルは、スウェーデン原子燃料廃棄物管理会社

性状やそのモデル化手法に応じて、図 2-6-1 に示すよう（SKB）との共同研究の中で一貫して行っているエスポに異方性多孔質媒体モデル、スメアード割れ目モデル、地下研究施設を利用した長期揚水試験Á、Ìやトンネル掘

離散割れ目モデル、二重間隙モデル、割れ目ネットワ

削に伴う岩盤中の間隙水圧低下現象Ë、Óに適用し、本手ークモデル、チャンネルネットワークモデルに細分さ法が有効であることを示した。さらに、トンネル掘削れる。多孔質媒体モデルにおいても、各地層を一定のに伴う水圧低下現象に対しては、図 2-6-2 に示すように物性値で代表させるモデルの他、各地層の異方性や深割れ目帯周辺のグラウトを考慮することにより、トン度依存性を考慮できるモデル、さらに同一地層中の物

ネル周辺の地下水流動をよりよく表現できることを明

性値のバラツキを考慮できるモデルもある。

らかにした。さらに、地下水の温度や塩分濃度を考慮

36

_

異方性多孔質媒体モデル`

スメアード割れ目モデル

a

b

c

d

離散割れ目モデル

図2-6-1

二重間隙モデル

割れ目ネットワークモデル

チャンネルネットワークモデル

種々の亀裂性媒体モデルできるようにモデルの高度化を進めている。

マトリックス拡散、吸着（あるいは収着）、崩壊連鎖、

多孔質媒体であっても、物性値、とりわけ透水係数

分解の現象をモデル化している。特に、SKB との共同が空間的に分布するような場においては、クリギング研究で実施している原位置試験では、単一割れ目を対等により確率論的にその不均一性を評価する手法を開象として、吸着性トレーサの挙動を流れの不均一性を

発しÈ、それを SKB で実施中の割れ目を通しての非吸着考慮し、さらにマトリックス拡散や割れ目表面吸着を

Í

性トレーサ試験にも適用している 。

考慮して評価しているÍ、Ô。図 2-6-3 はエスポ地下研究施設において単一割れ目中の KXTT4 孔に種々の放射性2-6-3 核種移行解析･評価手法

トレーサを注入し、それを周辺ボーリング孔である
KXTT3 孔から揚水した場合に得られた破過曲線を解析

地下水流動解析結果を踏まえ、地下水の流れに沿っ結果と比較した図である。この図から、割れ目内の透た放射性核種等の溶質の移行挙動解析手法を開発・検水性の不均一性のほか、吸着指標である岩盤マトリッ

証している Í、Ï、Ô。溶質移行においては、移流、分散、クスの分配係数と割れ目表面における分配係数を考慮

電中研レビュー No.40 ● 37

トンネル

エスポ島

1000m

2500m
2000m

¸

解析領域と解析メッシュ

40
Case1
Case2
Case3
Case4

dh（mh2o）

30

20

10

0

−10
0

¹

120

240

360
480
経過時間（日）600

720

解析結果（dhは全水頭の実測値と解析結果との差の全観測区間における平均、
Case１とCase２はトンネルおよび立孔の境界条件をそれぞれ大気圧開放、流出量の実測値に設定、Case３とCase４は、それぞれCase１、Case２でグラウトによる透水係数の低減効果を考慮）

図2-6-2

エスポ地下研究施設におけるトンネル掘削に伴う水圧低下に関する解析することにより、原位置試験結果を評価できることがわかった。

ている、Ò。
以上のように、地下水中の溶質移行評価においては、

最近、地下水に本来含まれている成分を天然のトレ

人工トレーサを使用して評価する手法だけでなく Í、Ô、ーサとして、地下水流動の検証を行おうとする試みも天然に存在する水質成分、溶存ガス、Ò、微量元素Ú等

なされている。特に、図 2-6-4 はエスポ地下研究施設のを利用する手法が、近年多用されている。

トンネル掘削により周辺地下水の水質が経過時間とともにどのように変化するかを評価したものであり、こ当所では、国内での小規模な原位置試験や国外でののような手法を用いることにより、地下水流動だけで本格的な地下研究施設を利用しながら、天然バリア性はなく、溶質移行現象も同時に評価できる。図では、能評価に関する手法の開発・検証を行っている。さら特定の水質成分ではなく、水質の主成分分析から推定に、現場調査や室内試験による補完により、来るべきされた起源水のトンネル掘削前後の分布について示し

高レベル放射性廃棄物の処分候補地等の選定に際して、ている。同様な観点から、当所独自の地下水中の溶存

天然バリア性能を適切に評価できるよう、一層の改ガスを利用して地下水の年代や地下水の混合を評価し良・高度化を進めていく予定である。

38

30

Loog10 T（m２/sec）
25

Y（m）

20

15

10

5

0

0

5

¸

10

15
20
X（m）

25

30

単一割れ目内の透水量係数Tの空間分布

107
実測計算

トレーサー量（Bq/hr）

106
105

HTO
Na-22
Rb-86
Cs-137
Ca-47
Sr-85
Ba-133

104
103
102
101
1

10

100

1000

10000

経過時間（時間）¹

KXTT4孔から注入した揚水孔KXTT3孔におけるトレーサの破過曲線

図2-6-3

バルチック海水

雨水

8000

エスポ地下研究施設における単一割れ目中のトレーサ移行解析

3000

7500
7000

2500
6500
6000
5500

2000
1500
1000

トンネル掘削前

図2-6-4

バルチック海水

雨水

8000

3000

7500
7000

2500
6500
6000

2000
1500
1000
5500

トンネル掘削後

エスポ地下研究施設におけるトンネル掘削に伴う周辺地下水の水質変化

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