2020 Fiscal Year Research-status Report
A Study on Thermo-Hydro-Mechanical Coupled Model in Buffer Material as an Engineered Barrier in Geological Disposal
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20K05383
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
佐藤 治夫 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (50421615)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 地層処分 / 緩衝材 / ベントナイト / モンモリロナイト / 膨潤応力 / 膨潤力 / 温度依存 / 熱力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高レベル放射性廃棄物は、地下300m以深の地層中に坑道を掘削し、人工バリアなどの多重バリアシステムを構築して埋設される（地層処分）。地層処分におけるバリアシステムは、内側から、ガラス固化体（廃棄物）、オーバーパック（金属容器）、緩衝材、岩盤より構成され、廃棄物から緩衝材までが人工バリアである。埋設後、廃棄物からの崩壊熱により、人工バリア中に温度分布が発生する。また、坑道の周囲からは地下水が侵入し、緩衝材中を移動すると共に、やがては飽和する。人工バリアの内、緩衝材は、天然の粘土であるベントナイトが使用される。ベントナイトは水と接触すると膨潤し、周囲の隙間をシールすると共に、水の流れを抑制する。このように、緩衝材中では、再冠水過程で、温度上昇と共に水分分布が発生する。この水分分布は、膨潤応力分布を引き起こすことは知られているが、温度変化に対する影響については良く分かっていない。
令和2年度は、緩衝材として検討されているNa型ベントナイトの膨潤特性に及ぼす温度の影響について、膨潤特性と密接に関係し、温度に対して感度が高いと考えられる膨潤力の変化の測定に着手した。測定は、日本工業会の手法（メスシリンダー法）に準拠し、恒温水槽により温度をパラメータ（25～70℃）に開始し、先ず、純水条件に対するNa型ベントナイト（クニゲルV1）とベントナイトの主成分であるNa型モンモリロナイト（クニピアF）のデータを取得すると共に、活性エネルギーを解析した。また、ベントナイトの膨潤応力に関する従来の熱力学モデルの理論を発展させ、温度の影響を解析するための理論を導出した。膨潤力の変化の測定に先立って、測定を実施するための設備や器具類（恒温槽、超純水製造装置、恒温水槽、超音波洗浄器、デシケータ、メスシリンダー等）を整備すると共に、ベントナイト等の試料を入手した。また、成果の一部について外部発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度（令和2年度）は、ベントナイトの膨潤特性に及ぼす温度の影響に関する基礎データを測定するための主要な設備や器具類（恒温槽、超純水製造装置、恒温水槽、超音波洗浄器、デシケータ、メスシリンダー等）を概ね整備すると共に、ベントナイト等の試料を入手した。
既存の設備や器具類と本助成金で整備した設備や器具類を使用し、先ずは、純水条件での膨潤力（自由膨潤）の温度依存性（25～70℃）に関する測定を開始し、一部のデータを取得した。測定と並行して、ベントナイトの膨潤応力に関する従来の熱力学モデルにおける理論を発展させ、温度の影響を解析するための理論を導出した。また、得られた成果の一部について外部発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
膨潤力の変化の測定を継続する。モンモリロナイト層間中の陽イオンの種類が異なるベントナイトやモンモリロナイトについて、膨潤力の変化の温度依存性に関する基礎データを取得する。膨潤力は水質の影響を受けることも知られていることから、水質の影響についても測定する。
次に、ベントナイトの主成分であるモンモリロナイト層間水の熱力学特性に着目し、温度と含水比をパラメータに蒸気圧（又は相対湿度）を測定することで、水の活量やGibbsの自由エネルギーなどの熱力学パラメータを取得する。これらのデータと熱力学理論に基づいて、膨潤応力の温度の影響について検討する。蒸気圧（又は相対湿度）を測定するに当たっては、気密性の高い測定セルが必要となるため、市販の真空容器等を改造し測定系を組み合わせることで、測定セルを製作する。
データ測定と並行して、熱－水－応力連成モデルについて検討する。緩衝材中の熱の移動は熱伝導率に基づいた熱拡散により行い、熱拡散係数はベントナイトの密度や水分量、水質の影響について調査検討し、モデル化する。緩衝材中の水分の移動は、水蒸気と液状水の混合体での移動を考慮した水分拡散係数により解析し、水分拡散係数は、ベントナイトの密度や水分量、温度の影響についても検討し、モデル化する。また、膨潤応力は、水分分布に連動して変化することから、不飽和と飽和条件に対して構築した熱力学モデルに基づいて解析する。これらの連成解析をフルスケールの人工バリア（半径1.11m）を想定し、円筒座標系半径方向について数値解析法（差分法）により、オーバーパック表面から岩盤の深さ2m程度まで解析するための解析ツールを整備する。
連成モデルの検証は、2014年12月から、地下350mの坑道で実施されているフルスケールの人工バリアの原位置試験（日本原子力研究開発機構 幌延深地層研究センター）で得られたデータに基づいて行う。
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| Causes of Carryover |
令和2年度（初年度）中に、ベントナイトの主成分であるモンモリロナイト層間中の陽イオンを調整することと、モンモリロナイトを精製するための装置として、遠心分離機（超遠心）とロータ、及び試料容器（バケット）などを購入する予定であったが、メーカーからの申し出により、安全保障輸出管理の対象物品（技術）であることが分かり、装置の分割購入に説明が必要なことや、装置の発注後、最低3ヶ月はかかることが判明した。このため、次年度（令和3年度）、装置の仕様、ロータ、バケット等について再検討し、購入する予定である。
また、令和2年度は、新型コロナウィルスの感染拡大防止のため、国内外の学会や国際会議等へ出張する機会がなかったが、次年度以降、状況等を考慮しつつ、成果発表を積極的に行う予定である。
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Research Products
(2 results)
