2022 Fiscal Year Annual Research Report
Self-sealing Dynamics of Unsaturated Layer for Downsizing of Geological Disposal System
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20K21159
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
新堀 雄一 東北大学, 工学研究科, 教授 (90180562)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
千田 太詩 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30415880)
関 亜美 東北大学, 工学研究科, 助教 (80912328)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 放射性廃棄物 / 地層処分 / コンパクト化 / 不飽和層 / 乾燥過程 / 表面集積 / 析出反応 / 自己閉塞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
最終年度として本研究の4つの課題を検討した。
検討課題(1)模擬多孔質体を用いた乾燥に伴う物質移動の実験的検討では、充填層カラムの長さを大きくしてX線CTを利用して乾燥面近傍の析出の状態をカラムの中段部や底部と比較した。その結果、乾燥面近傍での間隙率の顕著な減少を確認するとともに1/3程度の浸透性の低下が明らかになった。
検討課題(2)実験結果に基づく物質移動を表す数学モデルの構築では乾燥に伴うカラムの重量変化をモデル化し、見かけの物質移動速度定数を算出した。その結果、充填粒子の存在によりその値は大きくなり、毛管力により溶質が乾燥面近傍に連続的に移動することが定量的に示された。
検討課題(3) 不飽和層の自己閉塞のダイナミクスの整理と各課題への反映では、上述(1)および(2)を通して、乾燥に伴う乾燥面近傍における溶質の移動を、間隙率、浸透性および見かけの物質移動係数により系統的に整理した。そこでは、溶質濃度が倍になっても透水性は必ずしも半分にはならず、溶質の析出が乾燥面近傍では一様ではないこと、また、自然乾燥および真空引き乾燥ともに乾燥過程は水分量が凡そ10%に至るまでの期間において表面での乾燥過程が律速することが明らかになった。
検討課題(4)コンパクト地層処分概念の提示(本研究の最終的なまとめ)として地層処分場のレイアウトに適用した。乾燥に伴うケイ酸の乾燥面近傍の集積に伴う浸透性の低下は人工バリアであるベントナイトの変質の原因となるカリウムイオンの供給を抑え、他のケイ酸塩の析出と同様に核種の移行抑制にも寄与すること、さらに、廃棄体の発熱によるベントナイト温度が最大になる期間は坑道維持に通気する期間(約50年)より短いことから、乾燥過程に伴う不飽和層(その最高温度は105℃程度)においても変質速度は十分に小さいことを確認した。これらは、廃棄体を重ねて縦に配置し、その設置面積を半分以下にする可能性を示唆する。
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