2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of multiscale simulator for revealing actual behavior of long-term permeability evolution after fracture generation within rocks
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22H01589
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
緒方 奨 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (50868388)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 麻由子 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 地層処分研究開発推進部, 研究職 (10751191)
岸田 潔 京都大学, 工学研究科, 教授 (20243066)
中島 伸一郎 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (70346089)
安原 英明 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (70432797)
福田 大祐 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80647181)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | ミクロスケールの岩石亀裂生成解析 / GPGPU並列計算 / 岩石亀裂生成解析の高速化 / 鉱物分布モデル / 亀裂のミクロ構造 / 亀裂内マルチフィジックス現象 / 亀裂の透水性変化 / 岩石鉱物の溶解・沈殿 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の実施内容を以下に記す。
■(A)：高速かつ高精度なミクロスケール亀裂生成解析を確立すべく、ベースとなるFEM-DEM統合解析手法（FDEM）の改良を行った。従来のFDEMでは、応力計算精度の劣化が生じる懸念が報告されているため、正確な応力計算が可能な亀裂生成モデルECZMを導入した ECZM-FDEMの適用が望ましい。しかし、既存のECZM-FDEMでは、亀裂挿入過程においてリメッシュ処理が必要であり並列計算による高速化が困難であった。そこで、リメッシュ処理を回避するアルゴリズムを実装したECZM-FDEMを開発し、GPGPU並列まで搭載した。これにより、従来のECZM-FDEMに対し大幅な計算高速化（優に200倍以上）を達成した。
■(B) ：JAEAの瑞浪超深地層研究所で採取された花崗岩に対するX線CT撮影と画像解析を行い抽出したミクロな鉱物分布を反映した解析モデル（GBM）を構築した。そして、そのGBMを(A)の成果と融合させた、ミクロスケール亀裂造成解析手法を創成した。この解析手法を用いて、土岐花崗岩を用いた圧裂試験の再現計算を行い、鉱物分布に依存した亀裂進展を再現できることを確認した。
■(C) ：本研究では、亀裂生成解析モデルに加え、ミクロ構造に依存した亀裂内マルチフィジックス現象を記述する亀裂構成モデルの構築も行う。今年度は、モデル構築のために実施予定である室内実験（温度・拘束圧・pH制御下での岩石亀裂透水試験及びX線CT撮影によるその場観察）の機構を概ね完成させた。
■(D) ：さらに、ミクロ構造に依存した亀裂内マルチフィジックス現象を記述する亀裂構成モデル構築の予備検討として、鉱物沈殿が活発に観察された既往の花崗岩亀裂への模擬海水を用いた透水試験の結果に基づき、ミクロな鉱物溶解・沈殿がもたらす亀裂のマクロな透水性変化を記述するモデルを構築した。
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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
当初計画において本年度は、(1)ミクロ構造レベルで亀裂生成形態を予測する亀裂生成解析モデルの構築、(2)ミクロ構造に依存した亀裂内マルチフィジックス現象を記述する亀裂の構成モデルの構築、という二つの研究課題に取り組む計画であった。
(1)の課題について当初計画では、今年度内に(1-1)【微視構造観察による岩石の鉱物分布抽出】、(1-2)【力学試験の実施と亀裂のミクロ構造の定量評価】、(1-3)【ミクロスケール亀裂生成モデルの構築と力学試験の再現解析】の三つのサブ課題を実施する予定であった。結果として今年度は、この(1-1)～(1-3)のサブ課題の内容を一通り全て実施するとともに、当初想定していなかったレベルの亀裂生成解析の高度化（解析の高精度化・高速化）を実現できた。
(2)の課題について当初計画では、今年度内に(2-1)【温度・圧力・化学条件を制御した岩石亀裂透水試験とその場観察】のサブ課題を開始するとともに、得られた計測・観察結果を活用し、(2-2)【ミクロ構造に依存した亀裂内マルチフィジックス現象を記述する亀裂の構成モデルの定式化】のサブ課題に着手する予定であった。結果として今年度は、(2-1)の実験を本格的に開始し計測・観察結果を新たに取得するまでには至らなかったものの、既往の花崗岩亀裂透水試験で得られている範囲のデータを利用し、(2-2)のサブ課題における構成モデルを今後完成させていく上で重要となる部分（ミクロな岩石鉱物の溶解・沈殿反応の発生挙動とそれが亀裂のマクロな透水性変化に与える影響）の定式化を概ね完了できた。
上記の通り、今年度実施予定であった(1)と(2)の研究課題の内、(2)の課題については、当初の予定より一部の内容で若干遅れがみられるものの、(1)の課題については、当初想定を超える成果が得られており、総合的には研究は概ね順調に進捗していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
①ミクロ構造レベルで亀裂生成形態を予測する亀裂生成解析モデルの高度化：今年度は、構築した亀裂生成解析モデルが鉱物分布に依存した亀裂生成経路等を概ね再現可能であることを実験との比較を通じ確認できた。今後は、開口幅や接触部の分布といったミクロ構造レベルのより詳細な亀裂生成形態を再現すべく3D鉱物分布モデルや鉱物境界での亀裂進展開口計算の改良を図っていく。
②亀裂透水試験とＸ線CTによるその場観察の実施：今年度整備した実験機構を用いて、単一亀裂を有する土岐花崗岩や幌延泥岩への透水試験及びＸ線CTによるその場観察を数日～数か月スパンで実施し計測・観察データを蓄積していく。
③ミクロ構造に依存した亀裂内マルチフィジックス挙動を記述する構成モデルの構築：②の亀裂透水試験とＸ線CTによるその場観察より得られた、時々刻々と変化する単一亀裂全体としてのマルチフィジックスな応答とその亀裂内のミクロ構造の特性値との間の構成関係の定式化を試みる。
④亀裂のミクロ構造を考慮可能なマルチスケール・マルチフィジックスシミュレータの構築・検証：①と③において開発されるモデルを代表者が開発してきたメゾ～マクロスケールの連成解析コードに実装し、亀裂のミクロ構造を的確に考慮した上でマクロな岩盤に対する長期挙動予測解析を実現する革新的マルチスケール・マルチフィジックスシミュレータを構築し、室内・現場実験との比較よりシミュレータの妥当性を検証する。
⑤シミュレータの妥当性検証と地層処分環境を想定した予測解析：最後に、④において構築・検証されたシミュレータを用いて地層処分環境を想定した条件下で岩盤の長期透水特性を数万年オーダーで予測解析を行う。
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