不飽和層を伴う変動場における核種移行モデルの開発とその人工バリア設計への活用

Research Project

Project/Area Number	17J01851
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	国内
Research Field	Nuclear engineering
Research Institution	Tohoku University
Research Fellow	小堤健紀東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
Project Period (FY)	2017-04-26 – 2020-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000) Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000) Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords	不飽和 / ネットワークモデル
Outline of Annual Research Achievements	ケイ砂充填カラムに，別個に合成したCHSゲルを充填することは困難であることがわかった。また，流動実験中にカラム内部において直接CSHを合成する実験については，CSHの生成が確認できるほどの量が見込めなかった。そのため，共同実験者が多孔質体を模擬したガラスビーズを充填したカラムにケイ酸を析出させる実験を行い，流路が閉塞しカラム内部の流動状況が変化する様子を定量化した．今後は，その実験系においてカラム内部の液相飽和率（間隙体積に占める液相の割合）を飽和（間隙体積が液相のみで充填）した状態から，気相を含む不飽和状態における実験を行う。また，カラムの大きさを変えた場合における物質応答実験は，数値計算モデルにおいては、浅い地中における物質移行挙動を計算する流路に適用する移流分散方程式を、モデルに整合するように最適化した。また、数値計算における差分の精度と、その差分式の次数に適合した境界条件を解明した。また，これまでモデルのネットワーク構造を大きくする程に，実験値と反して物質応答における水力学的分散が反比例し過小に評価されていた。この問題に対して，モデル化の際のパラメータを整合させることで水力学的拡散を増大させていたが，ネットワークモデル内の一つの計算単位ごとに設定している内部境界条件が，数学的に拡散のフラックスを制限していることがわかった。今後は，物質拡散が実験値に沿った内部境界条件を設定し，モデル化の際のパラメータの整合性を実験結果と照らし合わせて、定量評価することでモデルの計算精度の向上に努め、様々な地下環境をシミュレートする数学モデルを完成する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ケイ砂充填カラムを用いた流動実験においては，飽和率（カラム内体積に占める液相の割合）が0.8から0.9の範囲に関しては，データが拡充し核種遅延係数や分散係数の変化は定量化できた。数値解析によるネットワークモデルの構成に関しては，これまでの計算方法においては，実際の実験結果と物質応答における水力学的拡散挙動が過小に現れていた．過年度はモデル化の際のパラメータが最適化できていないことに原因があると考えていたが，モデル化に用いていた内部境界条件において数学的に拡散が抑制されていたことが判明した。
Strategy for Future Research Activity	実験に関しては，飽和率を圧力操作により制御したケイ砂充填カラムに対して低飽和率の多孔質層に対して物質応答の実験を行う。それにより，飽和率似たいする核種遅延係数と水力学的拡散係数の関係を定量化する。数値解析によるモデル化に関しては，数学的に拡散を抑制していた内部境界条件を，実験結果に整合する境界条件に変更する。その後，飽和率のすべての範囲に対し核種の移行挙動を再現するモデルとする。