| 研究課題/領域番号 |
23K22859
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01589 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分22030:地盤工学関連
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
緒方 奨 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (50868388)
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| 研究分担者 |
清水 麻由子 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, バックエンド領域, 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, 教授 (70346089)
安原 英明 京都大学, 工学研究科, 教授 (70432797)
福田 大祐 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80647181)
下茂 道人 公益財団法人深田地質研究所, その他部局等, 特別研究員 (90393694)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2025年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2023年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2022年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
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| キーワード | 岩盤内亀裂 / 透水特性 / マルチスケール・マルチフィジックスシミュレータ / 熱・水・力学・化学連成現象 / マルチGPU並列計算 / 亀裂のミクロ構造 / 岩石鉱物の溶解・沈殿 / ミクロスケールの岩石亀裂生成解析 / 岩盤内亀裂のミクロ構造 / 岩石亀裂生成解析の高速化 / 鉱物分布モデル / 亀裂内マルチフィジックス現象 / 亀裂の透水性変化 / GPGPU並列計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
高レベル放射性廃棄物を岩盤内に隔離し、その長期閉じ込め性能を保証するためには、岩盤内亀裂の透水性を長期に渡り予察する必要がある。そのためには、地層処分時に岩盤中に亀裂が生成した後、熱・水・力学・化学連成現象の影響で亀裂の透水性が長期変化していくまでを予測評価する必要がある。しかし、従来の岩盤連成解析では、亀裂での連成現象に強く寄与する亀裂内ミクロ構造の影響を考慮できておらず、透水性変化の実像を捉えきれない。本研究では、亀裂生成から連成現象に伴う長期透水性変化まで、亀裂のミクロ構造特性を考慮した上で精密に再現するマルチスケール岩盤シミュレータを創成し、地層処分時の岩盤の透水特性変化の実像を導く。
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| 研究実績の概要 |
課題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メゾスケール構成モデル構築に関する成果：温度・拘束圧を制御した条件下での単一亀裂を有する花崗岩への透水試験及びＸ線CTによるその場観察及びそれらの試験結果・観察結果に対する構成モデルを用いた再現解析、などの成果をまとめた論文を取りまとめ、国際学術雑誌に投稿間近の段階である。また、新たに温度・拘束圧に加え、透過水として鉱物飽和水を使用した条件（透過水の鉱物飽和度を制御）での花崗岩亀裂に対する透水試験を長期間実施できており、経時的な透水性低下を示す測定データを取得済みであり、モデルの更なる改良に利用可能なデータを得ることができている。さらに、透過水として模擬海水を用いた条件での既往の花崗岩亀裂透水試験で観察された二次鉱物の沈殿が寄与した透過率の経時低下挙動についても表現可能な構成モデルを構築できている。
課題③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に関する成果：まず、構築予定のシミュレータの基盤となる並列計算搭載型の数値解析フレームを高度化した。具体的には、解析フレームのベースとなるFDEM（FEM-DEM統合解析手法）とDFNモデル（離散亀裂ネットワークモデル）をそれぞれ、マルチGPUコア並列計算とマルチCPUコア並列計算によって高速化させた。次に、これまでに本研究で開発してきたミクロスケール亀裂生成解析モデルとマルチフィジックス構成モデルを実装し、亀裂のミクロ構造まで考慮した上でマクロな岩体の長期挙動を追跡可能なマルチスケール解析フレームへと拡張した。また、構築したシミュレータを用いて、幌延深地層研究センターの深度350m坑道における現場実験（空洞掘削～透水試験）の内の空洞掘削過程までの再現解析を実施済みであり、解析結果の妥当性検証も行うことができている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初計画では本年度は、(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」、(3) 「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」という2課題に取り組む予定であった。
(2)の課題について当初計画では、今年度は(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】のサブ課題を長期に渡り継続実施するとともに、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】のサブ課題を遂行する予定であった。今年度終了の時点までに予定していた一連の内容を概ね遂行することができ、亀裂内のミクロな連成現象に基づきマクロな透水性変化を提案したマルチフィジックス構成モデルで予測し得ることが示されている。
(3)の課題について当初計画では、今年度終了時点までにシミュレータを構築予定であり、概ね当初の予定通り、亀裂のミクロ構造まで考慮した上でマクロな岩体の長期挙動を追跡可能な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できており、現場実験との比較による妥当性検証も実施できている。
上記をふまえ、研究計画の予定に従って研究は概ね順調に進捗していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究で実施予定としていた(1)～（4）の研究課題の内、(1) 「ミクロ構造レベルで亀裂生成形態を予測する解析モデルの構築」の課題については、昨年度までの時点で基本的に完遂できている。 (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」の課題については、化学条件（透過溶液中の元素濃度）を変化させたケースの岩石亀裂透水試験とその場観察を継続して実施し、実験・観察結果に基づき構成モデルを更に高度化（化学条件への依存性に対する改良）していく予定である。また、(3) 「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」の課題については、今年度フレームワークが構築できたミクロ～メゾ～マクロに跨るマルチスケール解析のコードを用いて、JAEAの瑞浪超深地層研究所・幌延深地層研究センターで実施された現場実験の再現解析、具体的には空洞掘削後の長期透水性変化プロセス（まだ再現解析が完了できていない項目）についての解析を完了させ、実現場レベルでのシミュレータの妥当性検証を完遂させる予定である。最後に、(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」の課題については、(3)にて構築・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っていく予定である。
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