| 研究課題/領域番号 |
25630425
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| 研究種目 |
挑戦的萌芽研究
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
新堀 雄一 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90180562)
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| 研究分担者 |
千田 太詩 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30415880)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 地層処分 / 放射性廃棄物 / 原子力エネルギー / 不飽和帯 / 冠水過程 |
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| 研究概要 |
本研究の課題１である「室温環境下における冠水過程の評価」を行った。
(1) 亀裂表面の同定: 花崗岩試料（非研磨試料、鏡面研磨試料）を用いてその表面の起伏をAFM等により定量化した。その結果、非研磨の場合4μm程度の起伏が存在するのに対し、研磨した場合、その起伏は0.5μm未満であった。但し、比表面積として評価すると前者は後者に比較して大きいもののその差は無視できるほど小さい。
(2) 不飽和帯における水の流路の形成過程のモデル化: ここでは流動系実験装置（マイクロフローセル装置）を用いた。この装置は，(1)の岩石試料にテフロンシートを挟み，0.1 mm未満の亀裂幅の流路を再現できる。本研究では，連続的に高アルカリ水溶液（淡水系模擬地下水および海水系模擬地下水）を所定流量により供給し，出口までの液相の破過現象および流路表面への析出現象を、圧力変化およびろ液の化学分析により追跡した。その結果、流路には析出物が観察され、連続的に析出物が系外に流出することおよびその流出に表面の起伏が影響することが見かけの析出速度の評価から明らかになった。なお，表面の変質状況はEDXにより逐次確認し、流路表面にカルシウムシリケート水和物が存在すること、珪素の供給は主に石英からであることが確認された。
(3) 固相存在下における脱気水への空気の溶存速度の評価: 固相存在下における空気の溶存速度を、鏡面研磨試料を用いて求め，固相のない場合との比較を行った。その結果、見かけの溶存速度は、気液界面の形成（濡れ性）に依存するものの、単位界面積あたりの溶存速度はほぼ統一的に表されることが確認できた。
(4) 室温環境下における不飽和帯の冠水過程のモデル化: 以上の(1)から(3)の結果を基に，等温環境下における不飽和帯の冠水過程のモデル化を溶存速度および液相内の溶存ガスの拡散過程を考慮して行い、実験結果をおおよそ再現できることを確認した。
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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
連続的に注入した高アルカリ水では、セメント系材料との接触を考慮してカルシウムイオンを8.5mM含みかつ水酸化ナトリウムによりpHを12.4に調整した場合と、カルシウムイオンを含まない場合との比較も行った。その結果、前者は浸透性が低下するのに対し、後者は浸透率が増加した。前者において、カルシウムの亀裂表面における分布状態を2次元EDXマッピングにより観察すると、石英の部分には他の鉱物に比較してカルシウム成分は少なく、花崗岩において析出物は石英からのケイ素の提供を受け、析出物が生成していることが分かった。また、後者では、ろ液から水溶性ケイ酸を観察することができた。このことは、析出現象がさらに続くと、石英の鉱物表面も析出物により覆われ、析出反応を抑える方向となることも予想され。本知見は、上述の研究業績に加え、次年度以降の考察に活用することができる。以上より本研究はおおむね順調に進展していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究計画の変更等はない。当初予定したように平成26年度では，前年度の課題1についての検討を継続する。また，予定していた課題2「高温環境下における冠水過程の評価」を行う。当該年度においては前年度の冠水過程モデルを高温環境下において利用できるように改良する。そして、高温環境下(室温以上の100℃未満を想定)の流動実験を、前年度と同様のマイクロフローセル装置を利用し，所定温度に設定しながら高アルカリ水の冠水過程を追跡する。また、この結果を用いて、高温環境下に対応した冠水過程のモデル化を行う。
また、平成27年度は，前年度の実験を引き続き行うとともに、非等温環境下における冠水過程の評価(課題3)を前年度までの知見を基に検討する。さらに、処分システムにおける再冠水に要する期間の算出(課題4)として 実際に処分するサイトは決まっていないため，いくつかのモデルサイトを日本原子力研究開発機構の既存レポートを参照して定め，本研究により作成した評価モデルを利用して冠水に要する期間を算出する。この結果には，初期不飽和帯の体積（掘削影響領域の大きさと関連すると仮定）や，サイトの浸透性に対する不確実性を含むため，それらをも考慮して概算される冠水までに要する期間（不確実性を考慮した冠水期間の分布）を提示する。加えて、再冠水の期間を考慮した廃棄体間隔の算出(課題5)として、人工バリアの主要な構成鉱物であるベントナイトの変質が不飽和かつ沸点未満（ここで，沸点とは処分深度の地圧によって100℃を超える）の条件において進行しないことを確認し，人工バリアの変質を無視できる廃棄体の設置間隔を算出することにより、処分場における廃棄体の高密度化（有効活用の定量評価）を図る。
なお，H27年度は本研究の最終年度であり、学会等での発表、コメントを得て、最終成果を取りまとめる。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
学内におけるSIMS(二次イオン質量分析計)などの分析料が別途支弁でき、また、鉱物試料（実験上、成形後新しいものを用いる必要がある）の購入が実験の進捗により当初予算と異なったために差額が生じた。
次年度使用額を活用して、実験の進捗とともに試料を購入する計画を組んでいる。
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