報告書番号

N07005

タイトル（和文）

飽和した高密度ベントナイトのガス移行メカニズムとそのモデル化

タイトル（英文）

Gas migration mechanism of saturated dense bentonite and its modeling

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

放射性廃棄物処分においては，放射性核種の移行を抑止するためなどの理由により締固められたベントナイトが用いられる．一方，地下深部の還元性環境下における金属腐食などにより金属廃棄物等から水素ガスが発生する可能性があるが，高密度ベントナイトは緻密であるため透気性も低く，蓄積したガスが速やかに排出されないことが予想される．そのためガス圧上昇による周辺施設や岩盤への影響の評価，ガス排出時のベントナイトの損傷の影響の評価を行なう必要があり，ガス移行現象のモデル化ならびにメカニズムの解明が必要となるそこで本研究では，初期に飽和した高密度ベントナイトのガス移行特性ならびにガス透過後の透水性を実験的に把握し，これらに基づいてガス移行現象のメカニズムを明らかにするとともにそのモデル化を検討した．
初期に飽和した高密度ベントナイトを対象としてガス移行試験を実施し，以下の知見を得た．
①いずれの場合もガス圧が初期軸方向土圧と同等か又はやや小さい時点で最初の破過（排水・排気側に気泡が出現した時をもって定義する）が生じた．更にガス圧を増加させると供試体が軸方向に収縮するため空隙が生じ，軸方向全土圧はガス圧と等しい状態を保ちながら増大し，大破過（排気量が急激に増大した時をもって定義する）が生じた．
②大破過後に再度加圧して求めたガス有効浸透率の値は破過後から大破過に達するまでの期間の値の108～1010倍程度であった．このことは，大破過は破過に比べてガス透気による蓄積ガス圧の低下に有効性が高いことを意味している．
③実験事実に基づき，想定し得るガス移行メカニズムを提案した．
④大破過後の供試体の透水係数は，試験前に比べてやや小さかった．このことは，大破過後によるベントナイトのバリア性能低下は無視し得るか小さいと考えてよい可能性があることを意味している．
次に，ガス移行実験における大破過現象のモデル化を行い以下の知見を得た．
⑤ガス圧が初期軸方向全土圧を超える場合，供試体が軸方向に収縮する現象を1次元圧密理論でモデル化した．
⑥大破過発生の条件を検討するため上記の解を用いて，大破過時のガス加圧側供試体端面における軸方向有効応力を逆算した．この値は，ベントナイトの引張強度からハイドローリックフラクチャリングの発生を仮定して逆算した値と整合していた．このことより，ガス加圧側供試体端面における大破過の発生はハイドローリックフラクチャリングによる可能性が高いことがわかった．
⑦大破過時ガス加圧側供試体端面における軸方向有効応力と膨潤圧の関係を用いて，本研究ならびに他の研究機関で実施した既往の実験結果を推定したところ，計算結果と実験結果は良好に一致した．本モデルは，物理的な意味が明快な物性のみから簡易に大破過圧を推定できることに特徴がある．

概要 （英文）

In the current concept of repository for nuclear waste disposal, compacted bentonite will be used as an engineered barrier mainly for inhibiting migration of radioactive nuclides. Hydrogen gas can be generated inside the engineered barrier by anaerobic corrosion of metals used for containers, etc. If the gas generation rate exceeds the diffusion rate of gas molecules inside of the engineered barrier, gas will accumulate in the void space inside of the engineered barrier until its pressure becomes large enough for it to enter the bentonite as a discrete gaseous phase. It is expected to be not easy for gas to entering into the bentonite as a discrete gaseous phase because the pore of compacted bentonite is so minute. Therefore it is necessary to investigate the following subjects:a) Effect of the accumulated gas pressure on surrounding objects such as concrete lining, rock mass.b) Effect of gas breakthrough on the barrier function of bentonite.c) Revealing and modeling gas migration mechanism for overcoming the scale effects in laboratory specimen test.
Firstly, the following conclusions were obtained through by the results of the gas migration tests which are conducted in this study:1) Bubbles appear in the semitransparent drainage tube at first when the total gas is equal to the initial total axial stress or somewhat smaller. By increasing the gas pressure more, breakthrough of gas migration, which defined as a sudden increase of amount of emission gas, occurred. When the total gas pressure exceeds the initial total axial stress, the total axial stress is always equal to the total gas pressure because specimens shrink in the axial direction with causing the clearance between the end of the specimen and porous metal.2) Effective gas conductivity after breakthrough of gas migration is times larger than that measured before the breakthrough of gas migration. This fact means breakthrough of gas migration is effective in reducing gas pressure accumulated in the vault for nuclear waste disposal.3) On the basis of experimental facts, possible gas migration mechanism of dense bentonite is proposed.4) Hydraulic conductivity of water measured after breakthrough of gas migration is somewhat smaller than that measured before the gas migration test. This fact means that it might be possible to neglect decline of the function of bentonite as engineered barrier caused by breakthrough of gas migration.
Secondly, the following conclusions were obtained by modeling breakthrough of gas migration:5) The bentonite specimen shrink in axial direction when total gas pressure exceeds initial total stress of the specimen. The phenomenon was modeled by one-dimensional consolidation theory so that it can be handled by numerical simulation.6) Stresses of bentonite specimen at breakthrough of gas migration is estimated by reverse calculation of the laboratory test results. The estimated stresses are accordant with the stresses which estimated by assuming hydraulic fracturing mechanism. This fact means breakthrough of gas migration probably occurs according to the hydraulic fracturing mechanism.7) The breakthrough pressure of gas migration is calculated by using the proposed relationship between swelling pressure and effective axial stress at breakthrough of gas migration. The calculated results show good agreement with not only experimental results obtained by this study but also those by other organization. By the proposed method, the breakthrough pressure of gas migration can be calculated only using parameters physical meaning of which are very clear.

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