報告書番号

N08065

タイトル（和文）

飽和した高密度ベントナイトのガス移行解析手法の開発－力学連成気液2相流によるモデル化と適用性の検討－

タイトル（英文）

Development of numerical simulation method for gas migration through saturated dense bentonite, Modeling by two-phase flow through deformable porous media and its applicability

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

放射性廃棄物処分施設においては，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，高密度ベントナイトは緻密であるため透気性が低く，地下深部の還元性環境下における金属廃棄物の腐食等により発生する可能性がある水素ガスを速やかに排出しないことが予想される．そのためガス圧上昇とそれに伴う排水・排気が周辺へ及ぼす影響を評価する必要がある．飽和ベントナイトに対する室内実験によりガス移行現象のメカニズムが解明されており，ガス加圧に伴い試料が変形することが明らかとなっている．一方，既往の手法の多くはベントナイトの変形が考慮されない従来型の気液2相流モデルに基づくため，解析精度の向上のためにはベントナイトの変形を考慮することが有効である．そこで，本報告では，力学連成気液2相流モデルに基づく数値解析コードを開発し，既往の実験結果と比較することにより適用性を確認した．
まず，ベントナイトの変形を考慮したガス相ならびに水相の連続式を定式化するとともに，新たにベントナイトの不飽和応力ひずみ関係式を提案した．さらに，これらに有効応力-全応力-ガス圧-水圧の関係式，応力の釣合式，ひずみの適合条件式などを加えて現象を支配する方程式を誘導し，空間方向には有限要素法，時間方向には差分法を用いて離散化した数値解析コードを開発した．
次に，解析に用いるパラメータを定めた．飽和透水係数，飽和膨潤圧ならびに飽和体積圧縮係数に関するベントナイト特性のパラメータは実測結果に基づいて定めた．また，サクション，体積弾性係数，透水係数ならびに透気係数と飽和度の関係，不飽和応力ひずみ関係に関するベントナイト特性のパラメータは他の機関で実施された既往の実験結果に基づいて定めた．一方，有効応力とガス圧ならびに水圧の関係式中のパラメータの値は当所で実施した既往のガス移行実験結果に基づいて定めた．
上述の数値解析コードならびに解析に用いるパラメータを用いて，既往の実験結果の数値シミュレーションを行い，本報告で提案したガス移行解析手法を用いれば，精度良く実測ガス移行挙動評価ができることを明らかとした．
さらに従来型の気液2相流モデルは実務に用いられる機会が多ことに鑑み，従来型の気液2相流モデルによる計算結果に対して別途実施した応力ひずみ解析結果を重ねあわせることにより変形の影響を簡易に補正する方法を提案した．本補正法により，従来型の気液2相流モデルによる計算結果に対するベントナイト変形の影響を簡易に補正することの可能性が示された．

概要 （英文）

In the current concept of repository for radioactive 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 effect of gas pressure generation and gas migration on the engineered barrier, peripheral facilities and ground.
In this study, a method for simulating gas migration through the compacted bentonite is proposed. The proposed method can analyze coupled hydrological-mechanical processes using the model of two-phase flow through deformable porous media
Validity of the proposed analytical method is examined by comparing existing gas migration test results with the calculated results, which revealed that the proposed method can simulate gas migration behavior through compacted bentonite with accuracy.
Furthermore, considering that conventional two-phase flow model is widely used in engineering practice, a simplified method for correcting calculated results by conventional two-phase flow model for the deformation of bentonite specimens accompanied by application of gas pressure is proposed.

報告者

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