シンポジウム 「いま改めて考えよう地層処分」 高レベル放射性廃棄物の地層処分 （地層処分の仕組み・技術的背景そして日本の地下環境について） 吉田 英一 名古屋大学博物館・大学院環境学研究科 [email protected] 1 本日の話の内容 1) 高レベル放射性廃棄物とは？ 2) なぜ、地層（地下）処分なのか？ 3) 多重バリアとは？（なぜ、多重バリアなのか?） 4) 日本の地質環境の特徴は？ 5) まとめ 2 １）高レベル放射性廃棄物とは？ 現状 ◆現在、約2000本が保管 ◆約25000本分が使用済み核燃料 （約17,000トン）として原子力発電所に保管 高さ：約1.3 ｍ 直径：約0.4 ｍ 容積：約150 ℓ 重さ：約500 kg ガラス固化体 出典：日本原燃 3 3 ガラス固化体の外部被ばく線量の低下（製造時と1000年後の比較） ガラス固化体製造直後 ガラス固化体製造から1000年後 【時間あたりの被ばく量】 1000年後 オーバーパック 4 ２）なぜ、地層処分なのか？（地層処分以外の方法／1960年代より検討） 宇宙処分 氷床処分 海溝処分 海洋底処分 その他の処分方法についても、国際的な取り決め や条約によって、現在は凍結状態にある Newton 2014年４月号 （C）Newton Press 5 海溝処分のアイデア：地球科学の取り組み（1980年代以降〜） 海溝に処分する方法を提案 Nature (1984) Natural Analogies… 自然にもっと学ぶべきでは… 6 そもそも… 地層処分という発想はどこから来たのか…？ オクロ天然原子炉の発見 ◆天然原子炉とは.. 自然の状態で、地下で核分裂反応が生じ た跡（化石）。今から20億年ほど前に発生 したもの（1970年代にIAEAが中心になっ て調査研究） ◆場所：アフリカ・ガボン共和国 ◆天然原子炉の炉心部（写真の黒褐色部分） 現在は、当時、地下約400メートルの深さで発熱して、地 下水と反応したときの「原子炉の化石」が地表に露出し ている（ウラン鉱石を採掘する段階で発見・掘り起こされ たもの） ◆1970年代、フランスの鉱山会社が、 ウラン鉱床を掘削、鉱石を採取してい るときに発見。 採掘の段階で調査した結果、プルトニウ ムなどの超ウラン元素（中性子との反応 で生成された核反応物質）が原子炉の 周辺に残っていることが確認される なぜ、残ったのか？ ⇒ 地下環境の物理的隔離機能 ⇒ 地下環境の化学的溶解度制限機能 （還元状態：酸素の少ない状態） オクロ天然原子炉画像：スイス放射性廃棄物管理共同組合（NAGRA）提供 7 ３）多重バリアシステムとは？（その役割） （人工バリア／天然バリアの複合システム） バリア１ ガラス固化体 バリア２ オーバーパック バリア３ 緩衝材 バリア４ 地質環境 （高レベル放射性廃棄物） （金属製の容器に封入） （締め固めた粘土で覆う) 高さ約1.3m 300m以深 直径40cm 重さ500kg 岩盤 それぞれにバリアとしての役割がある 地下施設 （約2km四方） （画像提供：NUMO） 8 バリア１・ガラス固化体：なぜ、ガラスなのか？ ガラスの分子構造のイメージ 色が着けられる 色が抜けにくい ガラスは非晶質（アモルファス）なため、いろいろな元素 を分子構造の中に取り込める性質がある 9 バリア１・約8000年前の天然ガラス（黒曜石） シリアでの遺跡調査 地中でも溶けにくい性質 地中から見つかった黒曜石ナイフ （名古屋大学博物館門脇助教提供） 10 10 バリア２・オーバーパック：なぜ、鉄なのか？ ローマ時代の鉄製釘の腐食に関する研究 約2000年前に、ローマ軍がイギリス（スコットラン ド）から撤退するときに、当時貴重だった鉄くぎを 略奪されないように、数メートルの穴を掘って隠 したものが、1995年に発見される。 埋設した釘の本数は数十万本におよぶ。そのほ とんどは、未だ建築にも耐えうるほど腐食が進 んでいないことが調査の結果判明。 理由は： １）埋設した周辺の粘土層が、地表からの雨水 や酸素の侵入を防いだこと ２）外側の鉄釘が錆びて、内部を還元状態に なったこと 長さ約25センチ 11 バリア２・オーバーパック：数千年〜数万年後の姿 処分場数千年後のイメージ 廃棄体に、もし酸化した地下水が到達してもオー バーパックの腐食で周辺は還元状態が維持され ることが期待される Newton 2014年４月号 （C）Newton Press 12 バリア３・緩衝材：なぜ、粘土なのか？ 約２００万年前の粘土層中に埋没•保存されていた化石化していない木材 （イタリア中央部Dunaroba地方） 粘土の水を透過させない働きで物質の変質が妨げられる 13 バリア４・天然バリアの働き（放射性元素の吸着・遅延機能） 深さ１５０m程度 天然の事例 東濃ウラン鉱床：今から約2000万年前に形成された、現在の日本 で唯一のウラン鉱床（岐阜県土岐市〜瑞浪市に分布）を用いて、 地層中のどこにウランが濃集しているのかを確認（岩石のバリア 機能の理解）。 14 バリア４・岩石（堆積岩）中での天然ウランの濃集鉱物による吸着） 20センチ ウラン鉱床を用いた研究結果 調査・分析結果 観察及び分析結果から、鉄や粘土鉱 物を多く含む鉱物（黒雲母や黄鉄鉱な ど）に濃集し、ウランが濃集した後の移 動は認められない ウランの含有量：約１wt％ ウラン濃集部分：オートラジオグラフ （白い部分がウランの濃集ケ所） 15 バリア４・岩石（花崗岩）中の割れ目に伴う天然ウランの吸着 と遅延 酸化還元フロント 1cm 新鮮花崗岩 割れ目からの元素の移動状態を調査 （次のスライド） 1m 割れ目 苗木花崗岩（白亜紀） 1cm 変質花崗岩 16 バリア４・岩石（花崗岩）中の元素移動と濃集（ウラン） ウランは鉄酸化物に吸着 鉄酸化物 ウランの濃集ヶ所 鉄酸化物 黒雲母 石英 石英 1mm 1mm α-トラック法 17 バリア４・地下で確認される割れ目の状態（シーリングされた割れ目） シーリングされ、水みちとして機能しない割れ目 充填鉱物 割れ目（地下700mより） シーリングされて いるもの 充填鉱物 割れ目 変質 開口して いるもの 2mm 直径６cm 岐阜県瑞浪市の地下研究所な どでの研究結果 割れ目の隙間（水みち） 花崗岩 2cm 地下700mから採取した割れ目 天然の割れ目の約９割は天然 の鉱物（方解石）でシーリング されていることが確認される 2mm 現在も水みちとして機能している割れ目 18 ３）多重バリアシステムの役割（まとめ） （人工バリア／天然バリアの複合システム） バリア4 地質環境 バリア１ ガラス固化体 バリア2 オーバーパック バリア3 緩衝材 （高レベル放射性廃棄物） （金属製の容器に封入） （締め固めた粘土で覆う) 高さ約1.3m 300m以深 溶解しにくい 直径40cm 重さ500kg 放射背線の遮蔽 と還元状態の維持 遮水性と放射性 元素の吸着・遅延 物理的隔離と水理 学的・化学的安定性 地下施設 （約2km四方） それぞれ素材としての特性を活かしたバリア効果を有している （画像提供：NUMO） 19 ４）日本の地質環境とその特徴 Tokyo Osaka 海溝 Newton 2014年４月号 （C）Newton Press 20 日本列島の地質 約２００万年前から現在までの未固結堆積物 約２００万年前に噴出した火山岩 約２０００万年～２００万年前 約４億年〜２０００万年前 約２００万年前よりも古いところ 約２億年〜２０００万年前 約２億年〜２０００万年前 21 21 隆起速度・地温勾配と火山フロント 海溝から火山までの距離はほぼ一定 火 山 フ ロ ン ト 22 地下環境の安定性の事例（石油地下備蓄基地） 23 LPG地下備蓄（気体を液体で地下岩盤中に直接貯蔵する方法） 水封式地下岩盤貯蔵方式….地下水圧により常温のLPGを液体として貯蔵する方式 ◆ LPGが気化する圧力 （0.85MPa=8.5kg/cm2≒ 85m以深）よ りも少し高めの地下水圧となる地下に 貯槽を設けて、長期にかつ大量の貯 蔵する ◆地下水圧を安定化させることが必要 なため、水封水（すいふうすい）を供給 するためのトンネル、ボーリングを配置 し、地下水圧をコントロールする 地下水面（海抜） 動水勾配 ２地点間の水位差を示す 海面(0m) 地下水の動きやすさは、導水勾配の傾きが重要 （海抜０mより深い環境での地下水の動きは遅くなる） 24 ５）まとめ（地層処分の仕組み・技術的背景そして日本の地下環境について） ◆地層処分は自然に学んだ方法 ◆多重バリアは、数十年の研究成果と自然の素材を活用した方法 ◆岩石・地質には、状態を維持する働きがある （岩石が新鮮に保存され、化石などが発見される所以） ◆日本の地質環境は不均質 （不均質にはその必然性としての理由がある） 今後さらに進めて行くべきは… ◆地下環境に関する知見の蓄積 ◆技術の高度化 ◆技術の継承 ◆持続的人材育成 25
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