JP2006053151A - 実地下環境模擬装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも高圧の地下環境を模擬することを可能にする。
【解決手段】 内外に雰囲気が遮断されたグローブボックス３と、グローブボックス３に所定成分の循環ガスを供給して回収するガス循環精製装置２と、グローブボックス３内 に設けられ、任意の圧力に加圧可能な高圧試験室２６を形成する高圧装置４とを有している。高圧装置４は、高圧試験室２６を内部に有し、高圧試験室２６を外 部に開放するように上面が開口された第１筒状部材２４と、第１筒状部材２４の開口から密接状態で移動自在に内挿された第１ピストン部材２３と、第１ピストン部材２３を進退移動させる第１シリンダ装置１６とを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放射性廃棄物の処分環境等と想定される深地下環境を模擬する実地下環境模擬装置に関するものである。

近年においては、核燃料サイクルにより発生する高レベル放射性廃棄物の処分に関する研究開発が進められるにつれ、その処分環境である数百ｍ以上の大深度における低酸素濃度等の地下環境（還元性雰囲気）を模擬的に実現し、その雰囲気下で実験を行う必要性が高まっている。

そこで、従来は、気密チャンバ内のガスを排気して真空状態にしたり、常圧の窒素で置換した後、窒素ガス等の不活性ガスを不活性ガス供給装置から供給することによって、大部分の酸素等を除去する。この後、気密チャンバに封入された不活性ガスを残存する酸素等と共に循環させながら、循環経路中に設けられた脱酸素装置により酸素を除去すると共に、水吸着装置および炭酸ガス吸着装置により水分および残存する炭酸ガスを除去する構成の実地下環境模擬装置が提案されている。そして、この構成によれば、大深度地下に形成された処分場における気圧および低酸素濃度等の地下環境を気密チャンバ内に出現させることができるため、気密チャンバ内に放射性廃棄物を放置することによって、放射性廃棄物を地下環境に処分したときの状態を調査する各種実験を行うことができる。

特開平１−２０７７４８号公報

しかしながら、上記従来のように、処分場における気圧および低酸素濃度等の地下環境を気密チャンバ内に出現させるだけでは、処分後ある期間が経過した後に生じる可能性がある高圧の地下環境での実験を行うことができないという問題がある。

即ち、処分してから相当の期間が経過すると、放射性廃棄物が地圧（５００ｍで２００〜３００ｋｇ／ｃｍ²）により加圧されながら地下水に浸漬された状態になる可能性がある。また、ベントナイトの再冠水による膨潤圧の発生やガスの発生等により高圧が放射性廃棄物に付与される可能性もある。

そして、このような高圧の地下環境になると、放射性廃棄物中の各種元素の化学平衡（溶解度）が大きく変化する。これにより、放射性廃棄物の処分においては、高圧の地下環境に処分した場合の実験も極めて重要であるが、上記従来の装置では、地圧等の高圧の地下環境を気密チャンバ内に出現させることができない。

従って、本発明は、少なくとも高圧の地下環境を模擬することができる実地下環境模擬装置を提供しようとするものである。

課題を解決するための手段及び効果

上記課題を解決するために、第１の発明は、内外の雰囲気が遮断された密閉ボックスと、前記密閉ボックスに所定成分の循環ガスを供給して回収し、前記密閉ボックス内を常圧の地下環境にするガス循環精製装置と、前記密閉ボックス内に設けられ、高圧の地下環境となるように任意の圧力に加圧可能な高圧試験室を形成する高圧装置とを有することを特徴としている。上記の構成によれば、ガス循環精製装置と密閉ボックスとの間で循環ガスを交換し、この循環ガスで密閉ボックス内を充満させることによって、密閉ボックス内を循環ガスのガス成分からなる常圧の地下環境にすることができる。そして、このような地下環境の密閉ボックス内に高圧装置が設けられ、この高圧装置内に任意の圧力に加圧可能な高圧試験室が形成されるため、高圧試験室が高圧の地下環境となる。これにより、密閉ボックス内の高圧試験室に高圧の地下環境が出現するため、高圧試験室に試験片をセットすれば、高圧の地下環境下での実験を行うことができる。さらに、密閉ボックス内における高圧装置以外の空間は、常圧の地下環境であるため、常圧の地下環境下での実験も行うことができる。

第２の発明は、第１の発明の実地下環境模擬装置であって、前記高圧装置は、前記高圧試験室を内部に有し、該高圧試験室を外部に開放するように一端面が開口された第１筒状部材と、前記第１筒状部材の開口から密接状態で移動自在に内挿された第１ピストン部材と、前記第１ピストン部材を進退移動させる第１シリンダ装置と、前記第１筒状部材内の高圧試験室に収容された流動体を撹拌する撹拌手段とを有することを特徴としている。上記の構成によれば、一般的な部品を用いて簡単な構成で高圧装置を作成することができ、高圧試験室の全体の温度を均一化することができる。

第３の発明は、第２の発明の実地下環境模擬装置であって、前記高圧装置は、さらに、前記第１筒状部材を所望の温度に調整する温度調整手段を有することを特徴としている。上記の構成によれば、高圧試験室の高圧の地下環境を所望の温度に安定化させることができる。

本発明の実施の形態を図１および図２に基づいて以下に説明する。本実施形態の実地下環境模擬装置は、図２に示すように、常圧および高圧の地下環境での実験を可能にする模擬装置本体１と、模擬装置本体１に対して低酸素濃度等の所望のガス成分の循環ガスを供給して回収するガス循環精製装置２と、後述の高圧装置４の作動等に使用される油圧ユニット４１および恒温槽制御盤８と、これらの各装置を制御する制御盤９と、実験時における各装置の動作データや指令データ、検出データ等のデータを取り扱うパーソナルコンピュータ等の情報処理装置１０とを有している。

上記の模擬装置本体１は、内外の雰囲気を気密状態に遮断し、内部に常圧試験室７を形成したグローブボックス３と、グローブボックス３の常圧試験室７に設けられた高圧装置４と、グローブボックス３の壁面に設けられ、試験片や各種部品、消耗品の出し入れに使用されるエアロック５とを有している。そして、グローブボックス３は、ガス循環配管６を介して上述のガス循環精製装置２に接続されており、ガス循環精製装置２からの循環ガスにより低酸素濃度（還元性雰囲気）の常圧の地下環境を常圧試験室７に出現させるようになっている。

上記の高圧装置４は、図１に示すように、地下水と同成分に調整された疑似地下水１４内で試験片１３を加圧する加圧部１１と、疑似地下水１４の撹拌時等に使用される背圧部１２とを有している。加圧部１１は、図１の油圧ユニット４１からの作動オイルによりシリンダロッド１６ａを進退移動（昇降）させる第１シリンダ装置１６と、シリンダロッド１６ａの先端部に設けられた収容機構１７と、収容機構１７を冷却水１８に浸漬させる恒温槽１９とを有している。

上記の恒温槽１９には、銅管等の冷却用配管２０が冷却水１８に接触するように配設されており、冷却用配管２０は、恒温槽１９の内部から外部に引き出された後、一端部が空冷ユニット２１に接続されている。そして、冷却用配管２０および空冷ユニット２１は、冷却水１８の熱量を冷却用配管２０を介して空冷ユニット２１に伝達し、空冷ユニット２１において放熱させることにより冷却水１８の冷却を促進している。また、恒温槽１９には、図２の恒温槽制御盤８に接続された温調ユニット２２が設けられている。温調ユニット２２は、冷却水１８の温度を測定する温度センサと、冷却水１８を加熱するヒータと、冷却水１８を流動させて撹拌する撹拌機構と、温度センサで得られた測定温度が所望の温度となるようにヒータの発熱量を調整する温度制御装置とを有している。

上記の恒温槽１９の冷却水１８に浸漬された収容機構１７は、上面から下面にかけて連通された第１筒状部材２４と、第１筒状部材２４の上面開口部に密接状態（液密および気密状態）で移動自在に内挿され、上述のシリンダロッド１６ａに連結された第１ピストン部材２３と、第１筒状部材２４の下面開口部を密接状態に密閉するように設けられた第１下蓋部材２５とを有している。そして、これらの第１ピストン部材２３および第１下蓋部材２５は、第１筒状部材２４の上面開口部および下面開口部をそれぞれ密閉することによって、第１筒状部材２４の内部に高圧の地下環境を出現させる高圧試験室２６を形成させている。

上記の第１ピストン部材２３には、下面から上面にかけて連通穴２３ａが形成されている。第１ピストン部材２３の下面には、試験片１３の圧壊等により発生する粉状物を補集するフィルタ２８ａが設けられており、フィルタ２８ａは、粉状物の流入による連通穴２３ａの目詰まりを防止している。そして、この連通穴２３ａの上端部には、圧力検出管２９を介して圧力センサ３０が着脱可能に設けられており、圧力センサ３０は、連通穴２３ａおよび圧力検出管２９を介して高圧試験室２６の圧力を検出している。

一方、第１下蓋部材２５には、上面から側面にかけて連通穴２５ａが形成されている。第１下蓋部材２５の上面には、上述のフィルタ２８ａと同一のフィルタ２８ｂが設けられており、フィルタ２８ｂは、粉状物の流入による連通穴２５ａの目詰まりを防止している。そして、この連通穴２５ａの側面側の端部には、第１高圧配管３１が接続されており、第１高圧配管３１は、恒温槽１９から外部に引き出された後、高圧バルブ３２および第２高圧配管３３を介して背圧部１２に接続されている。

上記の背圧部１２は、図２の油圧ユニット４１からの作動オイルによりシリンダロッド３４ａを進退移動（昇降）させる第２シリンダ装置３４と、シリンダロッド３４ａの先端部に設けられた背圧機構３５とを有している。背圧機構３５は、上面から下面にかけて連通された第２筒状部材３６と、第２筒状部材３６の上面開口部に密接状態で移動自在に内挿され、上述のシリンダロッド３４ａに連結された第２ピストン部材３７と、第２筒状部材３６の下面開口部を密接状態に密閉するように設けられた第２下蓋部材３８とを有しており、これらの部材３６〜３７により背圧室３９を形成している。第２ピストン部材３７および第２下蓋部材３８には、背圧室３９に接する下面および上面にフィルタ４０ａ・４０ｂがそれぞれ設けられている。そして、第２下蓋部材３８には、上面から側面にかけて連通穴３８ａが形成されており、連通穴３８ａには、上述の第２高圧配管３３が接続されている。

上記の第２シリンダ装置３４および第１シリンダ装置１６は、図２に示すように、各シリンダ装置３４・１６にそれぞれ独立したタイミングで作動オイルを供給可能な油圧ユニット４１に接続されている。油圧ユニット４１は、恒温槽制御盤８や図１の圧力センサ３０、高圧バルブ３２と共に制御盤９に接続されている。そして、制御盤９は、温度設定処理や高圧動作処理、ガス濃度調整処理等の各種の動作処理をソフトウエア的やハードウエア的に実行可能になっており、温度設定処理を実行した場合には、冷却水１８の温度が設定値に制御されるように、恒温槽制御盤８に対して設定値データを出力して指示する。また、高圧動作処理を実行した場合には、図１に示すように、第１シリンダ装置１６および第２シリンダ装置３４のシリンダロッド１６ａ・３４ａを互いに逆方向に進退移動（昇降）させるように油圧ユニット４１を制御することによって、高圧試験室２６の疑似地下水１４を所望の圧力でもって撹拌させる。また、ガス濃度調整処理を実行した場合には、常圧試験室７が所望のガス濃度となるように、ガス循環精製装置２に対して循環ガスの成分や濃度等の内容を指示する。

上記の構成において、実地下環境模擬装置の動作について説明する。尚、以降の説明においては、説明の便宜のため、常圧および高圧の地下環境下で同時に実験を行う場合について説明するが、常圧および高圧の何れか一方の地下環境下で実験を行うこともできる。

先ず、図２に示すように、試験片１３の地下環境データ（常圧データ、高圧データ、ガス濃度データ、温度データ、湿度データ等）を制御盤９に設定する。尚、この設定は、制御盤９に対して直接的に行われても良いし、情報処理装置１０を介して間接的に行われても良い。制御盤９に地下環境データが設定されると、制御盤９は、地下環境データ中の常圧データ、ガス濃度データ、および湿度データをガス循環精製装置２に出力する。そして、ガス循環精製装置２は、地下環境データに対応した循環ガスをグローブボックス３内の常圧試験室７に送出すると共に回収することによって、常圧試験室７を地下環境データに対応した常圧の還元性雰囲気の地下環境に設定する。

次に、図１に示すように、温調ユニット２２の温度センサを介して冷却水１８の温度を認識し、冷却水１８の温度が所望の温度となるように温調ユニット２２を作動させる。また、圧力センサ３０を圧力検出管２９から抜脱し、高圧試験室２６を外部の常圧試験室７に対して開放状態にする。この後、図２の油圧ユニット４１から作動オイルを第１シリンダ装置１６に供給し、第１シリンダ装置１６のシリンダロッド１６ａを後退（上昇）させることによって、上述の冷却水１８に浸漬された第１筒状部材２４から第１ピストン部材２３を引き上げて抜脱する。そして、第１筒状部材２４の上面が開口すると、この開口部から高圧試験室２６に試験片１３をセットすると共に、疑似地下水１４の収容量を調整する。

次に、第１シリンダ装置１６のシリンダロッド１６ａを進出（下降）させることによって、第１ピストン部材２３を下降させて第１筒状部材２４に内挿する。第１筒状部材２４に内挿された第１ピストン部材２３が下降すると、第１ピストン部材２３が第１筒状部材２４に密接状態にされているため、高圧試験室２６のガスが連通穴２３ａおよび圧力検出管２９を介して外部に排出される。そして、第１ピストン部材２３が疑似地下水１４の水面に到達し、この疑似地下水１４が圧力検出管２９から排出されたときに第１ピストン部材２３の下降を停止する。この後、圧力センサ３０を圧力検出管２９に取り付けることによって、高圧試験室２６を密封する。

次に、高圧バルブ３２を開栓し、加圧部１１の高圧試験室２６と背圧部１２の背圧室３９とを連通状態にする。この後、作動オイルを第１シリンダ装置１６および第２シリンダ装置３４に供給し、両シリンダロッド１６ａ・３４ａを進出させることによって、高圧試験室２６および背圧室３９における疑似地下水１４の圧力を上昇させる。そして、この圧力を圧力センサ３０を介して認識し、地下環境データ中の高圧データで示される圧力に一致したときに、両シリンダロッド１６ａ・３４ａの進出を停止して圧力を安定させる。

高圧試験室２６が所望の圧力に到達すると、この圧力を維持しながら、両シリンダ装置１６・３４により第１ピストン部材２３と第２ピストン部材３７とを互いに逆方向に進退移動させることによって、高圧試験室２６および背圧室３９間で疑似地下水１４を流動させる。そして、この流動により高圧試験室２６内の疑似地下水１４を撹拌し、温度を均一化させながら、高圧試験室２６を地下環境データに対応した高圧の還元性雰囲気の地下環境に設定する。

これにより、常圧試験室７および高圧試験室２６における常圧および高圧の地下環境下での実験がそれぞれ行われることになり、所定時間の経過後に実験が終了すると、上述の操作手順とは逆の操作手順により高圧試験室２６および常圧試験室７から試験片１３をグローブボックス３の外部に取り出す。

以上のように、本実施形態の実地下環境模擬装置は、内外に雰囲気が遮断されたグローブボックス３（密閉ボックス）と、グローブボックス３に所定成分の循環ガスを供給して回収するガス循環精製装置２と、グローブボックス３内に設けられ、任意の圧力に加圧可能な高圧試験室２６を形成する高圧装置４とを有した構成にされている。

これにより、ガス循環精製装置２とグローブボックス３との間で循環ガスを交換し、この循環ガスでグローブボックス３内を充満させることによって、グローブボックス３内を循環ガスのガス成分からなる常圧の地下環境にすることができる。そして、このような地下環境のグローブボックス３内に高圧装置４が設けられ、この高圧装置４内に任意の圧力に加圧可能な高圧試験室２６が形成されるため、高圧試験室２６が高圧の地下環境となる。グローブボックス３内の高圧試験室２６に高圧の地下環境が出現するため、高圧試験室２６に試験片１３をセットすれば、高圧の地下環境下での実験を行うことができる。さらに、グローブボックス３内における高圧装置４以外の空間は、常圧の地下環境であるため、常圧の地下環境下での実験も同時に並行して行うことができる。

尚、本実施形態の実地下環境模擬装置は、放射性廃棄物の処分環境を模擬する原子力分野の他、一般廃棄物／産業廃棄物処分の分野、金属燃料分野、金属Ｎａを取り扱う実験の分野等に適用することができる。また、本実施形態においては、グローブボックス３が密閉ボックスとして用いられているが、これに限定されるものではなく、密閉ボックスは、金属またはアクリル等の板材やＯリングパッキン等の密封部材により内外に雰囲気が遮蔽されたものであれば良い。

また、本実施形態において、上記の高圧装置４は、高圧試験室２６を内部に有し、高圧試験室２６を外部に開放するように上面（一端面）が開口された第１筒状部材２４と、第１筒状部材２４の開口から密接状態で移動自在に内挿された第１ピストン部材２３と、第１ピストン部材２３を進退移動させる第１シリンダ装置１６とを有した構成にされることによって、一般的な部品を用いて簡単な構成で作成することが可能になっている。

さらに、高圧装置４は、第１筒状部材２４を所望の温度に冷却する冷却水１８を収容した恒温槽１９（温度調整手段）を有した構成にされることによって、高圧試験室２６の高圧の地下環境を所望の温度に安定化させることが可能になっている。

尚、本実施形態においては、冷却水１８を収容した恒温槽１９により温度調整手段を構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば第１筒状部材２４の周囲に銅管を巻回し、この銅管内に冷却水等の冷媒を流動させて熱交換する方式の温度調整手段であっても良い。さらに、温度調整手段は、第１筒状部材２４の周囲にニクロム線を巻回したヒータ部材や、上述の銅管に高温の水蒸気を流動させて熱交換するヒータ部材により加熱する構成であっても良い。

さらに、本実施形態において、高圧装置４は、第１筒状部材２４内の高圧試験室２６に収容された疑似地下水１４（流動体）を撹拌する背圧部１２等の撹拌手段を有した構成にされることによって、高圧試験室２６の全体の温度を均一化することが可能になっている。具体的には、背圧室３９を内部に有し、背圧室３９を外部に開放するように一端面が開口された第２筒状部材３６と、第２筒状部材３６の開口から密接状態で移動自在に内挿された第２ピストン部材３７と、第２ピストン部材３７を進退移動させる第２シリンダ装置３４と、第２筒状部材３６の背圧室３９と第１筒状部材２４の高圧試験室２６とを連通させた第１高圧配管３１および第２高圧配管３３と、高圧試験室２６の圧力を一定に維持しながら第１ピストン部材２３と第２ピストン部材３７とを互いに逆方向に進退移動させるように、第１シリンダ装置１６と第２シリンダ装置３４とを連動させる図２の制御盤９（撹拌制御手段）とを有した構成にされている。

尚、撹拌手段は、上記の構成に限定されるものではなく、第２シリンダ装置３４により第２ピストン部材３７を進退移動させる代わりに下記のように構成されたものであっても良い。即ち、駆動モータにより正逆回転されるボールスクリューにナット部材を螺合し、このナット部材に第２ピストン部材３７を連結することによって、ナット部材と共に第２ピストン部材３７を進退移動させるように構成されていても良い。また、本実施形態においては、高圧試験室２６に疑似地下水１４を収容して実験する場合について説明しているが、その他の溶液やガスを収容して実験を行うこともできる。

以上、説明したように、第１の発明は、内外の雰囲気が遮断された密閉ボックスと、前記密閉ボックスに所定成分の循環ガスを供給して回収し、前記密閉ボックス内を常圧の地下環境にするガス循環精製装置と、前記密閉ボックス内に設けられ、高圧の地下環境となるように任意の圧力に加圧可能な高圧試験室を形成する高圧装置とを有する構成である。上記の構成によれば、ガス循環精製装置と密閉ボックスとの間で循環ガスを交換し、この循環ガスで密閉ボックス内を充満させることによって、密閉ボックス内を循環ガスのガス成分からなる常圧の地下環境にすることができる。そして、このような地下環境の密閉ボックス内に高圧装置が設けられ、この高圧装置内に任意の圧力に加圧可能な高圧試験室が形成されているため、高圧試験室が高圧の地下環境となる。これにより、密閉ボックス内の高圧試験室に高圧の地下環境が出現するため、高圧試験室に試験片をセットすれば、高圧の地下環境下での実験を行うことができる。さらに、密閉ボックス内における高圧装置以外の空間は、常圧の地下環境であるため、常圧の地下環境下での実験も行うことができるという効果を奏する。さらに、一般的な部品を用いて簡単な構成で高圧装置を作成することができるという効果を奏する。

第２の発明は、第１の発明の実地下環境模擬装置であって、前記高圧装置は、前記高圧試験室を内部に有し、該高圧試験室を外部に開放するように一端面が開口された第１筒状部材と、前記第１筒状部材の開口から密接状態で移動自在に内挿された第１ピストン部材と、前記第１ピストン部材を進退移動させる第１シリンダ装置と、前記第１筒状部材内の高圧試験室に収容された流動体を撹拌する撹拌手段とを有する構成である。上記の構成によれば、一般的な部品を用いて簡単な構成で高圧装置を作成することができ、高圧試験室の全体の温度を均一化することができる。

第３の発明は、第２の発明の実地下環境模擬装置であって、前記高圧装置は、さらに、前記第１筒状部材を所望の温度に調整する温度調整手段を有する構成である。上記の構成によれば、高圧試験室の高圧の地下環境を所望の温度に安定化させることができる。

模擬装置本体の概略構成図である。 実地下環境模擬装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 模擬装置本体
２ ガス循環精製装置
３ グローブボックス
４ 高圧装置
５ エアロック
６ ガス循環配管
７ 常圧試験室
８ 恒温槽制御盤
９ 制御盤
１０ 情報処理装置
１１ 加圧部
１２ 背圧部
１３ 試験片
１４ 疑似地下水
１６ 第１シリンダ装置
１７ 収容機構
１８ 冷却水
１９ 恒温槽
２０ 冷却用配管
２１ 空冷ユニット
２２ 温調ユニット
２３ 第１ピストン部材
２４ 第１筒状部材
２５ 第１下蓋部材
２６ 高圧試験室
２９ 圧力検出管
３０ 圧力センサ
３１ 第１高圧配管
３２ 高圧バルブ
３３ 第２高圧配管
３４ 第２シリンダ装置
３５ 背圧機構
３６ 第２筒状部材
３７ 第２ピストン部材
３８ 第２下蓋部材
３９ 背圧室
４１ 油圧ユニット

Claims (3)

1. 内外の雰囲気が遮断された密閉ボックスと、
   前記密閉ボックスに所定成分の循環ガスを供給して回収し、前記密閉ボックス内を常圧の地下環境にするガス循環精製装置と、
   前記密閉ボックス内に設けられ、高圧の地下環境となるように任意の圧力に加圧可能な高圧試験室を形成する高圧装置と
   を有することを特徴とする実地下環境模擬装置。
2. 前記高圧装置は、
   前記高圧試験室を内部に有し、該高圧試験室を外部に開放するように一端面が開口された第１筒状部材と、
   前記第１筒状部材の開口から密接状態で移動自在に内挿された第１ピストン部材と、
   前記第１ピストン部材を進退移動させる第１シリンダ装置と、
   前記第１筒状部材内の高圧試験室に収容された流動体を撹拌する撹拌手段と
   を有することを特徴とする請求項１記載の実地下環境模擬装置。
3. 前記高圧装置は、さらに、前記第１筒状部材を所望の温度に調整する温度調整手段を有することを特徴とする請求項２記載の実地下環境模擬装置。
   

Images