JP2009216508A

JP2009216508A - 微生物バリア

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Publication number: JP2009216508A
Application number: JP2008059839A
Authority: JP
Inventors: Sakae Fukunaga; 栄福永
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2009-09-24

Abstract

【課題】地層処分場のオーバーパックが将来破損するとほぼ同時に微生物のバリアが形成できる微生物バリアを提供する。
【解決手段】密閉容器１内に微生物３または微生物にとっての栄養源２の少なくともいずれか一方を収納してカプセル４とし、放射性廃棄物の地層処分場に、上記カプセル４を設け、そのカプセル４の密閉容器１を、放射性廃棄物を収納するオーバーパック５に課せられると想定される外圧値に耐えられる強度として、オーバーパック５が破損するときにほぼ同時に破損するようにしたものである。
【選択図】図５

Description

本発明は、放射性廃棄物を地下数百ｍの岩盤内に貯蔵（処分）する地層処分場に適用する微生物バリアに関するものである。

使用済み核燃料は、ウランとプルトニウムを回収したのちの放射性廃液をガラス固化体としてステンレス製のキャニスタに収容し、これを貯蔵施設で３０〜５０年間冷却したのち、その放射性廃棄物を地層処分する。

現在の我が国における放射性廃棄物の地層処分場の構想では、地下数百ｍの岩盤内に、放射性廃棄物（ガラス固化体）を金属製容器（オーバーパック）に収納して設置し、その周囲に止水性に優れたベントナイト系の緩衝材を締め固めるものである。

放射性核種は、このような人工バリアで閉じ込められ、さらに数万年後の将来、人工バリアが破損しても周囲の岩盤（天然バリア）で放射性核種の移行が遅延されるという多重バリア構造となっている。

現在、天然バリアには放射性核種を岩石に収着させる機能があるとされているが、より安全性を高めるためにはそれ以上の機能を持たせたい。しかしながら、なかなか有効な方法が提案されてこなかった。

ところで、微生物には、放射性核種を還元して沈殿させたり、放射性核種を細胞に収着させたりして移行を遅延させる作用がある（非特許文献２）。

よって、数万年後の将来の人工バリアの破損後の時期に、微生物を急速に繁殖させて、バリアの破損で漏洩してきた放射性核種を微生物によって還元したり細胞に収着させたりして、移行を遅延することは、理論上、可能である。

事実、土壌浄化の分野では、高分子吸水性樹脂からなる層状物と微生物学的分解材料を一体化したものを汚染土壌に接して配置して汚染地下水の拡散防止および浄化を行う提案（特許文献１）、汚染物質を分解する微生物または微生物を活性化する栄養剤の少なくともいずれかを混合した土砂材料を汚染物質の存在範囲の下流側に埋め戻す提案（特許文献２）がなされている。

特許第３４９１９４９号公報特開２００５−３４９３４２号公報特開２００６−２７５７２７号公報梅木・木村(2004) 連載講座放射性廃棄物の処分第４回地層処分システムの安全評価．日本原子力学会誌 Vol．46，No．1，pp．38-51．大貫（2002）地層処分における微生物の影響−研究の現状と今後の課題−．原子力バックエンド研究 Vol．9 No．1 pp．35-42． Haldeman et al．(1993) Characterization of the microbiology within 21 m３ section of rock form the deep subsurface． Microb． Ecol． Vol．26 pp．145-159．核燃料サイクル開発機構(1999) わが国における高レベル放射性廃棄物地層処分の技術的信頼性−地層処分研究開発第２次取りまとめ−分冊２地層処分の工学技術，JNC TN1400 99-022．

しかし、土壌浄化の技術をそのまま地層処分に応用することは難しい。

まず、地層処分場全体を囲むように掘削してこれらの対策を施すのは大変費用がかかる。

たしかに特許文献１や２の提案を、特許文献３に提案されるように、緩衝材の周りに生分解プラスチックのシートを埋設して使用すれば、コストの問題は解決するようにみえる。しかし、そのとき、微生物は放射性廃棄物埋設後すぐに繁殖してしまう。すると、オーバーパックの微生物腐食などの微生物による悪影響が現れる可能性が高いので好ましくない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、地層処分場のオーバーパックが将来破損するとほぼ同時に微生物のバリアが形成できる微生物バリアを提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、密閉容器内に微生物または微生物にとっての栄養源の少なくともいずれか一方を収納してカプセルとし、放射性廃棄物の地層処分場に、上記カプセルを設け、そのカプセルの密閉容器を、放射性廃棄物を収納するオーバーパックに課せられると想定される外圧値に耐えられる強度として、オーバーパックが破損するときにほぼ同時に破損するようにしたことを特徴とする微生物バリアである。

請求項２の発明は、上記密閉容器には、有機物、鉄化合物、窒素化合物、リン化合物、カリウム化合物、硫黄化合物および微生物のうちの二つ以上が収納される請求項１記載の微生物バリアである。

請求項３の発明は、上記密閉容器内に仕切りを設け、その一つには少なくとも有機物などの電子供与体を、別の一つには少なくとも３価鉄化合物などの電子受容体を収納する請求項２記載の微生物バリアである。

請求項４の発明は、上記密閉容器内を三つに仕切り、その一つには少なくとも有機物などの電子供与体を、別の一つには少なくとも３価鉄化合物などの電子受容体を、さらに別の一つには微生物を収納する請求項２記載の微生物バリアである。

請求項５の発明は、上記密閉容器は、放射性廃棄物を収納するオーバーパックに課せられると想定される外圧値（ｍａｘ．１０．７ＭＰａ）に耐えられる強度とし、将来オーバーパックが破損したときに破損して、収納した栄養源が拡散し、地層処分場の周囲を、微生物が繁殖して放射性核種を収着する条件に変化させる請求項１〜４のいずれかに記載の微生物バリアである。

請求項６の発明は、オーバーパックが埋設される処分坑道に、そのオーバーパックに代えてカプセルを埋設した請求項１〜５のいずれかに記載の微生物バリアである。

請求項７の発明は、地下処分場のオーバーパックが埋設される処分坑道の周りに形成された主要坑道に沿ってカプセルを設けた請求項１〜５のいずれかに記載の微生物バリアである。

本発明によれば、将来の人工バリア破損後の時期に、天然バリアで従来言われてきた物理化学的な核種移行遅延機能に加え、微生物学的にも放射性核種移行を遅延する技術が提供できる。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に本発明の一実施の形態を示す。

密閉容器１は、丈夫な金属またはプラスチック製で、オーバーパックに課せられると想定される外圧値（ｍａｘ．１０．７ＭＰａ）に耐えられる程度の強度とする。オーバーパックの強度は、非特許文献４によれば、外圧値６．８〜１０．７ＭＰａに耐えられるものとされている。

この密閉容器１には、微生物にとっての栄養源２を収納して封じてカプセル４とする。

微生物にとっての栄養源２は、地下環境に微生物に利用される形態での存在量が少ないもの、すなわち、リン酸カリウム、硫酸アンモニウムなどを選定する。

図２に、本発明におけるカプセル４の他の実施の形態を示したものである。

密閉容器１には栄養源２のほか、芽胞など死滅しにくい状態の微生物３を収納して封じてカプセル４とする。

微生物３は、嫌気的条件でも繁殖できる硝酸還元菌、マンガン還元菌、鉄還元菌、硫酸還元菌などから、プルトニウムなど放射性核種を還元、収着できることが確認された種類を選抜することが望ましい。

図３はカプセル４の他の実施の形態を示したものである。

密閉容器１の内部は、仕切板１ａにて二つに仕切られ、一つには有機物などの電子供与体２１を、もう一つには３価鉄化合物など電子受容体２２を収納して、カプセル４とする。

図４は、密閉容器１の内部を仕切板１ａ、１ｂにて三つに仕切ったカプセル４の例で、各々には、有機物などの電子供与体２１、３価鉄化合物など電子受容体２２、鉄還元細菌などの微生物３を収納する。

この図１〜４に示したカプセル４を、後述するが、放射性破棄物の地層処分場にオーバーパックと共に埋設することで、人工バリアが健全な時期には微生物の繁殖は起きず、将来の人工バリアが破損する時期に微生物を繁殖させることが可能となる。

ここで、微生物としては、芽胞など長期的に死滅しない形の微生物、および有機物、鉄、窒素、リン、カリウム、硫黄化合物など微生物にとっての栄養源を、密閉型のカプセル４に収納して処分場周囲に埋設する。

これにより、埋設直後は微生物は繁殖しないが、長期間経過後にはカプセル４の劣化などによりカプセル４がオーバーパックとほぼ同時に破損して、微生物が繁殖するようにする。

カプセルに収納する鉄、窒素、リン、カリウム、硫黄化合物などは長期的にも安定であり、有機物も乾燥しておけば安定である。

また岩盤内にも微生物が生存しているデータが報告されていること（例えば非特許文献３）から、微生物も数万年といった地質学的年代を生き残れる可能性がある。

微生物が繁殖すれば、地下水の流れに乗って、岩盤内の空隙や割れ目に流入し、そこでさらに繁殖し、空隙や割れ目を充填し、流れてくる放射性核種を収着・固定して、核種移行を遅延させることが期待できる。

次に、このカプセルを放射性廃棄物の地層処分場に設置する例を述べる。

図５（ａ）は、地層処分場の平断面図で、図５（ｂ）は、その正断面図を示したものである。

日本では、図５（ａ）に示すように、放射性廃棄物処分場は、数百ｍの地下の岩盤９に処分坑道７を設け、その処分坑道７に、図５（ｂ）に示すように、放射性廃棄物を収納した金属容器すなわちオーバーパック５をベントナイト系の緩衝材６に包まれた形で埋設することが検討されている。

図５（ａ）、図５（ｂ）では、処分坑道７から下方に掘削して一定間隔でオーバーパック５を縦方向に設置していく案であるが、処分坑道７に直接横方向に設置する案もある。いずれにしても、これらの処分坑道７の周囲をめぐる形で、岩盤９に主要坑道８が設置される。

また連絡坑道１０は、地上等から主要坑道８への連絡通路となる（非特許文献４）。

本発明では、オーバーパック５のうち周辺部などに位置するものをカプセル４とし、その中には放射性廃棄物の代わりに図１〜４のような栄養源２、微生物３などを収納する。あるいは、これらと放射性廃棄物とを共存させる。これにより、オーバーパック５が破損する時期に略合わせて、カプセル４も破損する。

図示の例ではカプセル４は、縦横に埋設されたオーバーパック５の四隅に埋設し、そのカプセル４をベントナイトなどの緩衝材６に包んだ形で埋設する例を示したが、処分坑道７の下方の岩盤９に直接カプセル４を埋設するようにしてもよい。

図６は、カプセル４の別の埋設例を示したものである。

図５の実施の形態においては、オーバーパック５に代えてカプセル４を埋設する例で説明したが、本形態においては、主要坑道８内に沿って、カプセル収容管１１をはりめぐらし、そのカプセル収納管１１にカプセル４を収容したものである。

すなわち、主要坑道８内の上部にカプセル収容管１１をはりめぐらせ、図６（ｃ）に示すように、カプセル収納管１１内に適宜間隔で、図１〜４で説明したカプセル４を収容するようにしたものである。

このカプセル収納管１１は、オーバーパック５に課せられると想定される外圧値（ｍａｘ．１０．７ＭＰａ）に耐えられる強度とし、オーバーパック５と略同じ時期に破損し、またカプセル４の密閉容器１も同時に破損するようにする。

この形態においては、カプセル収納管１１にカプセル４を収納するため、処分坑道７にカプセルを埋設するのに対して、オーバーパック５を他の用途に使うことによるコストアップを避けられる。

図７は、さらに他の埋設例を示したものである。

図６の実施の形態の形態においては、主要坑道８内に沿って、カプセル収容管１１をはりめぐらす例を説明したが、本実施の形態においては、カプセル収納管１１の代わりに、カプセルとなる長い管状カプセル４１をはりめぐらすようにし、その管状カプセル４１内に栄養源や微生物や有機物などの電子供与体２１、３価鉄化合物など電子受容体２２を適当な間隔で収納したものである。

この管状カプセル４１は、図１〜４で説明したカプセル４と同じく、オーバーパック５に課せられると想定される外圧値（ｍａｘ．１０．７ＭＰａ）に耐えられる強度する。

この実施の形態においては、主要坑道８内に沿って管状カプセル４１を設け、その管状カプセル４１内に微生物や栄養源、電子供与体２１や電子受容体２２を適当な間隔で収納するため、図６の形態と同様に、処分坑道７にカプセルを埋設するのに対して、オーバーパック５を他の用途に使うことによるコストアップを避けられる。

以上において、数万年の将来、カプセル４、４１が破断すると、図１および図２の場合は、栄養源３が周囲に放出され、微生物が繁殖しやすい環境となる。図３および図４の場合は栄養源のほか有機物などの電子供与体２１、３価鉄化合物などの電子受容体２２も周囲に放出されるので、微生物は一層繁殖しやすい。

後者の例では、例えば
ＣＨ_３ＣＯＯＮａ＋２Ｈ_２Ｏ＋８Ｆｅ^３＋ → ２ＣＯ_２＋８Ｆｅ^２＋＋Ｎａ^＋＋７Ｈ^＋・・・（１）
の反応で、鉄還元細菌が有機物（ＣＨ_３ＣＯＯＮａ）を酸化して繁殖する。

微生物は、カプセル４、４１内に収納しておいてもよいし、岩盤９内に存在する天然の微生物を用いてもよい。

岩盤９内に存在する微生物を用いた反応の例を図８に示す。

カプセル４が破断した場合、有機物などの電子供与体２１、３価鉄化合物などの電子受容体２２および他の栄養源３が周囲に放出され、岩盤内の微生物３１と接触して、図示の点線で囲った部分１９では、例えば上記式（１）のような反応が起きて、鉄還元細菌が繁殖する。

微生物が繁殖すれば、地下水の流れに乗って、岩盤内の空隙や割れ目に流入し、そこでさらに繁殖し、空隙や割れ目を充填し、流れてくる放射性核種を収着・固定して、核種移行を遅延させる微生物バリアとしての機能が期待できる。

本発明の一実施の形態を示す図である。本発明の他の実施の形態を示す図である。本発明の他の実施の形態を示す図である。本発明の他の実施の形態を示す図である。本発明において、放射性廃棄物の地層処分場にカプセルを埋設する例を示す図である。本発明において、放射性廃棄物の地層処分場にカプセルを埋設する他の例を示す図である。本発明において、放射性廃棄物の地層処分場にカプセルを埋設する他の例を示す図である。本発明において、カプセル破断後の微生物反応の例を説明する図である。

符号の説明

１密閉容器
２栄養源
３微生物
４カプセル
５オーバーパック

Claims

密閉容器内に微生物または微生物にとっての栄養源の少なくともいずれか一方を収納してカプセルとし、放射性廃棄物の地層処分場に、上記カプセルを設け、そのカプセルの密閉容器を、放射性廃棄物を収納するオーバーパックに課せられると想定される外圧値に耐えられる強度として、オーバーパックが破損するときにほぼ同時に破損するようにしたことを特徴とする微生物バリア。
上記密閉容器には、有機物、鉄化合物、窒素化合物、リン化合物、カリウム化合物、硫黄化合物および微生物のうちの二つ以上が収納される請求項１記載の微生物バリア。
上記密閉容器内に仕切りを設け、その一つには少なくとも有機物などの電子供与体を、別の一つには少なくとも３価鉄化合物などの電子受容体を収納する請求項２記載の微生物バリア。
上記密閉容器内を三つに仕切り、その一つには少なくとも有機物などの電子供与体を、別の一つには少なくとも３価鉄化合物などの電子受容体を、さらに別の一つには微生物を収納する請求項２記載の微生物バリア。
上記密閉容器は、放射性廃棄物を収納するオーバーパックに課せられると想定される外圧値（ｍａｘ．１０．７ＭＰａ）に耐えられる強度とし、将来オーバーパックが破損したときに破損して、収納した栄養源が拡散し、地層処分場の周囲を、微生物が繁殖して放射性核種を収着する条件に変化させる請求項１〜４のいずれかに記載の微生物バリア。
オーバーパックが埋設される処分坑道に、そのオーバーパックに代えてカプセルを埋設した請求項１〜５のいずれかに記載の微生物バリア。
地下処分場のオーバーパックが埋設される処分坑道の周りに形成された主要坑道に沿ってカプセルを設けた請求項１〜５のいずれかに記載の微生物バリア。