JP2015007594A - 吸水膨張性粘土材料の充填方法及び吸水膨張性粘土材料充填装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ばらつきの少ない充填密度に充填をすることが可能な吸水膨張性粘土材料の充填方法を提供する。
【解決手段】 吸水膨張性粘土材料の充填方法は、吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を略球状に成形したペレットを、すき間あるいは仕切られた空間に充填する吸水膨張性粘土材料の充填方法であって、大粒径ペレット１を先行して層状にまきだした後に、小粒径ペレット２を落下させてまきだすことによって、小粒径ペレット２がこぼれ落ちて大粒径ペレット１の間隙を充填する。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸水膨張性粘土材料の充填方法及び吸水膨張性粘土材料充填装置、特に、高レベルの放射性廃棄物の処分施設等で使用される吸水膨張性粘土材料の充填方法及び吸水膨張性粘土材料充填装置に関する。

図１３は、横置き方式の放射性廃棄物処分施設１０の一例を示す。

近年、横置き方式の高レベルの放射性廃棄物の処分施設１０として、例えば、図１３に示すように主要坑道１１及び処分坑道１２を配置し、該処分坑道１２内に廃棄体１３を埋設することが考えられている。

地層処分施設の操業手順については以下のような手順が考えられている。
（１）「緩衝材一体型廃棄体」を地上から斜坑を経由して地下の主要坑道に搬入する。
（２）「緩衝材一体型廃棄体」を主要坑道から処分坑道に搬入する。
（３）「緩衝材一体型廃棄体」を処分坑道に奥から順に複数個を定置する。
（４）１本の処分坑道への定置が終了したら、「緩衝材一体型廃棄体」と坑道内壁との間隙を埋め戻し、さらに当該処分坑道の入口を閉鎖する。
（５）すべての処分坑道への廃棄体の定置と処分坑道の閉鎖が終了したら、処分の安全性を確認後に地下施設全体を埋設して閉鎖する。

図１４は、処分坑道１２の長手方向に直交する方向の断面図を示す。図１５は、処分坑道１２の長手方向の断面図を示す。

図１４（ａ）は、処分坑道１２に廃棄体１３を直接定置した場合を示し、図１４（ｂ）は、定置用台座１６を介して処分坑道１２に廃棄体１３を定置した場合を示し、図１４（ｃ）は、分割された定置用台座１６を介して処分坑道１２に廃棄体１３を定置した場合を示す。

廃棄体１３を地上で製作して、処分坑道１２内に搬送し、定置する方法は、主要坑道１１及び処分坑道１２内での細かな作業を必要としないので遠隔操作がしやすく、表面線量が高い状態の廃棄体が露出するようなトラブル発生が少ないので作業員の被ばくの懸念が少ないという長所がある。

ただし、緩衝材一体型廃棄体１３は重量物の搬送となるためスムースに位置決めして処分坑道１２内に定置することに配慮した搬送方法が求められる。処分坑道１２内に搬送して正しい位置に定置するためには、緩衝材一体型廃棄体１３の大きさに対して十分なクリアランスを有する処分坑道１２の断面が求められる。その結果、図１４に示すように、緩衝材一体型廃棄体１３と処分坑道１２の内壁との間にすき間空間１４（以下、このすき間空間を「坑道内周すき間」という。）の発生は避けることができない。

この坑道内周すき間１４は、以下の理由から、遮水材料（例えば、吸水膨張性を有する遮水性の良いベントナイト系の粘土材料）でできるだけ短時間の間に充填シールする必要がある。
・処分坑道１２内に定置した後に坑道内周すき間１４があるため、円筒型の緩衝材一体型廃棄体１３が転がる動きを抑制できない。
・坑道内周すき間１４に空間が残っていると支保工の劣化が生じた場合や地山のせりだし変形が発生した場合に偏圧が作用して廃棄体１３の健全性を損なう。
・坑道内周すき間１４が地下水の通り道になりやすいため、将来、廃棄体１３から放射性物質が漏出してきた場合に容易に施設外に移動する経路になりやすい。

このような課題を解決するための方法として、坑道内周すき間１４にベントナイト系材料で作った略球状のペレットを充填しておく方法がある。ペレットは乾燥状態に近い方が摩擦力や粘着力が少なく、流動性を有するので、落下充填しやすくなるという特長がある。また、図１４および図１５に示すように、処分坑道１２の底面に定置用台座１６を底部中央もしくは底部左右に設けることにより、坑道内周すき間に遮水材料を充てんしやすくなり、坑道内周すき間の遮水材料の品質を確保しやすいという長所がある。

また、処分坑道１２が主要坑道１１に連結する部位には、図１５に示すような遮水性を有する材料１５で埋め戻すことが必要な場合があり、ベントナイト系粘土材料のような吸水膨張性の粘土で充填シールする方法が適用される。これらの空間に吸水膨張性の粘土を充填して遮水構造にする方法としては、ベントナイトを成形して作られた球状ペレットを充填するものがある。

しかしながら、直径が大きい球状ペレットのみを充填すると、処分坑道１２の断面が図１４（ａ）のような場合に下方の幅の狭い隙間に直径の大きい球状ペレットが入り込むことができない可能性があった。また、直径が大きい球状ペレットのみを充填すると、隣接する球状ペレットの当接箇所の周囲に隙間が生じ、充填密度が小さくなってしまう可能性があった。

また、直径が小さい球状ペレットのみを充填すると、大量の球状ペレットが必要となり、コストが高くなると共に施工時間が長くなってしまう可能性があった。

そこで、直径が大きい球状ペレットと直径が小さい球状ペレットを混合して使用する充填方法が開示されている（非特許文献１参照）。

戸栗智仁，景山仁志，朝野英一他「横置き定置方式における緩衝材周辺隙間へのベントナイトペレットの充填方法に関する研究」，土木学会第63回年次学術講演会概要集 CS05-12 ，pp.191-192, 平成20年9月

例えば、非特許文献１のように、直径20mm級の大粒径ペレット及び直径1mm級の小粒径ペレットを６：４の比率であらかじめ混合したペレット材料を型枠内に吹き込み充填した場合、充填密度が0.73〜1.62 Mg/m³の範囲でばらついていた。

坑道内周すき間の幅が50ｍｍ以上の空間には目標としていた目標値の充填密度1.37 Mg/m³（乾燥密度）以上にできる可能性を得られたが、バラツキの少ない充填密度に充填できることがより望ましい。また、遮水性や処分安全性を担保するためには、実際に目標値以上の密度にペレットを充填できていることを品質管理する方法が求められている。

本発明は上記課題を解決し、ばらつきの少ない充填密度に充填をすることが可能な吸水膨張性粘土材料の充填方法及び吸水膨張性粘土材料充填装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる吸水膨張性粘土材料の充填方法は、吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を略球状に成形したペレットを、すき間あるいは仕切られた空間に充填する吸水膨張性粘土材料の充填方法であって、大粒径ペレットを先行して層状にまきだした後に、小粒径ペレットを落下させてまきだすことによって、前記小粒径ペレットがこぼれ落ちて前記大粒径ペレットの間隙を充填することを特徴とする。

また、本発明にかかる吸水膨張性粘土材料の充填方法は、前記大粒径のペレットをまきだしたときの層厚が前記大粒径ペレット粒径の25倍以内であることを特徴とする。

また、本発明にかかる吸水膨張性粘土材料の充填方法は、前記大粒径ペレットをまきだす際に、まきだし面が斜面状となるようにこぼれさせてまきだし、その後、前記小粒径のペレットを落下させてまきだすことによって、前記小粒径ペレットが表層部の前記大粒径ペレットの間隙にこぼれ落ちて、前記大粒径ペレットの間隙を充填することを特徴とする。

また、本発明にかかる吸水膨張性粘土材料の充填方法は、層状にまきだされた前記大粒径ペレットの頭が、後で充填した前記小粒径ペレットによって隠れて埋もれることがないように、前記小粒径ペレットを前記大粒径ペレットの間隙に充填させることを特徴とする。

また、本発明にかかる吸水膨張性粘土材料の充填方法は、前記大粒径ペレットを層状にまきだした後に、前記小粒径ペレットをまきだし、その後、高圧圧縮空気を噴射することで前記小粒径ペレットを吹き飛ばして均し、かつ、前記大粒径ペレットの間隙に前記小粒径ペレットをこぼれ落ちさせることを特徴とする。

また、本発明にかかる吸水膨張性粘土材料の充填方法は、前記大粒径ペレットを層状にまきだした後に、高圧圧縮空気を噴射することで前記大粒径ペレットを吹き飛ばして均すことを特徴とする。

また、本発明にかかる吸水膨張性粘土材料の充填方法は、ノズルの先端に取り付けた観測部で充填状況を観測しながら、前記ノズルから高圧圧縮空気を噴射することを特徴とする。

また、本発明にかかる吸水膨張性粘土材料充填装置は、吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を球状に成形したペレットを、廃棄体と処分坑道の内壁との間の狭い空間に充填する吸水膨張性粘土材料充填装置であって、前記廃棄体と前記処分坑道の内壁との間の狭い空間を移動可能な形状寸法の本体と、前記処分坑道の入口から前記本体に連通されて吸水膨張性粘土材料を輸送する輸送管と、前記輸送管を通って充填させる前記吸水膨張性粘土材料を前記本体から充填位置まで搬送する搬送部と、大小粒径の異なる前記吸水膨張性粘土材料を別々に投下できる投下部と、充填して堆積している前記吸水膨張性粘土材料の表面に圧縮空気を噴射して前記吸水膨張性粘土材料を吹き飛ばすノズルと、前記ノズルに圧縮空気を供給する圧縮空気供給部と、前記ノズルの先端付近に取り付けられ、前記ノズルから圧縮空気を噴射する方向の前記吸水膨張性粘土材料の堆積面を観察できる観察部と、遠隔操作によって作動することにより、堆積している前記吸水膨張性粘土材料の表面に沿って前記ノズルの先端及び前記観察部を移動させるフリーアームと、を有することを特徴とする。

本発明にかかる吸水膨張性粘土材料の充填方法は、吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を球状に成形したペレットを、すき間あるいは仕切られた空間に充填する吸水膨張性粘土材料の充填方法であって、大粒径ペレットを先行して層状にまきだした後に、小粒径のペレットを落下させてまきだすことによって、前記小粒径ペレットがこぼれ落ちて前記大粒径ペレットの間隙を充填するので、ばらつきの少ない充填密度に充填をすることが可能となる。

さらに、膨張性粘土材料の堆積面を観察することによって、小粒径ペレットが大粒径ペレットの間隙にスムースに充填されたことを確認できるので、坑道内周すき間の充填作業において、十分な充填密度を担保することが可能となる。

第１実施形態の球状ペレットの充填方法を比較した実験状況を示す。 大粒径ペレット１をまきだしたときの層厚が大粒径ペレット１の粒径の１倍である第２実施形態の球状ペレットの充填方法の実験状況を示す。 大粒径ペレット１をまきだしたときの層厚が大粒径ペレット１の粒径の２５倍である第２実施形態の球状ペレットの充填方法の実験状況を示す。 延長の長い処分坑道において球状ペレットを斜面状に充填する第３実施形態を示す。 斜面状に球状ペレットを充填する第３実施形態の球状ペレットの充填方法の模擬実験状況を示す。 第３実施形態の球状ペレットの充填方法のフローを示す。 ２次元平面上での大粒径ペレットの間隙の大きさを示す。 大粒径ペレットの間隙内における小粒径ペレットの充填高さを変えた場合の各状態を示す。 噴射装置を使って、小粒径ペレットを吹き飛ばす第５実施形態の球状ペレットの充填方法を示す。 第６実施形態の球状ペレットの充填方法のフローを示す。 横置き方式の放射性廃棄物処分施設１０で適用する際のペレット充填装置５０を示す。 図１１の処分坑道１２を透過した側面図を示す。 横置き方式の放射性廃棄物処分施設１０の一例を示す。 処分坑道１２の長手方向に直交する方向の断面図を示す。 処分坑道１２の長手方向の断面図を示す。

以下、図面を参照して本発明にかかる球状ペレットの充填方法の実施形態を説明する。

図１は、第１実施形態の球状ペレットの充填方法を比較した実験状況を示す。

第１実施形態の球状ペレットの充填方法は、吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を略球状に成形したペレット１，２を、すき間あるいは仕切られた空間に充填する場合であって、大粒径ペレット１を先行して層状にまきだした後に、大粒径ペレット１の粒径よりも小さい粒径を有する小粒径ペレット２を落下させることによって、小粒径ペレット２がこぼれ落ちて大粒径ペレット１の間隙を充填するものである。ここで、略球状とは、必ずしも完全な球である必要はなく、ほぼ球形で傾斜した平面を転がることが可能であればよい。

例えば、透明な円筒型容器３（内寸法：直径100mm，高さ127mm）に粒径範囲が16.0mm以上22.4mm未満の平均粒径約19mmの大粒径ペレット１をできるだけ密実になるように配置させて容器にフル充填する。その後、粒径範囲が異なる以下の３タイプの小粒径ペレット２をまきだして、小粒径ペレット２が大粒径ペレット１の間隙にこぼれ落ちて充填する様子を観測した。

平均粒径約１mmの第１小粒径ペレット２１の場合には、図１（ａ）に示すように、大粒径ペレット１の間隙に第１小粒径ペレット２１がスムースに流れ落ちて、深さ１２７mmの底部までの大粒径ペレット１の間隙を第１小粒径ペレット２１で充填できたため、充填密度は1.4894 Mg/m³であった。

平均粒径約２mmの第２小粒径ペレット２２の場合には、図１（ｂ）に示すように深さ約４０mmまでの大粒径ペレット１の間隙まで第２小粒径ペレット２２がこぼれることにより充填できたが、それ以上の深さには充填できなかったため、充填密度は1.2711 Mg/m³であった。

平均粒径約４mmの第３小粒径ペレット２３の場合には、図１（ｃ）に示すように深さ約２０mmよりも深い位置の大粒径ペレット１の間隙には第３小粒径ペレット２３が充填できていなかったため、充填密度は1.1388 Mg/m³であった。

図１（ｄ）に示すように、大粒径ペレット１のみを充填した場合には、充填密度は0.9898 Mg/m³である。

以下の表１は、充填密度を測定した結果を示す。

このように、粒径が著しく異なる大小２粒径ペレットを充填することが効果的である。また、この結果からは、大粒径ペレット１の最小粒径に比べて、特に、小粒径ペレット２の最大粒径が1/19以下であることが適していることを推定できる。

ここで、本実施形態には含まれない非特許文献１の参考例について説明する。

まず、あらかじめ大小２粒径ペレットを混合し、落下充填させた場合について説明する。

例えば、大粒径ペレット（粒径約20mm級）と小粒径ペレット（粒径約１mm級）をあらかじめ事前混合してから搬送管を通して搬送し、対象となる空間の天端付近に位置させた搬送管出口から連続的に落下充填させた場合、充填密度の値が充填箇所に応じて、ばらついてしまう。

その原因は、以下のような理由が考えられる。
（１）幅が30mm以下となる極小隙間部には大粒径ペレットをほとんど充填できないため、小粒径ペレットのみの充填となっていた。
（２）事前混合してから搬送管の中を搬送する途上で、大粒径ペレットと小粒径ペレットが分離してムラのある混合比率で搬送管出口から落下していた。
（３）搬送管出口から落下した大小２粒径混合ペレットは型枠空間内を型枠面に沿って転がりながら落下するが、その途上で大粒径ペレットと小粒径ペレットが分離して、さらにムラのある混合比率で空間内に堆積していた。
（４）小粒径ペレットが一緒に落下充填されるので、大粒径ペレットと大粒径ペレットの間に小粒径ペレットが存在する場合が多く、大粒径ペレットを相互に隣接させながら隙間なく並べられた状態では充填されにくかった。

このような原因で、極小隙間部には小粒径ペレットのみが充填されて大粒径ペレットがほとんど存在しない領域となり、また、天端部には大粒径ペレットのみが充填されて小粒径ペレットがほとんど存在しない領域となっていた。すなわち、事前混合したペレットでは大粒径ペレットと小粒径ペレットの混合比をフレキシブルに変更できないことが原因であると考えられる。それが充填密度のバラツキの結果につながった。

また、空間に粒子状の物質を密実に充填する際には振動エネルギーを加える例が知られている。そこで、大小２粒径のペレットを充填してから振動エネルギーを与えた場合について説明する。

例えば、透明な円筒容器（内径162mm，高さ232mm）に大粒径ペレットと小粒径ペレットを充填して、充填密度1.487 Mg/m³（乾燥密度換算、以下密度はすべて乾燥密度に換算した値である。）の充填試験体を作成し、その後加振エネルギーを与えることで充填密度の変化を観測した。その結果、加振によって、円筒容器内の大粒径ペレットと小粒径ペレットの充填密度は減少してしまった。

この理由は、振動によって大粒径ペレットが上下に動いた瞬間に小粒径ペレットが大粒径ペレットの下に移動する挙動が発生し、次第に小粒径ペレットが底部に偏るからである。その結果、大粒径ペレットが上層部に残り、次第に全体の嵩（堆積）が増加した。

このように、吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を略球状に成形したペレットを、すき間あるいは仕切られた空間に充填する場合において、本願実施形態のように大粒径ペレット１を先行して層状にまきだした後に、大粒径ペレット１の粒径よりも小さい粒径を有する小粒径ペレット２を落下させる方法と比較して、あらかじめ大小２粒径ペレットを混合して落下充填させる方法及び振動エネルギーを与える方法は適していないことが判った。

すなわち、吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を略球状に成形したペレット１，２を、すき間あるいは仕切られた空間に充填する場合であって、大粒径ペレット１を先行して層状にまきだした後に、小粒径ペレット２を落下させてまきだすことによって、小粒径ペレット２がこぼれ落ちて大粒径ペレット１の間隙を充填することによって、小粒径ペレット２の充填ムラの少ない、すなわちばらつきの少ない充填密度に充填をすることが可能となる。

ただし、大粒径ペレット１の層厚が大きすぎると、小粒径ペレット２は底部まで落下しにくくなり、結果として容器３の全体への充填密度は大きくならない。そこで、大粒径ペレット１のまきだし厚さを変えて、小粒径ペレット２の充填状況の違いを調べる。

図２は、大粒径ペレット１をまきだしたときの層厚が大粒径ペレット１の粒径の1倍である第２実施形態の球状ペレットの充填方法の実験状況を示す。図３は、大粒径ペレット１をまきだしたときの層厚が大粒径ペレット１の粒径の25倍である第２実施形態の球状ペレットの充填方法の実験状況を示す。

例えば、透明な円筒型容器３（内寸法：直径100mm，高さ127mm〜508mm）への充填実験を実施し、充填密度の違いを観測した結果を表２に示す。

表２に示すように、大粒径ペレット１を層厚として粒径の1倍まきだしてから小粒径ペレット２を大粒径ペレット１の間隙に充填する方法を繰り返す方法が、もっとも大きな充填密度1.5199 Mg/m³となった。大粒径ペレット１のまきだしの層厚を粒径の3倍まで大きくしても前者の充填密度に比して99％以上の充填密度にできた。さらに、粒径の6倍から25倍の層厚127mm〜508mmにした場合であっても、小粒径ペレット２が大粒径ペレット１の間隙を流れ落ちて充填し、全体の充填密度は９７％以上となった。

したがって、大粒径のペレット１をまきだしたときの層厚は、大粒径ペレット１の粒径の25倍以内にすることによって、小粒径ペレット２が大粒径ペレット１の間隙を均質に落下充填することができるので、バラツキの少ない充填密度を維持することが可能となる。

なお、この発明では条件の異なる数種類の実験結果を乾燥密度の値で示した充填密度の値を示している。以降に示す実験結果についても、それぞれの実験条件によって比較元となる充填密度値は異なるので、相対的な比較で発明の効果を評価した。なぜならば、充填密度の値は再現性が悪いので、その実験条件での相対比較が相応しいからである。

次に、延長の長い処分坑道において、緩衝材一体型廃棄体と坑道内壁との間の坑道内周すき間を吸水膨張性のペレットで充填する第３実施形態の場合について説明する。

図４は、延長の長い処分坑道において球状ペレットを充填する第３実施形態を示す。図５は、斜面状に球状ペレットを充填する第３実施形態の球状ペレットの充填方法の模擬実験状況を示す。図６は、第３実施形態の球状ペレットの充填方法のフローを示す。

図４に示すように、延長の長い処分坑道において、球状ペレット１，２を落下させてまきだしして充填した場合、斜面状に埋め戻されることが予想される。したがって、このような安息角の斜面を有しながら充填させた場合であっても所定の密度以上に充填できることを担保しなければならない。

そこで、第３実施形態では、大粒径ペレット１をまきだす際に、まきだし面が斜面状となるようにこぼれさせてまきだし、その後、小粒径ペレット２を落下させてまきだすことによって、小粒径ペレット２が表層部の大粒径ペレット１の間隙にこぼれ落ちて、大粒径ペレット１の間隙を充填する。

処分坑道１２の中に放射性廃棄物の廃棄体１３を定置した後で、坑道内の隙間を埋め戻す場合において、球状ペレット１，２の充填により埋め戻す場合には、坑道天端付近から球状ペレット１，２を落下させて敷き均すことになる。このとき、球状ペレット１，２は自然に斜面状に沿ってこぼれ落ちるため、図４に示したように斜面状の敷き均し面を有することになる。このような充填方法において、第１実施形態及び第２実施形態に示す方法を組み合わせても有効である。

図５に示す矩形断面を有する透明型枠（幅350mm，高さ255mm，奥行き100mm，容積8925mL、図６に示すフローにしたがって充填模擬実験を試みた。

まず、ステップ１で、大粒径ペレット１を容器３２の最奥の天端から落下させて落下を開始する（ＳＴ１）。

次に、ステップ２で、大粒径ペレット１が斜面状に堆積し、大粒径ペレット１の層厚が大粒径ペレット１の粒径の３倍程度になるまでまきだす（ＳＴ２）。

続いて、ステップ３で、図５（ａ）に示すように、大粒径ペレット１が層状に堆積して凹凸起伏を有する斜面を形成する（ＳＴ３）。

次に、ステップ４で、小粒径ペレット２を斜面上部の容器３２の天端から落下させる（ＳＴ４）。

続いて、ステップ５で、図５（ｂ）に示すように、大粒径ペレット１で形成されている斜面を小粒径ペレット２が流れ落ちながら大粒径ペレット１の間隙を満たす際に小粒径ペレット２が斜面上にあふれない程度にまきだす（ＳＴ５）。

次に、ステップ６で、容器３２の天端まで充填が完了したか否か判定する（ＳＴ６）。

ステップ６において、容器３２の天端まで充填が完了していない場合、ステップ３に戻り、図５（ｃ）に示すように、ステップ３〜ステップ５の作業を繰り返す。

ステップ６において、図５（ｄ）に示すように、容器３２の天端まで充填が完了した場合、作業を終了する。

このように大粒径ペレット１と小粒径ペレット２を充填することで、斜面状を呈している大粒径ペレット１の間隙に、後でまきだした小粒径ペレット２がこぼれ落ちて充填されることを確認できた。第３実施形態の球状ペレット１，２の充填方法での充填密度は1.4893Mg/m³であり、目標としていた充填密度の1.37 Mg/m³以上に充填できた。

ここで、第３実施形態のように斜面状に充填した場合と、大粒径ペレット１を水平に１層ずつまきだしてから小粒径ペレット２を大粒径ペレット１の１層分充填する充填方法を繰り返した場合と、で充填密度を比較する。以下の表３に示すように、大粒径ペレット１を水平に１層ずつまきだしてから小粒径ペレット２を充填した場合の充填密度は1.5369 Mg/m³であった。第３実施形態のように斜面状にまきだして自然に斜面上を流下させる充填方法による充填密度は、1.4893Mg/m³であり、大粒径ペレット１を水平に１層ずつまきだしてから小粒径ペレット２を充填する場合の1.5369 Mg/m³と比較して96.9％相当の充填が可能である。

このように、大粒径ペレット１をまきだす際に、まきだし面が斜面状となるようにこぼれ落ちさせてまきだし、その後、小粒径ペレット２を落下させてまきだすことによって、小粒径ペレット２がこぼれ落ちて表層部の大粒径ペレット１の間隙を充填するので、坑道内の延長方向に延在する狭小な坑道内周すき間空間１４を連続的に充填する際に、バラツキの少ない充填密度を達成することが可能となる。

次に、層状にまきだされた大粒径ペレット１の頭が、その後充填した小粒径ペレット２によって隠れて埋もれることがないように、小粒径ペレット２を大粒径ペレット１の間隙に充填させる第４実施形態の場合について説明する。

図７は、２次元平面上での大粒径ペレット１の間隙の大きさを示す。図８は、大粒径ペレット１の間隙内における小粒径ペレット２の充填高さを変えた場合の各状態を示す。

大小２粒径混合ペレット１，２を別々に層状に落下まきだしすることで、より大きな充填密度を実現できることの見通しが得られたので、次は小粒径ペレット２を大粒径ペレット１の間隙のどこまでを充填することが適しているのかを見極める実験を行った。

図７は、大粒径ペレット１が均等な粒径である場合を仮定して、２次元平面上でのペレット間隙の大きさを例示した図であるが、実際にはそれぞれの大粒径ペレット１が３次元的に隣接するので、同図とは異なる間隙形状になるとともに、上から見た場合には大粒径ペレット１の間隙には小粒径ペレット２の落下可能なすき間が存在していることが推定できる。

２次元幾何学的には。図７に例示したように、大粒径ペレット１は直径の0.268倍以上（半径ｒの0.536倍以上）を小粒径ペレットから頭を出ししていることが望ましい条件であることが推察される。実際には３次元的に大粒径ペレット１の相互が隣接するので条件は異なるため、図示しない内径100mm高さ127mmの円筒形容器を使って、大粒径ペレット１の間隙内における小粒径ペレット２の充填高さ、言い換えれば、小粒径ペレット２をまきだした後における大粒径ペレット１の頭出し高さを変えた充填実験を実施し、そのときの充填密度を観測し、以下の表４に整理した。

表４に示すように、大粒径ペレット１の頭が、図８（ａ）に示したように直径の１．５倍程度小粒径ペレット２から露出するように小粒径ペレット２を充填した場合〜図８（ｂ）に示したような5/6程度、さらには図８（ｃ）に示したような1/6程度小粒径ペレット２から露出するように小粒径ペレット２を充填した場合には、トータルの充填密度が1.5235〜1.5335 Mg/m³の範囲でほぼ同様であり、かつ、大粒径ペレット１の頭が5/6程度小粒径ペレット２から露出するように小粒径ペレット１を充填した場合のトータルの充填密度の値1.5335Mg/m³を100％とした相対値で比べて、９９％以上の充填密度となっている。

一方、図８（ｄ）に示すように、大粒径ペレット１の頭がほとんど埋もれた状態、言い換えれば、直径の０倍程度露出するように小粒径ペレット２を充填した状態まで小粒径ペレット２をまきだし充填した場合には、９６％近い充填密度1.4688 Mg/m³となっている。

また、図８（ｅ）に示すように、大粒径ペレット１の頭が完全に隠れて直径の1/2倍程度埋もれた状態まで小粒径ペレット２をまきだし充填させた場合には、トータルの充填密度は1.4360 Mg/m³で９４％程度となる。

したがって、少なくとも大粒径ペレット１が、その後にまきだした小粒径ペレット２に隠れて埋まることがないように充填することによって、目標とする1.37 Mg/m³に比べて余裕のある大きな充填密度を達成できることが判った。

このように、層状にまきだされた大粒径ペレット１の頭が、その後に充填した小粒径ペレット２によって隠れて埋もれることがないように小粒径ペレット２を大粒径ペレット１の間隙に充填させると、より充填密度が大きく、かつ、よりバラツキの少ない充填密度を達成することが可能となる。

次に、大粒径ペレット１を層状にまきだした後に、小粒径ペレット２をまきだし、その後、高圧圧縮空気噴射装置を使って、小粒径ペレット２を吹き飛ばして均し、かつ、大粒径ペレット１の間隙に小粒径ペレット２をこぼれ落ちさせる第５実施形態の場合について説明する。第５実施形態の球状ペレットの充填方法では、観測装置を先端に有する高圧圧縮空気噴射装置を使って、充填状況を観察しながら小粒径ペレット２を吹き飛ばしてもよい。

図９は、噴射装置を使って、小粒径ペレット２を吹き飛ばす第５実施形態の球状ペレットの充填方法を示す。

図９（ａ）には、高圧の圧縮空気をノズル４から噴出させて小粒径ペレット２を吹き飛ばしつつ別の大粒径ペレット１の間隙に落下充填させる方法を例示した。小粒径ペレット２を移動させる方法には圧縮空気の噴出によって吹き飛ばす方法だけでなく、適度な柔軟性を有する捌け状のものを使って捌き出す方法によっても良いが、以下の実験により圧縮空気噴出法が実現可能性を有することを確認した。

なお、小粒径ペレット２を大粒径ペレット１の間隙に落下充填させる手段としては、図５の実験で実施したように、単純に上から落下させて斜面上をこぼれ落ちさせる方法があるが、実際には図４に示すような空間へのペレット充填作業では人間が直接目視することは困難であるため、微妙に落下位置や落下充填量を調整して充填密度をコントロールすることは現実的ではない。

この課題を解決するためには、図９（ａ）に示すように、遠隔の観察装置５が必要である。例えば、遠隔観測部５は小型のビデオカメラを先端に取り付けたフリーアームを随所に近づけることで観測できるし、胃カメラと同様のファイバースコープを使うことでも観察することができる。この場合には、観察できるだけでは十分ではなくて、図９（ａ）に示すように大粒径ペレット１の上にまきだしし過ぎた小粒径ペレット２を、図９（ｂ）に示すように周囲の大粒径ペレット１の未充填間隙に移動させる行為が必要である。

ここでは、高圧の圧縮空気をノズル４から噴出させて小粒径ペレット２を吹き飛ばすことで均しながら大粒径ペレット１の間隙にこぼれ落ちさせて充填させる方法で前述図１と同じ透明な円筒容器（内径100mm，高さ127mm）に充填する作業を試みた。以下の表５は、噴射装置を使用する方法と使用しない方法で充填した場合の充填密度の測定結果を比較したものである。

エア均しを行った場合には、エア均しを行わなかった場合のトータルの充填密度の値よりも若干大きな充填密度となっている。エア噴射により吹き飛ばすことで小粒径ペレットが大粒径ペレットの間隙により良く充填できたためであると考えられる。すなわち、エア均しする方法は安定的で密実に充填する方法として優れている。

このように、小粒径ペレット２をまきだし、その後、高圧圧縮空気噴射装置を使って、小粒径ペレット２を吹き飛ばして均し、かつ、大粒径ペレット１の間隙に小粒径ペレット２をこぼれ落ちさせるので、より充填密度が大きく、かつ、よりバラツキの少ない充填密度を達成することが可能となる。

また、高圧圧縮空気噴射装置のノズル４の先端に取り付けた観測部５を使って、充填状況を観察しながら、小粒径ペレット２を吹き飛ばして均し、かつ、大粒径ペレット１の間隙に小粒径ペレット２をこぼれ落ちさせるので、状況を確認しながら充填することができ、十分な充填密度を担保することが可能となる。

次に、斜面状を呈する大粒径ペレット１の上に落下させてまきだした小粒径ペレット２を圧縮空気噴出法により斜面に沿って敷き均すとともに、小粒径ペレット２を大粒径ペレット１の間隙に満たす第６実施形態の場合について説明する。

なお、第６実施形態では、大粒径ペレット１を層状にまきだした後においても、高圧圧縮空気噴射装置を使って、大粒径ペレット１を吹き飛ばすことによって、大粒径ペレット１がすき間なく並ぶように均す例を適用する。

図１０は、第６実施形態の球状ペレットの充填方法のフローを示す。

図５に示したものと同じ矩形断面を有する透明型枠（幅350mm，高さ255mm，奥行き100mm，容積8925mL）において、図１０に示す手順で充填模擬実験を実施した。

まず、ステップ１１で、大粒径ペレット１を容器の最奥の天端から落下させて落下を開始する（ＳＴ１１）。

次に、ステップ１２で、大粒径ペレット１が斜面状に堆積し、大粒径ペレット１の層厚が大粒径ペレット１の粒径の３倍程度になるまでまきだす（ＳＴ１２）。

続いて、ステップ１３で、大粒径ペレット１が層状に堆積して凹凸起伏を有する斜面を形成する（ＳＴ１３）。

続いて、ステップ１４で、斜面上に層状に堆積した大粒径ペレット１において、局部的に凸部を形成している大粒径ペレットを圧縮空気の噴出によって斜面の凹部に移動させることにより、斜面の凹凸起伏をなだらかにする（ＳＴ１４）。

次に、ステップ１５で、小粒径ペレット２を斜面上部の容器の天端から落下させる（ＳＴ１５）。

続いて、ステップ１６で、大粒径ペレット１で形成されている斜面を小粒径ペレット２が流れ落ちながら大粒径ペレット１の間隙を満たす際に小粒径ペレット２が斜面上にあふれない程度にまきだす（ＳＴ１６）

続いて、ステップ１７で、圧縮空気の噴出により小粒径ペレット２を吹き飛ばしながら斜面上に均し、充填された小粒径ペレット２から大粒径ペレット１が粒径の１倍から１／２倍程度に露出している状態にする（ＳＴ１７）。

次に、ステップ１８で、容器天端まで充填が完了したか否か判定する（ＳＴ１８）。

ステップ１８において、容器天端まで充填が完了していない場合、ステップ１３に戻り、ステップ１３〜ステップ１７の作業を繰り返す。

ステップ１８において、容器天端まで充填が完了した場合、作業を終了する。

以下の表６は、水平にまきだして目視により充填した場合のトータルの充填密度、単純に斜面上をこぼれ落ちさせて充填した場合の充填密度、及びエア均しをして斜面上を充填した場合の充填密度を比較したものである。

表６に示すように、エア均しをして斜面上を充填した場合の充填密度は、水平にまきだして目視により充填した場合のトータルの充填密度の値1.5369Mg/m³に比べて、97.6％に相当する1.5004 Mg/m³程度の大きな充填密度となっている。また、単純に斜面上をこぼれ落ちさせて充填した場合の充填密度1.4893 Mg/m³よりも大きいことから、エア均し方法は優れていることが判る。

小粒径ペレット２をまきだし、その後、高圧圧縮空気噴射装置を使って、小粒径ペレット２を吹き飛ばして均し、かつ、大粒径ペレット１の間隙に小粒径ペレット２をこぼれ落ちさせるので、より充填密度が大きく、かつ、よりバラツキの少ない充填密度を達成することが可能となる。

また、高圧圧縮空気噴射装置のノズル４の先端に取り付けた観測部５を使って、充填状況を観察しながら、小粒径ペレット２を吹き飛ばして均し、かつ、大粒径ペレット１の間隙に小粒径ペレット２をこぼれ落ちさせるので、状況を確認しながら充填することができ、十分な充填密度を担保することが可能となる。

また、大粒径ペレット１を層状にまきだした後においても、高圧圧縮空気噴射装置を使って、大粒径ペレット１を吹き飛ばすことによって、大粒径ペレット１がすき間なく並ぶように均すので、さらに充填密度が大きく、かつ、さらにバラツキの少ない充填密度を達成することが可能となる。

次に、第６実施形態の球状ペレットの充填方法を図１００に示した横置き方式の放射性廃棄物処分施設１０で適用する際のペレット充填装置について説明する。

図１１は、横置き方式の放射性廃棄物処分施設１０で適用する際のペレット充填装置５０を示す。図１２は、図１１の処分坑道１２を透過した側面図を示す。

緩衝材一体型廃棄体と処分坑道１２の内壁との間の狭い空間を移動可能な形状寸法のペレット充填装置５０を備え、ペレット充填装置５０は、本体５１と、処分坑道１２の入口から本体５１に連通されてペレット１，２を輸送する輸送管５２と、輸送管５２を通って充填させるペレット１，２を本体５１から充填位置まで搬送する図示しない搬送部と、大小粒径の異なるペレット１，２を別々に投下できる投下部５３と、充填して堆積しているペレット１，２の表面に圧縮空気を噴射してペレット１，２を吹き飛ばすノズル４と、ノズル４に圧縮空気を供給する図示しない圧縮空気供給部と、ノズル４の先端付近にノズル４から圧縮空気を噴射する方向のペレット堆積面を観察できる観察部５と、遠隔操作によって関節を作動することにより、ノズル４の先端及び観察部５を堆積しているペレット１，２の表面に沿って移動させることができるフリーアーム５４と、を有している。

図１１に示すように、廃棄体１３と処分坑道１２の内壁との間の坑道内周すき間１４は狭小であるため、作業員が直接目視しながらペレット１，２を充填することは困難である。そこで、遠隔操作でペレット１，２の充填作業が可能なペレット充填装置５０を使うことが望ましい。

このような目的のペレット充填装置５０には、少なくとも以下の５点の機能が必要である。
（１）ペレット１，２を充填箇所の近くまで搬送する機能
（２）大粒径ペレット１を落下充填する機能
（３）遠隔観察部５と同じく先端部に導いた圧縮空気をノズル４の先端から噴出することによって、大粒径ペレット１を移動させて凹凸の少ない斜面状に均す機能
（４）小粒径ペレット２を落下させてまきだしする機能
（５）遠隔観察部５と同じく先端部に導いた圧縮空気をノズル４の先端から噴出することによって小粒径ペレット３を均しつつ、大粒径ペレット１の間隙に充填させる機能

図１１及び図１２に示すように、ペレット充填装置５０は狭い坑道内周すき間１４を移動できる寸法形状の本体５１を有している。また、処分坑道１２が連結されている主要坑道１１から一部図示を省略した搬送管５２を通過させて、所定量のペレット１，２をエア等で搬送することによって、ペレット充填装置５０にペレット１，２を供給することができる。

したがって、狭い空間である坑道内周すき間１４において、所定値以上のペレット充填密度を効率的に実現することが可能となる。

また、観測部５は、フリーアーム５４の先端部に取り付けてあるため、ペレット１，２をまきだした後の上端面を観察することができる。同じく、フリーアーム５４の先端にはノズル４が方向可変にコントロールできる形で固定されており、観測部５で観測しながら圧縮空気を噴射することによって余分なペレット１，２を別の場所に移動させることができる。

すなわち、ノズル４からエアを噴出して、小粒径ペレット２を吹き飛ばし、大粒径ペレット１の間隙にこぼれ落ちさせながら均し終わった段階で、観測部５は、層状にまきだされた大粒径ペレット１の頭が、その後に充填した小粒径ペレット２によって隠れて埋もれることがないように小粒径ペレット２がまきだされていることを観測することにより、所定の充填密度以上に充填できていることを確認する。

したがって、大粒径ペレット１間隙への小粒径ペレット２の充填状況を確認することができるので、所定の密度以上にペレット１，２を充填できていることを観測して充填密度を担保することが可能である。

このように、本実施形態の吸水膨張性粘土材料の充填方法では、吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を球状に成形したペレット１，２を、すき間あるいは仕切られた空間に充填する吸水膨張性粘土材料の充填方法であって、大粒径ペレット１を先行して層状にまきだした後に、小粒径ペレット２を落下させてまきだすことによって、小粒径ペレット２がこぼれ落ちて大粒径ペレット１の間隙を充填するので、ばらつきの少ない充填密度に充填をすることが可能となる。

また、本実施形態の吸水膨張性粘土材料の充填方法では、大粒径のペレット１をまきだしたときの層厚が大粒径ペレット１の粒径の25倍以内にすることによって、小粒径ペレット２が大粒径ペレット１の間隙を均質に落下充填することができるので、バラツキの少ない充填密度を維持することが可能となる。

また、本実施形態の吸水膨張性粘土材料の充填方法では、大粒径ペレット１をまきだす際に、まきだし面が斜面状となるようにこぼれさせてまきだし、その後、小粒径ペレット２を落下させてまきだすことによって、小粒径ペレット２が表層部の大粒径ペレット１の間隙にこぼれ落ちて、大粒径ペレット１の間隙を充填するので、坑道内の延長方向に延在する狭小な坑道内周すき間空間１４を連続的に充填する際に、バラツキの少ない充填密度を達成することが可能となる。

また、本実施形態の吸水膨張性粘土材料の充填方法は、層状にまきだされた大粒径ペレット１の頭が、後で充填した小粒径ペレット２によって隠れて埋もれることがないように、小粒径ペレット２を大粒径ペレット１の間隙に充填させるので、より充填密度が大きく、かつ、よりバラツキの少ない充填密度を達成することが可能となる。

また、本実施形態の吸水膨張性粘土材料の充填方法は、大粒径ペレット１を層状にまきだした後に、小粒径ペレット２をまきだし、その後、高圧圧縮空気を噴射することで小粒径ペレット２を吹き飛ばして均し、かつ、大粒径ペレット１の間隙に小粒径ペレット２をこぼれ落ちさせるので、より充填密度が大きく、かつ、よりバラツキの少ない充填密度を達成することが可能となる。

また、本実施形態の吸水膨張性粘土材料の充填方法は、大粒径ペレット１を層状にまきだした後に、高圧圧縮空気を噴射することで大粒径ペレット１を吹き飛ばして均すので、さらに充填密度が大きく、かつ、さらにバラツキの少ない充填密度を達成することが可能となる。

また、本実施形態の吸水膨張性粘土材料の充填方法は、ノズル４の先端に取り付けた観測部５で充填状況を観測しながら、ノズル４から高圧圧縮空気を噴射するので、状況を確認しながら充填することができ、十分な充填密度を担保することが可能となる。

また、本実施形態の吸水膨張性粘土材料充填装置５０は、吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を球状に成形したペレット１，２を、廃棄体１３と処分坑道１２の内壁との間の狭い空間１４に充填する吸水膨張性粘土材料充填装置５０であって、廃棄体１３と処分坑道１２の内壁との間の狭い空間１４を移動可能な形状寸法の本体５１と、処分坑道１２の入口から本体５１に連通されて吸水膨張性粘土材料１，２を輸送する輸送管５２と、輸送管５２を通って充填させる吸水膨張性粘土材料１，２を本体から充填位置まで搬送する搬送部と、大小粒径の異なる吸水膨張性粘土材料１，２を別々に投下できる投下部５３と、充填して堆積している吸水膨張性粘土材料１，２の表面に圧縮空気を噴射して吸水膨張性粘土材料１，２を吹き飛ばすノズル４と、ノズル４に圧縮空気を供給する圧縮空気供給部と、ノズル４の先端付近に取り付けられ、ノズル４から圧縮空気を噴射する方向の吸水膨張性粘土材料１，２の堆積面を観察できる観察部５と、遠隔操作によって作動することにより、堆積している吸水膨張性粘土材料１，２の表面に沿ってノズル４の先端及び観察部５を移動させるフリーアーム５４と、を有するので、ばらつきの少ない充填密度に充填をすることが可能となる。

なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えてもよい。また、それらを組み合わせて形成してもよい。

１…大粒径ペレット
２…小粒径ペレット
３…容器
４…ノズル
５…観察部

Claims (8)

1. 吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を略球状に成形したペレットを、すき間あるいは仕切られた空間に充填する吸水膨張性粘土材料の充填方法であって、
   大粒径ペレットを先行して層状にまきだした後に、小粒径ペレットを落下させてまきだすことによって、前記小粒径ペレットがこぼれ落ちて前記大粒径ペレットの間隙を充填する
   ことを特徴とする吸水膨張性粘土材料の充填方法。
2. 前記大粒径のペレットをまきだしたときの層厚が前記大粒径ペレット粒径の25倍以内である
   ことを特徴とする請求項１に記載の吸水膨張性粘土材料の充填方法。
3. 前記大粒径ペレットをまきだす際に、まきだし面が斜面状となるようにこぼれさせてまきだし、
   その後、前記小粒径のペレットを落下させてまきだすことによって、
   前記小粒径ペレットが表層部の前記大粒径ペレットの間隙にこぼれ落ちて、前記大粒径ペレットの間隙を充填する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吸水膨張性粘土材料の充填方法。
4. 層状にまきだされた前記大粒径ペレットの頭が、後で充填した前記小粒径ペレットによって隠れて埋もれることがないように、前記小粒径ペレットを前記大粒径ペレットの間隙に充填させる
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の吸水膨張性粘土材料の充填方法。
5. 前記大粒径ペレットを層状にまきだした後に、前記小粒径ペレットをまきだし、
   その後、高圧圧縮空気を噴射することで前記小粒径ペレットを吹き飛ばして均し、かつ、前記大粒径ペレットの間隙に前記小粒径ペレットをこぼれ落ちさせる
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の吸水膨張性粘土材料の充填方法。
6. 前記大粒径ペレットを層状にまきだした後に、高圧圧縮空気を噴射することで前記大粒径ペレットを吹き飛ばして均す
   ことを特徴とする請求項５に記載の吸水膨張性粘土材料の充填方法。
7. ノズルの先端に取り付けた観測部で充填状況を観測しながら、前記ノズルから高圧圧縮空気を噴射する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の吸水膨張性粘土材料の充填方法。
8. 吸水膨張性を有する粘土を主体とする材料を球状に成形したペレットを、廃棄体と処分坑道の内壁との間の狭い空間に充填する吸水膨張性粘土材料充填装置であって、
   前記廃棄体と前記処分坑道の内壁との間の狭い空間を移動可能な形状寸法の本体と、
   前記処分坑道の入口から前記本体に連通されて吸水膨張性粘土材料を輸送する輸送管と、
   前記輸送管を通って充填させる前記吸水膨張性粘土材料を前記本体から充填位置まで搬送する搬送部と、
   大小粒径の異なる前記吸水膨張性粘土材料を別々に投下できる投下部と、
   充填して堆積している前記吸水膨張性粘土材料の表面に圧縮空気を噴射して前記吸水膨張性粘土材料を吹き飛ばすノズルと、
   前記ノズルに圧縮空気を供給する圧縮空気供給部と、
   前記ノズルの先端付近に取り付けられ、前記ノズルから圧縮空気を噴射する方向の前記吸水膨張性粘土材料の堆積面を観察できる観察部と、
   遠隔操作によって作動することにより、堆積している前記吸水膨張性粘土材料の表面に沿って前記ノズルの先端及び前記観察部を移動させるフリーアームと、
   を有することを特徴とする吸水膨張性粘土材料充填装置。

Images