JP5158024B2 - 地下圏摸擬試験方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、深地層で起きる様々な現象を解明し、深地層の開発やその安全評価に寄与する科学・技術、とくに化学・生物学の分野に利用するための地下圏摸擬試験方法および装置に関するものである。
ＣＯ2の地中貯留や放射性廃棄物の地層処分のために深地層を利用しようという検討が進んでいる。深地層では、一度設置した装置の撤去が難しいこと、嫌気的環境に酸素が入ることによる化学変化、地下水汚染、地盤の変形など環境への影響などの課題が考えられる（非特許文献１）ので、新たに深地層に廃棄物を処分したり何らかの構造物を設置する場合、それが将来にわたって周囲の環境に及ぼす影響を事前に予測する必要がある。そのためには深地層を模擬した試験が重要な意味を持つ。
現在まで、深地層で想定される数ＭＰａ以上の高圧、およびそれによる高い溶存ガス濃度を摸擬する試験方法は、充分開発されてこなかった。
非特許文献２には深海研究のための高圧下での試験手法として、培養液を封入した状態での加圧培養法が記載されている。しかし、この加圧培養法は、封入した培養液を単に加圧して培養を行うものであり、高圧下での培養液中の溶存ガス濃度を変えることはできない。
また特許文献１では、高圧条件下の微生物培養系に培養液を供給することが記載されているが、これも培養液を高圧にして供給するもので、溶存ガスの濃度を変えることはできない。
本発明者は、特願２００８−１７６３２で、固体試料も扱えるよう新たな工夫を加えた高圧試験方法および装置を提案した。
この先願の試験方法は、図２に示すように、試料容器１０に固体試料１２、液体試料１３および気体試料１４を入れ、栓１５に、ガス１８を封入した注射器１７の注射針１７ａを差し込み、これを耐圧容器２０内に入れ、耐圧容器２０内の水ｗを加圧して注射器１７のガス１８を試料容器１０に注入して試料容器１０内の溶存ガス濃度を調整できるようにしたものである。
陶野郁雄、「大深度地下開発と地下環境」、１９９０年、鹿島出版会
門田元・多賀信夫、「海洋微生物研究法」、１９８５年５月１０日、学会出版センター，ｐ１５０−１５６
この図２に示した、試験装置で、例えば、放射性廃棄物処分場の緩衝材に用いられるベントナイトが高圧下かつ高濃度の溶存ガス存在下で放射性核種をどの程度収着するかというデータを取ろうとした場合、図２の試料容器１０に、固体試料１２としてのベントナイトと、液体試料１３としての地下水と、核種を入れ、気体試料１４として不活性ガスや窒素やＣＯ2ガスを入れ、注射器１７にＣＯ2ガス１８を入れ、このセットを耐圧容器２０に収納して水で外から加圧する。これにより注射器１７内のガス１８が試料容器１０に注入され、圧力に応じて試料容器１０内の溶存ガス濃度を調整できる。
この先願の試験方法では、加圧により、注射器１７のピストンが下がり、ガスが加圧されて、そのガスが注射針１７ａから試料容器１０内に注入されながら溶解していくものであるが、注射器１７が上で、試料容器１０が下であり、シリンダとピストンとの摺り合わせ部からのガス漏れのリスクが生じやすい。
また、ＣＯ2ガスが地下水に溶解するための気液界面の面積が注射器１７の針１７ａの断面部分しかないため、溶解に時間がかかる問題もある。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、加圧中に確実にガスを注入、溶解させることができる地下圏摸擬試験方法および装置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、注射針を貫通させて液体や気体を通過させられるが注射針を抜けば密閉状態となるパッキンで栓をする試料容器に、少なくとも固体試料を入れ、液体試料、ガス試料、またはその両方を入れた注射器の注射針をパッキンに貫通させた試験セットを作り、これを試料容器が上で注射器が下となるようにして、水に満たされた耐圧容器内に収納し、その耐圧容器内の水を加圧することによって、所定の圧力とガスの溶解条件下で固体試料に関わる試験を行うことを特徴とする地下圏摸擬試験方法である。
請求項２の発明は、上記の試料容器内に固体試料とともに放射性核種を入れて試験を行う請求項１記載の地下圏模擬試験方法である。
請求項３の発明は、耐圧容器内の加圧により、注射器内のガス試料を注射器内の液体試料に溶解させて試料容器に入っていくようにした請求項１または２記載の地下圏模擬試験方法である。
請求項４の発明は、少なくとも固体試料が収容され、パッキンで栓がされる密閉状態の試料容器と液体試料、ガス試料、またはその両方を入れた注射器とからなり、その注射器の注射針を試料容器のパッキンに貫通させた試験セットと、その試験セットを試料容器が上で注射器が下となるように収容すると共に、水が満たされた耐圧容器と、耐圧容器内に水を供給して耐圧容器内を加圧する加圧手段とを備えたことを特徴とする地下圏摸擬試験装置である。
本発明によれば、注射器の注射針を試料容器のパッキンに貫通させた試験セットを、試料容器が上、注射器が下となるように耐圧容器内に収容して加圧することで、確実にガスを試料容器内に注入、溶解させることができるという優れた効果を発揮するものである。
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において、１０は、少なくとも固体試料１２を入れる試料容器であり、１７は、ガス試料１４、液体試料１３、またはその両方を入れた注射器である。
固体試料１２は、地下圏での化学反応または生物反応の試験に用いる固体であり、液体試料１３は、地下圏での化学反応または生物反応の試験に用いる地下水などの液体であり、ガス試料１４は、液体試料１３に溶存させ、あるいはそのままで、地下圏での化学反応または生物反応の試験に用いる不活性ガスや窒素やＣＯ2ガスなどである。
試料容器１０は、図１（ａ）に示すように固体試料１２を入れた後、ブチルゴムなどのパッキン１５で栓ができるもので密閉され、図１（ｂ）に示すように、パッキン１５と試料容器１０の開口部との隙間から針１６を差し込んで不活性ガスを注入し、その針１６を抜き取ることで、図１（ｃ）に示すように、試料容器１０内の空気が不活性ガスで置換されると共に密閉される。
注射器１７はシリンダ１７ｃとピストン１７ｐと注射針１７ａからなり、先ず図１（ｄ）に示すように、シリンダ１７ｃ内にガス試料１４を入れ、次に、図１（ｅ）に示すように液体試料１３を入れる。
この液体試料１３とガス試料１４を入れた注射器１７の注射針１７ａを、図１（ｆ）に示すように試料容器１０のパッキン１５に差し込んで試験セット１１とし、この試験セット１１を図１（ｇ）に示すように逆さまにし、試料容器１０が上で、注射器１７が下となる状態で、図１（ｈ）に示すように耐圧容器２０内に収納する。この際、図には示していないが、試験セット１１を適宜の固定手段で、例えば注射器１７のシリンダ１７ｃを支持部材で支持しておく。
次に耐圧容器２０内に水ｗを満たし、その後、図１（ｉ）に示すように、耐圧容器２０の外部から加圧手段２１により加圧水を供給して所望の圧力で加圧して試験を行うことで、注射器１７内のガス試料１４が液体試料１３に溶存し、そのガス試料１４が溶存した液体試料１３が注射針１７ａを通して試料容器１０内に注入され、加圧条件下での試験を行う。
実験終了後は、図１（ｊ）に示すように耐圧容器２０から試験セット１１を取り出し、さらに図１（ｋ）に示すように注射針１７ａから試料容器１０を外し、その試料容器１０内の固体試料１２の分析を行う。
以上により、本発明は、先願と比べると格段に大きな気液界面でガス試料１４を液体試料１３に容易に溶解させ、かつ、試料容器１０の空間部分に不活性ガスなどを充填しておくことにより、加圧時にその充填ガスが収縮して、ガス試料１４を溶解した液体試料１３が試料容器１０に入っていくことによって、固体試料１２を高圧・高い溶存ガス濃度条件に置くことができる。
また、この試験セット１１を耐圧容器２０に収納する際、注射器１７側を下側に置くことによって、液体試料１３はガス試料１４の大部分が溶解するまで注射器１７内に留まり、溶解してから試料容器１０に入っていく。即ち、溶存ガス濃度が低いまま試料容器１０に入るのを防ぎ、上記の効果を一層確実にできる。
これにより、本発明は、従来の技術では不可能であった土壌、岩石などの固体と、深地層での溶解量と同等に溶解したガスの存在下で、様々な実験を簡便・円滑に行うことができる。
次に、実施例を説明する。
先ず、図１に示したように、固体試料＋液体試料＋ガス試料の共存系での実施例を説明する。
試料容器１０に固体試料１２を入れ（図１（ａ）、Ｎ2、Ａｒなどの不活性ガスを注入してパッキン１５で栓をする（図１（ｂ））。一方、注射器１７にはガス試料１４を吸引し（図１（ｄ））、次いで直ちに液体試料１３を吸引する（図１（ｅ））。さらに直ちに、注射器１７の針１７ａを試料容器１０のパッキン１５に貫通させ（図１（ｆ））、上下反転させる（図１（ｇ））。
この試験セット１１の全体を水ｗを満たした耐圧容器２０に入れて（図１（ｈ））、水ｗを加圧していく。一定期間の加圧が終了（図１（ｉ））したら、加圧水の圧を大気圧まで戻し、試料容器１０と注射器１７の試験セット１１を取り出して（図１（ｊ））、直ちに、試料容器１０のパッキン１５から注射器１７の針１７ａを抜く（図１（ｋ））。
この図１（ｈ）と図１（ｉ）の操作の間に、注射器１７内のガス試料１４の液体試料１３への溶解が起こり、次いで、ガス試料１４と試料容器１０内の不活性ガスとを合わせた容積が、試料容器１０の空間部分の容積より小さくなった段階でガス試料１４を溶存した液体試料１３が試料容器１０に入っていく。
図１（ｉ）から図１（ｋ）の操作を手早く行うことにより、加圧下での固体試料１２の置かれた状態が、完全とはいえないまでも保持されるので、溶存ガス濃度などを分析によって確認することができる。
なお、この操作は代表的な条件を示したもので、表１に示すように、他の条件での試験も可能である。
表１の番号２は、試料容器１０に不活性ガスの代わりにガス試料を入れたもので、不活性ガスの影響を排除した試験ができる。
番号３は、溶存ガス濃度をさほど高くしなくてもよい場合に用いる条件であって、注射器１７にはガス試料を入れず、液体試料のみ入れる。これにより操作が少し簡便になる。
番号４〜６は、試料容器１０に核種（放射性核種の場合もある）も入れる場合であり、目的によって、この条件で試験が行われる。
番号７〜１０は、不飽和（空間が液体に満たされていない）の環境での試験を想定したもので、注射器１７に液体試料を入れず、ガス試料のみ入れる。
以上のように本発明は様々な条件で試験が可能である。
１０ 試料容器
１１ 試験セット
１２ 固体試料
１３ 液体試料
１４ ガス試料
１５ パッキン
１７ 注射器
１７ａ 注射針
２０ 耐圧容器
２１ 加圧手段
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Claims (4)
- 注射針を貫通させて液体や気体を通過させられるが注射針を抜けば密閉状態となるパッキンで栓をする試料容器に、少なくとも固体試料を入れ、液体試料、ガス試料、またはその両方を入れた注射器の注射針をパッキンに貫通させた試験セットを作り、これを試料容器が上で注射器が下となるようにして、水に満たされた耐圧容器内に収納し、その耐圧容器内の水を加圧することによって、所定の圧力とガスの溶解条件下で固体試料に関わる試験を行うことを特徴とする地下圏摸擬試験方法。
- 上記の試料容器内に固体試料とともに放射性核種を入れて試験を行う請求項１記載の地下圏模擬試験方法。
- 耐圧容器内の加圧により、注射器内のガス試料を注射器内の液体試料に溶解させて試料容器に入っていくようにした請求項１または２記載の地下圏模擬試験方法。
- 少なくとも固体試料が収容され、パッキンで栓がされる密閉状態の試料容器と液体試料、ガス試料、またはその両方を入れた注射器とからなり、その注射器の注射針を試料容器のパッキンに貫通させた試験セットと、
その試験セットを試料容器が上で注射器が下となるように収容すると共に、水が満たされた耐圧容器と、
耐圧容器内に水を供給して耐圧容器内を加圧する加圧手段と
を備えたことを特徴とする地下圏摸擬試験装置。
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