JP5737569B2 - ラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法及びラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラドンを用いて岩盤の間隙状況（間隙の表面積、広がりの状態）を評価するラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法及び間隙状況の評価装置に関する。

放射性廃棄物を地中に隔離処理する場合や二酸化炭素（ＣＯ_２）を地中貯留する場合、地表下の岩石の層や岩石でできている地盤（岩盤）の崩落や崩壊等を検証する場合、更に、岩盤に溜まる天然資源の状況を検証する場合等において、岩盤における間隙状況（間隙の表面積や多きさ等）を検証することは重要な事項となっている。

岩盤の間隙を検証するため、地中空間に超音波測定器を挿入し、挿入深度が異なる箇所で超音波速度を測定し、超音波速度の違いから亀裂の大きさを測定することが従来から行われている（例えば、特許文献１参照）。しかし、亀裂（岩盤の間隙）の表面積や広がりの状態を検出することはできず、岩盤の間隙状況を的確に評価することができないのが現状である。

ところで、岩盤の岩石中には微量のウランが含まれ、岩石からは壊変生成物としてのラドンが放出されている。ラドンは所定の半減期で放射線を出して鉛に至る元素である。岩石には間隙があり、ラドンは岩石の流動間隙の表面から放出される。このため、ラドンの放出量を測定することで、岩盤の間隙の表面積を含めた間隙状況を評価することができると考えられる。

特開平１０−３１８９９６号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ラドンを用いて岩盤の間隙の状況を評価することができるラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法及びラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明のラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法は、岩盤内部の所定区域と岩盤外部との間で流体の循環経路を構築し、循環経路を循環させる前に循環経路から採取された流体に放出されたラドンの濃度［Ｒｎｎ］と岩盤のラドンフラックスの理論値Ｆｎを求め、ラドンの濃度［Ｒｎｎ］とラドンフラックスの理論値Ｆｎとにより岩盤における間隙の幅ｗｎを導出し、所定期間にわたり循環経路に流体を循環させた後に流体に放出されたラドンの濃度［Ｒｎ］を求め、ラドン濃度［Ｒｎ］、割れ目の幅ｗｎ及び循環経路の状況に基づいて間隙の広がりの半径ｒを求め、隙間の広がりの半径ｒに基づいて間隙の表面積を評価することを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、流体を循環させる前のラドンの濃度［Ｒｎｎ］とラドンフラックスの理論値Ｆｎにより間隙の幅ｗｎを求め、流体を循環させた際に流体に放出されたラドンの濃度［Ｒｎ］と間隙の幅ｗｎ及び循環経路の状況により、間隙の広がりの半径ｒを求め、間隙の広がりの半径ｒに基づいて間隙の表面積を評価するので、間隙の広がりに応じて表面積を評価することができる。このため、間隙の広がりにおける表面の凹凸が加味された状態で表面積を評価することができ、間隙の広がりや間隙の表面状態を含めて間隙の表面積を評価することが可能になる。

この結果、ラドンを用いて岩盤の間隙の状況を的確に評価することが可能になる。

そして、請求項２に係る本発明のラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法は、請求項１に記載のラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法において、循環させる前記流体は水であることを特徴とする。また、請求項３に係る本発明のラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法は、請求項２に記載のラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法において、循環経路は水が貯留される容器を含み、循環経路の状況は、容器の体積Ｖ、容器の表面積Ｓ、及び、容器のラドンフラックスＦを含むことを特徴とする。

請求項２、請求項３に係る本発明では、水に放出されたラドンを用いることで、岩盤の間隙の状況を的確に評価することができる。請求項３に係る本発明では、容器の体積Ｖ、容器の表面積Ｓ、及び、容器のラドンフラックスＦを用いて間隙の広がりの半径ｒを求め、間隙の表面積を評価することができる。

上記目的を達成するための請求項４に係る本発明のラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置は、岩盤外部から岩盤内部にわたり形成され、岩盤外部から水が供給されることにより岩盤内部に水を放出する第１孔通路と、岩盤外部から岩盤内部にわたり形成され、前記第１孔通路から放出された水が岩盤内部で回収されて岩盤外部に送られる第２孔通路と、前記第１孔通路と前記第２通路孔との間で水を循環させる循環路と、前記循環路により循環する水を採水して前記第１孔通路と前記第２通路孔との間における岩盤の間隙の表面積を評価する評価手段とを備え、前記評価手段は、前記第１孔通路、前記第２孔通路、前記循環路からなる循環経路を循環させる前に循環経路から採取された水に放出されたラドンの濃度［Ｒｎｎ］と岩盤のラドンフラックスの理論値Ｆｎを求める機能と、ラドンの濃度［Ｒｎｎ］とラドンフラックスの理論値Ｆｎとにより岩盤における間隙の幅ｗｎを導出する機能と、所定期間にわたり前記循環路に水を循環させた後の水に放出されたラドンの濃度［Ｒｎ］を求める機能と、ラドン濃度［Ｒｎ］、間隙の幅ｗｎ及び前記循環路の状況に基づいて間隙の広がりの半径ｒを求める機能と、間隙の広がりの半径ｒに基づいて間隙の表面積を評価する機能とを備えていることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、流体を循環させる前のラドンの濃度［Ｒｎｎ］とラドンフラックスの理論値Ｆｎにより間隙の幅ｗｎを求め、流体を循環させた際に流体に放出されたラドンの濃度［Ｒｎ］と間隙の幅ｗｎ及び循環路の状況により、間隙の広がりの半径ｒを求め、間隙の広がりの半径ｒに基づいて間隙の表面積を評価するので、間隙の広がりに応じて表面積を評価することができる。このため、間隙の広がりにおける表面の凹凸が加味された状態で表面積を評価することができ、間隙の広がりや間隙の表面状態を含めて間隙の表面積を評価することが可能になる。

この結果、ラドンを用いて岩盤の間隙の状況を的確に評価することが可能になる。

そして、請求項５に係る本発明のラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置は、請求項４に記載のラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置において、前記循環路は、岩盤外部で水を貯留する容器と、容器に貯留された水を前記第１孔通路に圧送する圧送経路と、前記第２通路孔から送られた水を前記容器に循環させる収容経路とを備え、前記評価手段における間隙の広がりの半径ｒを求める機能の前記循環路の状況は、前記容器の体積Ｖ、前記容器の表面積Ｓ、及び、容器のラドンフラックスＦを含むことを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、水に放出されたラドンを用い、容器の体積Ｖ、容器の表面積Ｓ、及び、容器のラドンフラックスＦを用いて間隙の広がりの半径ｒを求め、間隙の表面積を評価することができる。

本発明のラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法及び装置は、ラドンを用いて岩盤の間隙の広がり及び表面積を的確に評価することが可能になる。

本発明の一実施形態例に係るラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置の全体構成図である。 処理フローチャートである。 ラドン濃度の経時変化を表すグラフである。 間隙の状況評価を説明する概念図である。

図１には本発明の一実施形態例に係るラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置の全体概念構成、図２には本発明の一実施形態例に係るラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法の処理フロー、図３にはラドン濃度の経時変化を示してある。また、図４には間隙の幅をディスクモデルで評価した際の概念を示してある。

図１に基づいてラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置を説明する。

図に示すように、岩盤１には外部から流体としての水が供給されることにより岩盤１の内部に水を放出する第１孔通路２が設けられている。第１孔通路２の先端部にはパッカー３で区画された放出空間４が形成され、第１孔通路２の孔口はパッカー６で塞がれている。放出空間４には第１ロッド５を介して岩盤１の外部（パッカー６で塞がれた部分の外側）から水が圧送される。

尚、本実施例では、地下水が存在する岩盤１を想定して外部から流体として水を供給する例を挙げて説明したが、地下水が存在しない岩盤に適用する場合には、流体として空気や不活性ガスを用いることも可能である。

一方、岩盤１には第２孔通路７が設けられ、第２孔通路７の先端部にはパッカー８で区画された流入空間９が形成され、第２孔通路７の孔口はパッカー１０で塞がれている。第１孔通路２の放出空間４から岩盤１に放出された水は岩盤１の間隙ができている部位（割れ目の広がりの領域：図中点線で示してある）を流れて流入空間９に送られ、流入空間９に送られた水は第２ロッド２１から岩盤１の外部（パッカー１０で塞がれた部分の外側）に送られる。

岩盤１の外部には第１孔通路２と第２孔通路７との間で水を循環させる循環路１１が備えられている。循環路１１は、岩盤１の外部で水を貯留する容器１２と、容器１２に貯留された水を第１孔通路２に圧送するポンプ１３及び圧送管１４（圧送経路）と、第２孔通路７から送られた水を容器１２に循環させる収容管１５（収容経路）とを備えている（循環経路）。

循環路１１、第１孔通路２、第２孔通路７を循環する水は、循環前及び所定期間の循環後に採水され、水に放出されたウランの濃度や岩盤の岩石のウランフラックスの理論値等に基づいて、評価手段１６で間隙の状況が評価される。即ち、第１孔通路２の放出空間４と第２孔通路７の流入空間９との間における岩盤１の間隙の状況（割れ目の広がり、割れ目の幅、割れ目の表面積）が評価手段１６で評価される。

評価手段１６は、循環させる前の水を採取し、水に放出されたラドンの濃度［Ｒｎｎ］と岩盤の岩石のラドンフラックスの理論値Ｆｎを求め、ラドンの濃度［Ｒｎｎ］とラドンフラックスの理論値Ｆｎとにより岩盤１の間隙（割れ目）の幅ｗｎを導出する機能を備えている。

図４に基づいて、割れ目の幅ｗｎの導出について説明する。岩盤Ｒ１と岩盤Ｒ２との間に幅ｗｎの割れ目Ｃが存在しているとし、幅ｗｎの割れ目Ｃを半径ｒのディスクモデルの範囲に広がっているものとする。このような岩盤Ｒ１、岩盤Ｒ２の表面から割れ目Ｃにラドンが放出されるが、放出されたラドンと割れ目Ｃの大きさとには次のような関係がある。

Ａ_ｅは平衡に達したラドン原子の数、Ａ_ｔは時刻ｔにおけるラドン原子の数、λはラドンの壊変定数、Ｆは割れ目表面におけるラドンフラックスである。ここで、ｔが半減期（^２２２Ｒは３．８日）より十分に大きければ（例えば、半減期の１０倍程度）ラドンは平衡に達するので、次式の関係が成り立つ。

したがって、数１と数２とから、割れ目の幅ｗｎは次式のように表せる。

つまり、ラドンフラックスと、岩盤Ｒ１、Ｒ２から割れ目に放出されたラドンの濃度から割れ目の幅ｗｎが推定できる。なお、ラドンフラックスは、岩盤Ｒ１、Ｒ２から取得した試料に基づいて理論上の値を求めることができる。また、放出されたラドンの濃度は、例えば、割れ目内のラドンを含む水を採取し、固体放射線センサ等を用いてラドンの量（放射線のトラック数）を計測することにより行うことができる。

評価手段１６では、循環させる前の水を採水してラドンの濃度［Ｒｎｎ］を求め、数式３に説明した計算により、ラドンの濃度［Ｒｎｎ］とラドンフラックスの理論値Ｆｎとから岩盤１の間隙（割れ目）の幅ｗｎを導出する。

そして、評価手段１６は、所定期間（例えば、１年間）にわたり循環路１１に水を循環させた後に、水に放出されたラドンの濃度［Ｒｎ］を求める機能と、このラドン濃度［Ｒｎ］、割れ目（間隙）の幅ｗｎ及び循環路１１の状況に基づいて間隙の広がりの半径ｒを求める機能と、間隙の広がりの半径ｒに基づいて間隙の表面積Ｓを評価する機能を備えている。間隙の広がりの半径ｒを求める機能の循環路１１の状況は、容器１２の体積Ｖ、容器１２の表面積Ｓ、及び、容器１２のラドンフラックスＦを含んでいる。

これにより、循環させる前の水に放出された自然状態のラドンの濃度［Ｒｎｎ］とラドンフラックスの理論値Ｆｎにより間隙の幅ｗｎを求め（数式３）、所定期間水を循環させた際に水に放出されたラドンの濃度［Ｒｎ］と間隙の幅ｗｎ及び容器１２の体積Ｖ、容器１２の表面積Ｓ、及び、容器１２のラドンフラックスＦにより、間隙の広がりの半径ｒを求めて（後述する）ディスクモデルに置き換えた広がりを求め、間隙の広がりの半径ｒに基づいて間隙の表面積Ｓ（＝２πｒ^２）を評価することができる。このため、間隙の広がりに応じて表面積Ｓを評価することができる。即ち、広がり範囲の大きさ含めて表面積Ｓを評価することができる。

従って、間隙面に凹凸があっても、表面の凹凸が加味された状態で表面積Ｓを的確に評価することができ、間隙の広がりや間隙の表面状態を含めて間隙の表面積Ｓを評価することが可能になる。

図２、図３に基づいて上述したラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置により間隙（割れ目）の表面積を評価する方法を具体的に説明する。

水を循環させる前の状態（自然状態）で岩盤１の内部（例えば、放出空間４：図１参照）から注水し、図２に示すように、ステップＳ１で原位置（自然状態）のラドン濃度［Ｒｎｎ］（Bq/ m^３）を求める（数式１、２）。また、ステップＳ２で岩盤１の岩石のラドンフラックスを室内で測定し、ラドンフラックスの理論値Ｆｎ（Bq/m^２）とする。ステップＳ３でラドン濃度［Ｒｎｎ］（Bq/m^３）及びラドンフラックスの理論値Ｆｎにより間隙の幅ｗｎを求める（数式３）。

ステップＳ４で水の循環を開始する。所定量（例えば、３００ｃｃ）の水をポンプ１３により第１ロッド５から第１孔通路２の放出空間４に圧送し、岩盤１に通水して第２孔通路７の流入空間９に流入させる。流入空間９に流入した水を容器１２に収容すると共に、ポンプ１３により容器１２内の水を第１孔通路２に循環させる。第１孔通路２、第２孔通路７、循環路１１の経路に対して、例えば、１年間水を循環させる。

図３に示すように、水を循環させる自然状態のラドン濃度［Ｒｎｎ］（Bq/m^３）に対し、水の循環を開始すると、ラドンの放出がない循環路１１の容積により、ラドン濃度は時間の経過と共に低下する。所定期間（例えば、１年間）にわたり循環路１１に水を循環させた後、ラドン濃度は［Ｒｎ］（Bq/m^３）となる（［Ｒｎｎ］＞［Ｒｎ］）。循環を終了すると、ラドン濃度が徐々に高くなり自然状態のラドン濃度［Ｒｎｎ］（Bq/m^３）になる。

水の循環を所定期間実施した後に注水し、図２のステップＳ５に示すように、間隙（割れ目）の半径ｒ（間隙の広がりの半径ｒ）を算出する。割れ目の半径ｒ（ｍ）は、注水した循環後の水のラドン濃度［Ｒｎ］（Bq/m^３）、容器１２の体積Ｖ（ｍ^３）、容器１２の表面積Ｓ（ｍ^２）、及び、容器１２のラドンフラックスＦ（Bq/m^２）に基づいて以下の数式４により求める。

割れ目の半径ｒ（ｍ）が算出された後、ステップＳ６で割れ目の半径ｒ（ｍ）に基づいて（割れ目の広がりに応じた）表面積Ｓ（ｍ^２）がＳ＝２πｒ^２により算出される。

従って、上述したラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法及び装置は、間隙（割れ目）の広がりの半径ｒに基づいて間隙の表面積Ｓを評価するので、間隙の広がりに応じて割れ目の表面積Ｓを評価することができる。このため、間隙の広がりにおける表面の凹凸が加味された状態で割れ目の表面積Ｓを評価することができ、間隙の広がりや間隙の表面状態を含めて間隙の表面積を評価することができ、ラドンを用いて岩盤の間隙の状況を的確に評価することが可能になる。

本発明は、ラドンを用いて岩盤の間隙状況（間隙の表面積、広がりの状態）を評価するラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法及びラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置の産業分野で利用することができる。

１ 岩盤
２ 第１孔通路
３、６、８、１０ パッカー
４ 放出空間
５ 第１ロッド
７ 第２孔通路
９ 流入空間
１１ 循環路
１２ 容器
１３ ポンプ
１４ 圧送管
１５ 収容管
１６ 評価手段

Claims (5)

1. 岩盤内部の所定区域と岩盤外部との間で流体の循環経路を構築し、
   循環経路を循環させる前に循環経路から採取された流体に放出されたラドンの濃度［Ｒｎｎ］と岩盤のラドンフラックスの理論値Ｆｎを求め、
   ラドンの濃度［Ｒｎｎ］とラドンフラックスの理論値Ｆｎとにより岩盤における間隙の幅ｗｎを導出し、
   所定期間にわたり循環経路に流体を循環させた後に流体に放出されたラドンの濃度［Ｒｎ］を求め、
   ラドン濃度［Ｒｎ］、割れ目の幅ｗｎ及び循環経路の状況に基づいて間隙の広がりの半径ｒを求め、
   隙間の広がりの半径ｒに基づいて間隙の表面積を評価する
   ことを特徴とするラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法。
2. 請求項１に記載のラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法において、
   循環させる前記流体は水である
   ことを特徴とするラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法。
3. 請求項２に記載のラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法において、
   循環経路は水が貯留される容器を含み、
   循環経路の状況は、容器の体積Ｖ、容器の表面積Ｓ、及び、容器のラドンフラックスＦを含む
   ことを特徴とするラドンによる岩盤の間隙状況の評価方法。
4. 岩盤外部から岩盤内部にわたり形成され、岩盤外部から水が供給されることにより岩盤内部に水を放出する第１孔通路と、
   岩盤外部から岩盤内部にわたり形成され、前記第１孔通路から放出された水が岩盤内部で回収されて岩盤外部に送られる第２孔通路と、
   前記第１孔通路と前記第２通路孔との間で水を循環させる循環路と、
   前記循環路により循環する水を採水して前記第１孔通路と前記第２通路孔との間における岩盤の間隙の表面積を評価する評価手段とを備え、
   前記評価手段は、
   前記第１孔通路、前記第２孔通路、前記循環路からなる循環経路を循環させる前に循環経路から採取された水に放出されたラドンの濃度［Ｒｎｎ］と岩盤のラドンフラックスの理論値Ｆｎを求める機能と、
   ラドンの濃度［Ｒｎｎ］とラドンフラックスの理論値Ｆｎとにより岩盤における間隙の幅ｗｎを導出する機能と、
   所定期間にわたり前記循環路に水を循環させた後の水に放出されたラドンの濃度［Ｒｎ］を求める機能と、
   ラドン濃度［Ｒｎ］、間隙の幅ｗｎ及び前記循環路の状況に基づいて間隙の広がりの半径ｒを求める機能と、
   間隙の広がりの半径ｒに基づいて間隙の表面積を評価する機能とを備えている
   ことを特徴とするラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置。
5. 請求項４に記載のラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置において、
   前記循環路は、
   岩盤外部で水を貯留する容器と、
   容器に貯留された水を前記第１孔通路に圧送する圧送経路と、
   前記第２通路孔から送られた水を前記容器に循環させる収容経路とを備え、
   前記評価手段における間隙の広がりの半径ｒを求める機能の前記循環路の状況は、
   前記容器の体積Ｖ、前記容器の表面積Ｓ、及び、容器のラドンフラックスＦを含む
   ことを特徴とするラドンによる岩盤の間隙状況の評価装置。
   
   

Images