JP2000292592A - 核廃棄物分離機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 揮発物を含む放射性廃棄物を軽イオンと重イ
オンに分離すること。 【解決手段】 システムは、廃棄物をプラズマ・プロセ
ッサ１４の室内の高真空環境へと移動させるローダー／
移送装置１２を含む。この移動中に、揮発物のガスが廃
棄物から放出され、保持タンクに収集されて、その後に
室内でイオン化される。揮発物がイオン化される際、イ
オンは磁界によって配向されて廃棄物と接触し、廃棄物
を気化する。廃棄物蒸気は、次にプラズマ・プロセッサ
室内でイオン化され、電子、軽イオンおよび重イオンを
含む多核種プラズマを生成する。ノズルが多核種プラズ
マを加速して、室から慣性分離機１８に向けられる流体
の流れを生成する。慣性分離機内の磁界は、流れの中の
電子が分離機に入るのを効果的に妨げる。これに対し
て、流れの中にある種々のイオンの慣性は、これを分離
機内へ運び、ここで原子量に従って軽イオンと重イオン
とに分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は概ね核廃棄物対策の
システムおよび方法に関する。特に、本発明は核廃棄物
を、特定の放射能レベルによって別個に取り扱い、適切
に処分するため、核廃棄物を高レベル放射性廃棄物、低
レベル放射性廃棄物および非放射性廃棄物に分離するシ
ステムおよび方法に関する。本発明は、特に、原子ごと
に核廃棄物を分離するシステムおよび方法として有用で
あるが、それに限定されるものではない。

【０００２】

【従来の技術】核廃棄物は非常に大きい世界的問題であ
ることは、ほぼ万人が合意していることである。それに
もかかわらず、このように認識していても、問題の正確
な大きさや、それがもたらし得る結果はまだ多少不明確
で、一般には十分理解されていない。しかし、何かをし
なければならないことは、誰もが合意している。問題
は、これまでに核廃棄物の処分について完全に許容可能
な解決策がなかったことから、さらに複雑になってい
る。費用や危険性については様々なことが言われている
が、概ね受け入れられないものである。従来通りのテク
ノロジーを用いると、核廃棄物対策の費用はこの国だけ
でも天文学的である。

【０００３】現時点で、核廃棄物は、世界中の様々なサ
イトで数百、恐らくは数千個のコンテナに一時的に貯蔵
されている。コンテナ１個だけでも百万ガロン（３８０
万リットル）もの核廃棄物を入れられることを認識する
と、この核廃棄物の全体的な大きさが容易に理解され
る。特別な処分を必要とする核廃棄物の量が膨大である
ことは明白である。問題は、核廃棄物の有意の部分が、
特別な取扱いと非常な保障措置を必要とする高レベル廃
棄物に分類されることで、さらに複雑になる。

【０００４】核廃棄物対策委員会である程度の合意を得
た核廃棄物の処分の一形態は、ガラス固化として知られ
るプロセスである。ガラス固化プロセスでは、核廃棄物
をガラスに吸収させて混合し、その後に処分する。しか
し、今日のガラス固化技術は、少なくとも２つの重大な
困難に直面している。最も重要なのは、現在のやり方で
は特別な取扱いを必要とする高レベル廃棄物と、より便
利な方法で処分できる低レベル廃棄物とを区別するのに
有効な方法がないことである。その結果、高レベル廃棄
物が関与する場合は、常に、高レベル廃棄物と低レベル
廃棄物との両方を含め、核廃棄物全量を同じ方法で処理
する。上述したように、この廃棄物の全体的な量はかな
りである。第２に、高レベル廃棄物として扱わねばなら
ない廃棄物が大量にあるので、処理と処分に数十年かか
ることである。

【０００５】核廃棄物の全体量のうち、放射性核種が約
０．００１％しかなくても、廃棄物は放射性になる。本
発明で認識されているように、何らかの方法で放射性核
種を核廃棄物の非放射性成分から分離できれば、放射性
成分の取扱いと処分は非常に単純化できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記に鑑みて、廃棄物
の中の放射性核種を非放射性元素から区別し、分離する
核廃棄物対策のシステムおよび方法を提供することが、
本発明の目的である。本発明のもう一つの目的は、その
後の処分のために、高濃度の放射性核種を効果的にガラ
ス固化する核廃棄物対策のシステムおよび方法を提供す
ることである。本発明のさらに別の目的は、材料の操作
を最小限にできる連続的なインライン式プロセスを使用
する核廃棄物対策のシステムおよび方法を提供すること
である。本発明のさらに別の目的は、製造が比較的簡単
で、使用が単純で比較的費用効果が高い核廃棄物対策の
システムおよび方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】放射性廃棄物から放射性
核種を抽出するシステムおよび方法は、廃棄物中の放射
性核種が比較的高い原子量（例えばＡ≧７０）を有する
という一般的概念を利用する。この前提に基づき、本発
明によると、放射性廃棄物はまず気化され、次にイオン
化されて多核種プラズマを生成する。核廃棄物の成分が
不明であるので、その結果生じた多核種プラズマは、電
子と軽イオン（例えばＡ＜７０）と重イオン（例えばＡ
≧７０）を含むと考えられる。多核種プラズマは、次に
加速されて、軽イオンと重イオンとが全てほぼ同じ速度
を有する流体の流れを生成する。均一速度の流体の流れ
が生成されたら、流れの中の粒子が減速されて、個々の
慣性に従って分離される。次に、分離された重イオンが
収集され、その後の処分のためにガラス固化される。本
発明に関わるプロセスの詳細は、種々のシステム構成要
素を考察することによって、最もよく理解される。

【０００８】概して、本発明は、連続してローダー／移
送装置、プラズマ・プロセッサ、ノズル、慣性分離機お
よび収集機／ディスポーザ・サブシステムを備える、放
射性廃棄物を連続的に処理するインライン式システムで
ある。本発明では、周知の方法により、放射性廃棄物の
気化およびイオン化は、高真空環境においてプラズマ・
プロセッサにより実行される。この高真空環境（つまり
非常に低圧の環境）は、数マイクロバール（例えば２〜
５μｂａｒ）の範囲である。プロセスを開始するため
に、放射性廃棄物のプラズマ・プロセッサの高真空環境
内への移送がシステムのローダー／移送装置の区間で達
成される。

【０００９】本発明のシステムのローダー／移送装置
は、ほぼ中空のＵ字形管を含む。特に、Ｕ字型管の一方
端（第１端部）は大気圧に露出され、他方端（第２端
部）はプラズマ・プロセッサの高真空環境に露出され
る。さらに、管自体がOctoilなどの液体移送媒質で充填
され、これによりアセンブリがマノメーターのように機
能する。操作時には、放射性廃棄物の缶を、管の第１端
部にある開口を通して下ろし、移送媒質に入れる。次
に、缶を移送媒質内で管の脚部（第１脚部）に通して下
ろす。次に、缶は一連のローラーにより、移送媒質を通
ってＵ字形管のベース部分を横断する。ベース部分を横
断した後、エレベーターが缶をＵ字形管の他方脚部（第
２脚部）を通して上げる。このエレベーターによる上昇
行為で、廃棄物を充填した缶は移送媒質から出て、高真
空環境に入る。次に、缶は一連のローラーの上にあるシ
ュートを通って移送され、その後にプラズマ・プロセッ
サで処理するための所定の位置につく。また、放射性廃
棄物缶がシステムのローダー／移送装置の区間を搬送さ
れる間、パンチで缶を穿孔することができる。この穿孔
行為で、廃棄物中にある揮発性材料（以下、概して「揮
発物」と呼ぶ）のガスが解放され、プラズマ・プロセッ
サでその後に使用するため、揮発物保持タンクに収集
し、保持することができる。

【００１０】本発明のプラズマ・プロセッサは、基本的
に、２つの開放端部を有する中空の管である。この端部
の一方は、ローダー／移送装置のシュートに流体連通接
続され、別の端部はノズルと流体連通接続される。シュ
ートとノズルの間で、プラズマ・プロセッサの管の部分
が、２つのステンレス鋼シリンダ間に配置されるほぼ円
筒形の誘電体区間を含むプラズマ室として確立される。
プラズマ室の誘電体区間の周囲に無線周波数アンテナが
配置され、無線周波数アンテナとプラズマ・プロセッサ
との両方の周囲に、プラズマ・プロセッサ管の全長に沿
ってソレノイド磁石が配置される。本発明の意図では、
ソレノイド磁石はプラズマ・プロセッサ内に、プラズマ
・プロセッサを通って延び、約１０分の１テスラ（≒
０．１Ｔ）の磁界強度を有する軸方向の磁界を確立す
る。

【００１１】プラズマ・プロセッサの操作では、プラズ
マ・プロセッサ内に真空が引き入れられて高真空環境を
確立する。上述したように、この高真空環境は、数マイ
クロバール（μｂａｒ）の圧力しかない。次に、ほぼ２
〜２０メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲の周波数で、約７メ
ガワット（ＭＷ）のパワーを有する無線周波数アンテナ
が起動される。無線周波数アンテナが起動された状態
で、保持タンクから揮発物がプラズマ室内へ放出され、
ここで無線周波数アンテナからの電磁線によってイオン
化される。その結果生じた揮発物のイオンは、ソレノイ
ド磁石によって生成された磁界線に沿って移動し、これ
によって廃棄物の缶に接触する方向に向けられる。前述
したように、廃棄物の缶は、それ以前にローダー／移送
装置のシュートを通ってプラズマ・プロセッサ管の一方
端部の位置に移動している。これが廃棄物の缶に接触す
ると、プラズマの熱が缶および廃棄物の中身を効果的に
気化する。その結果生じた廃棄物の蒸気は、次にプラズ
マ室に戻って、ここでこれもイオン化される。これによ
って、廃棄物中にある全ての元素の電子（マイナス・イ
オン）とプラス・イオンを含む多核種プラズマが生成さ
れる。廃棄物にある元素のタイプだけプラス・イオンが
あることが認識されるが、本発明の開示では、その原子
量に従ってプラス・イオンを概して「軽イオン」か「重
イオン」かに類別すると好都合である。検討のため、軽
イオンと重イオンとの区分は、原子量７０あたりになる
と考えられる。言うまでもなく、これは開示のみを目的
とし、実際に実行する際には、必要に応じて変化する。

【００１２】多核種プラズマ中のイオンがプラズマ室内
で衝突する密度（以下「衝突密度」と呼ぶ）に到達した
ら、ノズルを起動して、多核種プラズマの粒子を加速さ
せ、流体の流れに入れる。多核種プラズマの衝突密度の
ため、流体の流れの中のプラス・イオンは全て（重イオ
ンばかりでなく軽イオンも）ほぼ同じ速度であることが
重要である。構造的に、ノズルはプラズマ・プロセッサ
と同様、基本的に中空の管である。特に、プラズマ・プ
ロセッサに接続され、プラズマ・プロセッサから下流方
向に向かって外側にフレア状に広がる、ノズルのテーパ
状の漏斗形部分がある。このフレアにより、プラズマが
ノズルを通ってプラズマ・プロセッサを出るにつれ、多
核種プラズマは拡張され、その結果、加速される。これ
がノズルを出るにつれ、プラズマ粒子の流体の流れは慣
性分離機に向かう。

【００１３】本発明のシステムの慣性分離機は、一対の
対向してほぼ平行な金属質壁と、一対の対向してほぼ平
行な非導電壁とを含む。これらの壁は全て相互接続さ
れ、ほぼ正方形の流路を確立する。流路の一方端部は、
非導電面板で閉鎖され、流路の開放端部、つまり面板と
は反対側の端部は、プラズマ・プロセッサから流路に入
る加速した流体の流れを受けるような向きになる。分離
機の平行な金属壁間に種々の抵抗体が接続され、磁界が
流路内で確立され、これは金属壁にほぼ平行で、プラズ
マ・プロセッサからノズルを出る時の流体の流れの方向
に垂直である。複数のバッフル（少なくとも２枚）が、
分離機の非導電壁の一方に形成され、流路の開放端から
面板に向かって延びる方向に整列される。

【００１４】操作時には、多核種プラズマの流体の流れ
は、ノズルによってプラズマ・プロセッサから慣性分離
機の流路に入るよう配向される。この流れが分離機に入
るにつれ、流れの中の電子が流路の磁界によって効果的
に遮断され、流路に入らない。これに対して、その慣性
により、より重量があるプラス・イオンは流れ続け、室
に入る。しかし、プラス・イオンが磁界を通って室を通
過するにつれ、イオンの動作に対抗する起電力が発生す
る。この起電力は、抵抗体によって制御することがで
き、プラス・イオンを減速させ、流れから落下させる。
重要なことは、個々の原子量に応じて、プラス・イオン
が異なる速度で減速することである。特に、減速率は軽
いイオンの方が大きく、重いイオンの方が小さい。その
結果、軽い方のイオン（軽イオン）は最初に流れから落
下し、重い方のイオン（重イオン）は最後に落下する。
バッフルの配置構成に従って、概ね同じ原子量のイオン
は個々のバッフルに収集でき、それによって異なる原子
量のイオンから分離される。

【００１５】本発明のシステムの最終部分は、慣性分離
機によって区別され、分離された後にイオンを受け、処
理する複数の収集機／ディスポーザ・サブシステムを含
む。本発明で意図したように、慣性分離機の各バッフル
は、イオンを関連する収集機／ディスポーザ・サブシス
テムに供給する。したがって、慣性分離機と同じ数だけ
の収集機／ディスポーザ・サブシステムがある。しかし
検討のためには、このようなサブシステムの１つしか説
明する必要がない。特に、記載されるサブシステムは、
放射性重イオンを処理する収集機／ディスポーザ・サブ
システムと見なしてほしい。

【００１６】本発明の各収集機／ディスポーザ・サブシ
ステムは、３つの別個の独特な構成要素を含む。各構成
要素の全体的な目的は、関連するバッフルを通して収集
されたイオンの部分をガラス固化することであるが、各
構成要素は多少異なる方法で機能する。概して、この３
つの構成要素（ガラス固化装置）は操作圧力に従って分
類することができる。収集機／ディスポーザ・サブシス
テムの第１構成要素は、システムの高真空環境で作動
し、溶融ガラスで充填されたマノメータ様のＵ字形管を
含む。マノメータ管の一方端は大気に露出され、他方端
は高真空環境でバッフルに直接接続される。したがっ
て、バッフルを通過するイオンは全て、まず、マノメー
タ構造中にある溶融ガラスの低圧表面に露出される。プ
ロセスのこのポイントで、放射性重イオンの大部分はガ
ラス固化される。ガラス固化した重イオンは、次にマノ
メータからサイホンで吸い出され、ビーズ製造塔を通過
し、ここでガラス・ビーズに変換されて、さらに処分す
るためビンに収集される。残りのイオン、つまり溶融ガ
ラスに吸収されず、気体相に再結合するイオンおよび何
らかの理由で吸収されないイオンは、収集機／ディスポ
ーザ・サブシステムの第２構成要素へと通過する。

【００１７】第２構成要素は、収集機／ディスポーザ・
サブシステムの第１構成要素と異なり、大気圧で作動す
る。しかし、これも溶融ガラスのタンクを含み、基本的
に第１構成要素と同様にガラス固化装置として作用す
る。さらに、この第２構成要素では、音響バリアが、オ
セーン効果の原理によりガス流から粒子を除去すること
によって、ガラス固化プロセスを援助する。これらの粒
子は、流れから除去されるにつれ、タンク内に蓄積して
溶融ガラスに吸収される。この場合も、第１構成要素と
同様に、ガラス固化したイオンはビーズ製造塔を通して
サイホンで吸い出され、ここでガラス・ビーズに変換さ
れて、さらに処分するためビンに収集される。

【００１８】収集機／ディスポーザ・サブシステムの第
３構成要素では、第２構成要素でガラス固化されなかっ
たガスが高圧で給送され、気泡になってガラス溶融体に
入る。次に、ガスはガラス溶融体にトラップされ、シス
テムの外に移送される。ガラス溶融体の識別可能な部分
に重元素を封じ込めるため、重元素のガスは、気泡にな
ってガラス溶融体に入るのを定期的に中止される。した
がって、ガラス溶融体がシステムを出る前に冷めるにつ
れ、重元素を含まない透明な部分がある。これで、ガラ
スを透明な部分で切断し、廃棄物をより容易に扱えるサ
イズに分割することができる。

【００１９】本発明の新規の特徴、さらに発明自体は、
その構造と操作の両方について、添付の図面を説明と組
み合わせることによって、最もよく理解される。ここ
で、同様の参照文字は同様の部品を示す。

【００２０】

【発明の実施の形態】最初に図１を参照すると、本発明
によるシステム・モジュールが図示され、概ね１０とさ
れる。図示のように、システム・モジュール１０は、相
互接続されてインライン式の連続的な処理システムを確
立する幾つかの構成要素を含む。これらの構成要素は、
ローダー／移送装置１２、プラズマ・プロセッサ１４、
磁気ノズル１６、慣性分離機１８および収集機／ディス
ポーザ２０を含む。システム・モジュール１０をいかに
使用できるかを概ね示すものとして、図１には地面レベ
ル２２の可能な位置が図示されている。したがって、シ
ステム・モジュール１０の一部を地面レベル２２より上
にし、一部を地面レベル２２より下にすることができ
る。さらに、図２で示すように、最大で約１０である複
数のシステム・モジュール１０をポッド２４内にまとめ
ることができる（図１に示すシステム・モジュール１
０、１０ａおよび１０ｂは例証的なものである）。ま
た、実行すべき廃棄物対策の量に応じて、サイトの設備
２６に幾つかのポッド２４を配置することができる。

【００２１】図３では、ローダー／移送装置１２が核廃
棄物の缶３２を受ける出入り口２８を有するのが図示さ
れている。本発明で予想されるように、缶３２は通常、
当産業で周知のタイプの標準的な５０ガロン（２２８リ
ットル）のドラム缶である。さらに、既に示したよう
に、缶３２中にある核廃棄物の実際の内容物または成分
を知る必要はない。いずれの場合も、缶３２は出入り口
２８で受けて垂直脚部３４に入り、これは恐らくは地下
で、缶３２を収容するためにほぼ円形の断面を有する。
ローダー／移送装置１２は、垂直脚部３４の下端と接続
される端部３８を有する水平通路３６も有する。また、
水平通路３６の他方の端部４０は、別の垂直脚部４２の
下端と接続される。要するに、垂直脚部３４と水平通路
３６と垂直脚部４２とは、ほぼＵ字形の管を形成する。

【００２２】さらに詳細に述べると、ローダー／移送装
置１２の水平通路３６は、断面がほぼ長方形である。こ
うしたのは、缶３２をひっくり返す必要がなく、これに
よって缶３２が通路３６を水平に移動する際に、缶を収
容するためである。さらに、缶３２が通路３６を移動し
やすくするため、通路３６の床は複数のステンレス鋼ロ
ーラー４４を含むことができ、通路３６は水平から角度
αで傾斜することができる。したがって、缶３２は重量
の影響で、通路３６を効果的に移動することができる。
しかし、缶３２が通路３６内に「引っかかる」と、磁気
移送アシスト４６が設けられて、磁界の影響で缶３２が
通路３６を移送されるのを補助する。

【００２３】図３には、ローダー／移送装置１２が、水
平通路３６の端部４０またはその付近に配置されたパン
チ４８を含むことも図示されている。このパンチ４８の
目的は、缶３２に穿孔し、それによって核廃棄物を伴う
缶３２に揮発性材料が含まれている場合に、そこからガ
スを放出することである。上述したように、缶３２の正
確な内容は必ずしも知られていない。したがって、缶３
２の中にある揮発性材料の正確な特定はなされえず、こ
の材料を概して「揮発物」と呼ぶことは本開示の目的に
は十分であるとみなされる。いかなる場合も、本発明で
意図されたように、パンチ４８で穿孔された時に缶３２
から放出される揮発性ガスは、その後に使用するために
保持タンク５０に収集されるべきである。

【００２４】図３は、ローダー／移送装置１２の垂直脚
部４２が、缶３２を水平通路３６から持ち上げるよう意
図されたエレベータ５２を含むことも図示する。さら
に、図３は、ローダー／移送装置１２の脚部３４、４２
および水平通路３６がそれぞれ、ある程度まで移送媒質
５４で充填されていることも図示する。概して、移送媒
質５４は、システム１０の目的のためにマノメータとし
て作用する任意の適切な液体でよい。しかし、移送媒質
５４は、Octoilまたはその同等品など、高真空を支持す
る低蒸気圧オイルであることが好ましい。本発明では、
移送媒質５４の入口側表面５６は大気圧で、移送媒質５
４の真空側表面は数ミリバールしかない圧力である。

【００２５】図３で図示したように、缶３２’はエレベ
ータ５２によって持ち上げられ、移送媒質５４中を通っ
てシュート６０内へと移送される。シュート６０は、水
平通路３６と同様の構造で、断面がほぼ長方形である。
また、シュート６０の床はステンレス鋼のローラー６２
を含み、缶３２が重力の影響でシュート６０を移動でき
るよう、角度θで傾斜している。これも水平通路３６と
同様に、シュート６０には、缶３２がシュート６０を通
過するのに追加の補助を必要とする場合のために、磁気
移送アシスト６４が設けられている。缶３２がローダー
／移送装置１２を通過した後、これは缶３２”で図示さ
れたように、挿入ポイント６６に配置される。このポイ
ントで、図３と図４を相互参照することによって、ロー
ダー／移送装置１２の端部６８がプラズマ・プロセッサ
１４の端部７０と流体連通して密封されていることが理
解される。

【００２６】プラズマ・プロセッサ１４は、図４で示す
ように、プラズマ室７２およびエルボ区間７４を含む中
空管として概ね形成される。図示のように、エルボ区間
７４はプラズマ室７２とローダー／移送装置１２の挿入
ポイント６６との間の接続部である。より詳細に述べる
と、プラズマ室６２は、ステンレス鋼シリンダ７８とス
テンレス鋼シリンダ８０との間にあって、これと同軸で
整列する中央誘電体区間７６を含む。また、無線周波数
磁気二極アンテナ８２が誘電体区間７６の周囲に巻き付
けられ、ソレノイド磁石８４がプラズマ・プロセッサ１
４のプラズマ室７２とエルボ区間７４との両方の周囲に
装着される。アンテナ８２は約２〜２０メガヘルツ（Ｍ
Ｈｚ）の周波数範囲において約７メガワット（ＭＷ）で
作動することが好ましい。また、ソレノイド磁石８４
は、プラズマ室７２およびエルボ区間７４に沿って軸方
向に向けられ、磁界強度が約１００分の５から１００分
の１０テルサ（０．０５〜０．１Ｔ）の範囲にある磁界
を生成することが好ましい。アンテナ８２およびソレノ
イド磁石８４の適切な電源および必要な冷却システム
は、当技術分野で周知の任意の方法で設けることができ
る。また、当技術分野で周知の任意のタイプの真空ポン
プ（図示せず）がプラズマ・プロセッサ１４に作動接続
され、数マイクロバールしかない高真空を確立し、維持
できることが理解される。

【００２７】図５は、システム・モジュール１０の磁気
ノズル１６を示す。図示のように、ノズル１６はテーパ
区間８６およびシリンダ区間８８を含む。また、磁気コ
イル９０がテーパ区間８６に装着される。図５と図１を
相互参照することによって理解されるように、ノズル１
６の端部９２は、プラズマ・プロセッサ１４の端部９４
に取り付けられて、流体連通している。この構造で、テ
ーパ区間８６はプラズマ・プロセッサ１４から離れる方
向で断面積が増加する。

【００２８】システム１０の慣性分離器１８は、図６に
流路９６が形成されるよう図示されている。特に、流路
９６の一方端は非導電面板９８によって閉じられ、流路
９６自体は２枚のほぼ平行な金属板（壁）１００、１０
２および２枚のほぼ平行な非導電壁（板）１０４、１０
６によって制限される。非導電面板９８とは反対側の流
路９６の端部に、流路９６への口１０８が設けられてい
る。また、慣性分離機１８の作動のために、当業者には
周知の手段で流路９６に磁界１１０を確立する。特に、
磁界１１０は、好ましくは約１０分の１テルサ（０．１
Ｔ）の磁界強度を有し、磁界１１０は金属板（壁）１０
０、１０２にほぼ平行で非導電壁１０４、１０６にはほ
ぼ垂直になるよう配向される。さらに、慣性分離機１８
は、金属板１００と１０２の間に接続された調節可能な
抵抗体１１２を含み、口１０８から非導電面板９８に向
かって延びる方向で非導電壁１０６に沿って整列した一
連のバッフル１１４を有する。図６に示すバッフル１１
４ａおよび１１４ｂは例証に過ぎず、所望に応じてバッ
フル１１４を多くすることができる。

【００２９】図７では、システム・モジュール１０の収
集装置／ディスポーザ２０が３つのガラス固化構成要素
を含むよう図示されている。これらの構成要素は、概ね
その作動圧力に応じて分類され、この状況では高真空
（低圧）ガラス固化装置１１６、大気圧ガラス固化装置
１１８および高圧ガラス固化装置１２０である。この構
成要素は３つとも、本発明で意図した方法で核廃棄物を
効果的にガラス固化する必要があるが、異なる形の核廃
棄物を異なる方法で取り扱う。したがって、多くの点で
これは別個のサブシステムと考えることができる。

【００３０】高真空（低圧）ガラス固化装置サブシステ
ム１１６は、外部ヒータ１２５によって溶融状態に維持
された溶融ガラス１２４を充填したステンレス鋼マノメ
ータ管１２２を含む。従来通りのマノメータのような操
作で、管１２２の端部１２６は大気圧に露出され、管１
２２の端部１２８はプラズマ・プロセッサ１４用に確立
された高真空環境（つまり数マイクロバール）に露出さ
れる。高真空ガラス固化装置１１６の端部１２８は、慣
性分離機１８のバッフル１１４と接続され、流体連通す
ることに留意されたい。その結果、例証により、バッフ
ル１１４ａを通って方向付けられた多核種プラズマから
の重イオンは、高真空ガラス固化装置１１６に入り、溶
融ガラス１２４の表面に接触する。そこで、重イオンの
多くが吸収される。

【００３１】溶融ガラス１２４内でガラス固化した重イ
オンは、マノメータ管１２２から出口管１３０を通って
吸い出される。次に、これは出口管１３０からビーズ製
造塔１３２を通って落下し、ロータリ弁１３４に入り、
ここでガラス・ビーズとして形成される。その結果生じ
たガラス固化重イオンのガラス・ビーズは、その後の処
分のためにビン１３６に収集される。上記で意味したよ
うに、このプロセスは核廃棄物から重い放射性イオンの
有意の部分を回収する。しかし、何らかの理由で重イオ
ンの一部が気体状態のまま残る。次に、これらのイオン
は高真空ガラス固化装置１１６から水平管１３８を通過
して大気圧ガラス固化装置１１８に向かう。

【００３２】高真空ガラス固化装置１１６でガラス固化
されなかった重イオンは、圧縮機１４０を通過して大気
圧ガラス固化装置１１８に入り、ここでは大気圧に曝さ
れた中性蒸気になっている。大気圧ガラス固化装置１１
８は、図７で示すように、溶融ガラス１４４を充填した
タンク１４２を含む。このガラス固化装置１１８は、同
様に溶融ガラス１４４内でガラス固化した重元素がロー
タリ弁１４８への途上で通過するビーズ製造塔１４４を
有する点で、ガラス固化装置１１６と非常に似ている。
ロータリ弁１４８で、ガラス固化した重イオンはガラス
・ビーズとして形成され、その後の処分のためにビン１
５０に収集される。ガラス固化装置１１８の全体的な働
きは、ガラス固化装置１１６とは多少異なる。それは、
吸音装置１５２を使用して、形成された粒子を隔離し、
これを溶融ガラス１４４に吸収させるために流れから取
り出すことである。それでも、放射性ガスの一部が、ま
だガラス固化されていないことがある。これらの気体
は、管１５４を通過して高圧ガラス固化装置１２０に入
る。

【００３３】高圧ガラス固化装置１２０は、大気圧ガラ
ス固化装置１１８から受けた気体を圧縮し、その気体を
大気圧より高い圧力まで上げる圧縮機１５６を含む。こ
の高圧状態で、気体は垂直脚部１５８を通過し、収集パ
イプ１６０に向かう。図７で示すように、収集パイプ１
６０は溶融ガラス１６２でほぼ充填されている。また、
圧縮機１６４を設けて空間１６６の圧力を変化させ、し
たがって空間１６６に高い圧力を生成して、予め選択し
た遷移速度で収集パイプ１６０を通して溶融ガラス１６
２を移動させることができる。収集パイプ１６０を通る
溶融ガラス１６２の動きと連係して、垂直脚部１５８か
らの気体を気泡１６８として溶融ガラス１６２に注入す
ることができる。

【００３４】図７は、高圧ガラス固化装置１２０が、気
泡１６８が生成されるポイントより下流にインライン式
に、気泡１６８を取り込んだ溶融ガラス１６２を固化す
る冷却ユニットと、透明なガラスと取り込んだ気泡１６
８を有するガラスとを区別できるセンサ・ユニットとを
含むことも示す。次に、カッター１６４を設け、透明ガ
ラスがある部分を切断して、個々のギャップ１７６ａと
１７６ｂとの間に化学的キャップを形成し、気泡１６８
を取り込んだガラス・シリンダを生成する。

【００３５】作用 本発明のシステムの作用において、まず核廃棄物を含む
缶３２が、矢印１７８の方向で、ローダー／移送装置１
２の出入り口２８に通して脚部３４中を下ろされる。こ
れが達成されると、缶３２は移送媒質５４に沈められ
る。缶３２が水平通路３６に入り、媒質５４中に沈んだ
ら、これはローラー４４に沿って転がり、角度αの傾斜
を下って通路３６の端部４０に向かい、ここでパンチ４
８によって穿孔される。これで缶３２から揮発物が放出
され、これは保持タンク５０で収集され、保持される。
缶３２は、穿孔された後にエレベータ５２によって矢印
１８０の方向に媒質５４を通って上げられる。缶３２’
は、垂直脚部４２の頂部で移送媒質５４から出て、シュ
ート６０に入る。次にローラー６２上でシュート６０の
斜面を角度θで転がり落ちる。これで、缶３２”はシュ
ート６０内の挿入ポイント６６に位置する。シュート６
０の圧力は、缶３２が挿入ポイント６６に到達する前
に、わずか約数マイクロバールという高真空で確立され
ていることに留意されたい。また、これも缶３２が挿入
ポイント６６に到達する前に、ソレノイド磁石８４が励
磁され、プラズマ・プロセッサ１４内に約０．１テルサ
の磁界を確立している。上述したように、この磁界は、
矢印１８２および１８４で示す方向で、プラズマ・プロ
セッサ１４と概ね軸方向に整列する。

【００３６】缶３２が挿入ポイント６６に来ると、保持
タンク５０からの揮発物（つまり揮発性ガス）がプラズ
マ室６２内へ放出され、ここで無線周波数アンテナ８２
によってイオン化される。揮発物は、イオン化されるに
つれて、挿入ポイント６６にある缶３２に向かって磁力
線沿いに移動し、缶３２をその内容物とともに気化させ
る。缶３２の内容物は、通常は分かっていないので、そ
の結果生じる蒸気は、多くの元素を含む。いかなる場合
も、内容物と缶３２が気化された後、蒸気は磁界線に沿
ってプラズマ室７２に戻る。このポイントで、ヘリコン
周波数（ホイッスラー・モード）での無線周波数アンテ
ナの動作が、蒸気をイオン化して多核種プラズマにす
る。この多核種プラズマには、多くの異なる元素のプラ
ス・イオンが含まれる。その中には放射性のものもあれ
ば、放射性でないものもある。上述したように、放射性
元素は一般に原子量が大きく、この区別に基づいて、
「重イオン」は非放射性の「軽イオン」から区別され、
分離されなければならない。重要なことは、プラズマ室
７２内にある多核種プラズマの密度がプラズマの衝突密
度に維持され、したがってプラズマ室７２内にある間
は、「重イオン」も「軽イオン」もほぼ同じ速度である
ことである。

【００３７】多核種プラズマが磁気ノズル１６を通って
プラズマ室７２を出る際、プラズマ内のイオンは均等に
加速されて流体の流れになり、この中でイオンはほぼ同
じ速度を維持する。この加速は、磁石８４とテーパ区間
８６の膨張効果との両方によって達成される。この流体
の流れは、ノズル１６を出て、概ね矢印１８６によって
指示された方向で慣性分離機１８に向かう。ノズル１６
内の磁界の大きさは、矢印１８６の方向で有意に減少す
ることも留意されたい。例えば、プラズマ・プロセッサ
１４の出口およびノズル１６の入口の磁界強度は、約１
０００ガウスである。これに対して、ノズル１６の出口
と慣性分離機１８の入口では、磁界強度は約１０ガウス
に落ちる。

【００３８】「重イオン」が「軽イオン」と区別され、
分離されるのは、慣性分離機１８内である。例えば、多
核種プラズマの流体の流れが、慣性分離機１８の口１０
８に入るにつれ、これは磁界１１０に遭遇する。磁界１
１０の最初に認識される効果は、プラズマ中の電子が流
路９６に入るのを効果的に防止することである。次に、
磁界１１０のせいで多核種プラズマ中のプラス・イオン
が減速し始める。周知の物理学により、軽い方のイオン
は、重い方のイオンより速く減速する。その結果、重い
方のイオンは軽い方のイオンより遠くまで進む。実際、
各イオンが移動する距離は、その原子量の一次関数であ
る。その結果、流体の流れにある「重イオン」は、「軽
イオン」と区別され、分離される。「重イオン」と「軽
イオン」とを分離する量は、調節可能な抵抗体１１２に
より、少なくともある程度まで制御することができる。
図６に示す本発明の実施形態では、「重イオン」が流路
９６内を最も遠くまで移動し、それから磁界１１０の誘
導でバッフル１１４ａへと落下する。それと同時に、
「軽イオン」は移動距離が最も短く、これも磁界１１０
の影響でバッフル１１４ｂへと落下する。上述したよう
に、この方法で放射性元素（つまり「重イオン」）は基
本的に全て、缶３２の核廃棄物にある他の元素から区別
される。

【００３９】慣性分離機１８から「重イオン」がバッフ
ル１１４ａを通して落下し、高真空ガラス固化装置１１
６内に落下する際、その多くはマノメータ管１２２内に
ある溶融ガラス１２４と接触し、ガラス固化される。こ
のガラス固化した「重イオン」は、次にマノメータ管１
２２から吸い出され、出口管１３２およびビーズ製造塔
１３２を通って、収集ビン１３６にガラス・ビーズとし
て収集される。何らかの理由で高真空ガラス固化装置１
１６の溶融ガラス１２４に吸収されなかった「重イオ
ン」は、大気圧ガラス固化装置１１８へと進む。ガラス
固化装置１１８で、重元素の粒子は吸音装置１５２のオ
セーン効果により、蒸気から隔離され、取り出される。
重元素のこれらの粒子は、溶融ガラス１４４内でガラス
固化され、ビン１５０で収集するためにガラス・ビーズ
に変換される。以前に高真空ガラス固化装置１１６でも
大気圧ガラス固化装置１１８でもガラス固化されなかっ
た重元素のガスまたは粒子はすべて、高圧ガラス固化装
置１２０へ進む。

【００４０】高圧ガラス固化装置１２０で、重元素のガ
スは、加圧されて気泡１６８として収集パイプ１６０内
の溶融ガラス１６２に注入される。気泡形成は定期的に
中止され、圧縮機１６４が起動されて空間１６６の圧力
を高める。これにより、溶融ガラス１６２の一部に気泡
１６８がなくなる。したがって、溶融ガラス１６２が収
集パイプ１６０を通って押され、冷却ユニット１７０で
冷却される際、透明なガラスの部分と、気泡１６８が埋
め込まれた汚染ガラスの部分とが交互になる。センサー
１７２は、透明なガラスと気泡１６８とを識別でき、カ
ッター１７４を使用して、ギャップ１７６で透明なガラ
スの部分を切断し、その後に処分するためにガラス・シ
リンダに気泡１６８を封じ込めることができる。

【００４１】ここで図示し、詳細に開示した特定の核廃
棄物分離機は、十分に目的を達成し、前述した利点を提
供することができるが、これは本発明の現在好ましい実
施形態を例証するにすぎず、添付の請求の範囲の記述以
外に、本明細書で示す構造または設計の詳細に限定され
るものではないことが理解される。

【図面の簡単な説明】

【図１】見やすいように一部を切り欠き、一部を透視図
で示した、種々のシステム構成要素の相互接続を示す、
本発明のシステムの斜視図である。

【図２】本発明により放射性廃棄物の処分に使用するシ
ステムのバッテリの斜視図である。

【図３】見やすいように一部を切り欠いた、システムの
ローダー／移送装置の斜視図である。

【図４】見やすいように一部を切り欠いた、システムの
プラズマ・プロセッサの斜視図である。

【図５】システムのノズルの斜視図である。

【図６】見やすいように一部を透視図で示した、システ
ムの慣性分離機の斜視図である。

【図７】見やすいように一部を切り欠き、一部を透視図
で示した、システムの収集機／ディスポーザ・サブシス
テムの斜視図である。

【符号の説明】

１０ システム・モジュール １２ ローダー／移送装置 １４ プラズマ・プロセッサ １６ 磁気ノズル １８ 慣性分離機 ２０ 収集機／ディスポーザ ２２ 地面レベル ２４ ポッド ２８ 出入り口 ３２ 缶 ３４ 垂直脚部 ３６ 通路 ３８ 端部 ４０ 端部 ４２ 垂直脚部 ４４ ローラー ４６ 磁気移送アシスト ４８ パンチ ５２ エレベータ ５４ 移送媒質 ５６ 入口側表面 ５８ 真空側表面 ６０ シュート ６２ ローラー ６４ 磁気移送アシスト ６６ 挿入ポイント ６８ 端部 ７０ 端部 ７２ プラズマ室 ７４ エルボ区間 ７６ 誘電体区間 ７８ シリンダ ８０ シリンダ ８２ アンテナ ８４ ソレノイド磁石 ８６ テーパ区間 ８８ シリンダ区間 ９０ 磁気コイル ９２ 端部 ９４ 端部 ９６ 流路 ９８ 面板 １００ 金属板 １０２ 金属板 １０４ 非導電壁 １０６ 非導電壁 １０８ 口 １１０ 磁界 １１２ 抵抗体 １１４ バッフル １１６ 高真空ガラス固化装置 １１８ 大気圧ガラス固化装置 １２０ 高圧ガラス固化装置 １２２ 管 １２４ 溶融ガラス １２５ 外部ヒータ １２６ 端部 １２８ 端部 １３０ 出口管 １３２ ビーズ製造塔 １３４ ロータリ弁 １３６ ビン １３８ 水平管 １４０ 圧縮機 １４２ タンク １４４ 溶融ガラス １４６ ビーズ製造塔 １４８ ロータリ弁 １５０ ビン １５２ 吸音装置 １５４ 管 １５６ 圧縮機 １５８ 垂直脚部 １６０ 収集パイプ １６２ 溶融ガラス １６４ 圧縮機 １６６ 空間 １６８ 気泡 １７４ カッター １７６ ギャップ １７８ 矢印

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 廃棄物を軽い元素と重い元素に分離する
   方法で、 廃棄物を高真空環境内へと移送するステップと、 廃棄物を気化して廃棄物蒸気を生成するステップと、 廃棄物蒸気をイオン化して、軽い元素と重い元素の電子
   およびイオンを含む多核種プラズマを生成するステップ
   と、 多核種プラズマを、軽イオンと重イオンとがほぼ均一の
   速度を有する流体の流れに変換するステップと、 その個々の慣性に従ってイオンを分離するステップとを
   含む方法。
2. 【請求項２】 分離した元素をガラス固化するステップ
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記廃棄物が揮発物を含み、前記移送ス
   テップの結果、揮発物のガスが高真空環境内に放出さ
   れ、前記気化ステップがさらに、 高真空環境に磁界を確立するステップと、 高真空環境で揮発物のガスからプラズマを生成するステ
   ップと、 揮発物のプラズマを配向して、磁界を通して廃棄物と接
   触させ、前記気化ステップを実行するステップを含む請
   求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記イオン化ステップが、軽イオンおよ
   び重イオンの衝突密度より大きい密度を有する多核種プ
   ラズマを生成し、前記変換ステップが、 プラズマが衝突密度より大きい密度を有する間に、多核
   種プラズマの軽イオンおよび重イオンを磁気ノズルで加
   速するステップと、 多核種プラズマを膨張させて、軽イオンおよび重イオン
   をさらに加速させ、前記分離ステップの前にその密度を
   衝突密度より下に下げるステップとによって達成される
   請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記移送ステップが、 廃棄物を缶の中に配置するステップと、 高真空環境内に進めるために缶をマノメータ流体に沈め
   るステップとを含む請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】 プラズマが流れの中を進むのを妨げるス
   テップをさらに含む請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 重イオンが全て９０より大きい原子量
   （Ａ＞７０）を有する請求項１に記載の方法。
8. 【請求項８】 前記イオン化ステップが、無線周波数ア
   ンテナを使用して廃ガスをホイッスラー・モードで励起
   することによって実行される請求項１に記載の方法。
9. 【請求項９】 廃棄物が、システムを通して２０時間で
   約５０ガロン（２２８リットル）の速度で処理される請
   求項１に記載の方法。
10. 【請求項１０】 廃棄物を軽い元素と重い元素に分離す
    るシステムで、 入口および出口を有し、その間に高真空環境を規定する
    室を伴うプロセッサと、 廃棄物を前記プラズマ室の高真空環境に移動させて、そ
    こから蒸気を解放するために、前記プロセッサの前記入
    口に封入されたローダー／移送装置と、 前記室内で蒸気をイオン化してプラズマを生成する、前
    記プロセッサに装着された無線周波数アンテナと、 前記プロセッサ内に磁界を生成してプラズマを廃棄物に
    向け、廃棄物を気化し、その結果生じた廃棄物蒸気を、
    前記無線周波数アンテナでイオン化して軽い元素と重い
    元素の電子およびイオンを含む多核種プラズマを生成す
    るため、前記室に向ける、前記プロセッサに装着された
    磁石と、 前記プロセッサの前記出口に接続されて、多核種プラズ
    マを、ほぼ均一の速度を有する流体の流れに変換する磁
    気ノズルと、 前記流体の流れを受けて、前記軽イオンと前記重イオン
    をその個々の慣性に従って互いから識別し、分離して隔
    離するため、前記ノズルに接続された慣性分離機とを備
    えるシステム。
11. 【請求項１１】 前記分離元素の少なくとも１つをガラ
    ス固化するため、前記慣性分離機と接続されたガラス固
    化装置をさらに備える請求項１０に記載のシステム。
12. 【請求項１２】 前記ガラス固化装置が溶融ガラスを充
    填したマノメータを備え、前記マノメータが溶融ガラス
    を大気圧に露出させる第１端部と、溶融ガラスを前記高
    真空環境に露出させて、溶融ガラスでガラス固化するた
    めに前記分離元素の少なくとも１つを受ける第２端部と
    を備える請求項１１に記載のシステム。
13. 【請求項１３】 前記室が、 第１端部および第２端部を有する中空でほぼ円筒形の誘
    電体区間と、 前記誘電体区間の前記第１端部に取り付けられて、それ
    とほぼ同軸で整列する第１ステンレス鋼シリンダと、 前記誘電体区間の前記第２端部に取り付けられて、それ
    とほぼ同軸で整列する第２ステンレス鋼シリンダとを備
    える請求項１０に記載のシステム。
14. 【請求項１４】 前記無線周波数アンテナが前記誘電体
    区間を囲み、前記無線周波数アンテナが約２から２０メ
    ガヘルツの範囲で約７メガワットで作動する請求項１３
    に記載のシステム。
15. 【請求項１５】 前記磁石が、約１００分の５から１０
    分の１テスラ（０．０５〜０．１Ｔ）の範囲の磁気誘導
    を生成するソレノイド磁石である請求項１０に記載のシ
    ステム。
16. 【請求項１６】 前記ローダー／移送装置が、 第１端部および第２端部を有するほぼＵ字形の管を備
    え、前記管が流体で充填されて、前記第１端部が大気圧
    に露出され、前記第２端部が前記高真空環境に露出され
    たマノメータを確立し、さらに、 廃棄物をその後の気化のために前記プロセッサに進める
    ため、前記Ｕ字形管の前記第２端部に接続されたシュー
    トとを備える請求項１０に記載のシステム。
17. 【請求項１７】 前記Ｕ字形管内の前記流体がOctoilで
    ある請求項１６に記載のシステム。
18. 【請求項１８】 前記廃棄物が放射性材料の缶を含み、
    前記システムが、さらに、前記ローダー移送装置に装着
    されたパンチを備え、前記パンチが前記Ｕ字形管に配置
    され、前記流体に沈められて前記缶を穿孔し、そこから
    揮発物を放出させる請求項１６に記載のシステム。
19. 【請求項１９】 前記慣性分離機が、 その間に流路を規定する一対のほぼ平行な金属壁と、 重イオンを受けるため、前記平行な金属壁の間に配置さ
    れた第１バッフルと、 軽イオンを受けるため、前記平行な金属壁の間に配置さ
    れた第２バッフルとを備え、前記第２バッフルが前記第
    １バッフルと前記ノズルとの間に配置され、さらに、 前記囲まれた空間に磁界を確立して、重イオンを前記第
    １バッフルへ、軽イオンを第２バッフルへ向けて、分離
    された元素を確立する磁石手段と、 分離された元素をガラス固化するために、少なくとも１
    つの前記バッフルと接続する手段とを備える請求項１０
    に記載のシステム。
20. 【請求項２０】 前記流路を通る重イオンと軽イオンと
    の行程を制御するため、前記平行な金属壁の間に接続さ
    れた可変抵抗体をさらに備える請求項１９に記載のシス
    テム。
21. 【請求項２１】 前記室の前記無線周波数アンテナで蒸
    気をイオン化する前に、高真空環境で廃棄物から放出し
    た蒸気を収集する保持タンクをさらに備える請求項１０
    に記載のシステム。