JP2004286627A

JP2004286627A - 放射化黒鉛の処理方法および装置

Info

Publication number: JP2004286627A
Application number: JP2003079822A
Authority: JP
Inventors: Riyouta Takahashi; 陵太高橋; Yoshiko Haruguchi; 佳子春口; Eiichi Murata; 栄一村田; Michitaka Mikura; 通孝三倉; Kokichi Sato; 光吉佐藤; Atsushi Nakajima; 淳中嶋
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】放射化黒鉛に含まれる放射性核種を低減処理し埋設後の放射性核種の浸出を低く抑えることのできる放射化黒鉛の処理方法および装置を提供する。
【解決手段】放射性核種を含む放射化黒鉛１１を高分子化合物と混合して加熱する加熱炉１と、前記加熱炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系３，４と、前記加熱炉１に接続され塩素ガスおよび塩素化合物を捕集する塩素トラップ６と、前記塩素トラップ６に接続され炭酸ガスを捕集するアルカリトラップ８とを備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス冷却炉の減速材等として用いられ放射能を帯びた放射化黒鉛の処理方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス炉の廃止措置に伴って、放射化された黒鉛が大量に発生する。これらの放射化黒鉛を安全に処分するためには、処分後に放射化黒鉛から放射性核種がほとんど浸出しないようにする必要性がある。廃棄物処分後の被ばく評価上、Ｃ−１４とＣｌ−３６が重要な核種とされている。ガス炉に使用されている黒鉛は結晶性が高く、熱力学的に安定であるために、黒鉛のバルク中に存在する放射性核種、特にＣ−１４は系外に放出されないことが知られている。しかしながら、黒鉛表面に存在する放射性核種や接液などで容易に溶解してしまう物質に含まれる放射性核種は、黒鉛を処分した際に、瞬時に放出される可能性がある。
【０００３】
従来、放射化黒鉛の処理方法には、大別して焼却処理と埋設処理がある。焼却処理は廃棄物として発生する放射化黒鉛を触媒存在下において気相中で焼却する。放射化黒鉛を焼却して発生したＣＯ_２は捕集し、Ｃ−１４のみを分離回収し、再度固定化した後に埋設処理する方法が考案されている。この方法では、発生するＣ−１４を含むＣＯ_２を１００％回収できず、約１％ほどは自然界に放出される可能性がある。埋設処理後の放射化黒鉛から放出されるＣ−１４の放出率目標値１×１０^−４／ｙｅａｒに対して１００倍量のＣ−１４が放出されることになる。また、現在の黒鉛炉に使用されている黒鉛中には不純物として金属が数十ｐｐｍ含有されているため、焼却により大量の焼却灰が発生し、新たに焼却灰の処理処分法を追加する必要がある。
【０００４】
放射化黒鉛中にはＣ−１４のほかに長半減期（３×１０^５年）のＣｌ−３６が１００〜３００Ｂｑｇ^−１含まれており処分評価上重要な放射性核種に数えられている。このＣ−１４に関する処分法はいくつか考案されているが、焼却に伴うＣｌ−３６の放出を効果的にトラップする技術は未だ開発されていない。
【０００５】
一方、埋設処理では埋設後に放射化黒鉛が地下水等に接液すると直ちにＣｌ−３６の放出が始まり、１ヵ月ほどで総インベントリーの１割程度放出されることがわかっている。Ｃ−１４は接液時に接液した表面に付着したもののみが放出され、放出率が１０^−４／ｙｅａｒを維持できているが、放出されるＣ−１４の化学形態はほとんど有機化合物を取っており、固型化材に吸着させることが困難である（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１４８９０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、放射化黒鉛に含まれる放射性核種を低減処理し埋設後の放射性核種の浸出を低く抑えることのできる放射化黒鉛の処理方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、放射性核種を含む放射化黒鉛を高分子化合物と混合して不活性ガス中において加熱し、前記放射性核種を前記放射化黒鉛から分離すると共に、前記放射化黒鉛の表面に炭素の皮膜を形成する構成とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記高分子化合物はポリ塩化ビニルである構成とする。
請求項３記載の発明は、前記分離される放射性核種はＣ−１４，Ｃｌ−３６およびＨ−３である構成とする。
請求項４記載の発明は、前記分離されたＣ−１４を無機化し、バリア材に閉じ込める構成とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、放射性核種を含む放射化黒鉛を高分子化合物と混合して加熱する加熱炉と、前記加熱炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、前記加熱炉に接続され塩素ガスおよび塩素化合物を捕集する塩素トラップと、前記塩素トラップに接続され炭酸ガスを捕集するアルカリトラップとを備えている構成とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
放射化黒鉛から放出されるＣ−１４は、原子炉（ガス冷却炉）に装荷される前の未照射黒鉛表面に吸着した空気中の窒素分子が中性子照射されて生成したものであり、弱い相互作用によって表面に吸着分布しているため、加熱することにより容易に脱着できる。表面のＣ−１４を取り除くことにより、黒鉛に含まれるＣ−１４は単結晶中に取り込まれたもののみとなり、処分時に環境に放出されるＣ−１４の浸出率を著しく低減させることができる。
【００１２】
また、放射化黒鉛に含まれる塩素は金属塩化物の化学形態を取っており、その大部分がアルカリ金属またはアルカリ土類金属の塩化物であるため、数百^ｏＣ以上に加熱することにより昇華除去することができる。単なる加熱処理、または炭素コーティング処理時に行う加熱によりアルカリ金属またはアルカリ土類金属の塩化物として存在するＣｌ−３６を除去することができる。
【００１３】
本発明では、放射化黒鉛を高分子化合物と混合して加熱して短時間に放出される放射性核種を分離するとともに、放射化黒鉛の表面を炭素でコーティングして瞬時に放出されない放射性核種を閉じ込めて、その後に埋設処分することにより、埋設後の放射化黒鉛からの核種浸出率を低減する。
【００１４】
放射化黒鉛の表面をコーティングする際に、不活性ガス中において加熱処理を行うが、この加熱処理によってクリティカル核種であるＣ−１４とＣｌ−３６をある程度除去することができ、放射化黒鉛を高βγ廃棄物に属さない、インベントリーの少ない低レベル放射性廃棄物に転換することができる。
【００１５】
さらに、放射化黒鉛を表面処理する際に除去したＣ−１４は二酸化炭素（Ｃ０_２）にまで分解し、バリア材による固型化を可能にする。Ｃｌ−３６については、処理の際に昇華させて捕集し、バリア材により固型化する。
【００１６】
以下、本発明に係る放射化黒鉛処理方法および装置の実施の形態を説明する。
本実施の形態は、埋設処分後に放射化黒鉛が接液する表面部分から瞬時に放出される放射性核種を低減する方法である。黒鉛廃棄物埋設後の被ばく評価では、Ｃ−１４とＣｌ−３６が重要な核種とされている。放射化黒鉛中に含まれるＣ−１４は、不純物として含まれる窒素が中性子と核反応して生成する。生成したＣ−１４は放射化黒鉛中のバルクに存在するため、埋設後の接液により溶液系に浸出せず、放射化黒鉛の表面に局在するＣ−１４のみが溶液系に浸出する。
【００１７】
一方、Ｃｌ−３６は黒鉛中の不純物であるＣｌ−３５が中性子と核反応して生成する。黒鉛からの塩化物イオンの浸出は極めて速く、浸出率で約１０^−１／ｙｅａｒの数値であることが知られている。温度などの浸出を加速させる因子には無関係に、接液すれば瞬時に放出する。黒鉛中に含まれるＣｌ−３６の形態が塩化物イオンであるために、接液すると同時に溶液中に放出される。
【００１８】
したがって、放射化黒鉛の埋設後に瞬時に放出する放射性核種を減少させるため、埋設前に加熱またはコーティングなどの処理を施し埋設前に放射性核種を低減させることにより、放射能レベルに応じた処分方法を設定することができる。
【００１９】
本実施の形態の放射化黒鉛の処理装置は図１に示すように、ふた２を備えた加熱炉１と、加熱炉１の一端にポンプ３を介して接続された不活性ガスボンベ４と、加熱炉１の他端に酸素計５を介して接続された塩素トラップ６と、この塩素トラップ６の先に接続された電気炉７およびアルカリトラップ８とから成る。
【００２０】
このような装置を用いて、放射化黒鉛の処理は以下のような手順に従って行う。すなわち、まず、解体されたガス冷却炉１０から搬出されてくる放射化黒鉛１１を処分容器に納まるように切断する。そのときに共に発生する黒鉛の粉体もコーティング処理の対象とする。適当な大きさに切り分けられた黒鉛ブロック１２および黒鉛粉体１３をポリ塩化ビニルの粉体と共に加熱炉１の中にふた２から装填していく。このとき、添加するポリ塩化ビニルは放射化黒鉛と質量で同量以上になるようにする。
【００２１】
充填後、加熱炉１を回転させ、放射化黒鉛とポリ塩ビニルの粉体を十分に混合させる。加熱炉１の回転を止めて、不活性ガスボンベ４よりアルゴンまたは窒素などの不活性ガスを導入し、酸素計５で監視して酸素濃度が１０００ｐｐｂ以下になるようにコントロールする。そして加熱炉１中の温度を徐々に上昇させていく。まず、２５０ ^ｏＣ一定で３０分程度加熱する。その後、５００ ^ｏＣまで加熱し、１時間程度温度一定に保ち、加熱処理を行う。この加熱処理の過程において、放射化黒鉛の表面に炭素膜が形成される。加熱処理後、徐々に室温まで冷却する。
【００２２】
加熱処理および表面処理を行った放射化黒鉛は、図２に示すように、加熱炉１から取り出し、処分容器に充填し、固型化材のセメント１５を流し込み、廃棄体１４ａを作製する。
【００２３】
加熱処理工程において、放射化黒鉛から放出されたＣｌ−３６は加熱炉１の下流側の塩素トラップ６に捕集される。また、同様に加熱処理工程において放射化黒鉛から放出されたＣ−１４は加熱炉１の下流に設置した酸化金属を装填した電気炉７を通過させて、完全燃焼させ二酸化炭素にし、さらに下流の水酸化ナトリウム水溶液を入れたアルカリトラップ８に導入し、捕集する。
【００２４】
各トラップ６，８に捕集したＣｌ−３６およびＣ−１４は、表面に炭素膜を形成させた黒鉛廃棄物と同様に処分容器に充填し、固型化材のセメント１５等を流し込み、廃棄体１４ｂ，１４ｃとする。
【００２５】
本実施の形態の処理方法の有効性を確認するために、黒鉛の加熱処理時に発生するガスの模擬物質として、塩素ガスを１％含む窒素ベースのガスを１５０℃に加熱した管（加熱部分５００ｍｍ）を通過させた後、シリカゲルに硝酸銀を添着させた銀吸着材の充填カラム（径２５ｍｍ長さ１５０ｍｍ）を通過させた。出口ガスを１０規定の水酸化ナトリウム溶液が２５０ｍｌ入っている洗気ビン（２連）を通過させた。洗気ビン中の溶液中の塩素濃度をイオンクロマト法で測定したところ、いずれも検出限界以下であり、この系で塩素ガスがほとんど回収できていることが確認された。
【００２６】
また、黒鉛を加熱した際の模擬オフガスに０．１％水素／窒素ガスベース（０．１Ｌ／ｍｉｎ）を導入した。このガスを２５０℃に加熱し、白金触媒が充填された燃焼管を通過させた後に冷却トラップ（氷水冷却（０℃冷却））を通過させたところ、発生したと考えられる９９．９％以上の水素ガス（トリチウムの模擬ガス）を水として冷却トラップ中に回収できた。
【００２７】
さらに、有機炭素化合物の一例としてアセチレンを用い、これを０．１％含む空気を０．４ｍｌ／ｍｉｎの速度で６５０℃に加熱した顆粒状の酸化銅カラム（長さ１２０ｍｍ、二連）を通過させ、その後、１０規定の水酸化ナトリウム水溶液を２５０ｍｌ入れた洗気ビンを通過（小型アルカリスクラバー）させた。３０分間後、溶液中の炭酸濃度を測定したところ、通記したアセチレン中の炭素に換算して１段目の洗気ビンに９５％、２段目の洗気ビンに３％の二酸化炭素が回収できていることが確認された。
【００２８】
以上のように、本実施の形態によれば、放射化黒鉛を加熱処理することにより埋設前に付着している放射性核種を低減して、また、放射化黒鉛を表面処理することにより黒鉛表面に炭素膜を形成させて、埋設後に放射化黒鉛から被ばく評価上重要な放射性核種の浸出率を低く抑えて、安全評価上問題のない領域にあるようにすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、放射化黒鉛に含まれる放射性核種を低減処理し埋設後の放射性核種の浸出を低く抑えることのできる放射化黒鉛の処理方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の放射化黒鉛の処理装置および処理方法の工程の前半を示す図。
【図２】本発明の実施の形態の放射化黒鉛の処理装置および処理方法の工程の後半を示す図。
【符号の説明】
１…加熱炉、２…ふた、３…ポンプ、４…不活性ガスボンベ、５…酸素計、６…塩素トラップ、７…電気炉、８…アルカリトラップ、１０…ガス炉、１１…放射化黒鉛、１２…黒鉛ブロック、１３…黒鉛粉体、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…廃棄体、１５…セメント。

Claims

放射性核種を含む放射化黒鉛を高分子化合物と混合して不活性ガス中において加熱し、前記放射性核種を前記放射化黒鉛から分離すると共に、前記放射化黒鉛の表面に炭素の皮膜を形成することを特徴とする放射化黒鉛の処理方法。
前記高分子化合物はポリ塩化ビニルであることを特徴とする請求項１記載の放射化黒鉛の処理方法。
前記分離される放射性核種はＣ−１４，Ｃ１−３６およびＨ−３であることを特徴とする請求項１記載の放射化黒鉛の処理方法。
前記分離されたＣ−１４を無機化し、バリア材に閉じ込めることを特徴とする請求項３記載の放射化黒鉛の処理方法。
放射性核種を含む放射化黒鉛を高分子化合物と混合して加熱する加熱炉と、前記加熱炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、前記加熱炉に接続され塩素ガスおよび塩素化合物を捕集する塩素トラップと、前記塩素トラップに接続され炭酸ガスを捕集するアルカリトラップとを備えていることを特徴とする放射化黒鉛の処理装置。