JP2005114620A - 放射能汚染された鉄系金属材の除染方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 原子力施設などで放射性物質により汚染された鉄系金属から放射能汚染元素を効率よく分離除去し、鉄系金属の再利用を可能にする改善された除染法を提供すること。
【解決手段】 強制冷却機構を備えた金属製ルツボを用いたコールドクルーシブル誘導溶解法を採用し、該ルツボ内へ放射能汚染された鉄系金属材を装入し酸化性雰囲気下で誘導加熱して溶融させ、該鉄系金属材中の汚染元素を酸化して酸化物に変換すると共に、該酸化物を鉄系金属溶湯から浮上分離させて固形スラグとした後、上記ルツボから鉄系金属溶湯を抜き出すことにより、放射能汚染された鉄系金属材から汚染元素を効率よく除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子力施設などで放射性物質により汚染された鉄系金属材から放射能汚染元素を効率よく分離除去し、鉄系金属を再利用可能にするための改善された除染法に関するものである。

原子力発電プラントなどで放射能汚染された金属から汚染元素を分離除去して浄化する方法としては、例えば特許文献１〜４に開示されている様な溶融除染法が知られている。これらの方法の基本原理は、汚染された鉄系金属材を加熱溶融させると共に比較的低融点の溶融スラグを生成させ、溶融スラグ−溶融金属間の反応で汚染元素を溶融スラグに吸収させることにより、溶融金属から放射性元素を除去する方式である。

その際に利用される溶融方式としては、耐火物製ルツボを用いる誘導溶解法、強制冷却機構付金属製ルツボ（代表的には水冷銅ルツボ）を用いる浮揚溶解法（特許文献５など）やエレクトロスラグ溶解法などが知られている。これらの方法は、何れも溶融スラグを生成させてこれに汚染元素を吸収させる方式を採用している。その理由は、鉄鋼材料の如き通常の鉄系金属材を精練する方法として、取り扱いの容易な溶融スラグを形成させて精錬するスラグ精錬法が汎用されており、スラグを溶融状態で処理することがほぼ常識になっているためと考えられる。またエレクトロスラグ溶解法は、溶融スラグに大電流を流すことによって発生する抵抗発熱を熱源として利用する方式であるため、溶融スラグしか利用できなかったこともその理由の１つと考えられる。
特開平９−１９７０９４号公報 特公平５−３１７５９号公報 特開平１１−４４７９５号公報 特開２００１−４２０９１号公報 特開２０００−２９２５９４号公報

上述した如く溶融スラグを用いる従来の除染法は、プロセスとしては容易である反面、溶融スラグが被処理金属材中に巻き込まれると除染効果が著しく害される。そこでこうした問題の回避策として、１）凝固時に巻き込まれる恐れのある溶融スラグを予め浮上分離させる凝固制御方法、２）巻き込まれ難い溶融スラグ組成とするためフッ化物や塩化物などを精錬用フラックスとして添加する方法、３）スラグ精練後に出湯される溶湯を一旦タンディッシュに受け、スラグを浮上分離させてから溶融金属を出湯する方式、などが採用されている。

しかし上記の様な方式では、溶融スラグが溶融金属に対し濡れ易い組成となったときには、依然としてスラグ巻き込みを起こし易く、安定した除染効果が得られ難くなる。

本発明はこうした従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放射能汚染を受けた鉄系金属材を対象とし、これら鉄系金属材の中から汚染元素を簡単な手法で効率よく分離除去し、再利用可能な浄化金属材としてより確実に再生することのできる技術を確立することにある。

上記課題を解決することのできた本発明に係る除染方法とは、放射能汚染された鉄系金属材から汚染元素を分離除去して除染する方法であって、強制冷却機構を備えた金属製ルツボを用いたコールドクルーシブル誘導溶解法を採用し、該ルツボ内へ放射能汚染された鉄系金属材を装入し酸化性雰囲気下で誘導加熱して溶融させ、鉄系金属中の汚染元素を酸化して酸化物に変換すると共に、該酸化物を鉄系金属溶湯から浮上分離させて固形スラグとした後、上記ルツボから鉄系金属溶湯を抜き出して固形スラグと分離することにより、放射能汚染された鉄系金属を除染するところに要旨が存在する。

この際、前記鉄系金属溶湯中に、例えば酸化鉄や酸化ニッケルの様な酸化剤系の精錬剤や酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムの如き高融点の固体精錬剤などを添加し、汚染元素を含む酸化物系固形スラグの生成を促進させることは、好ましい実施態様として推奨される。また、上記方法でルツボから前記鉄系金属溶湯を抜き出した後は、該ルツボ内に固形スラグとその表面を覆う鉄系金属の凝固薄片層（スカル）が残るが、これらは一旦冷却し脆弱な固形スラグを破砕してスカルから分離した後、スカルはルツボ内に残した状態で次回の除染処理を行えば、浄化された鉄系金属の回収率を更に高めることができるので好ましい。

活性な放射性元素を汚染元素として含む鉄系金属廃棄物を、コールドクルーシブル誘導溶解法により酸化性雰囲気下で溶融処理し、汚染元素を酸化物系の固形スラグとして鉄系金属の溶融物から分離することで、鉄系金属を効率よく除染し再利用可能な鉄系金属材として再生できる。

上記の様に本発明では、放射能汚染された鉄系金属材を加熱溶融し、汚染元素を酸化物系スラグとして分離除去する際に、該スラグを酸化物系の固形スラグとして凝集させ、溶融状態の鉄系金属溶湯から分離する方式を採用するもので、こうした分離方式を実現するための具体的な手段として、水などの冷媒による強制冷却機構を備えた金属製ルツボ（代表的には、水冷銅ルツボ）を用いたコールドクルーシブル方式を採用する。しかも、汚染された鉄系金属材を溶融するための加熱源としては、鉄系金属材を直接加熱することのできる誘導加熱方式を採用する。

コールドクルーシブルタイプの加熱溶融炉であっても、加熱方式としては、誘導加熱方式以外に、プラズマ加熱方式やアーク加熱方式、エレクトロスラグ加熱方式などを採用することができる。しかし誘導加熱以外の加熱方式は、何れも金属材を上方から加熱する方式であり、金属材よりも先にスラグを加熱する方式であるため、スラグを固形物として生成させることに主眼をおく本発明法に対しては適性を欠く。ところが、コールドクルーシブル誘導溶解法は鉄系金属を直接誘導加熱する方法であり、スラグに対して熱を直接作用させる方式ではないから、スラグを固形状態に保ちつつ鉄系金属材を加熱溶融させる方式としては最も適している。

ところで、汚染元素として混入してくる放射性元素のうち、α線源となるアクチニウム系列元素（Ｔｈ，Ｕ，Ｐｕなど）、或は核分裂生成元素であるランタン系列元素やアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、Ｚｒ，Ｎｂなどの元素は、何れも鉄より酸化され易い元素であり、酸化物は鉄酸化物より安定である。

従って、上記の様な汚染元素を含む鉄系金属材を酸化性雰囲気中で誘導加熱し、鉄系金属が溶融する温度に保持すると、上記汚染元素は鉄に先行して酸化され固形酸化物となる。そして、生成する固形酸化物は界面張力により凝集しつつ、比重差や鉄系金属浴（以下、鉄浴もしくは溶鉄と言うことがある）内の湯流れにより湯面方向へ浮上し凝集して固形スラグを形成する。よって、この状態から常法に従って固液分離すれば、液状の溶鉄と固形スラグを簡単に分離できる。

しかもコールドクルーシブル誘導溶解法では、電磁コイル２の電磁力によって例えば図１の概念図に示す如く、溶融金属（溶鉄）Ｍｅがルツボ１の中心部で上昇流、ルツボ１の内周縁部で下降流を形成しつつ循環しており、酸化物粒子が凝集し易い条件が自然に形成されている。即ち溶鉄Ｍｅよりも比重の小さな酸化物は、溶湯の上昇流とも相俟って速やかに浮上し、溶鉄Ｍｅの表面に集められる。しかもルツボ１内では、電磁力により溶鉄Ｍｅの中心部が盛り上って周囲のルツボ１の内周壁方向へ向かう流れが形成されているため、酸化物粒子はごく自然に強制冷却機構付ルツボ１の内周壁近傍に集まって凝集し、この部分で効率よく冷却されて固形スラグＳｇが形成される。溶鉄Ｍｅよりも比重の大きい酸化物も、溶融金属内の流れに乗って流動する間に、金属浴上方側面に形成される固体スラグＳｇと接触すると、そこで付着して溶鉄Ｍｅから分離される。図中、Ｓｕはルツボ１の内壁面側に形成されるスカル（溶融金属の凝固物）を示している。

ところで鉄系金属材には、大抵の場合、脱酸性元素としてＳｉ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｔｉなどが含まれており、場合によっては希土類元素などが含まれていることもある。溶鉄中にこれらの脱酸性元素が残存すると、酸化性の高い汚染元素といえども還元されることがあり、金属状態となって溶鉄中へ取り込まれ、結果的に除染不足になる可能性がある。

特に酸化物の一部が溶融スラグを形成している場合は、溶融スラグ内に取り込まれた放射性元素の酸化物が溶鉄内のＡｌやＳｉなどによって還元され、溶鉄中に取り込まれる可能性が高まる。

従って、除染をより効率よく進めるには、コールドクルーシブル誘導加熱時における雰囲気の酸化条件を強化し、鉄系金属材中に含まれる上記の様な脱酸性元素の酸化も促進させ、スラグとして効率よく分離除去できる様に雰囲気制御を行うことが望ましい。

ちなみに、前掲の従来技術でも採用している溶融スラグ法では、これら脱酸性元素由来の酸化物を溶融スラグ中に吸収保持するのに多量の精錬剤（ＣａＦ_２などの低融点化フラックス成分など）を添加しなければならず、スラグ量が大幅に増大する。しかし、本発明の如く酸化物を固形スラグとして生成させる方式では、一旦スラグ中に取り込まれた汚染元素の酸化物は固形物中に固定されることになるので、溶鉄と直接的に接触する機会も大幅に減少する。そのため、汚染元素を溶融スラグに捕捉する従来法に比べると、溶鉄中のＡｌやＳｉ等によって再還元を受ける可能性も激減し、溶鉄内に相当量の還元成分が残存していたとしても、それによって除染効果が損なわれることはない。

なお本発明を実施するに当っては、固形スラグの生成を更に促進させるため、精錬剤として溶鉄中のＡｌやＳｉ等を酸化させるための比較的化学的に不安定な酸化鉄や酸化ニッケルなどを酸化剤として添加したり、更には固体スラグを安定に保持させるため、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の如き高融点で化学的に安定な酸化物を添加したりすることも有効である。また、酸化剤系精錬剤の代わりに酸素リッチガスを溶鉄中へ吹き込んだり湯面に吹き付けることも有効である。

酸化剤と反応して生成するＡｌやＳｉの酸化物は高融点であるので、固形スラグの形成にも有効に寄与する。しかも、溶鉄中に含まれるこれらの還元性元素を酸化除去することで、汚染元素の酸化除去効果も高まり、ほぼ完全な除染効果を得ることが可能となる。

コールドクルーシブル誘導溶解方式を採用する本発明では、前述した如く固形スラグは冷却機構付金属製ルツボの内周壁で冷却されて凝集分離されるため、例えば水冷銅ルツボなどに付着することもなく、僅かな力を加えるだけで簡単に破壊しルツボ内壁から剥離させることができる。

これに対して、溶融炉としてセラミックス質の耐火物製ルツボを使用すると、耐火物素材に対して親和性の高い酸化物系スラグの一部が耐火物製ルツボの内壁面に強固に付着するため、スラグを除去するのに大きな外力を加えなければならず、衝撃力などで耐火物製ルツボ自体が破損する恐れも高まる。しかし、本発明で用いるコールドクルーシブル誘導溶解方式の強制冷却機構付金属製ルツボであれば、上記の様に酸化物系スラグの一部がルツボ内壁面に強固に付着することがなく簡単に剥離除去できるので、ルツボを半永久的に繰り返し使用することが可能となる。よって、２次廃棄物の発生を極力抑えたい放射性元素廃棄物の溶融除染処理に最も適した方法と言える。

ところでコールドクルーシブル誘導溶解方式では、図１にも示した如くルツボ１の内壁面に溶融金属の凝固層（スカル）Ｓｕが形成され、溶融金属Ｍｅは該スカルＳｕの内側に保持されている。また殆どの場合、固形スラグＳｇはスカルＳｕの上端部に付着する様な形で凝集している。そして凝固スカルＳｕは冷却時に収縮しているので、水冷銅ルツボ１から簡単に分離することができ、また凝固した固形スラグＳｇは脆弱であるので、機械的な衝撃を与えることでスカルＳｕから簡単に分離できる。固形スラグＳｇを分離した後のスカルＳｕは本質的に鉄系金属溶湯が凝固したものであるから、ルツボ１内に残したままで該スカルＳｕの内側に次サイクルの除染原料を装入して除染する方式を採用すれば、汚染スラグ以外の副生物は一切生じさせることなく溶融除染処理を定常的に繰り返して実施することが可能となる。

例えば図２は、本発明の除染法を利用したプロセス概念図であり、ルツボ１内に放射能汚染廃棄物３を投入し、必要により精錬剤を添加すると共に酸化性雰囲気下で電磁誘導加熱することにより、汚染金属を酸化し凝固させて固形スラグＳｇとして湯面上に分離させる。そして、除染された金属溶湯Ｍｅは鋳型４（またはタンディッシュなど）に抜き出すと共に、ルツボ１内に残った固形スラグＳｇは破砕して炉外へ排出すると共に、ルツボ１内壁面のスカルＳｕは残したままでその内面側に汚染廃棄物３を装入し、必要により精錬剤を添加して繰り返し除染処理を行う。このとき、得られた固形スラグＳｇの一部はルツボ１に戻し、次工程での固形スラグの分離促進に利用することも可能である。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらも当然本発明の技術的範囲に包含される。

実施例１
２４本の水冷銅セグメントを組合せて構成された内径２００ｍｍの水冷銅ルツボを用いたコールドクルーシブル誘導溶解装置を使用し、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）中に活性な放射性元素模擬物質としてセリウム酸化物を封入し、大気雰囲気下で誘導溶解処理を行った。この時の溶解処理時間を種々変更し、夫々の処理時間毎に溶融金属を採取して溶融金属中のＣｅ濃度を分析した。

本発明例
溶解原料：ＳＵＳ３０４（４０ｋｇ）＋添加ＣｅＯ_２量（４０ｇ）＋Ａｌ（０．８ｋｇ）
溶解条件：大気雰囲気、供給電力（３５０ｋＷ；高周波電源周波数３０００Ｈｚ）
固形スラグの形成状況と分析法：
溶融金属浴形成の直後から、ルツボ内周壁側の湯面上に固形スラグが生成し、徐々に成長していく。溶融金属浴が形成された時を０分とし、その後、３０分、６０分、９０分、１０５分、１２０分、１３５分および１５０分経過後に溶融金属を採取し、各時点での溶融金属中のＣｅ濃度をＩＣＰ発光分析法によって測定し、Ｃｅ濃度の経時変化を調べた。結果を表１に示す。

表１からも明らかな様に、還元性元素であるＡｌが溶融金属中に残留している場合でも、溶融金属浴の形成後、酸化性雰囲気で約３０分程度誘導溶解処理するだけで、溶融金属中のＣｅ濃度は分析限界の０．１ｐｐｍ以下まで低減している。このことからも、放射能汚染元素を酸化し固形スラグとして分離する本発明の方法によれば、卓越した除染効率が得られることを確認できた。

比較例
溶解原料のＡｌ添加量を０．６ｋｇに減少し、また低融点スラグを生成させるための精錬剤を添加することにより溶融スラグを形成させた以外は、上記本発明例と実質的に同じ溶解法および溶解条件で除染実験を行った。すなわち溶解原料として、ＳＵＳ３０４（４０ｋｇ）＋ＣｅＯ_２量（４０ｇ）＋Ａｌ添加量（０．６ｋｇ）を使用し、上記実施例１と同様にして大気雰囲気下で誘導溶解を行う際に、ルツボ内に精錬剤としてＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（４６／１０／４４質量％）組成の低融点スラグ（融点；１３５０℃）２ｋｇを添加することにより溶融スラグを生成させ、一定の溶湯保持後に出湯して固化体を作製し、固化体の３箇所（軸部−底部、中間−中間、端部−上部；図３参照）についてＣｅ分析を行い、端部−上部位置でＡｌ分析を行った。結果を表２に示す。

表２の結果を前記表１の結果と比較すれば明らかな様に、溶融スラグを生成させて除染する従来法では金属中のＣｅ濃度が明らかに高く、本発明で採用する固形スラグ方式に比べて除染効果が格段に低いことが分かる。

本発明で採用する強制冷却機構付金属ルツボを用いたコールドクルーシブル誘導溶解法による除染状況を例示する概略断面説明図である。 本発明を利用した繰り返し除染法を例示するプロセス概念図である。 比較例で採用した分析試料採取位置を示す説明図である。

符号の説明

１ 強制冷却機構付金属製ルツボ（水冷銅ルツボ）
Ｍｅ 溶融金属（溶鉄）
Ｓｇ 固形スラグ
Ｓｕ スカル
２ 電磁コイル
３ 放射能汚染廃棄物
４ 鋳型

Claims (3)

1. 放射能汚染された鉄系金属材から汚染元素を除く除染法であって、強制冷却機構を備えた金属製ルツボを用いたコールドクルーシブル誘導溶解法を採用し、該ルツボ内へ放射能汚染された鉄系金属材を装入し酸化性雰囲気下で誘導加熱して溶融させ、鉄系金属材中の汚染元素を酸化して酸化物に変換すると共に、該酸化物を鉄系金属溶湯から浮上分離させて固形スラグとした後、上記ルツボから鉄系金属溶湯を抜き出すことを特徴とする放射能汚染された鉄系金属の除染方法。
2. 前記鉄系金属溶湯中に精錬剤を添加することにより固形スラグの生成を促進する請求項１に記載の除染方法。
3. 前記ルツボから除染された鉄系金属溶湯を抜き出した後、該ルツボ内に残留する鉄系金属の凝固薄片層と固形スラグから、固形スラグを破砕して取り除き、凝固薄片層を残した状態で次回の除染処理を行う請求項１または２に記載の除染方法。