JP2005512073A - 水性媒体内でのガス化による放射性グラファイトの破壊方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、放射性物質によって汚染された放射性グラファイトの処理方法に関するものである。本発明による方法においては、放射性グラファイトを、水を含有した媒体内に浸漬し；電気アークを発生させ得るような、かつ、水分子の結合を破壊し得るような、かつ、グラファイトの炭素−炭素結合を破壊し得るような、十分に大きなエネルギーを有した高電圧パルスを、放射性グラファイトに対して印加し；この高電圧パルスの数を、グラファイトをガスへと変換し得るものとして、決定する。

Description

本発明は、水性媒体中でグラファイトをガス化することによって、放射性物質で汚染された放射性グラファイトを破壊するための方法に関するものである。

したがって、本発明の技術分野は、プラントの解体時に回収されたような、例えばＮＵＧＧ（natual uranium-graphite-gas） プラントから回収されたグラファイトといったような、放射性廃棄物の処理である。

現在のところ、例えば放射性物質で汚染された放射性グラファイトといったような放射性廃棄物の処理は、適切な容器内にすべての放射性廃棄物を貯蔵するという手法、あるいは、燃焼によって放射性廃棄物完全に破壊するという手法、のうちのいずれかによって、行われている。

貯蔵という上記第１手法においては、原子炉廃棄物の貯蔵に際しては、特にグラファイトの貯蔵に際しては、放射性廃棄物を容器内に貯蔵し、その後、その容器を地下に埋設する必要がある。この手法は、高価なものであるとともに、実施が困難であることが、知られている。

破壊という上記第２手法においては、まず最初に、容器内において機械的微粉化手法を使用することによって、廃棄物を微粉化する。これにより、粒子サイズを、流動床を構成し得る程度に十分に小さなものとしてあるいは燃料内に混入し得る程度に十分に小さなものとして、そのような粒子の燃焼を行う。

しかしながら、そのような機械的微粉化は、閉じ込められた媒体に対しての適用が困難である。また、従来の燃焼方法では、トリチウムが発生し、このトリチウムが、換気システムから散逸してしまう。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。

本発明の目的は、従来技術における上記欠点を克服し得るような、放射性物質で汚染された放射性グラファイトを処理するための方法を提供することである。

これを行うため、本発明の主題は、放射性物質によって汚染された放射性グラファイトの処理方法であって、この方法においては、放射性グラファイトを、水を含有した媒体内に浸漬し；電気アークを発生させ得るような、かつ、水分子の結合を破壊し得るような、かつ、グラファイトの炭素−炭素結合を破壊し得るような、十分に大きなエネルギーを有した高電圧パルスを、放射性グラファイトに対して印加し； この高電圧パルスの数を、グラファイトをガスへと変換し得るものとして、決定する。

本発明においては、『高電圧パルス』という用語は、水を含有した媒体内において電気アークを形成し得るよう、１ｋＶ〜数ｋＶという程度の電圧を有した電気パルスを意味するものとして理解される。以下においては、電気エネルギーの作用について説明する。電気エネルギーは、水性媒体との相互作用に基づき、および、導電性カーボン材料との相互作用に基づき、電気アークの起源である。これにより、導電性カーボン材料がガス化される。

すなわち、水を含有してなる媒体中に含浸されているグラファイトに対して、高電圧パルスを印加することにより、グラファイトの炭素−炭素結合が破壊され、これにより、同じ高電圧パルスの作用により水の分解によって発生したラジカルと相互作用し得るような、活性種が形成される。上記反応により、一酸化炭素（ＣＯ）と、二酸化炭素（ＣＯ_２ ）と、水素（Ｈ_２ ）と、が形成される。

最も起こりそうな反応スキームは、以下のようなものである。
−Ｃ− ＋ Ｅ → −Ｃ^＊
２Ｈ_２Ｏ ＋ Ｅ → ２ＯＨ・ ＋ Ｈ_２
ＯＨ・ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＨＯ_２・ ＋ Ｈ_２
ＯＨ・ ＋ −Ｃ^＊ → ＣＯ ＋ １／２Ｈ_２
ＨＯ_２・ ＋ −Ｃ^＊ → ＣＯ_２ ＋ １／２Ｈ_２
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
３Ｈ_２Ｏ ＋ −Ｃ− ＋ Ｅ → ＣＯ_２ ＋ ＣＯ ＋ ３Ｈ_２

ここで、Ｅは、高電圧パルスによって供給された電気エネルギーを表している。より詳細には、電気アークのエネルギーを表している。−Ｃ−は、炭素−炭素結合から切り取られたカーボン原子を表している。

有利には、この処理方法により、放射性グラファイトが破壊され、放射性物質が、水を含有してなる媒体中に拘束されて残存する。加えて、この処理方法においては、有利には、発生したガスを回収して、様々な用途に再利用することができる。

本発明においては、放射性グラファイトの破壊に際し、当業者であれば、処理対象をなすグラファイトの特性に応じて、高電圧パルス印加条件（エネルギー、周波数、持続時間、印加パルス数）を選択することができる。パルスのエネルギーが大きいほど、ガス化を行うために必要な印加パルス数が少なくなる。

本発明においては、高電圧パルスのエネルギーは、１００Ｊ〜１００ｋＪとすることができる。このようなパルスエネルギー値により、有利には、各パルスごとに、多数の水分子を破壊し得るとともに、処理対象をなすグラファイトの炭素−炭素結合を破壊することができる。

本発明においては、高電圧パルスの持続時間は、２００ｎｓ〜１００μｓとすることができ、好ましくは、１μｓとすることができる。

本発明においては、高電圧パルスの周波数は、１〜１０００Ｈｚとすることができ、好ましくは、１０Ｈｚとすることができる。

本発明においては、水を含有した媒体は、有利には、形成された上記各種ラジカルを安定化させ得るよう、少なくとも１つのラジカル安定化触媒を含有することができる。

好ましくは、放射性グラファイトの処理方法においては、有利には、発生ガスを使用するという目的で、発生ガスの排出を行うことができる。発生ガスの排出は、有利には、閉塞した媒体中でのガス発生に本来的に由来する過圧現象を回避し得るという利点があり、また、発生ガスを、貯蔵場所や被処理場所へと搬送し得るという利点がある。

本発明の実施に際しての格別の方法においては、発生ガスの排出は、好ましくは窒素といったような不活性ガスを、水を含有してなる媒体の表面上へと連続的に供給することによって行う。

有利には、本発明による放射性グラファイトの処理方法においては、好ましくは、グラファイトのガス化の後に、水を含有した媒体を処理するステップを行う。この処理は、従来的な廃水処理に対応したものとすることができる。この処理は、例えば、被処理グラファイト内に含有されている重金属をまず最初に回収して濃縮し、それを、グラファイトのガス化後の水性媒体内に解放することを目的としたものである。この処理は、また、グラファイトのガス化を行うことによってグラファイトから放出された放射性物質を除去することにより、水を含有した媒体を精製することを意図したものとすることができる。

例えば、水中でイオンの形態をなす放射性セシウムは、カリキサレン（calixarene）やイオン交換樹脂によって拘束することができる。酸化物の形態とされたコバルトは、濾過することができる。トリチウムに関しては、同位体交換によって、水素に代えて水に対して固定される。その後、不活性化のために濃縮することができる。

本発明による方法を実施するため、発生ガスを周囲環境内へと放出する前に、ＣＯ除去システムを設けることができる。例えばレーザー同位体分離手法を使用することによって、発生したＣＯ_２ から^１４Ｃを回収するための装置を準備することもできる。

本発明の他の特徴点や利点は、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示としての好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭となるであろう。

本発明による方法においては、水性媒体中において、放射性物質で汚染された放射性グラファイトに対して高電圧パルスを印加することによって、そのような放射性グラファイトを処理する。

これを行うために、本発明による方法の実施に際しては、適切な装置が必要とされる。

図１は、そのようなグラファイトを処理するためのそのような装置を示している。

この装置は、例えばポリエチレンから形成されているような、非金属製の封入型反応容器（１）を具備している。反応容器（１）の底部には、導電性プレートが配置されており、この導電性プレートは、アース電極（２）を構成している。アース電極（２）に対しては、Marx電源タイプの高電圧源（３）が接続されている。この高圧源（３）は、高電圧電極（４）を提供する。アース電極（２）と高電圧電極（４）との間の間隔は、調節可能とされている。これにより、それら電極（２，４）間に印加される電位差を調節し得るものとされている。ブロック状をなす放射性グラファイト（５）が、電極（２，４）間に配置されている。このブロックは、水（６）内に完全に含浸されている。この装置によれば、ブロックに対して高電圧パルスを印加することができる。このようにして印加された所定エネルギーの高電圧パルスは、両電極間に電気アークを発生させる。この電気アークは、水中を伝搬する際には、水を自由ラジカルへと分解し、グラファイトと接触した際には、炭素−炭素結合を破壊して、カーボンラジカルを形成する。ラジカルの形態とされたカーボン原子と、水の分解に由来するラジカルと、の間の化学反応により、ＣＯと、ＣＯ_２ と、Ｈ_２ と、が形成される。発生したガス（７）は、ポンプ（８）を使用することによって、ガス検出器（９）へと、搬送される。ガス検出器（９）は、一酸化炭素検出手段（１０）と、二酸化炭素検出手段（１１）と、酸素検出手段（１２）と、メタン検出手段（１３）と、を備えている。検出器（９）を通した後に、ガスは、反応容器（１）内へと戻される。

ガスベルシステム（１４）が、ガス発生の計測のために、また、過圧を回避するために、設けられている。

電気アークを形成するのに必要な水性媒体品質を維持し得るよう、水性媒体を再生するためのシステム（図示せず）を設けることを想定することができる。

［図１の装置による実験例］
上記タイプの反応容器内に、一体部材をなす１０ｇの原子炉起源グラファイトを、配置した。このグラファイトは、水中に完全に含浸され、水の総容積が、１．５ｌとされた。まず最初に、水の上方のデッド容積を、窒素ガスによって一時的にパージした。これにより、空気中の酸素を追い出した。１ｋＪという程度のパルスを、グラファイトに対して印加した。数分後に、一酸化炭素の存在、および、水素の存在、が検出された。しかしながら、メタンは、検出されなかった。

図２は、印加パルスの数（ｎ）の関数として、一酸化炭素の量（単位：％）および二酸化炭素の量（単位：％）を、プロットしたものである。このグラフは、ＣＯ曲線として示されているように、ＣＯの量が、また、ＣＯ_２ 曲線として示されているように、ＣＯ_２ の量が、印加パルス数につれて増加することを示している。この実験例における動作条件に基づいて、２２０ショット以上のところでは、ある種の平坦状態となっている。

本発明による方法を実施するための他の装置を想定することができる。

すなわち、図３は、本発明を実施するための装置であるとともに、この場合には、不活性ガスの連続的吹込を行うような装置を示している。図２は、上記装置と同様の装置を示しているものの、圧力ゲージ付きのボトル（１８）を使用することにより、例えばＮ_２ といったような不活性ガスが、連続的にかつ一定流量でもって反応容器（１）に対して供給されている点において、相違している。発生したガスは、この場合にも、ポンプ（８）を使用することによって、検出器（９）へと送出される。検出器（９）は、一酸化炭素検出手段（１０）と、二酸化炭素検出手段（１１）と、酸素検出手段（１２）と、メタン検出手段（１３）と、を備えている。アセンブリの全体は、データ処理システム（２０）に対して接続されている。データ処理システム（２０）は、特に、各時点での発生ガス量を示す曲線を形成する。ガスは、もはや、反応容器内に滞留することはない。流量計（１９）が、放出されるガス全体の流量を計測する。図３の装置は、ガスの蓄積が回避されていて爆発性混合体が発生し得ないことにより、より容易に管理することができる。

本発明を実施するためのある格別の装置を示す図である。 図１の装置を使用した実験によって得られたグラフであって、高電圧パルスの数（ｎ）の関数として発生ガス量（単位：％）の変化を示している。 本発明を実施するための他のタイプの格別の装置を示す図である。

符号の説明

１ 反応容器
２ アース電極
３ 高電圧源
４ 高電圧電極
５ 放射性グラファイト
６ 水（水を含有した媒体）
７ 発生ガス
９ ガス検出器

Claims (9)

1. 放射性物質によって汚染された放射性グラファイトの処理方法であって、
   前記放射性グラファイトを、水を含有した媒体内に浸漬し；
   電気アークを発生させ得るような、かつ、水分子の結合を破壊し得るような、かつ、前記グラファイトの炭素−炭素結合を破壊し得るような、十分に大きなエネルギーを有した高電圧パルスを、前記放射性グラファイトに対して印加し；
   この高電圧パルスの数を、前記グラファイトをガスへと変換し得るものとして、決定する；
   ことを特徴とする処理方法。
2. 請求項１記載の処理方法において、
   前記高電圧パルスのエネルギーを、１００Ｊ〜１００ｋＪとすることを特徴とする処理方法。
3. 請求項１または２記載の処理方法において、
   前記高電圧パルスの持続時間を、２００ｎｓ〜１００μｓとすることを特徴とする処理方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の処理方法において、
   前記高電圧パルスの周波数を、１〜１０００Ｈｚとすることを特徴とする処理方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の処理方法において、
   水を含有した前記媒体を、少なくとも１つのラジカル安定化触媒を含有したものとすることを特徴とする処理方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の処理方法において、
   前記発生ガスを使用するという目的で、前記発生ガスの排出を行うことを特徴とする処理方法。
7. 請求項６記載の処理方法において、
   前記発生ガスの前記排出を、不活性ガスを連続的に供給することによって行うことを特徴とする処理方法。
8. 請求項７記載の処理方法において、
   前記不活性ガスを、窒素とすることを特徴とする処理方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の処理方法において、
   水を含有した前記媒体を処理するステップを行うことを特徴とする処理方法。

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