JP2009121940A - 放射性廃棄物の固型化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】硫酸ナトリウムを含有する固体状の放射性廃棄物と、固型化材と、水とを混練した混練物の粘性を低下させる。
【解決手段】硫酸ナトリウムを含有する固体状の放射性廃棄物４と、固型化材１７と、水とを混練して固型化する放射性廃棄物の固型化方法において、水に炭酸水素イオンを溶解させ、この炭酸水素イオンが溶解した水と放射性廃棄物４とを混練した後に、固型化材１７を加えて混練することにより、単に水と放射性廃棄物と固型化材とを混練する場合に比べて、混練物の粘性を低下させることができる。その結果として、多量の放射性廃棄物をドラム缶５に充填することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力発電所や原子力関連施設から発生する硫酸ナトリウムを含有する固体状放射性廃棄物を、セメントなどの固型化材と混練してドラム缶などの固型化容器内に固型化する方法に係り、特に、混練物の粘性を低下させる技術に関する。

原子力発電所などの原子力関連施設では硫酸イオンを含有する低レベル放射性廃液が発生するので、施設にて処理を施した上で保管している。その際、一部の施設では廃液を乾燥して粉末やペレットなどの固体状として保管している。この処理過程で薬品が添加され、粉末やペレットの主成分は硫酸ナトリウムとなる。

一方、施設で保管している放射性廃棄物は、固型化容器内にセメントなどの固型化材を用いて固めた上で、放射性廃棄物処分場に埋設されることになっている。上述した硫酸ナトリウムを含有する粉末状あるいはペレット状の放射性廃棄物も、固型化容器内で固型化材と混練して、硬化させることが知られている(例えば、特許文献１参照)。

特開平１０−１５３６８９号公報

ところで、限られた処分場を有効に利用するために、固型化容器にできるだけ多くの放射性廃棄物を充填して、スペース効率を高めることが求められているところ、特許文献１に記載の放射性廃棄物の固型化はこの点について考慮がなされていない。

すなわち、単に固型化容器に放射性廃棄物を多く充填すると、固型化容器の容積は容器に応じて定まっているので、相対的に放射性廃棄物以外の固型化材及び混練に必要な水の割合が少なくなる。特に、水が少なくなると混練物の粘性が高くなり、（１）混練物の均一性が悪くなる、（２）混練物が移動し難くなり固型化容器への移送が困難になる、（３）混練に使用した設備（例えば撹拌翼など）に混練物が多量に付着し、付着した混練物を洗浄するのに手間を要するようになる、といった問題が生じる。

したがって、固型化容器になるべく多くの放射性廃棄物を充填するためには、混練物の粘性を低くする必要がある。

本発明は、硫酸ナトリウムを含有する固体状の放射性廃棄物と、固型化材と、水とを混練した混練物の粘性を、各成分の混合割合を変えることなく低下させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の放射性廃棄物の固型化方法は、硫酸ナトリウムを含有する固体状の放射性廃棄物と、固型化材と、水とを混練して固型化するものであって、水に炭酸水素イオンを溶解させ、この炭酸水素イオンが溶解した水と放射性廃棄物とを混練した後に、固型化材を加えて混練することを特徴とする。

このように、炭酸水素イオンが溶解した水と放射性廃棄物とを混練した後に固型化材を加えて混練することにより、単に水と放射性廃棄物と固径化材とを混練する場合に比べて、混練物の粘性を低下させることができる。その結果、固型化容器により多くの放射性廃棄物を充填することができ、スペースに限りのある処分場を有効に利用することができる。

すなわち、硫酸ナトリウム廃液を乾燥して得られる放射性廃棄物の粉末の粒径は数μｍから数十μｍの範囲であることが多く、セメントなどの固型化材の粒子の大きさも１０μｍ程度である。一般に、数μｍから数十μｍの範囲の粉体と水を混練した場合、同じ重量割合で混練しても粒径が細かい粉末ほど混練物の粘性が高くなることが知られている。一方、粉末が押し固められたペレット状の放射性廃棄物の場合には、粉末状の放射性廃棄物の場合に比べて混練物の粘性は低くなるが、硫酸ナトリウムの溶解性が高いという化学的性質により、混練とともにペレットが解け、結局は粒径の細かい粉末として混練されて粘性が高くなる。

本発明では、放射性廃棄物を炭酸水素イオンが溶解した水と混練し、その後固型化材を加えて混練することにより、ペレット状の放射性廃棄物が解けることを抑制することができると考えられ、その結果、混練物の粘性を低下させることができると考えられる。

なお、廃液を乾燥して得られる放射性廃棄物の粉末の大きさは、廃液に含まれる硫酸ナトリウムの濃度、不純物の濃度、乾燥処理装置の状態といった様々な要因が関連しており、事前に予測することは難しい。また、数μｍから数十μｍの範囲の放射性廃棄物の粉末の大きさを調べるには専用の設備を必要とするし、仮に作製した粉末の大きさを大きくするための処理を施すにも専用の設備を必要とする。

この点、本発明によれば、そのような専用の設備などを用いることなく、簡便な方法で、混練物の粘性を低下させることができる。したがって、放射性廃棄物の粉末とペレットとの割合が異なったり、又は粉末の大きさが異なったりして、固型化材との混練物の粘性がばらつき、粘性が高くなった場合でも、粘性が低い場合と同程度の充填量を確保して放射性廃棄物を固型化することができる。

また、上述の放射性廃棄物の固型化は、いわゆるインドラム方式を用いて、固型化容器内で炭酸水素化合物と水とを混練し、次に放射性廃棄物を加えて混練し、さらに固型化材を加えて混練してもよい。また、いわゆるアウトドラム方式を用いて、混練容器内で炭酸水素化合物と水とを混練し、次に放射性廃棄物を加えて混練し、さらに固型化材を加えて混練し、混練物を固型化容器に充填してもよい。

また、炭酸水素化合物と水とを混練する際に、ｐＨ調整剤として放射性廃棄物及び固型化材を加えた後の混練物のｐＨを９以下に保つことが可能な化合物を加えることが望ましい。

つまり、炭酸水素化合物を水に溶解させても、放射性廃棄物の他の化学成分や固型化材により水溶液のｐＨが高くなると、炭酸水素イオンはこれに従って炭酸イオンに変化して炭酸水素イオン濃度は低くなる。混練物の粘性率は炭酸水素イオン濃度に依存するので、水溶液のｐＨが高くなるにつれて混練物の粘性は高くなる。

これに対して、炭酸水素イオンが溶解した水にｐＨ調整剤加えてｐＨを９以下に保つことにより、炭酸水素イオン濃度が低下することを抑制することができ、混練物の粘性を低く保つことができる。

また、放射性廃棄物の混練は、混練物の温度を４０℃以上に保ちながら行うようにするのが望ましい。つまり、廃棄物の主成分である硫酸ナトリウムは温度約３２℃以下では、硫酸ナトリウム１０水塩として存在するようになり、混練物中の水が硫酸ナトリウム１０水塩に取り込まれて水割合が少なくため、粘性が高くなる。したがって、混練物の温度を硫酸ナトリウム１０水塩が形成されない程度に、実用的には４０℃以上に保つことが望ましい。

本発明によれば、硫酸ナトリウムを含有する固体状の放射性廃棄物と、固型化材と、水とを混練した混練物の粘性を、各成分の混合割合を変えることなく低下させることができる。

以下、本発明の放射性廃棄物の固型化方法の実施例を、図１〜図８を用いて説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。

図１は、本発明による放射性廃棄物の固型化方法の実施例１の処理手順を示す図である。

手順１：硫酸イオンを含有し廃液タンク１に保管されていた放射性廃液を、乾燥機２により加熱処理して、硫酸ナトリウムを主成分とする粉末状及びペレット状を含む固体状の放射性廃棄物４を作製する。固体状の放射性廃棄物４は、保管容器３に蓄えられる。固体状の放射性廃棄物４は、処理の進行状況に応じて、複数の保管容器３に一時的に保管しておくことができる。

手順２：固型化容器として２００Ｌドラム缶５を用い、空の２００Ｌドラム缶５に６０℃の温水を投入し、炭酸水素化合物を加え、例えば撹拌翼６により混練し、炭酸水素イオン溶解液７を作製する。炭酸水素化合物としては、炭酸水素ナトリウム塩や炭酸水素ナトリウムと炭酸ナトリウムの複塩を用いることができる。

手順３：炭酸水素イオン溶解液７の入った２００Ｌドラム缶５を放射性廃棄物投入場所に搬送し、一時的に保管していた固体状の放射性廃棄物４を炭酸水素イオン溶解液７の入った２００Ｌドラム缶５に投入する。

手順４：２００Ｌドラム缶５を混練設備のある場所まで再び搬送し、撹拌翼６を用いて固体状の放射性廃棄物４と炭酸水素イオン溶解液７とを混練する。これにより、放射性廃棄物４と炭酸水素イオン溶解液７との中間混練物８が生成される。

手順５：固型化材を加えて再び混練し、固型化材が均一に分散した混練物であるペースト９とする。撹拌翼６を抜いて養生すると、２００Ｌドラム缶５を容器とした固化体１０が得られる。

手順６：ペースト９から抜き出した撹拌翼６には、ペーストの残留物が付着しているので、洗浄する。固型化処理を繰り返す場合は、炭酸水素ナトリウムを入れた２００Ｌドラム缶５を混練設備に搬送し、温水１１を撹拌翼６に吹き付けるなどして、撹拌翼６に付着していたペースト９の残留物を落とす。

手順６の後には、炭酸水素イオンが溶解した温水が得られるので、２００Ｌドラム缶５を放射性廃棄物投入場所に搬送し、手順３以降を繰り返す。

図２は、実施例１及び比較例１における固化体の成分を対比して示す図表である。図表は、本実施例１及び比較例１における放射性廃棄物、炭酸水素ナトリウム、固型化材、温水の重量を示している。固型化容器として２００Ｌドラム缶を使用しているので、図２に示した配合は、固化体１０の容積がおおよそ１８０〜１９０Ｌとなるように定めたものである。

図３は、実施例１、比較例１、比較例２における処理手順及びペースト粘性率を対比して示す図表である。比較例１は、炭酸水素イオン溶解液を使用しない場合、比較例２は、炭酸水素イオン溶解液を使用するが、温水と放射性廃棄物を混連した後に炭酸水素ナトリウムを投入して炭酸水素イオン水溶液とする場合である。

固型化材を投入し混練して得られるペースト９の粘性は、Ｃ型粘度計で測定した。本実施例のペーストの粘性率が４〜５Ｐａ・ｓであるのに対して、炭酸水素イオン溶解液を使用しない場合や、温水と放射性廃棄物を混連した後に炭酸水素ナトリウムを投入して炭酸水素イオン水溶液とする場合のペーストの粘性率は約２０Ｐａ・ｓとなる。粘性率が２０Ｐａ・ｓでは、手順５で固型化材を均一に分散させることが困難になる。

固型化材が不均一に分散していると、固化体内部で固型化材のある場所とない場所が局所的に存在するので、固化体が脆くなる。これに対して、本実施例の場合、ペーストの粘性率が４〜５Ｐａ・ｓであるので固型化材を均一に分散させることができる。

図４は、本実施例で添加する炭酸水素ナトリウムの重量％とペースト粘性率との関係を示す図である。縦軸がペーストの粘性率を示し、横軸は固体状の硫酸ナトリウムを主成分とする放射性廃棄物の充填量に対する炭酸水素ナトリウムの重量％を示している。

本実施例においては、炭酸水素ナトリウムの重量割合が約４％以上のとき、ペーストの粘性率は約５Ｐａ・ｓとなり最も低くなる。なお、ペーストの粘性率は、例えば約１０Ｐａ・ｓ以下であればよいので、加える炭酸水素ナトリウムの量は４％以上に限定されない。

実用的には、２％以上から１０数％以下の範囲となる。粘性率を低下させる効果は、温水に溶解している炭酸水素ナトリウムによりもたらされるので、飽和溶解度以上の炭酸水素ナトリウムを加えても、粘性率の低下の度合いが増すことはない。飽和溶解度は、温水の温度に依存し、本実施例の６０℃では、温水９５ｋｇに溶解する炭酸水素ナトリウムは、約１３ｋｇであり、炭酸水素ナトリウムの重量割合は、放射性廃棄物が２００ｋｇなので、６．５％となる。

飽和溶解度より過剰分の炭酸水素ナトリウムは、固体として存在するので、その分だけ混練物の容積が多くなり、固化体の容積も多くなる。１０％程度の容積増量は許容されることもあるので、加える炭酸水素ナトリウムの上限は１０数％ということになる。しかし、特に限定されるものではない。

また、温水の温度に関しても限定されるものではない。例えば、ペーストの粘性率が１０Ｐａ・ｓ以下となるのは、炭酸水素ナトリウムの重量割合２％であり、放射性廃棄物２００ｋｇから炭酸水素ナトリウム４ｋｇが溶解すればよい。

ただし、廃棄物の主成分である硫酸ナトリウムは、温度約３２℃以下では、硫酸ナトリウム１０水塩として存在するようになる。言い換えると、ペースト中の水が硫酸ナトリウム１０水塩に取り込まれて水割合の少ないペーストとなり、粘性が高くなる。したがって、混練物の温度は硫酸ナトリウム１０水塩が形成されない程度に、例えば温水の温度を調整したり、外部加熱をしたりして、実用的には４０℃以上に保つことが望ましい。

なお、本実施例で使用した硫酸ナトリウムを主成分とする放射性廃棄物の粉末の粒径をレーザー回折式粒度計で測定すると約５μｍであった。粉末の粒径は、手順１における廃液に含まれる硫酸ナトリウムや不純物の濃度、乾燥機の据付時のセッティング、操作条件などの様々な要因に依存する。このため、全ての硫酸ナトリウムを主成分とする放射性廃棄物で、炭酸水素イオン溶解液を使用しない場合のペーストの粘性率が約２０Ｐａ・ｓであるということではない。

例えば、炭酸水素イオン溶解液を使用しない場合でもペーストの粘性率が７Ｐａ・ｓ程度と粘性の低い廃棄物も存在する。この廃棄物の粉末の粒径は１０μｍ以上であった。ただし、粘性が低い廃棄物に本発明を適用しても、炭酸水素ナトリウムを使用しない場合のペーストの粘性率より低い粘性率となるだけで何ら問題は生じない。

すなわち、本発明は、一時保管されている固体状の硫酸ナトリウムを主成分とする放射性廃棄物の粉末の粒径や、炭酸水素イオン溶解液を使用しない場合の廃棄物の粉末粒径に起因するペーストの粘性率を気にすることなく、全ての廃棄物に適用できる。

本発明の特徴は、水と例えば炭酸水素ナトリウムなどを混練して水に炭酸水素イオンを溶解させ、この炭酸水素イオンが溶解した水と放射性廃棄物とを混練した後に、固型化材を加えて混練することにあるので、どのような装置を用いて混練してもよい。

本実施例によれば、炭酸水素イオン溶解液を使用しない場合にはペーストの粘性率が約２０Ｐａ・ｓと高くなるような粉末状の硫酸ナトリウムを主成分とする放射性廃棄物であっても、粘性率を４〜５Ｐａ・ｓに低下させることができ、２００Ｌドラム缶当り２００ｋｇの放射性廃棄物の充填量を確保できる。

なお、本実施例では、温水と炭酸水素ナトリウムを混練した後に放射性廃棄物を投入して混連し、その後固型化材を投入して混連する例を示したが、温水と炭酸水素ナトリウムと放射性廃棄物を投入して混連し、その後固型化材を投入して混連してもよい。

実施例２が実施例１と異なる点は、固化体の成分が異なることと、水にｐＨ調整剤を加えることなので、固型化方法の処理手順の説明は省略する。

図５は、実施例２及び比較例３における固化体の成分を対比して示す図表である。実施例１より固型化材が多く、水が少ない。この成分における混練物の粘性を図６に示す。ｐＨ調整剤を使用しない比較例３のペースト粘性率は、図３に示した実施例１の粘性率よりも高い値となった。これに対して、ｐＨ調整剤を加えた本実施例２の粘性率は２〜４Ｐａ・ｓと低い値とすることができた。図７を用いて本実施例２の粘性率が低くなる理由を説明する。

図７は温度５０℃の水溶液中における炭酸化学種の存在割合を示す図である。炭酸水素化合物を溶解させても、放射性廃棄物の他の化学成分や固型化材により水溶液のｐＨが変化すると、炭酸水素イオンは水溶液のｐＨに従って炭酸イオンに変化する。なお、二酸化炭素ガスはｐＨの変化に関わらず、ほとんど発生しない。

炭酸水素イオン溶解液を使用した比較例３の混練物のｐＨ変化を説明する。炭酸水素イオン溶解液に放射性廃棄物を加えて混練物のｐＨが９程度になると、炭酸水素イオンの化学形態を保つのは元の８０％程度になる。混練物の粘性率は炭酸水素イオン濃度に依存するので、炭酸水素イオンが減じた分だけ混練物の粘性は高くなる。

さらに固型化材としてセメントを加えると混練物のｐＨは混練とともに徐々に高くなり十分に時間が経つと１２以上となる。このとき炭酸水素イオンはほぼなくなり、混練物の粘性は炭酸水素イオン溶解液を使用した効果が喪失され、粘性は高くなる。図６の比較例３の混練物の粘性率は混練物のｐＨが変化している途中のもので、時間が経てばさらに粘性は高くなる。

これに対して炭酸水素イオン溶解液にｐＨ調整剤加えた本実施例２の混練物のｐＨは、放射性廃棄物や固型化材を加えた後でも、約８．４で一定である。すると、比較例３と異なり、炭酸水素イオン濃度が低下しないので、混練物の粘性を低く保つことができる。

本発明に用いるｐＨ調整剤は、放射性廃棄物や固型化材を加えた後の混練物ｐＨを炭酸水素イオンが存在可能な程度に低く保つことができるものであれば何でも良い。例えば、弱酸と強塩基の無機化合物や有機酸と強塩基の有機酸化合物を用いることができる。また、１種類の化合物である必要はなく、複数の化合物であっても良い。加えるｐＨ調整剤の量は、使用するｐＨ調整剤の種類に応じて、固型化材を加えた後の混練物のｐＨを炭酸水素イオンが存在可能な程度に低く保つことができる量にする。実用上はｐＨ９以下となるように予め加えるｐＨ調整剤の量を確認しておけば良い。

本実施例によれば、炭酸水素イオン溶解液にｐＨ調整剤を加えることで、炭酸水素イオン濃度が低下することを抑制することができ、混練物の粘性を低く保つことができる。

図８は、本発明による放射性廃棄物の固型化方法の実施例３における処理手順を示す図である。

いわゆるインドラム方式の混練手順を採用した実施例１に対して、本実施例３は、アウトドラム方式の混練手順を採用している。固体状の硫酸ナトリウムを主成分とする放射性廃棄物４は、実施例１と同様に、一時的に保管されている。炭酸水素ナトリウム１３は、添加剤サイロ１２に入れられ、温水１１は、温水タンク１４に入れられ、固型化材１７は固型化材サイロ１６に入れられている。

まず、混練容器１８に温水１１を投入し、炭酸水素ナトリウム１３を投入して撹拌翼６で混練する。そして、固体状の硫酸ナトリウムを主成分とする放射性廃棄物４を投入して混練する。その後、固型化材１７を投入して混練する。混練終了後に、ペースト９を２００Ｌドラム缶５に注入する。

本実施例においても、図２に示した成分の場合、固型化材を加える前に炭酸水素ナトリウムを溶解させた温水と硫酸ナトリウムを主成分とする放射性廃棄物とを混練しているので、図３に示したようにペーストの粘性率を４〜５Ｐａ・ｓと低く抑制することができる。

その結果、炭酸水素ナトリウムを使用しない場合の粘性率が約２０Ｐａ・ｓのペーストではハンドリングが悪く、配管を通して２００Ｌドラム缶にペーストを注入することはできなかったのに対して、本実施例によれば、配管を通してペーストを２００Ｌドラム缶にスムーズに注入することができた。

本発明による放射性廃棄物の固型化方法の実施例１における処理手順を示す図である。 本発明の実施例１と実施例３、比較例１における固化体の成分を対比して示す図表である。 本発明の実施例１と実施例３、比較例１、比較例２における処理手順及びペースト粘性率を対比して示す図表である。 本発明の実施例１と実施例３で添加する炭酸水素ナトリウムの重量％とペースト粘性率との関係を示す図である。 本発明の実施例２、比較例３における固化体の成分を対比して示す図表である。 本発明の実施例２、比較例３における処理手順及びペースト粘性率を対比して示す図表である。 温度５０℃における炭酸水素化学種の存在割合と水溶液のｐＨとの関係を示す図である。 本発明による放射性廃棄物の固型化方法の実施例３における処理手順を示す図である。

符号の説明

１ 廃液タンク
２ 乾燥機
３ 保管容器
４ 放射性廃棄物
５ ドラム缶
６ 撹拌翼
７ 炭酸水素イオン溶解液
８ 中間混練物
９ ペースト
１０ 固化体
１１ 温水
１２ 添加剤サイロ
１３ 炭酸水素ナトリウム
１４ 温水タンク
１６ 固型化材サイロ
１７ 固型化材
１８ 混練容器

Claims (8)

1. 硫酸ナトリウムを含有する固体状の放射性廃棄物と、固型化材と、水とを混練して固型化する放射性廃棄物の固型化方法において、
   前記水に炭酸水素イオンを溶解させ、該炭酸水素イオンが溶解した水と前記放射性廃棄物とを混練した後に、前記固型化材を加えて混練することを特徴とする放射性廃棄物の固型化方法。
2. 請求項１の放射性廃棄物の固型化方法において、固型化容器内で炭酸水素化合物と水とを混練し、次に放射性廃棄物を加えて混練し、さらに固型化材を加えて混練する放射性廃棄物の固型化方法。
3. 請求項１の放射性廃棄物の固型化方法において、混練容器内で炭酸水素化合物と水とを混練し、次に放射性廃棄物を加えて混練し、さらに固型化材を加えて混練し、混練物を固型化容器に充填する放射性廃棄物の固型化方法。
4. 請求項２又は３の放射性廃棄物の固型化方法において、前記炭酸水素化合物の重量割合が、前記放射性廃棄物の重量の２％以上である放射性廃棄物の固型化方法。
5. 請求項２又は３の放射性廃棄物の固型化方法において、炭酸水素化合物と水とを混練する際にｐＨ調整剤を加えることを特徴とする放射性廃棄物の固型化方法。
6. 請求項５の放射性廃棄物の固型化方法において、前記ｐＨ調整剤が放射性廃棄物及び固型化材を加えた後の混練物のｐＨを９以下に保つことが可能な化合物であることを特徴とする放射性廃棄物の固型化方法。
7. 請求項２から６のいずれか１項の放射性廃棄物の固型化方法において、炭酸水素化合物が炭酸水素ナトリウム塩もしくは炭酸水素ナトリウムと炭酸ナトリウムの複塩である放射性廃棄物の固型化方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項の放射性廃棄物の固型化方法において、前記放射性廃棄物の混練は、混練物の温度が４０℃以上に保たれるようにして行われる放射性廃棄物の固型化方法。

Images