JP2010107450A - 使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】原子力施設から発生した使用済みイオン交換樹脂を容易に分離処理することのできる使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理システムを提供する。
【解決手段】原子力施設から発生する使用済みイオン交換樹脂を分解し、又は前記使用済みイオン交換樹脂から核種を溶離した廃液を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理方法において、前記廃液に含まれるハロゲンを分離するハロゲン除去工程と、ハロゲン除去工程の後に前記廃液に含まれるアンモニアを分離するアンモニア除去工程と、前記アンモニア除去工程の後に前記廃液に含まれる遷移金属を分離する遷移金属除去工程と、前記遷移金属除去工程の後に前記廃液に含まれるアルカリ金属を分離するアルカリ金属除去工程とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力施設から発生する使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理システムに関する。

原子力施設の運転廃棄物の１つに、炉水浄化系に用いられたイオン交換樹脂（使用済みイオン交換樹脂）がある。これらは、多量の放射性核種を吸着していることから被ばくへの寄与が大きく、余裕深度処分対象廃棄物としての処理が検討されている。しかしながら、余裕深度処分対象廃棄体は、処分費用が大きいため、使用済みイオン交換樹脂のすべてを余裕深度処分対象廃棄体として処分すると、処分費用の増大を招くという問題点がある。

このため、使用済みイオン交換樹脂の処理・処分に当たっては、処分に先立ち、処分対象廃棄物の減容を目的とした技術の開発が行われている。これらの一例として、スチームリフォーマ処理、ＩＣプラズマによる焼却があるが、これらの処理技術には、減容後廃棄物のほぼ全量が、余裕深度処分対象となるという問題点がある。

一方、使用済みイオン交換樹脂を超臨界水（あるいは亜臨界水等の高温高圧水）で完全に分解処理し、放射性核種は溶液の中に閉じ込める技術も開発されている。分解後の溶液については、（アルミナセメントによる）セメント固化の適用も想定できる。この場合、分解後の溶液の放射性核種の化学分離操作が可能であるため、分離操作を行った後、余裕深度処分対象廃棄物とそれ以外といった、放射能のレベルごとに分けて処分することが可能であり、余裕深度処分廃棄物の減容に効果的と考えられる。このため、より合理的、経済的な処理をするために、これまでに分解後の溶液中の放射性核種を分離除去する方法が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、従来の方法では、核種分離プロセスが複雑であることから、機器が大型化・複雑化するなどの課題があった。
特許第４０１８２５３号公報

上記したとおり、従来提案されている使用済みイオン交換樹脂の処理技術においては、核種分離プロセスが複雑であることから、処理機器が大型化・複雑化するなどの課題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、処理機器の大型化・複雑化を招くことなく、原子力施設から発生する使用済みイオン交換樹脂を容易に分離処理することのできる使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理システムを提供しようとするものである。

本発明の使用済みイオン交換樹脂の処理方法の一態様は、原子力施設から発生した使用済みイオン交換樹脂を分解し、又は前記使用済みイオン交換樹脂から核種を溶離した廃液を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理方法において、前記廃液に含まれるハロゲンを分離するハロゲン除去工程と、前記ハロゲン除去工程の後に前記廃液に含まれるアンモニアを分離するアンモニア除去工程と、前記アンモニア除去工程の後に前記廃液に含まれる遷移金属を分離する遷移金属除去工程と、前記遷移金属除去工程の後に前記廃液に含まれるアルカリ金属を分離するアルカリ金属除去工程とを具備したことを特徴とする。

本発明の使用済みイオン交換樹脂の処理システムの一態様は、原子力施設から発生した使用済みイオン交換樹脂を分解し、又は前記使用済みイオン交換樹脂から核種を溶離した廃液を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理システムにおいて、前記廃液に含まれるハロゲンを除去するハロゲン除去手段と、前記ハロゲン除去手段によってハロゲンを除去した後、前記廃液に含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去手段と、前記アンモニア除去手段によってアンモニアを除去した後、前記廃液に含まれる遷移金属を分離する遷移金属除去手段と、前記遷移金属除去手段によって遷移金属を除去した後、前記廃液に含まれるアルカリ金属を分離するアルカリ金属除去手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、処理機器の大型化・複雑化を招くことなく、原子力施設から発生する使用済みイオン交換樹脂を容易に分離処理することのできる使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理システムを提供することができる。

以下、本発明の使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理システムの詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態である使用済みイオン交換樹脂の処理方法の概念を示す図である。

使用済みイオン交換樹脂を超臨界水などの高温高圧水で処理した後に発生する廃液は、樹脂成分の分解物である硫酸イオン、アンモニウムイオンなどを主成分とする酸性溶液で、これに、Ｉ−１２９、Ｃｓ−１３７（燃料破損によって炉水に遊離）、あるいはＣｏ−６０、Ｎｉ−５８、Ｎｉ−６３（原子炉材料の腐食生成物）等、高線量率をもたらす核種を含有している。

本実施形態では、これらの核種に対して、適切な分離・除去方法を連続的に組み合わせて行うことにより、より合理的・効果的に使用済みイオン交換樹脂を分離処理することのできる使用済みイオン交換樹脂の処理方法を提供する。具体的には、（１）ｐＨ、酸化還元電位制御、（２）ｐＨ制御、（３）晶析共沈（スラッジ生成）、（４）無機吸着材への暴露を連続的に行うことで、Ｉ−１２９、Ｎｉ−５８、Ｎｉ−６３、Ｃｏ−６０、Ｃｓ−１３７を、効率的に分離、除去する。これにより、簡単な処理プロセスで、放射能レベルごとに廃棄物を分けることが可能となる。

すなわち、図１に示すように、本実施形態では、まず、原子力施設から発生した使用済みイオン交換樹脂を超臨界水などの高温高圧水で処理した後に発生する廃液である樹脂酸化分解液１０の液性（ｐＨ、電位）制御による揮発性形態への変化によって、気相への追い出しを図るハロゲン除去工程３０でＩ−１２９を除去する。

次に、廃液中に含まれるアンモニアを、ｐＨ制御によるアンモニアストリッピングなどにより除去するアンモニア除去工程４０を行った後、廃液中に含まれる遷移金属を、鉄イオンを用いた晶析共沈によって、スラッジとして除去する遷移金属除去工程５０でＮｉ−５８、Ｎｉ−６３、Ｃｏ−６０、Ｓｒ−９０を除去する。

次に、廃液中に含まれるアルカリ金属（例えばセシウム（Ｃｓ））を吸着剤に吸着させて除去するアルカリ金属（セシウム（Ｃｓ））除去工程７０によって、Ｃｓ−１３７を除去する。

上記のように、樹脂酸化分解液１０について、ハロゲン除去工程３０、アンモニア除去工程４０、遷移金属除去工程５０、及びアルカリ金属（セシウム（Ｃｓ））除去工程７０を順次実施することによって、簡単な処理プロセスで放射能レベルごとに廃棄物を分離して処理することができる。なお、使用済みイオン交換樹脂から核種を溶離した廃液を処理する場合についても、同様にして簡単な処理プロセスで放射能レベルごとに廃棄物を分離して処理することができる。

図２は、模擬廃液のｐＨを１としたうえで、酸化還元電位を０．７５Ｖに制御したときと、１．５Ｖに制御したときの液相中ヨウ素の残存率変化を調べた結果を示したグラフであり、縦軸が残存率、横軸が処理時間を示している。図２に示されるように、液相の酸化還元電位によって液相中ヨウ素濃度の低減挙動が異なることがわかった。より詳細に分析した結果、液相ｐＨ＝１〜３の条件で酸化還元電位を０．６〜１．１Ｖとすることで、液相中に溶解しているヨウ素量を最小にでき、より効率的にヨウ素を除去できることがわかった。

使用済みイオン交換樹脂の樹脂酸化分解液１０は、ｐＨ約１程度の強酸性を呈することが報告されている。そのため、使用済みイオン交換樹脂の樹脂酸化分解液１０を、まずハロゲン除去工程３０に供給すれば、ｐＨを制御する必要はなく、酸化還元電位の制御のみでヨウ素（Ｉ−１２９）の追い出しが可能になる。このことから、本プロセスは、使用済みイオン交換樹脂の樹脂酸化分解液１０を処理する際の最前段に設置することが望ましい。

表１は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｒに対する晶析共沈処理の結果として、これら金属の除染係数（ＤＦ）を調査した結果をまとめて示したものである。この調査では、遷移金属を含有させた模擬廃液に二価の鉄イオンを添加し、空気ガスを吹き込んでフェライトを生成させ、この処理に対する夾雑物、温度等の影響を試験的に確認した。この結果、温度６０〜７０℃、ｐＨ１０〜１２、アンモニアの共存がない条件で、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｒを効率的に除去できることがわかった。

従って、本プロセスによってＣｏ、Ｎｉ、Ｓｒなどの遷移金属を除去する前に、廃液からアンモニアを除去する必要がある。このため、遷移金属除去工程（晶析共沈プロセス）５０の前段、ハロゲン除去工程３０の後段に、アンモニア除去工程４０を加えることが望ましい。なお、具体的なアンモニア除去工程としては、アンモニアストリッピング法などが挙げられる。アンモニアストリッピング後の廃液は、アルカリ性を呈していることから、当該廃液に直接二価の鉄イオンを投入し、空気によるバブリングを行えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｒを含んだフェライトが生成され、これらの核種はスラッジとして除去することができる。

表２は、無機系吸着剤を用いたときのＣｓ除去効率（除染係数（ＤＦ））を確認した結果を示したものである。無機系吸着剤として、ＡＭＰ（リンモリブデン酸アンモニウム）、ＫＣＦＣ（フェリシアン化コバルトカリウム）を用い、Ｃｓ除去に対するｐＨ影響、夾雑イオン（アンモニア）影響等を調べた。両吸着剤ともに、効率的にＣｓを吸着除去することが可能であった。ただし、Ｃｓ除去性能は、低ｐＨ、アンモニア共存条件では低下することが明らかとなった。これらのことから、本プロセスは、樹脂酸化分解液（低ｐＨ、アンモニア共存）１０に直接適用することは困難であることがわかる。したがって、アンモニア除去後、高ｐＨ条件となる遷移金属除去工程（晶析共沈プロセス）５０の後にアルカリ金属（セシウム）除去工程７０を実施することが望ましい。

また、当該条件に想定される液性（アルカリ性）条件では、ＡＭＰは溶解性を呈するため、Ｃｓ除去には使用できない。したがって、吸着剤としては、ＫＣＦＣを使用することがより望ましく、これにより、特に煩雑な液性制御を回避できるという利点がある。

図３は、上記使用済みイオン交換樹脂の処理方法の実施形態にて述べたプロセスの組み合わせを、使用済みイオン交換樹脂の処理システムとして展開した実施形態の構成を示す図である。

図３に示すイオン交換樹脂の処理システムには、初段の処理工程であるハロゲン除去工程を行うためのハロゲン除去手段及びアンモニア除去手段を構成するハロゲン・アンモニア除去槽３３３が設けられており、このハロゲン・アンモニア除去槽３３３の後段には遷移金属の除去手段を構成する晶析共沈槽３５１、この晶析共沈槽３５１の後段には、アルカリ金属の除去手段を構成するＣｓ吸着塔３７１が設けられている。

また、イオン交換樹脂の処理システムの入り口部分には、廃液タンク３３１が設けられており、使用済みイオン交換樹脂の樹脂酸化分解液（廃液）をこの廃液タンク３３１に受けるようになっている。廃液タンク３３１に受けた廃液は、ハロゲン・アンモニア除去槽３３３に移送する。当該廃液に、鉄クラッドなどのスラッジが少量含有される可能性があることを考えると、この移送処理にはポンプ等を用いることは避け、重力圧送等の方式を適用することが望ましい。

ハロゲン・アンモニア除去槽３３３に移送された廃液に、ＮａＯＨタンク３３５から水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を、Ｈ₂Ｏ₂タンク３３７から過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）を滴下してｐＨ・電位制御を行い、ハロゲン・アンモニアをそれぞれ除去する。そして、除去されたハロゲンガスは、ハロゲンフィルタ３４１で気体中から除かれ、除去されたアンモニアは、アンモニアフィルタ３４３で気体中から除かれる。なお、ハロゲン・アンモニア除去槽３３３には、攪拌機３３６、ヒーター３３２、空気ポンプ３３９が設けられている。ここで、除去されたハロゲンガスは、ＮａＯＨなどのアルカリ性溶液を用いた気相洗浄装置などで処理することが可能である。

引き続き、ハロゲン・アンモニア除去後の廃液を、後段の受けタンク３４５に移送し、これをさらに晶析共沈槽３５１に移送する。晶析共沈槽３５１に移送された当該廃液に、二価鉄イオンを供給するため、ＦｅＳＯ₄タンク３５３からＦｅＳＯ₄を投入する。その上で、温度制御を行いながら、酸素（空気）撹拌し、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｒを含むフェライトを生成させる。なお、晶析共沈槽３５１には、ヒーター３５５、攪拌機３５７、磁石３５２が設けられている。

生成後のフェライトと上澄みは、固液分離によって分離される。そして、生成フェライトは、余裕深度処分対象廃棄物としてスラッジタンク３５９に回収し、上澄みは、後段のＣｓ吸着塔３７１に移送する。なお固液分離方法としては、フィルターろ過法の他、フェライトが磁性を有する物質であることから、磁石３５２を用いるデカンテーション法等の適用も可能である。このうち、磁石を用いたデカンテーション法は、廃棄物量削減に有効な手法と考えられる。

当該処理後の上澄みは、後段のＣｓ吸着塔３７１に移送される。Ｃｓ吸着塔３７１には、Ｃｓ吸着剤ＫＣＦＣが充填されており、これに上澄みを通液（＝Ｃｓが効率的に除去されうる）し、通液後の溶液を回収する。なお、Ｃｓを吸着した充填剤は、余裕深度処分対象廃棄物としてスラッジタンク３５９に回収される。

スラッジタンク３５９に回収された２種類の廃棄物（遷移金属含有フェライト、Ｃｓ吸着ＫＣＦＣ）は、比較的放射能レベルの高い、余裕深度処分対象廃棄物に分類される。その一方、最後段のＣｓ吸着塔３７１通液後の溶液は、比較的放射能レベルの低い廃棄物として分類されうる。

これら廃棄物は、それぞれドラム缶３６１、３６４内において、セメント３６０、３６３などのセメント系材料による水和・硬化反応の適用などの適切な固型化材を用いて固型化でき、放射能レベルの異なる廃棄体とすることができる。使用可能なセメント系材料としては、アルミニウム−ケイ酸塩系、カルシウム−ケイ酸塩系などが挙げられる。

このように、本実施態様の使用済みイオン交換樹脂の処理システムによれば、簡単な処理プロセスで、放射能レベルごとに廃棄物を効率的に除去することが可能となる。

図４は、上記イオン交換樹脂の処理システムの変形例の構成を示す説明図である。なお、図４のイオン交換樹脂の処理システムにおいて、図３のイオン交換樹脂の処理システムと対応する部分には、同一符号を付して重複する説明は省略する。

この実施形態のイオン交換樹脂の処理システムでは、ハロゲン・アンモニア除去工程と晶析共沈プロセスとを、時間をずらして一つのハロゲン・アンモニア除去・晶析共沈槽４３３にて実施することで、ハロゲン・アンモニアの除去された廃液を晶析共沈槽に移送する工程を省くことが可能となる。

図５は、さらに他の変形例に係るイオン交換樹脂の処理システムの変形例の構成を示す説明図である。なお、図５のイオン交換樹脂の処理システムにおいて、図３，４のイオン交換樹脂の処理システムと対応する部分には、同一符号を付して重複する説明は省略する。

図５に示すイオン交換樹脂の処理システムでは、ハロゲン・アンモニア除去・晶析共沈槽５３３を、そのまま廃棄体容器として使用する。本イオン交換樹脂の処理システムによれば、晶析共沈プロセスで生成したフェライトをスラッジタンクに移送する工程を省くことが可能となる。当該ハロゲン・アンモニア除去・晶析共沈槽５３３はスラッジタンクを兼ねており、これら３プロセスを繰り返して実施すれば、槽内にスラッジを蓄積し続けることができる。

本発明のイオン交換樹脂の処理方法の一実施形態の工程を説明するための図。 溶液中のヨウ素残存率の変化を示すためのグラフ。 本発明のイオン交換樹脂の処理システムの一実施形態の構成を示すブロック図。 本発明のイオン交換樹脂の処理システムの変形例の構成を示すブロック図。 本発明のイオン交換樹脂の処理システムの他の変形例の構成を示すブロック図。

符号の説明

１０……樹脂酸化分解液，３０……ハロゲン除去工程，４０……アンモニア除去工程，５０……遷移金属除去工程，７０……アルカリ金属除去工程。

Claims (11)

1. 原子力施設から発生した使用済みイオン交換樹脂を分解し、又は前記使用済みイオン交換樹脂から核種を溶離した廃液を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理方法において、
   前記廃液に含まれるハロゲンを分離するハロゲン除去工程と、
   前記ハロゲン除去工程の後に前記廃液に含まれるアンモニアを分離するアンモニア除去工程と、
   前記アンモニア除去工程の後に前記廃液に含まれる遷移金属を分離する遷移金属除去工程と、
   前記遷移金属除去工程の後に前記廃液に含まれるアルカリ金属を分離するアルカリ金属除去工程と
   を具備したことを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
2. 前記ハロゲン除去工程は、前記廃液のｐＨを１〜３、酸化還元電位を０．６〜１．１Ｖに制御することによってハロゲンをガスとして気相に排出することを特徴とする請求項１に記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
3. 前記遷移金属除去工程は、前記廃液に二価鉄化合物を添加することで前記遷移金属を共沈させることを特徴とする請求項１又は２に記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
4. 前記アルカリ金属除去工程は、無機系吸着剤にアルカリ金属を吸着させて分離することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
5. 前記ハロゲン除去工程と、前記アンモニア除去工程と、前記遷移金属除去工程とを同じ反応容器で行い、前記反応容器を廃棄体容器として用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
6. 前記ハロゲン除去工程において発生するハロゲンガスを、アルカリ性溶液を用いる気相洗浄装置により除去することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
7. 前記遷移金属除去工程及び前記アルカリ金属除去工程において発生する固体廃棄物を、アルミニウムのケイ酸塩又はカルシウムのケイ酸塩からなる無機固型化材料と混合し、水和・硬化反応により固型化することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
8. 原子力施設から発生した使用済みイオン交換樹脂を分解し、又は前記使用済みイオン交換樹脂から核種を溶離した廃液を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理システムにおいて、
   前記廃液に含まれるハロゲンを除去するハロゲン除去手段と、
   前記ハロゲン除去手段によってハロゲンを除去した後、前記廃液に含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去手段と、
   前記アンモニア除去手段によってアンモニアを除去した後、前記廃液に含まれる遷移金属を分離する遷移金属除去手段と、
   前記遷移金属除去手段によって遷移金属を除去した後、前記廃液に含まれるアルカリ金属を分離するアルカリ金属除去手段と
   を有することを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理システム。
9. 前記ハロゲン除去手段は、前記廃液のｐＨを１〜３、酸化還元電位を０．６〜１．１Ｖに制御することによってハロゲンをガスとして気相に排出することを特徴とする請求項８に記載の使用済みイオン交換樹脂の処理システム。
10. 前記遷移金属除去手段は、前記廃液に二価鉄化合物を添加することで前記遷移金属を共沈させることを特徴とする請求項８又は９に記載の使用済みイオン交換樹脂の処理システム。
11. 前記アルカリ金属除去手段は、無機系吸着剤にアルカリ金属を吸着させて分離することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の使用済みイオン交換樹脂の処理システム。

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