JP2010223663A - 放射性廃棄物の固化処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】前処理工程などが不要であり、両性金属が含まれる放射性廃棄物を充填固化する場合でも水素ガスの発生しない放射性廃棄物の固化処理方法を提供する。
【解決手段】本発明の放射性廃棄物の固化処理方法は、放射性廃棄物と酸化マグネシウムとを攪拌する工程と、攪拌された放射性廃棄物と酸化マグネシウムとに、リン酸二水素ナトリウム水溶液を添加し混練する工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、焼却によって減容された焼却灰状の放射性廃棄物に用いると特に好適な放射性廃棄物の固化処理方法に関する。

原子力発電所等の核燃料を扱う施設で発生する放射性廃棄物は、最終的に地下に埋設するなどして処分する必要がある。放射性廃棄物は、このような処分に適した状態にするため、減容および安定化のための各種処理が行われている。例えば、可燃性廃棄物は専用の焼却炉で焼却することにより減容した上で、長時間が経過しても放射性元素が外部に拡散せず、安定に保持されるようにするための各種の処理が施される。

このような放射性廃棄物に対する各種の処理方法としては、セメント系固型化材料を用いて放射性廃棄物を固化するセメント固化法等が実用化されている。セメントは広く一般に用いられている材料であって、安価であり、取り扱いが容易であることに加え、高い強度が得られるなどの多くの利点を有している。このためセメント固化法は、放射性廃棄物を固化して固定する方法として特に有用な方法である。

このような従来のセメント固化法は廃棄物を安定化できる技術であるが、焼却灰にはアルミニウム等の両性金属が入っていることが多く、セメントで焼却灰を固めると、これら両性金属がセメント中のアルカリ成分、特に水酸化カルシウムと反応して水素ガスが発生することがある。この場合は、発生した水素ガスにより固化体の膨張、ひび割れ、空隙が生じる可能性があり、セメントを固化材として固定化する固化方法の更なる改善が望まれている。

このような改善策の一つとして、特許文献１（特公平２−６２２００号公報）には、焼却灰とアルカリを予め混合し固化前に水素ガスの発生をある程度終了させておき、セメントとの混合後の水素発生を抑制する方法が開示されている。

また、特許文献２（特開平６−１０２３９７号公報）には、両性金属と固型化材との反応抑制のため（１）固化材に両性金属の表面に保護皮膜を生成する（２）固化材にセメントの水和反応を促進する（３）固化材のアルカリ度の低減の３つの手段いずれか１つまたは任意の複数を実施する方法が提案されている。
特公平２−６２２００号公報 特開平６−１０２３９７号公報

特許文献１に記載の方法では、焼却灰のセメント固化において前処理工程が必要となり、アルミニウム等の金属の含有量が多いときには前処理に長時間を要することとなり、処理コスト増大の要因となる、という問題があった。また、前記の前処理で金属は溶解されるため、例えばヨウ素などの放射性核種が拡散する恐れがあり、これを管理するための処置なども必要となるので、処理コストが上昇し問題であった。

また、特許文献２に記載の方法においても、セメント材添加前に廃棄物もしくはセメント材に複数の前処理が必要であり、設備の複雑化に伴い、処理コストが上昇し問題であった。

上記のような問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、放射性廃棄物と酸化マグネシウムとを攪拌する工程と、攪拌された放射性廃棄物と酸化マグネシウムとに、リン酸二水素ナトリウムを添加し混練する工程と、を有することを特徴とする放射性廃棄物の固化処理方法である。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の放射性廃棄物の固化処理方法において、前記放射性廃棄物が焼却灰状の放射性廃棄物であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の放射性廃棄物の固化処理方法において、前記放射性廃棄物には両性金属が含まれることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法において、放射性廃棄物と共に攪拌する酸化マグネシウムは酸化マグネシウム軽質であることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法において、放射性廃棄物と共に攪拌する酸化マグネシウムは酸化マグネシウム重質であることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法において、酸化マグネシウムとリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で０．５〜１．０であることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法において、酸化マグネシウムとリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で略０．５であることを特徴とする。

また、請求項８に係る発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法において、添加するリン酸二水素ナトリウムとして放射性廃液から得られるリン酸二水素ナトリウムを用いることを特徴とする。

本発明の放射性廃棄物の固化処理方法によれば、セメント固化のための前処理工程などが不要であり、混練工程などの簡単なプロセスを経るだけであるので、処理コストを抑制することが可能となる。また、金属が溶解する工程などがないために、放射性核種の拡散などの問題も発生することがない。

また、本発明の放射性廃棄物の固化処理方法によれば、両性金属が含まれる放射性廃棄物を充填固化する場合でも水素ガスの発生が緩和される。

本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法における攪拌工程の概略を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法における混練工程の概略を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法の各工程の概略をフローにまとめた図である。 本発明の他の実施形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法における攪拌工程の概略を模式的に示す図である。 本発明の他の実施形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法の各工程の概略をフローにまとめた図である。

以下、本発明の放射性廃棄物の固化処理方法について適宜図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法における攪拌工程の概略を模式的に示す図であり、図２は本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法における混練工程の概略を模式的に示す図である。また、図３は本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法の各工程の概略をフローにまとめた図である。図１及び図２において、１０は固化容器、１１は攪拌装置、１２は酸化マグネシウム供給配管、１３は酸化マグネシウム貯槽、１５は酸化マグネシウム計量装置、１６は酸化マグネシウム供給装置、１７は混練装置、１８はリン酸溶液供給装置、１９は飛散防止用フード、２０はモーターをそれぞれ示している。

本発明の放射性廃棄物の固化処理方法においては、まず、焼却炉で焼却され、焼却灰の状態となった放射性廃棄物が固化容器１に投入される（ステップＳ２０１）。

次のステップＳ２０２における攪拌工程では、まず、固化容器１０中に、酸化マグネシウム供給配管１２から酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が添加される。この酸化マグネシウムは、酸化マグネシウム計量装置１５が設けられているホッパーなどの酸化マグネシウム貯槽１３から供給される。酸化マグネシウム供給配管１２から供給される酸化マグネシウムは、フィーダーなどの酸化マグネシウム供給装置１６によって規定量ずつが固化容器１０中に添加されるようになっている。

酸化マグネシウム計量装置１５で定量分取された酸化マグネシウムの粉末は、酸化マグネシウム供給配管１２から固化容器１０内に供給される。なお、酸化マグネシウムの粉末としては、酸化マグネシウム重質、酸化マグネシウム軽質のいずれものものも用いることができる。なお、本実施形態では、酸化マグネシウム供給配管１２から粉末の酸化マグネシウムを添加するようにしているが、予め酸化マグネシウムに微量の水を添加しおき、スラリー状とした酸化マグネシウムを添加するようにしても良い。

攪拌装置１１はその攪拌翼の回転によって固化容器１０中の内容物を攪拌するものであり、ステップＳ２０２における攪拌工程では、焼却灰状の放射性廃棄物及び上記のごとく添加された酸化マグネシウムの粉末を、この攪拌装置１１によって攪拌することによってそれぞれを均一に分散させるようにする。

上記のような攪拌工程によって、酸化マグネシウムが均一に分散された放射性廃棄物で満たされた固化容器１０は、攪拌装置１１、酸化マグネシウム供給配管１２、酸化マグネシウム貯槽１３、酸化マグネシウム計量装置１５、酸化マグネシウム供給装置１６からなる図１に示すようなシステムから図２に示すようなシステムに移設され、混練工程を経ることとなる。

図２に示すように、固化容器１０には、飛散防止用フード１９が取り付けられて蓋がされる。このような飛散防止用フード１９は、混練中で放射性廃棄物が固化容器１０からあふれ出ないようにするためである。また、この飛散防止用フード１９には、混練装置１７の回転軸及びリン酸溶液供給装置１８の供給が挿通される。混練装置１７はその回転翼によって固化容器１０中の内容物を混練するものであり、リン酸溶液供給装置１８からはリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ₂ＰＯ₄）溶液が固化容器１０中に添加されるようになっている。

このリン酸溶液供給装置１８から供給されるリン酸二水素ナトリウムは濃度がおよそ３０ｗｔ％程度であると好ましい。この３０ｗｔ％という濃度は、リン酸二水素ナトリウムの塩が析出しない上限の濃度であるからである。

次に、以上のように構成される図２のシステムによる混練工程について説明する。まず、リン酸溶液供給装置１８から供給するリン酸二水素ナトリウム溶液の温度は２０℃〜４０℃程度とする。リン酸二水素ナトリウム溶液の温度が高すぎる場合には、混練工程で十分な混練を行うことができないまま急激に固化してしまうこととなるので、このようにリン酸二水素ナトリウム溶液の温度を室温程度とすることが望ましい。

次に、ステップＳ２０３の混練工程では、固化容器１０内に挿通した混練装置１７の回転翼によって、放射性廃棄物の攪拌を開始する。そして、ステップＳ２０４に示すように、リン酸溶液供給装置１８によってリン酸二水素ナトリウム溶液を固化容器１０内に供給する。

ここで、放射性廃棄物に添加する酸化マグネシウムとリン酸二水素ナトリウム溶液の量について説明する。本発明に係る放射性廃棄物の固化処理方法においては、酸化マグネシウムとリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で０．５〜１．０であること、より好ましくは略０．５であることを一つの特徴としている。

上記のように設定する理由は、酸化マグネシウムとリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で０．５未満であると、固化体上部に浮き水が残ってしまうこととなり、また、当該比がモル比換算で１．０を超えると、ステップＳ２０３の混練工程における混練物の粘性が急激に上昇し均質な固化体の作製が難しくなるからである。

ステップＳ２０４に示すように、酸化マグネシウムが均一に分散された放射性廃棄物で満たされた固化容器１０に、リン酸二水素ナトリウム溶液が添加されると、次式に示すような反応が起こり、リン酸ナトリウムマグネシウムと水の結晶が生成される。

ＮａＨ₂ＰＯ₄ ＋ ＭｇＯ ＋ ５Ｈ₂Ｏ → ＭｇＮａＰＯ₄・６Ｈ₂Ｏ
ステップＳ２０３の混練工程では、このような結晶が生成されるに伴い、固化容器１０内の放射性廃棄物が徐々に粘度を増し固化体となる。混練工程では、放射性廃棄物に規定量のリン酸二水素ナトリウム溶液添加後、さらに１０分間程度の混練を行うことが好ましい。

放射性廃棄物は、混練工程後、１時間以内に凝結が開始するが十分な強度が発現するまで養生する（ステップＳ２０５）。セメント系材料を用いた固化法と比較し、本発明に係る放射性廃棄物の固化処理方法は凝結時間が著しく短く、酸化マグネシウム添加後、１０分〜６０分の内に硬化反応が始まり混練後４時間程度で放射性廃棄物が完全に固化するという有為な特徴を有する。

また、上記の反応式によって得られるリン酸ナトリウムマグネシウムの混練物のｐＨは、６．７０〜８．３９の範囲となり、アルミニウムなどの両性金属が安定に存在するｐＨの範囲ｐＨ４．１〜８．４（〔非特許文献〕世利修美：“アルミニウムの腐食・「防食研究における電位-ｐＨ図と分極曲線の基礎」：軽金属， ５７ ｐｐ．３７１−３８０
（２００７））に包含されるので、本発明の放射性廃棄物の固化処理方法によれば、アルミニウム、鉛などの両性金属が含まれる放射性廃棄物を充填固化する場合でも水素ガスの発生が緩和される、という有為な特徴を有するものである。

以上のように、本発明の放射性廃棄物の固化処理方法によれば、セメント固化のための前処理工程などが不要であり、混練工程などの簡単なプロセスを経るだけであるので、処理コストを抑制することが可能となる。また、金属が溶解する工程などがないために、放射性核種の拡散などの問題も発生することがない。

なお、混練工程において、混練物の粘性が短時間で増加する急結現象を抑制するには、ほう酸塩（例えば四ほう酸ナトリウム）を添加するとよい。

本発明に係る放射性廃棄物の固化処理方法において、作製する固化体内のＮａＨ₂ＰＯ₄の占める割合としては、重量比で２０〜５０％の範囲であること、より好ましくは４５〜５０％であることが理想的である。固化体内のＮａＨ₂ＰＯ₄の割合が、重量比で５０％を超える場合には、混練工程において混練物の粘性が増加する原因となるからである。

なお、上記の実施形態においては、固化容器１内に固化体を作製するようにしたが、リン酸ナトリウムマグネシウムをペレット状に整形し、それを容器に充填しそこにセメントモルタルを流し込む充填廃棄体として廃棄体化することなども可能である。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。先の実施形態においては、固化容器１０内に供給するリン酸二水素ナトリウム溶液としては試薬を用いたが、本実施形態では、固化容器１０内に供給するリン酸二水素ナトリウム溶液にも放射性廃液を用いるようにする。このようなリン酸二水素ナトリウム溶液を含む放射性廃液が発生する背景について説明する。核燃料の再処理においては、使用済み燃料を硝酸で溶解した後、ウラン、プルトニウム等を回収している。このための処理方法として、ピューレックス（ＰＵＲＥＸ）法が実用化さており、このピューレックス法では、溶媒としてリン酸トリブチル（ＴＢＰ）を使用する。このＴＢＰをドデカン（希釈剤）に溶かした有機溶媒を、使用済み燃料を溶かした硝酸溶液に混ぜると、ウランとプルトニウムは溶媒側に移り、核分裂生成物の大部分は硝酸溶液に残る。これを利用してウラン及びプルトニウムと核分裂生成物とを分離することができる。

上記のようにウラン及びプルトニウムの回収のために用いられたＴＢＰを含む有機溶媒には、８５％のリン酸（Ｈ₃ＰＯ₄）溶液が加えられる。これによって、ＴＢＰとリン酸とで付加体が形成され、この付加体をドデカンと分離することが可能となる。なお、分離されたドデカンは希釈剤として上記の処理で再利用される。

一方、ＴＢＰとリン酸とで形成された付加体にはさらに純水が加えられ、ＴＢＰとリン酸とに分離される。前者はプラスチックとともに溶融混合してプラスチック固化処理され、後者は中性化するためにＮａＯＨが加えられリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ₂ＰＯ₄）溶液とされ、さらに減容のために水分を蒸発させ、およそ３０ｗｔ％程度のリン酸二水素ナトリウム溶液とされる。従来は、このリン酸二水素ナトリウム溶液は、放射性廃液としてセメント系材料などを用いる方法での固化処理が検討されていたが、この方法では、固化体中のリン酸二水素ナトリウムの重量比は６％程度とするのが限界であり、より処理効率の高い固化体を作製する方法が模索されていた。

本実施形態では、上記のような放射性廃液としてのリン酸二水素ナトリウム溶液を用い、これを焼却灰状の放射性廃棄物と共に固化処理することによって廃棄物の充填率が高い固化体を作製することが可能となり、処理コストを抑制することができる。

他の実施形態は、攪拌工程については先の実施形態と同様であるので、以下、先の実施形態と異なる工程について説明する。図４は本発明の他の実施形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法における攪拌工程の概略を模式的に示す図であり、図５は本発明の他の実施
形態に係る放射性廃棄物の固化処理方法の各工程の概略をフローにまとめた図である。

図４及び図５に示すように、本実施形態では、攪拌工程中において、ステップＳ２０４’で添加するリン酸二水素ナトリウムに放射性廃液を用いるようにしている。

ここで、ステップＳ２０４’に用いる放射性廃液の調整について説明する。ステップＳ２０４’で用いるリン酸二水素ナトリウムの濃度は、およそ３０ｗｔ％程度となるように調整されている。この３０ｗｔ％という濃度は、リン酸二水素ナトリウムの塩が析出しない上限の濃度である。塩が析出することによって溶液の取り扱いを難しくさせることを回避しつつ、最大の濃度のリン酸二水素ナトリウムを処理するために、このような３０ｗｔ％という濃度が選択されている。

また、ステップＳ２０４’に用いる放射性廃液の温度としては、２０℃〜８０℃程度、より好ましく温度が２０℃〜４０℃程度であるとよい。放射性廃液の温度が高すぎる場合には、混練工程で十分な混練を行うことができないまま急激に固化してしまうこととなるので、このように放射性廃液の温度は室温程度とすることが望ましい。

以上のような実施形態によれば、先の実施形態と同様の効果に加え、却灰状の放射性廃棄物と共にリン酸二水素ナトリウム溶液を含む放射性廃液を同時に処理するので、極めて処理効率の高い固化体を作製することが可能となる。

１０・・・固化容器
１１・・・攪拌装置
１２・・・酸化マグネシウム供給配管
１３・・・酸化マグネシウム貯槽
１５・・・酸化マグネシウム計量装置
１６・・・酸化マグネシウム供給装置
１７・・・混練装置
１８・・・リン酸溶液供給装置
１９・・・飛散防止用フード
２０・・・モーター

Claims (8)

1. 放射性廃棄物と酸化マグネシウムとを攪拌する工程と、
   攪拌された放射性廃棄物と酸化マグネシウムとに、リン酸二水素ナトリウムを添加し混練する工程と、を有することを特徴とする放射性廃棄物の固化処理方法。
2. 前記放射性廃棄物が焼却灰状の放射性廃棄物であることを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物の固化処理方法。
3. 前記放射性廃棄物には両性金属が含まれることを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物の固化処理方法。
4. 放射性廃棄物と共に攪拌する酸化マグネシウムは酸化マグネシウム軽質であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法。
5. 放射性廃棄物と共に攪拌する酸化マグネシウムは酸化マグネシウム重質であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法。
6. 酸化マグネシウムとリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で０．５〜１．０であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法。
7. 酸化マグネシウムとリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で略０．５であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法。
8. 添加するリン酸二水素ナトリウムとして放射性廃液から得られるリン酸二水素ナトリウムを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の放射性廃棄物の固化処理方法。

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