JP2013525745A - 放射性廃棄物の熱分解及びガラス固化のためのマイクロ波強化システム - Google Patents

Abstract

マイクロ波加熱によって、及びいくつかの実例ではマイクロ波加熱と誘導加熱との組合せとによって実行される熱分解及びガラス固化により放射性廃棄材料の体積を減少させるためのシステム及びプロセス。いくつかの実施例では、マイクロ波強化ガラス固化システムは、誘導加熱を使用して廃棄材料をガラス固化するモジュール式ガラス固化システムと組み合わせられた、廃棄材料を処理するためのマイクロ波システムを含む。マイクロ波強化ガラス固化システムの最終生成物は、より高密度のコンパクト化放射性廃棄生成物である。

Description

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
適用なし

本出願は、２０１０年３月９日に出願された米国仮特許出願第６１／３１２，０１９号、２０１０年４月２日に出願された米国仮特許出願第６１／３２０，５１１号、及び２０１０年４月７日に出願された米国仮特許出願第６１／３２１，６２３号の米国特許法第１１９条の下での利益を主張するものである。

本発明は放射性廃棄物の処理及び処分に関し、より詳細には、廃棄材料の体積を低減し、環境への放射能の浸出又は漏洩を防止するために放射性廃棄材料を熱分解及びガラス固化するためのシステム及びプロセスに関する。

放射性廃棄物の安定化及び処置は、いくつかの技法及び方法を含む複雑な分野である。いくつかのプロセスでは、核反応の副産物である放射性同位元素は、特定の放射性同位元素を分離及び捕捉するように設計されたか、又は直接の核副産物を扱うのをより安全でより容易にするように設計された様々な混和材料と組み合わせられる。様々な混和材料は、本明細書では一括して「媒体」と呼ばれ、いくつかの有機樹脂を含めて、いくつかの無機及び有機物質を含む。媒体と放射性同位元素とを含む混合物は、一般に、本明細書では「放射性廃棄物」、「廃棄材料」、又は単に「廃棄物」と呼ばれる。

放射性廃棄材料の処分は、処分される廃棄材料の体積に高度に依存する高価なプロセスである。したがって、廃棄材料をコンパクト化し、それによって、処分又は貯蔵されるべき廃棄材料の体積を低減するための方法及びシステムを見いだすことが非常に望ましい。

他の安定化技術により、必要とされる添加物及び体積に応じて程度の差はあっても減量を行うことができる。無機スラッジの減量は、材料の性質（すなわち、完全に無機質であり、熱分解され得ない）によって制限されるが、有機スラッジ又は有機樹脂は、全面的に熱分解される場合、はるかに大きい減量が行われ得る。

本明細書では、マイクロ波加熱によって、及びいくつかの実例ではマイクロ波加熱と誘導加熱との組合せとによって実行される熱分解及びガラス固化により、放射性廃棄材料の体積を減少させるためのシステム及びプロセスが開示される。ある実施例では、マイクロ波強化ガラス固化システムは、誘導加熱を使用して廃棄材料をガラス固化するモジュール式ガラス固化システムと組み合わせられた、廃棄材料を処理するためのマイクロ波システムを含み、他の実施例では、マイクロ波システムは、ガラス固化を達成するために他のプロセスを使用するガラス固化システムと組み合わせられる。マイクロ波強化ガラス固化システムの最終生成物は、より高密度のコンパクト化放射性廃棄生成物である。

本発明は、実施例のいくつかにおいて、放射性廃棄材料を処理するためのマイクロ波システムを提供する。いくつかの実施例では、マイクロ波システムは、廃棄物容器内の放射性廃棄物にマイクロ波を誘導するように位置づけられたマイクロ波導波管を含む。マイクロ波は結合加熱により廃棄材料を刺激し、廃棄材料をよりコンパクトな形態に熱分解及びガラス固化する。特に、マイクロ波システムに入ってくる廃棄物（「受け入れ廃棄材料」）が、放射性同位元素と組み合わせられた媒体を非高密度混合物中に含む場合、マイクロ波システムは、受け入れ廃棄材料をマイクロ波で加熱し、廃棄材料を熱分解し、受け入れ廃棄材料の結晶構造を破壊し、廃棄材料成分の溶融混合物を生成し、受け入れ廃棄材料内のガスが溶融混合物を脱出できるようにし、溶融混合物が高密度のガラス固化組成物（「最終廃棄生成物」）へと冷却できるようにすることによって、廃棄材料の体積を減少させるように働く。

マイクロ波強化ガラス固化システムの１つの実施例は、マイクロ波源、導波管、及びキャニスタを含む。マイクロ波源は、当業者によく知られている知見に基づく安全な貯蔵及び処分のために廃棄材料を安定化させる目的で、固形放射性廃棄材料を熱分解及び液化するのに好適なマイクロ波を生成する。導波管は、マイクロ波源によって生成されたマイクロ波をキャニスタ内の廃棄材料の方に誘導する。キャニスタは、処理された放射性廃棄材料の長期貯蔵に好適である。いくつかの実施例では、キャニスタは、外部除染及び耐久性にとって好適な材料、例えばステンレス鋼などで構成される。キャニスタはガラス固化されていない固形受け入れ廃棄物を受け取る。最初に、キャニスタは、ガラス固化されていない受け入れ廃棄材料の第１の層を受け取る。受け入れ廃棄物の各層は、マイクロ波が完全に貫通できる深さを有する。導波管は、マイクロ波源によって生成されたマイクロ波が第１の層の方に誘導され、第１の層に印加されるように固形廃棄物供給材料の第１の層に対して位置づけられる。いくつかの実施例では、マイクロ波強化ガラス固化システムは、溶融が自己持続するまで、結合を容易にする炭化ケイ素、鉄の削り屑、鉄粉、又は類似の物質などの「始動材料」を固形廃棄物供給材料の第１の層に補う。

固形廃棄物供給材料の第１の層が上述のように処理された後、受け入れ廃棄材料の第２の層がキャニスタに追加され、その結果、第２の層は第１の層の上に堆積される。次に、第２の層は第１の層と同じように処理される。固形廃棄物供給材料の追加の層は各々キャニスタによって受け取られ、上述の説明に従ってマイクロ波で処理され、それは、事実上、連続的又は準連続的とすることができる。キャニスタの下部部分の熱分解された廃棄物は、追加の廃棄材料が受け取られて処理されるときに冷却される。廃棄物は、冷却すると安定なガラス固化最終廃棄生成物を形成する。システムが受け取って処理する固形廃棄物供給材料の層の数は、キャニスタのサイズによって制限される。キャニスタ内に堆積された固形廃棄物供給材料が処理されたとき、キャニスタは適切な規則に従って密閉され、貯蔵又は処分される。

いくつかの実施例では、廃棄物をガラス固化するためのマイクロ波システムは誘導加熱システムと組み合わせられ、誘導加熱システムは受け入れ廃棄材料を加熱し、廃棄材料を熱分解し、最終廃棄生成物へと冷却する前の溶融混合物からのガスの脱出と廃棄物のコンパクションとを可能にする材料の溶融層を維持するのを援助する。一般に、誘導加熱は、廃棄物の溶融層を含む容器内のゾーンの近くで廃棄物容器を取り囲む加熱コイルによって与えられる。他の実施例では、マイクロ波システムは、誘導加熱以外の他のプロセスを使用してガラス固化最終廃棄生成物を達成するガラス固化システムと組み合わせられる。

いくつかの実施例では、マイクロ波が受け入れ廃棄材料を熱分解する廃棄物容器は、使用後にガラス固化最終廃棄生成物を取り出し、その後、追加の受け入れ廃棄材料をマイクロ波で処理するために再使用するように構成されたマイクロ波チャンバである。他の実施例では、廃棄物容器は、ガラス固化最終廃棄物用の最終貯蔵容器として働くように構成された１回使用のキャニスタである。キャニスタは、受け入れ廃棄材料がマイクロ波処理により熱分解されるマイクロ波容器として働くように構成される。いくつかのそのような実施例では、キャニスタは、キャニスタを取り囲む加熱コイルによって廃棄材料の誘導加熱を援助するように選択された材料をさらに含む。

本発明の上述の特徴は、図面とともに読まれる本発明の以下の詳細な説明から、より明確に理解されるようになるであろう。

放射性廃棄材料を処理するためのマイクロ波システムの１つの実施例のブロック図である。 図１に示されたマイクロ波システムの実施例のための導波管の１つの実施例のブロック図である。 放射性廃棄材料を処理するためのマイクロ波システムの別の実施例の代表的な図である。 図３に示されたマイクロ波システムの実施例のための導波管の代表的な図である。 キャニスタと誘導加熱コイルとを含むモジュール式ガラス固化システムの斜視図である。 キャニスタの内部を示すための破断図と、キャニスタ壁の一部の拡大図とを有する、図５に示されたモジュール式ガラス固化システムの図である。 図５に示されたモジュール式ガラス固化システムのトップダウン図であり、図８の図が得られる切断線が示される。 図５に示されたモジュール式ガラス固化システムの断面図であり、キャニスタの内部が示される。 モジュール式ガラス固化システムの１つの実施例の断面図であり、放射性廃棄材料によるキャニスタの初期充填と、廃棄材料の第１の層の熱分解及び液化とを示す。 図９ａで示されたものと同じキャニスタの断面図であり、プロセスの後の段階での連続的な充填及び逐次的な加熱プロセスを示す。 図９ａ及び９ｂで示されたものと同じキャニスタの断面図であり、プロセスのさらなる後の段階での連続的な充填及び逐次的な加熱プロセスを示す。 モジュール式ガラス固化システムの別の実施例の図であり、誘導加熱コイルはキャニスタのほぼ全体の高さにわたる。 マイクロ波システムとモジュール式ガラス固化システムとを組み合わせたマイクロ波強化ガラス固化システムの１つの実施例の図である。 マイクロ波システムとモジュール式ガラス固化システムとを組み合わせ、廃棄物キャニスタがコンベヤに沿った所定の位置に移動されるマイクロ波強化ガラス固化システムの１つの実施例の図であり、キャニスタを位置決めして廃棄材料を受け取り、廃棄材料を処理してガラス固化最終廃棄生成物を達成するためのプロセスにおける第１の段階を示す。 図１２ａに示された実施例を使用するプロセスにおける後続の段階の図である。 図１２ａ及び１２ｂに示された実施例を使用するプロセスにおける後続の段階の図である。 図１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃに示された実施例を使用するプロセスにおける後続の段階の図である。

本明細書において、放射性廃棄材料を処理するためのマイクロ波強化ガラス固化システム及びプロセスが開示される。いくつかの実施例では、マイクロ波強化ガラス固化システムは、誘導加熱を使用して廃棄材料をガラス固化するモジュール式ガラス固化システムと組み合わせられた、廃棄材料を処理するためのマイクロ波システムを含む。マイクロ波強化ガラス固化システムの最終生成物は、より高密度のコンパクト化放射性廃棄生成物である。

本発明は、実施例のいくつかにおいて、放射性廃棄材料を処理するためのマイクロ波システムを提供する。いくつかの実施例では、マイクロ波システムは、廃棄物容器内の放射性廃棄物にマイクロ波を誘導するように位置づけられたマイクロ波導波管を含む。マイクロ波は結合加熱により廃棄材料を刺激し、廃棄材料をよりコンパクトな形態に熱分解及びガラス固化する。特に、マイクロ波システムに入ってくる廃棄物（「受け入れ廃棄材料」）が、放射性同位元素と組み合わせられた媒体を非高密度混合物中に含む場合、マイクロ波システムは、受け入れ廃棄材料をマイクロ波で加熱し、廃棄材料を熱分解し、受け入れ廃棄材料の結晶構造を破壊し、廃棄材料成分の溶融混合物を生成し、受け入れ廃棄材料内のガスが溶融混合物を脱出できるようにし、溶融混合物が高密度のガラス固化組成物（「最終廃棄生成物」）へと冷却できるようにすることによって、廃棄材料の体積を減少させるように働く。

マイクロ波強化ガラス固化システムの１つの実施例は、マイクロ波源、導波管、及びキャニスタを含む。マイクロ波源は、当業者によく知られている知見に基づく安全な貯蔵及び処分のために廃棄材料を安定化させる目的で、固形放射性廃棄材料を熱分解及び液化するのに好適なマイクロ波を生成する。導波管は、マイクロ波がキャニスタ内の廃棄材料の方に伝わるように、マイクロ波源によって生成されたマイクロ波を誘導し、実施例によっては集束する。キャニスタは、処理された放射性廃棄材料の長期貯蔵に好適である。いくつかの実施例では、キャニスタは、外部除染及び耐久性にとって好適な材料、例えばステンレス鋼などで構成される。キャニスタはガラス固化されていない固形又はスラリの受け入れ廃棄物を受け取る。最初に、キャニスタは、ガラス固化されていない受け入れ廃棄材料の第１の層を受け取る。受け入れ廃棄物の各層は、マイクロ波が完全に貫通できる深さを有する。導波管は、マイクロ波源によって生成されたマイクロ波が第１の層の方に誘導され、第１の層に印加されるように固形廃棄物供給材料の第１の層に対して位置づけられる。いくつかの実施例では、マイクロ波強化ガラス固化システムは、溶融が自己持続するまで、結合を容易にする炭化ケイ素、鉄の削り屑、鉄粉、又は類似の物質などの「始動材料」を固形廃棄物供給材料の第１の層に補う。

固形廃棄物供給材料の第１の層が上述のように処理された後、受け入れ廃棄材料の第２の層がキャニスタに追加され、その結果、第２の層は第１の層の上に堆積される。次に、第２の層は第１の層と同じように処理される。固形廃棄物供給材料の追加の層は各々キャニスタによって受け取られ、上述の説明に従ってマイクロ波で処理され、それは、事実上、連続的又は準連続的とすることができる。キャニスタの下部部分の熱分解された廃棄物は、追加の廃棄材料が受け取られて処理されるときに冷却される。廃棄物は、冷却すると安定なガラス固化最終廃棄生成物を形成する。システムが受け取って処理する固形廃棄物供給材料の層の数はキャニスタのサイズによって制限される。キャニスタ内に堆積された固形廃棄物供給材料が処理されたとき、キャニスタは適切な規則に従って密閉され、貯蔵又は処分される。

いくつかの実施例では、廃棄物をガラス固化するためのマイクロ波システムは誘導加熱システム又は他のガラス固化システムと組み合わせられ、誘導加熱システム又は他のガラス固化システムは受け入れ廃棄材料を加熱し、廃棄材料を熱分解し、最終廃棄生成物へと冷却する前の溶融混合物からのガスの脱出と廃棄物のコンパクションとを可能にする材料の溶融層を維持するのを援助する。一般に、誘導加熱は、廃棄物の溶融層を含む容器内のゾーンの近くで廃棄物容器を取り囲む加熱コイルによって与えられる。

いくつかの実施例では、マイクロ波が受け入れ廃棄材料を熱分解する廃棄物容器は、使用後にガラス固化最終廃棄生成物を取り出し、その後、追加の受け入れ廃棄材料をマイクロ波で処理するために再使用するように構成されたマイクロ波チャンバである。他の実施例では、廃棄物容器は、ガラス固化最終廃棄物用の最終貯蔵容器として働くように構成された１回使用のキャニスタである。キャニスタは、受け入れ廃棄材料がマイクロ波処理により熱分解されるマイクロ波容器として働くように構成される。いくつかのそのような実施例では、キャニスタは、キャニスタを取り囲む加熱コイルによって廃棄材料の誘導加熱を援助するように選択された材料をさらに含む。

マイクロ波システムの１つの実施例が、図１のブロック図によって全体的に示される。マイクロ波システムの図示した実施例は、廃棄物容器として使用するためのマイクロ波チャンバ１１０を含み、システムは、マイクロ波源１２０、一般に空洞マグネトロンをさらに含む。マイクロ波チャンバ１１０とマイクロ波源１２０とは、導波管２００によって接続され、１つの実施例がさらに詳細に図２のブロック図に示される。図２に示したように、導波管２００の図示した実施例は、サーキュレータ２２０、方向性結合器２５０、チューナー２６０、及びe面ベンド２７０を含み、e面ベンド２７０は、マイクロ波がマイクロ波チャンバ１１０に入るようにする窓１１５に接続される。電源２３０及び冷却のための給水設備２４０は、サーキュレータ２２０に接続される。

図３に全体的に示したマイクロ波システムの１つの実施例は、マイクロ波チャンバ３１０と、導波管４００によって接続されたマイクロ波源３２０とを含む。いくつかの実施例では、マイクロ波チャンバ３１０は、テーブル３１８を含み、テーブル３１８は、廃棄材料Ｗがマイクロ波チャンバ３１０内で処理されているとき廃棄材料Ｗを回転させるように構成されている。廃棄材料Ｗがマイクロ波チャンバ３１０中で処理されているとき、マイクロ波チャンバ３１０内に少なくとも部分的な真空を維持するか、又はマイクロ波チャンバ３１０をアルゴンなどの不活性ガスでパージすることが、多くの場合望ましい。図示の実施例では、真空ライン３３５は、チャンバ３１０内に部分的な真空を維持するために、マイクロ波チャンバ３１０から空気を抜くように構成された真空デバイス３３０にマイクロ波チャンバ３１０を接続する。

導波管４００が、図４でより詳細に示される。図示の実施例の導波管は、サーキュレータ４２０と、方向性結合器４５０と、チューナー４６０と、導波管４００をマイクロ波チャンバ３１０の窓３１５に接続するe面ベンド４７０とを含み、窓３１５は、マイクロ波がマイクロ波チャンバ３１０に入ることができるように構成された材料から製作される。

使用時には、本発明の実施例に従って構成されたマイクロ波システムは、マイクロ波チャンバ中の放射性廃棄物にマイクロ波を誘導するように位置づけられた導波管を使用することができる。マイクロ波は、廃棄材料を誘電加熱により刺激し、廃棄材料をよりコンパクトな形態に熱分解及びガラス固化する。マイクロ波システムは、受け入れ廃棄材料をマイクロ波で誘電的に加熱し、廃棄材料を熱分解し、受け入れ廃棄材料の結晶構造を破壊し、廃棄材料成分の溶融混合物を生成し、受け入れ廃棄材料内のガスが溶融混合物を脱出できるようにし、溶融混合物が高密度のガラス固化最終廃棄生成物へと冷却できるようにすることによって、廃棄材料の体積を減少させるように働く。

実験的試験において、上記で説明し、図３、４で示したものと実質的に同様のセットアップのマイクロ波チャンバ中で、いくつかの材料を熱分解した。回転テーブルをもつマイクロ波チャンバを真空デバイスに接続し、真空デバイスは、試験材料の動的マイクロ波処理の間、チャンバ内の部分的な真空を維持した。サーキュレータ、方向性結合器、及び４スタブ・チューナーを含む導波管を、e面ベンド経由でマイクロ波チャンバの窓に接続した。２つの３ｋＷマイクロ波電源（２２０Ｖ、３５アンペア、単相）が導波管に電力を供給した。導波管サーキュレータを、導波管を冷却するために循環水を供給する貯水器に接続した。初期の試験で、試験材料を、絶縁材料で取り囲まれた７．６２ｃｍ（３インチ）直径の石英管内に配置した。初期の試験では、試験材料を２４５０ＭＨｚ、７００ワットで２分間加熱した。試験材料には、放射性廃棄材料を製作する際に放射性同位元素を捕捉するための媒体として使用されるものと同様のいくつかの無機物及び樹脂が含まれる。表１は、２分後の様々な試験材料の内部温度を示す（材料はすべて摂氏２１．１度（華氏７０度）で開始された）。

後続の試験において、いくつかの試験材料を、試験材料の完全な又はほぼ完全な熱分解を達成するために、より長期間マイクロ波チャンバ内で処理した。これらの後続の試験の間、温度は摂氏６４８．９度（華氏１２００度）から摂氏８７１．１度（華氏１６００度）に及んだ。試験結果の示すところによれば、冷却した後、熱分解された材料はかなり減量した。

本発明の例示の実施例によるマイクロ波システムは、様々な廃棄媒体及び混和物を含む受け入れ廃棄材料の熱分解に適用でき、全廃棄生成物のかなりの減量を達成することを前述の説明から判断することができる。本発明のいくつかの実施例では、マイクロ波システムは、誘導加熱を使用して受け入れ廃棄材料の熱分解及び溶融を援助するモジュール式ガラス固化システムによって補強される。

モジュール式ガラス固化システムでは、廃棄材料は、廃棄物容器として働くキャニスタ内で熱分解及び溶融される。モジュール式ガラス固化システムは、連続的又は準連続的な充填及び逐次的な溶融方法を使用する。キャニスタは、受け入れ廃棄材料で充填され、受け入れ廃棄材料は、キャニスタの上部を通ってキャニスタに挿入され、キャニスタの底の方に落下し、そこで定着する、すなわち、最初はキャニスタの床面に、次いで既に積み込まれた廃棄物の上に定着することができる。いくつかの実施例では、１つ又は複数の混和材料を廃棄材料に添加し、廃棄材料の誘導加熱を援助するか、又は溶融中間生成物からのガラス固化最終生成物の形成を援助する。受け入れ廃棄材料によりキャニスタが充填されたとき、受け入れ廃棄材料の一番上のレベルの上にあって直接隣接するキャニスタの壁を誘導コイルで加熱して放射ホールラウム（黒体放射）を形成し、それにより、一番上の廃棄材料の浅い層を加熱し、それによって、廃棄材料の一番上の層を熱分解及び液化する。廃棄材料の加熱はキャニスタの壁に最も近い廃棄材料の周辺から始まり、廃棄材料の層の中心の方に内側に進む。

図５に、本発明によるモジュール式ガラス固化システムの１つの実施例が示される。キャニスタ５１０はいくつかの誘導加熱コイル５２０ａ〜ｄ（以下、「誘導コイル」）に取り囲まれ、誘導コイルは誘導加熱によりキャニスタ５１０の内部の材料を加熱する。廃棄材料は、キャニスタ５１０の上部の開口を通して廃棄物を供給する供給ライン５４５を通してキャニスタ５１０に供給される。

図６の破断図及びクローズアップ図に示されるように、キャニスタ５１０の壁は多数の材料層を含む。図示の実施例では、容易に外部除染するのに好適であり、長期間貯蔵に向けて放射性廃棄材料を収納するのに好適である材料から、キャニスタ壁の最も外側の層５１２は製作される。（本明細書で使用される「長期間貯蔵」は、熱分解及びガラス固化プロセスで必要とされる時間よりも実質的に長い任意の期間を包含し、熱分解及びガラス固化プロセスで必要とされる時間の一桁倍から多年に及ぶ。）ステンレス鋼は、多くの実施例で最も外側の層５１２に使用される。最も内側の層５１４は、るつぼとして働くのに好適なグラファイト又は類似の材料から製作され、受け入れ廃棄材料は、るつぼ内で誘導加熱により熱分解及び液化されて、最終ガラス固化廃棄生成物の溶融前駆体を形成することになる。最も内側又はるつぼの層５１４は、ガラス固化プロセスの溶融段階の間、摂氏１６００度までの温度に耐えることができなければならない。多くの実施例では、グラファイトが、最も内側の層５１４に使用されるが、その理由は、反磁性及び芳香族性の性質のため、グラファイトが誘導加熱効果を増強又は拡大するためのサセプタとして有用であること、及びグラファイトが、溶融した中間廃棄生成物を達成するのに必要とされる高温に耐えることができるからである。最も外側の層５１２と最も内側との層５１４の間に、絶縁材の層５１６がある。モジュール式ガラス固化システムの１つの特定の実施例では、キャニスタ壁は、グラファイトの最も内側の層（２ｃｍ厚）、絶縁材の中央層（１ｃｍ厚）、及びステンレス鋼の最も外側の層（３ｃｍ厚と５ｃｍ厚との間）を含む。

図７は、図５に示したモジュール式ガラス固化システムのトップダウン図であり、図８は、同じモジュール式ガラス固化システムの断面図であり、その断面図は、図７に示した線に沿って得られている。図７及び８を参照すると、供給管５４５からキャニスタ５１０の上部を通って供給される廃棄材料は、キャニスタ５１０の底又は既に追加された廃棄材料に到達するまで重力によって落下する。いくつかの実施例では、１つ又は複数の混和材料を廃棄材料に添加し、廃棄材料の誘導加熱を援助するか、又は溶融中間生成物からのガラス固化最終生成物の形成を援助する。受け入れ廃棄材料によりキャニスタ５１０が充填されたとき、受け入れ廃棄材料の一番上のレベルの上にあって直接隣接するキャニスタ５１０の壁を誘導コイル５２０ａ〜ｄで加熱して放射ホールラウム（黒体放射）を形成し、それにより、一番上の廃棄材料の浅い層を加熱し、それによって、廃棄材料の一番上の層を熱分解及び液化する。キャニスタ５１０が廃棄材料でゆっくり充填されるとき、廃棄材料中の２つのゾーン、すなわち、上部ゾーン又は「溶融ゾーン」Ａと下部ゾーンＢとを区別することが可能であり、上部ゾーン又は「溶融ゾーン」Ａでは、廃棄材料の最上層が含まれ、直近に追加された廃棄材料が、誘導コイル５２０ａ〜ｄで加熱されており、溶融状態にあり、温度は廃棄物の融点を超えており、下部ゾーンＢでは、これまで熱分解及び液化された廃棄材料が冷却しつつあり、高密度でコンパクトなガラス固化最終廃棄生成物が形成される。いくつかの実施例では、モジュール式ガラス固化システムには、キャニスタ５１０の上部からある距離だけキャニスタ５１０中に入り込み、受け入れ廃棄材料を誘導するのに役立つ供給管がさらに含まれ、いくつかの実施例では、供給管は、熱分解プロセスの前と最中と後に廃棄材料を混合及びコンパクト化するのを援助するミキサと組み合わせられる。

いくつかの実施例では、最上層又は上部ゾーン（すなわち、廃棄物の溶融層）は約５ｃｍ厚であるが、溶融層の厚さは、追加される廃棄材料のタイプと、受け入れ廃棄材料がキャニスタに追加される速度とを含むいくつかの要因に応じて変化することになることが当業者には認識されるであろう。一般に、受け入れ廃棄材料は、次の最上層が追加される前にそれぞれの新しい最上層が十分に熱分解及び液化され得るように較正された速度で追加される。さらに、廃棄材料が熱分解、液化、及びガラス固化されるとき、廃棄材料は、ガス生成物を放出し、ガス生成物には、事前熱分解の受け入れ廃棄物の結晶構造に捕獲されたガスが含まれる。ガスが、冷却している下部ゾーンを脱出して溶融ゾーンを通り抜けるには、溶融ゾーンが十分に薄いままであり、十分な期間溶融したままであることが重要である。

キャニスタ５１０の最も外側の層５１２がステンレス鋼から製作されている実施例では、誘導コイル５２０ａ〜ｄによって放出される励起エネルギーの周波数は超高周波である必要がなく、例えば、誘導場が確実にキャニスタ５１０を通り抜けてグラファイトるつぼ層５１４を加熱するためには、３０Ｈｚほどの低い周波数で十分である。

図９ａ、９ｂ、及び９ｃは、キャニスタ５１０内のレベル上昇する廃棄材料の漸進的な充填と逐次的な溶融の１つの実施例を示す。図７及び８におけるように、システムは、キャニスタ５１０、供給ライン５４５、及びいくつかの誘導コイル５２０ａ〜ｄを含む。図示の実施例は、垂直軌道５２８と、誘導コイルを保持するフレーム枠５２６とに取り付けられた移送デバイス５２４をさらに含む。移送デバイス５２４は軌道５２８を上下に移動し、フレーム枠５２６と誘導コイル５２０ａ〜ｄとを搬送する。移送デバイス５２４を使用して、誘導コイル５２０ａ〜ｄがキャニスタ５１０に対して位置決めされる。移送デバイス５２４はいくつかの形態をとることができ、キャニスタ５１０に対して誘導コイル５２０ａ〜ｄの位置を変えるための当技術分野で既知の他の手段が存在することが当業者には認識されるであろう。

まず図９ａを参照すると、廃棄物がキャニスタ５１０を充填し始めるとき、誘導コイル５２０ａ〜ｄは、廃棄物のレベルに隣接して、その直上に位置づけられ、誘導コイル５２０ａ〜ｄは、キャニスタ５１０の底の廃棄物を誘導的に加熱するように作動し、溶融した中間混合物の第１の層Ａ１が形成される。図９ｂを参照すると、廃棄物がキャニスタ５１０を充填し続けるので、誘導コイル５２０ａ〜ｄは、キャニスタ５１０のより高い位置に移動され、誘導コイル５２０ａ〜ｄが廃棄物の最上層とほぼ同じ高さにとどまるようになっている。プロセスのこの段階において、誘導コイルによって加熱された廃棄材料Ａ２の最上層は溶融状態にあり、より低い層Ｂ２の材料は冷却し始めており、最終廃棄生成物のガラス固化された塊を形成する。図９ｃは、同じプロセスの後の段階を示す。キャニスタ５１０が廃棄物を充填し続け、その結果、廃棄物の最上層はさらに高くなり、量が増大する廃棄材料の上に載るようになっているので、誘導コイル５２０ａ〜ｄは、キャニスタ５１０の外側を上方に移動して廃棄材料の最上層Ａ３を誘導的に加熱し続け、一方、冷却しているガラス固化層の下部ゾーンＢ３は成長し続ける。このプロセスは、キャニスタ５１０が満たされるまで、又はガラス固化放射性廃棄材料の最大安全積載量の限界がキャニスタ５１０の全体積未満である場合、キャニスタ５１０がその積載量に達するまで継続する。この図示の実施例では、誘導コイルは溶融ゾーンの上昇とともに移動する。

多くの実施例では、キャニスタ５１０の外側は、充填及びガラス固化プロセスの間空冷され、誘導コイル５２０ａ〜ｄは、誘導コイル５２０ａ〜ｄのまわりに水を循環させることによって冷却される。

図１０は、モジュール式ガラス固化システムの別の実施例を示し、誘導コイル５２２ａ〜ｋは、キャニスタ５１０’のほぼ全体の高さにわたる。この実施例では、キャニスタ５１０’が廃棄材料で充填されるとき、廃棄物の最上層に隣接する位置を保持するために誘導コイルを移動させる代わりに、誘導コイルは「電子的に短絡」され、すなわち、溶融した廃棄材料の溶融ゾーンが上昇するにつれて、誘導コイルは順番に作動され、その後、順番に非作動にされる。すなわち、廃棄材料の最も高いレベルが、キャニスタ５１０’内の所与の高さに達するとき、その最も高いレベルの直上にあって隣接する誘導コイルが作動され、それによって、最も高いレベルの廃棄材料が、熱分解及び液化されて溶融した中間生成物が形成される。廃棄物がキャニスタ５１０’を充填し続けるとき、下部の誘導コイルは、（最も低いところのコイルで始めて）連続的に非作動にされ、それにより、熱分解及び溶融された廃棄物のより低い層が、ガラス質の最終生成物へと冷却され得る。

廃棄材料の加熱は、キャニスタの壁に最も近い廃棄材料の周辺から始まり、廃棄材料の層の中心の方に内側に進む。しかし、上述のマイクロ波システムによれば、モジュール式ガラス固化システムの誘導加熱が、キャニスタ内の受け入れ廃棄材料のマイクロ波処理と組み合わせられる場合、廃棄材料のより速くより均一な熱分解及び液化が可能である。

図１１は、マイクロ波システムとモジュール式ガラス固化システムとを組み合わせたマイクロ波強化ガラス固化システムの１つの実施例を示す。図示の実施例では、システムは、キャニスタ１５１０、マイクロ波源１３２０、真空デバイス１３３０、及び廃棄物供給管１５４５を含む。蓋１５１２はキャニスタ１５１０の上部を覆う。誘導コイル１５２０は、図１０に示された実施例におけるようにキャニスタ１５１０の側壁を取り囲む。上記で説明し、図３及び４に示したものと同様の導波管１４００が、マイクロ波源１３２０を蓋１５１２の窓１５１５に接続し、マイクロ波源１３２０からのマイクロ波をキャニスタ１５１０の内部に誘導する。廃棄物供給管１５４５は、受け入れ廃棄材料を蓋１５１２の気密開口を通してキャニスタ１５１０の内部に供給する。真空デバイス１３３０は、同様に、蓋１５１２の気密開口を通してキャニスタに到達する真空ライン１３３５によってキャニスタに接続される。図示の実施例では、廃棄物供給管１５４５からの廃棄材料がキャニスタ１５１０を充填するとき、誘導コイル１５２０は順番に作動され、受け入れ廃棄材料を誘導的に加熱し（図１０に示した実施例について上述したように）、導波管１４００によってキャニスタ１５１０中の廃棄材料の方に誘導されたマイクロ波も廃棄材料を加熱する。廃棄物の誘導加熱をマイクロ波加熱と組み合わせることによって、廃棄材料のより速くより均一な熱分解及び液化が達成される。真空デバイス１３３０は、熱分解、液化、及びガラス固化の間に廃棄材料から放出されたガスをキャニスタ１５１０から排気するのに役立つ。

廃棄材料のマイクロ波加熱を誘導モジュール式ガラス固化（又は他のガラス固化法）と組み合わせることによって、いくつかの利点が実現される。前節で説明し、図１１に示したものなどのシステムでは、受け入れ廃棄材料が誘導コイルとマイクロ波との両方によって加熱されるので、より能力の低い誘導コイルを使用することが可能であり、マイクロ波加熱は誘導コイルからのより少ない加熱を補う。マイクロ波強化ガラス固化により、同じ熱分解及びガラス固化がより能力の低い誘導加熱手段で達成される。さらに、例えば、溶融るつぼ及び最終貯蔵容器としてステンレス鋼廃棄物キャニスタを使用する場合、廃棄材料のマイクロ波加熱はステンレス鋼キャニスタの加熱を回避する。さらに、多くの用途において、受け入れ廃棄材料のマイクロ波加熱は、プロセス中に廃棄材料から水を放出するのに誘導加熱よりも効率的である。

図１２ａから１２ｄは、マイクロ波システムとモジュール式ガラス固化システムとを組み合わせ、廃棄物キャニスタがコンベヤに沿った所定の位置に移動されるマイクロ波強化ガラス固化システムの１つの実施例を示す。図示の実施例では、キャニスタ１５１０は、蓋１５１２及び誘導コイル１５２０の下の位置にコンベヤ１６００によって搬送される。（図示の実施例では、枠組みアーム１５２５が誘導コイルを所定位置に保持する。）蓋１５１２及び誘導コイル１５２０の下のコンベヤ１６００上の指定された位置で、昇降機又は油圧リフト１６５０は、蓋１５１２がキャニスタ１５１０と接触し、誘導コイル１５２０がキャニスタの側面を取り囲むように、キャニスタ１５１０を上昇及び「ロック」位置に持ち上げる。キャニスタ１５１０がロック位置にきた後、キャニスタ１５１０は廃棄物供給管１５４５からの廃棄物で充填され、キャニスタ内の廃棄材料は、上述のように、マイクロ波処理及び誘導加熱によって熱分解、液化、及びガラス固化される。キャニスタ１５１０が最大安全容量まで充填され、廃棄物のすべてについて内部がガラス固化されたとき、昇降機又は油圧リフト１６５０はキャニスタ１５１０を降下させ、その後、キャニスタ１５１０はコンベヤ１６００に沿って次の行き先に移動する。所定の位置にキャニスタ１５１０を移動させるための別の手段が考えられ、本発明によって包含され、例えば、コンベヤ１６００は、代替として、トラックシステム又はボギーシステムの形態をとることができることが当業者には認識されるであろう。

本発明によるマイクロ波強化ガラス固化システムにより、受け入れ廃棄材料と比較して体積の減少した均質なガラス固化生成物が可能になる。上述のいくつかの実施例では、マイクロ波強化ガラス固化システムは単一のキャニスタを使用して１バッチの廃棄材料をガラス固化する（すなわち、溶融容器及び貯蔵容器の両方を使用せずに）。これは除染コスト及び廃棄コストを低減する。さらに、システムは、単に追加キャニスタを追加することによってプロジェクトの規模を増大させることができる。マイクロ波強化ガラス固化システムの他の利点には、故障するか、揮発性物質を漏洩するか、又はメンテナンスを必要とすることがある、複雑で資本を多く要する耐火材、水冷式るつぼ、又は砂耐火材を取り除くことが含まれる。

本発明がいくつかの実施例の説明によって示され、例示的な実施例がかなり詳細に説明されたが、出願人の意図は、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に制限するものではなく、決して限定するものでもない。さらなる利点及び変更は当業者には容易に分かるであろう。したがって、本発明は、広範囲な態様において、図示及び説明された特定の詳細、代表的な装置及び方法、並びに例示的な実例に限定されない。したがって、出願人の一般的発明概念の趣旨又は範囲から逸脱することなく、そのような詳細から逸脱し得る。

Claims (16)

1. 放射性廃棄物を熱分解及びガラス固化するためのシステムにおいて、
   放射性廃棄物を受け取り、ガラス固化放射性廃棄物を貯蔵するキャニスタであって、溶融した放射性廃棄物を収納するように構成された材料から製作された内側層と、ガラス固化放射性廃棄生成物の長期間貯蔵用に構成された外側層と、前記内側層と前記外側層との間の絶縁材の層とを含む、キャニスタと、
   前記キャニスタ中の放射性廃棄物を誘導的に加熱するための誘導コイルと、
   前記キャニスタ中の放射性廃棄物にマイクロ波を誘導して前記キャニスタ中の前記放射性廃棄物を加熱するためのマイクロ波源であって、放射性廃棄物の層が前記キャニスタに追加されるとき、前記キャニスタ中の前記放射性廃棄物の層が熱分解され、溶融した状態になるまで、前記放射性廃棄物の層がマイクロ波及び誘導加熱によって加熱されるようになっており、前記溶融した廃棄物が冷却するとき、前記キャニスタが所望の体積のガラス固化廃棄生成物で充填されるまで、放射性廃棄物の追加の層が連続して追加、加熱、熱分解、及び冷却されてガラス固化廃棄生成物を形成するようになっている、マイクロ波源と
   を備えるシステム。
2. 前記キャニスタの前記内側層がグラファイトを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記キャニスタの前記外側層がステンレス鋼を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記キャニスタ中の前記放射性廃棄物の前記熱分解の間に、前記キャニスタから空気とガスとを抜くように構成された真空デバイスをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記マイクロ波源からのマイクロ波を集束させるための導波管をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
6. 放射性廃棄物を熱分解及びガラス固化する方法において、
   （ａ）廃棄物を受け取るためのキャニスタを供給するステップであって、前記キャニスタが、溶融した廃棄物を収納するように構成された材料から製作された内側ライニングを含み、前記キャニスタがガラス固化廃棄材料を貯蔵するように構成される、ステップと、
   （ｂ）廃棄物の層を形成するために前記キャニスタに廃棄物を追加するステップと、
   （ｃ）前記キャニスタ中の前記廃棄物の層を誘導的に加熱するステップと、
   （ｄ）前記キャニスタ中の前記廃棄物の層が熱分解され、溶融した状態になるまで、前記廃棄物を加熱するために、前記キャニスタ中の前記廃棄物の層にマイクロ波を誘導するステップと、
   （ｅ）ガラス固化廃棄生成物を形成するために前記溶融した廃棄物を冷却するステップと、
   （ｆ）前記キャニスタが所望の体積のガラス固化廃棄生成物で充填されるまで、ステップ（ｂ）からステップ（ｅ）を繰り返すステップと
   を含む、方法。
7. ステップ（ｃ）の前に、前記廃棄物の前記熱分解及び液化を容易にするように構成された材料を前記キャニスタに追加するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記廃棄物の前記熱分解及び液化を容易にするように構成された前記材料が、炭化ケイ素、鉄の削り屑、及び鉄粉からなる群から選択された材料を含む、請求項７に記載の方法。
9. 放射性廃棄物を熱分解及びガラス固化するための装置において、
   放射性廃棄物を受け取るためのキャニスタであって、前記キャニスタが最も外側の層、最も内側の層、及び中央の層をもつ壁を含み、前記最も外側の層が、放射性廃棄物を熱分解及びガラス固化するのに必要とされる時間よりも実質的に長い期間放射性廃棄材料を収納するための材料から製作され、前記最も内側の層が、放射性廃棄物を熱分解及びガラス固化するためのるつぼとして働き、前記中央の層が絶縁材を含む、キャニスタと、
   前記キャニスタの内容物を誘導的に加熱するための誘導コイルであって、前記キャニスタの前記壁の前記外側層に実質的に隣接して位置づけられる、誘導コイルと
   を備える、装置。
10. 前記最も外側の層がステンレス鋼を含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記最も内側の層が、前記誘導コイルによる前記誘導加熱を拡大するためのサセプタを含む、請求項９に記載の装置。
12. 前記最も内側の層がグラファイトを含む、請求項９に記載の装置。
13. 前記キャニスタが実質的に垂直な壁を有し、誘導コイルが前記キャニスタの前記実質的に垂直な壁を実質的に覆う、請求項９に記載の装置。
14. 前記キャニスタの前記壁に対して前記誘導コイルを上昇及び降下させるための移送デバイスをさらに含む、請求項９に記載の装置。
15. 前記キャニスタ中の放射性廃棄物にマイクロ波を誘導して前記キャニスタ中の前記放射性廃棄物を加熱するためのマイクロ波源をさらに含む、請求項９に記載の装置。
16. 放射性廃棄物を熱分解及びガラス固化するためのアセンブリにおいて、
    放射性廃棄物を受け取り、ガラス固化放射性廃棄物を貯蔵するキャニスタであって、溶融した放射性廃棄物を収納するように構成された材料から製作された内側層と、ガラス固化放射性廃棄生成物の長期間貯蔵用に構成された外側層と、前記内側層と前記外側層との間の絶縁材の層とを含む、キャニスタと、
    マイクロ波源と、
    前記キャニスタ中の放射性廃棄物に前記マイクロ波源からのマイクロ波を誘導して前記キャニスタ中の前記放射性廃棄物を加熱するための導波管と、
    前記キャニスタ中の放射性廃棄物を誘導的に加熱するための誘導コイルであって、前記キャニスタの壁を実質的に覆うためのサイズ及び数のものである、誘導コイルと、
    前記キャニスタから空気とガスとを抜くための真空デバイスと、
    前記誘導コイル及び前記導波管の実質的に下に前記キャニスタを位置づけるためのコンベヤと、
    前記コンベヤから前記キャニスタを上昇させる昇降機であって、前記誘導コイルが前記キャニスタを取り囲むようになっており、放射性廃棄物の層が前記キャニスタに追加されるとき、前記キャニスタ中の前記廃棄物の層が熱分解され、溶融した状態になるまで、前記放射性廃棄物の層がマイクロ波及び誘導加熱によって加熱されるようになっており、前記溶融した廃棄物が冷却するとき、前記キャニスタが所望の体積のガラス固化廃棄生成物で充填されるまで、放射性廃棄物の追加の層が連続して追加、加熱、熱分解、及び冷却されてガラス固化廃棄生成物を形成するようになっている、昇降機と
    を備える、アセンブリ。

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