JP2015045501A

JP2015045501A - 放射能汚染水の処理方法

Info

Publication number: JP2015045501A
Application number: JP2013171144A
Authority: JP
Inventors: 泰男石川; Yasuo Ishikawa; 正己奥山; Masami Okuyama
Original assignee: TI KK
Current assignee: TI KK
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2015-03-12

Abstract

【課題】トリチュウム汚染水を核分裂させて無害化する。【解決手段】オーステナイト系ステンレス製のケーシング１Ａ内に反応剤としての水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）又は水酸化カリウム（ＫＯＨ）を収納し、前記ケーシング１Ａを面状ヒータ４で４００〜６００℃に加熱して溶融塩とし、この溶融塩から微細粒子をケーシング１Ａ内の上部の反応空間Ｓに飛散せしめ、前記微細粒子をケーシング内壁１ａに接触させて特殊酸化膜７を形成し、前記反応空間Ｓ内にトリチュウム水（ＨＴＯ、Ｔ2Ｏ）を注入し、その大部分をＨ2に核変換せしめて無害化せしめる。【選択図】図１

Description

本発明は放射能で汚染されたトリチュウム汚染水を処理して無害化する放射能汚染水の処理方法に関する。

一般に、原子炉においては、熱媒体として軽水を使用しており、この軽水は原子炉内において放射性のトリチュウム水となり、このトリチュウム水を無害化する技術が期待され、最近、原子炉内での事故により大量のトリチュウム汚染水が蓄積され、その処理に困難を極めている。

特開２０１３−０４０８６８号公報特開２０１３−０３３０１９号公報

トリチュウム水の成分はＨＴＯ、Ｔ₂Ｏ等であるが、その処理方法としてはこれらの水
を電気分解してＨＴ、Ｔ₂と酸素を分けて、ＨＴ、Ｔ₂を大気中に放出する手段、トリチュウム水を加熱して水蒸気とし、酸化反応により酸素を切離してＨＴ、Ｔ₂を大気中に放出
する手段等、考えられるが、いずれの手段においても大量の処理が不可能であり、また、ＨＴ、Ｔ₂を大気中に放出すれば、放出されたＨＴ、Ｔ₂が雲に吸収されて大気を汚染するおそれもある。

本発明はかかる点に鑑み、大量のトリチュウム水を短時間で無害化できる放射能汚染水の処理方法に関する。

本発明の放射能汚染水の処理方法はオーステナイト系のステンレスの反応炉内に反応剤としてのアルカリ金属水酸化物をその上部に反応空間を形成するように収納し、前記反応剤をその融点以上に加熱して溶融塩とし、この溶融塩から微細粒子を反応空間内に飛散せしめ、前記微細粒子と反応炉内壁との反応により内壁表面に特殊酸化膜を形成し、前記反応空間にトリチュウム汚染水を供給するようにした。

前記反応炉内にオーステナイト系のステンレスからなるフィン状、筒状、板状、樋状、塊状、又は粉状の金属元素供給体を収納し、この金属元素供給体表面と前記微細粒子との反応により、その表面に特殊酸化膜を形成することが好ましい。

セラミック又はニッケルからなる前記反応炉内に筒状、樋状、板状、塊状、又は粉状のオーステナイト系のステンレスからなる金属元素供給体を収納し、更に反応剤としてのアルカリ金属水酸化物をその上部に反応空間を形成するように収納し、前記反応剤をその融点以上に加熱して溶融塩とし、この溶融塩から微細粒子を反応空間内に飛散せしめ、前記微細粒子と金属元素供給体との反応によりその表面に特殊酸化膜を形成し、前記反応空間にトリチュウム汚染水を供給するようにした。

前記オーステナイト系のステンレスはＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６であることが好ましい。

前記アルカリ金属水酸化物は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）又は水酸化カリウム（ＫＯＨ）であることが好ましい。

前記反応炉内を減圧しつつトリチュウム汚染水を供給することが好ましい。

前記特殊酸化物は、ＮａＦｅＯ₂、Ｎａ₃ＦｅＯ₃、Ｎａ₄ＦｅＯ₃、Ｎａ₅ＦｅＯ₄のうち
、少なくとも一種であることが好ましい。

前記反応炉の複数を直列に接続し、第１の反応炉で処理した処理ガスを次の第２、第３の反応炉で処理するようにすることが好ましい。

反応炉の形成初期においては、反応剤の溶融塩表面から微細粒子が反応空間内に飛散して、この微細粒子が反応炉のケーシング内壁および／又は金属元素供給体の表面と反応してＮａ₄ＦｅＯ₃、Ｎａ₅ＦｅＯ₄等の特殊酸化膜が形成され、この特殊酸化膜からも微細粒子が反応空間内に飛散し、この反応空間内にトリチュウム水が供給されると、核反応が生じ、酸素はＨＴＯ、Ｔ₂Ｏから引離され逐次高次の酸化膜を形成していく。一方、ＨＴ、
Ｔ₂内の核内の中性子は、核分裂して主としてＨ₂となり、若干、ＨＴとして残る。このＨＴは次の反応炉で分裂してＨ₂に変化して無害化される。

本発明の基本構成を示す反応炉の縦断面図である。反応炉の横断面図である。筒形の金属元素供給体の反応炉の収納状態図である。フィン状の金属元素供給体の反応炉の収納状態図である。樋形の金属元素供給体の斜視図である。塊状の金属元素供給体の反応炉の収納状態図である。樋状の金属元素供給体を収納した場合の反応炉の横断面図である。交換カセットを収納した反応炉の構成図である。樋形の交換カセットの斜視図である。反応炉を複数直列に接続した場合の処理方法システム構成図である。縦形炉の構成図である。

以下、図面を参照して本発明の放射能汚染水の処理方法について説明する。

図１において、円筒形の反応炉１は、ケーシング１Ａを有し、ケーシング１Ａの左右端には、入口管２および排出管３を備え、ケーシング１Ａは面状ヒータ４によって４００〜６００℃に加熱される。前記ケーシング１Ａは、オーステナイト系ステンレス鋼からなり、ＳＵＳ３０４（１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ−残Ｆｅ）、ＳＵＳ３１６（１８％Ｃｒ−１２％Ｎｉ−２．５％Ｍｏ−残Ｆｅ）等の一種から形成され、ニッケル（Ｎｉ）を含むものが好ましい。前記ケーシング１Ａ内には、ＮａＯＨ又はＫＯＨ等のアルカリ金属水酸化物からなる反応剤５が収納され、反応剤５の上部には反応空間Ｓが形成されている。この反応剤５はその融点（３００〜３５０℃）以上に加熱（４００〜６００℃）されて溶融塩となり、この溶融塩の表面からはナノオーダーの微細粒子６が飛散している。この微細粒子は、ＮａＯＨ又はＫＯＨを主成分とし、これに僅かなステンレス成分を含んでおり、前記微細粒子６は、加熱中にケーシング内壁に接触して特殊酸化膜７を形成し、加熱中に反応剤は次第に特殊酸化膜７に変化し、この特殊酸化膜７からも微細粒子６が反応空間Ｓ内に飛散する。この微細粒子６とトリチュウム水の水蒸気とが反応して無害化される。前記特殊酸化膜は、Ｘ線回析によれば反応剤としてＮａＯＨを使用した場合にＮａＦｅＯ₂、Ｎａ₃ＦｅＯ₃、Ｎａ₄ＦｅＯ₃、Ｎａ₅ＦｅＯ₄等が検出されており、注入する水が軽水（Ｈ₂Ｏ）、重水（Ｄ₂Ｏ）の場合に、酸素は確実にケーシング内に捕捉され、その捕捉酸素は特殊酸化膜７を発達せしめ反応空間Ｓは次第に特殊酸化膜で占められていく。トリチュウム水（Ｔ₂Ｏ、ＨＴＯ）の場合も同じように酸素は引抜かれて特殊酸化膜７が発達するものと予
想される。

なお、反応炉の運転としては、排出管３に切換バルブ８を設け、この切換バルブ８にコールドラップ９及び真空ポンプ１０を接続して前記切換バルブ８を切換えることにより常圧で運転したり、減圧で運転したりすることができる。いずれにしても、空気中の酸素が炉内に入ると一般的な酸化鉄、酸化クロムが生じて反応剤の作用がすぐに劣化するので、反応炉内から空気を除去して加熱することが必要である。反応炉内を減圧しつつ処理水を注入すると常圧よりも反応が活発となる。

前記ケーシング１Ａ内には、特殊酸化膜の量を増大させるために、オーステナイト系のステンレスからなる金属元素供給体が収納される。金属元素供給体としては、図３に示すように、筒体１１の形態でケーシング内と流通するように多数の開孔１２を設けたものでよく、図４に示すように、板状のフィンを多数設けたフィン体１３の形態でもよく、更に、図５に示す樋状の反応剤収納体１４でもよく、図６に示す如く、塊状の供給体１５でも、粉状（図示なし）のものでもよい。

なお、ケーシング内壁が反応して特殊酸化膜の寿命が来た時に、ケーシングごと交換しなければならず、このように酸化膜を形成すると、ケーシングの寿命が短くなるので、反応しないニッケル製又はセラミック製のケーシングとし、その内部に前述の金属元素供給体を収納してもよい。例えば、図５の樋状の反応剤収納体１４を収納した場合には、収納体１４内に反応剤が保持され、この収納体１４の内壁および端板１４ａ上に特殊酸化膜７が形成され、ケーシング内壁１ａには特殊酸化膜７は形成されない。

図８、９はカセット交換方式の反応炉および交換カセットを示すものであり、図８において、カセットを収納する反応炉２０は、セラミック製又はニッケル製のケーシング２１を有し、このケーシング２１の左右端には、入口管２２と排出管２３を有している。また、ケーシング２１の外周面は面状ヒータ２４によって４００〜６００℃に加熱され、ケーシング２１の右端には開閉蓋２５が着脱具２６によってワンタッチで着脱自在となっており、ケーシング２１内には、オーステナイト系ステンレス製の樋状の交換カセット２７が収納され、この交換カセット２７は本体２８とこの両端に設けられた端板２９、２９とからなり、その中に反応剤５が収納されている。この交換カセットの内外壁には、前記特殊酸化膜が形成され、一定期間使用した後に交換する必要があるが、その時には、開閉蓋２５を開け、右側端板２９に設けたフック３０を工具で把持して引出して新しい交換カセット２７に交換する。前記ケーシング２１はニッケル又はセラミックで形成されているので反応剤とは反応せずそれらの内壁には特殊酸化膜も形成されないので長期間使用可能である。

図１０は、反応炉１を複数個直列に接続した場合のシステム図であり、第１の反応炉には、トリチュウム水タンク４０からのトリチュウム水がポンプ４０を介して注入され、ここでは、処理ガスの大部分は軽水素ガス（Ｈ₂）となり、一部は軽水素−トリチュウムガ
ス（ＨＴ）となるので、このＨＴガスの量を減少させるために第２の反応炉に第１の反応炉の排出ガスが注入され、このように、ＨＴガス減少のために所定数の反応炉が直列に接続される。

＜実験＞
（１）軽水（Ｈ₂Ｏ）を反応炉に注入した場合
この場合には、９９％以上Ｈ₂ガスで酸素は殆ど排出されず、他に窒素が若干排出される。

（２）重水（Ｄ₂Ｏ１００％）を反応炉に注入した場合
この場合には、例えば表１のような結果となった。

すなわち、質量数２のＨ₂ガスが殆どで本来のＤ₂ガス（質量４）は０．０３％、Ｄ₂Ｏガス（質量２０）は０．０２％と殆ど観察されず、わずかに水素・重水素ガス（ＨＤ）が１．３６％であり、他のガスは無視できる程少量であった。このことは、重水素ガスの中性子の殆どは、陽子から分裂して飛散していることを意味する。ところが反応炉に隣接した中性子線量計を設置しても全く中性子を検出しなかった。分裂した中性子は炉内の特殊酸化膜に捕捉されたものと解釈せざるを得ない。

（３）ヘリウムガス（⁴Ｈ_e）を反応炉に注入した場合
炉を５２０℃程度に加熱し、炉内のガスを真空ポンプで完全に排出し、マイナス１気圧程度にした後に、ヘリウムガスを注入してプラス０．７気圧程度になるようにし、一時間炉内にＨｅガスを保持したところ、プラス０．８気圧程度に増圧したので、ガスを排気して質量分析器で測定したら表２のような結果となった。

すなわち、Ｈ₂が約５１％で、⁴Ｈ_eが約４３％となり、⁴Ｈｅの半分以上のＨ₂が発生し、これに加えて質量３のガスが２．８１％採集された。なお、（２）の重水の場合も、⁴Ｈｅの場合も、炉内に収納されたＮａＯＨのＨ成分を全て排出した後に、各ガスを炉内に注入しているので、ＮａＯＨのＨが収集されているということはない。また、炉内に収納されたＮａＯＨのＨを完全に排出するには、図１に示した横型の炉よりも図１１に示すように、縦形炉５０（ＳＵＳ３０４製）とし、炉の下半分をマントルヒータ５１で被い、上半分を冷却して冷やしながら１５時間程度ヒータ５１の設定温度を６００℃にして真空ポンプ１０で真空引きしながら処理するのが好ましい。

このように完全にＮａＯＨのＨ成分を抜いた後にＨ₂ガスが採集できるのは、⁴Ｈｅの原子核が一部核分裂してるとしか考えようがなく、しかも質量３の存在が認められるが、これはヘリウム３（³Ｈｅ）と思われる。

トリチュウム（Ｔ）の原子核の結合エネルギーは、⁴Ｈｅの原子核の結合エネルギーの３分の１程度であり、重水の場合には、殆ど核分裂され、更に、トリチュウムの原子核の結合エネルギーは²Ｄと⁴Ｈｅの中間にあることからすると、トリチュウム（Ｔ）は、上述の炉内で容易に核分裂して中性子を放出するものと思われる。

（４）トリチュウム水は市販されておらず手に入らないが、重水及びヘリウムの実験結果からすると以下のようになることが推測される。

現実の放射能汚染水は、主として水素・トリチュウム・酸素（ＨＴＯ）であり、トリチュウム・酸素（Ｔ₂Ｏ）がわずかに含まれている。ＨＴＯ、Ｔ₂Ｏから中性子が分裂して殆どがＨ₂となり、僅かにＨＴが排出され、このＨＴも直列の複数の反応炉を通せば、殆どがＨ₂として排出されるものと思われ、このようにしてトリチュウム水は無害化される。

１…反応炉
１Ａ…ケーシング
４…面状ヒータ
５…反応剤
６…微細粒子
７…特殊酸化膜
１０…真空ポンプ
２７…交換カセット

Claims

オーステナイト系のステンレスの反応炉内に反応剤としてのアルカリ金属水酸化物をその上部に反応空間を形成するように収納し、前記反応剤をその融点以上に加熱して溶融塩とし、この溶融塩から微細粒子を反応空間内に飛散せしめ、前記微細粒子と反応炉内壁との反応により内壁表面に特殊酸化膜を形成し、前記反応空間にトリチュウム汚染水を供給するようにした放射能汚染水の処理方法。
前記反応炉内にオーステナイト系のステンレスからなるフィン状、筒状、板状、樋状、塊状、又は粉状の金属元素供給体を収納し、この金属元素供給体表面と前記微細粒子との反応により、その表面に特殊酸化膜を形成してなる請求項１記載の放射能汚染水の処理方法。
セラミック又はニッケルからなる反応炉内に筒状、樋状、板状、塊状、又は粉状のオーステナイト系ステンレスからなる金属元素供給体を収納し、更に反応剤としてのアルカリ金属水酸化物をその上部に反応空間を形成するように収納し、前記反応剤をその融点以上に加熱して溶融塩とし、この溶融塩から微細粒子を反応空間内に飛散せしめ、前記微細粒子と金属元素供給体との反応によりその表面に特殊酸化膜を形成し、前記反応空間にトリチュウム汚染水を供給するようにした放射能汚染水の処理方法。
前記オーステナイト系のステンレスはＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６である請求項１乃至３記載の放射能汚染水の処理方法。
前記アルカリ金属水酸化物は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）又は水酸化カリウム（ＫＯＨ）である請求項１記載の放射能汚染水の処理方法。
前記反応炉内を減圧しつつトリチュウム汚染水を供給するようにした請求項１記載の放射能汚染水の処理方法。
前記特殊酸化膜は、ＮａＦｅＯ₂、Ｎａ₃ＦｅＯ₃、Ｎａ₄ＦｅＯ₃、Ｎａ₅ＦｅＯ₄のうち
、少なくとも一種である請求項１記載の放射能汚染水の処理方法。
前記反応炉の複数を直列に接続し、第１の反応炉で処理した処理ガスを次の第２、第３の反応炉で処理するようにした請求項１記載の放射能汚染水の処理方法。