JP2020051897A - 放射性元素の安定化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス固化運転温度よりも低い条件で、水分を含まない放射性元素の安定化方法を提供する。【解決手段】放射性元素を含む処理対象廃棄物１０から水分を除去するステップと、前記処理対象廃棄物を溶融塩２中に添加するステップと、前記溶融塩中の放射性元素イオンを溶融塩電解により陰極５に析出させ他の金属と合金化するステップと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放射性廃液に含まれる放射性元素の安定化方法に関する。

放射性元素を含む廃液処理では、廃液に含まれるＳｒ、Ｂａ、Ｃｏ等の放射性元素を炭酸塩や水酸化物等の難溶性化合物として沈殿回収し、安定な固化体にすることが行われている。

従来の放射性元素の固化方法として、放射性廃棄物をガラス原料と混合し、１２００〜１３００℃で加熱溶融し、容器内で冷却しガラス固化体とする手段が知られている。
また、放射性廃棄物の焼却灰を、ゼオライト、フェロシアン化塩等の吸着剤とセメント、水等とともに混合撹拌しセメント固化体とする手段が知られている。

ところで、上述した従来の沈殿回収方法は、一般の廃液からの金属回収・除去方法としても広く用いられているが、放射性廃液の処理では一般の廃液と異なり放射線の影響を考慮する必要がある。すなわち、放射性元素が沈殿し固体として濃縮されると放射線量が上昇し、沈殿物に含まれる水が放射線分解し、可燃性ガスである水素が発生する可能性がある。この水素ガスが徐々に増加し、回収物容器中に滞留すると水素爆発を引き起こす恐れがあるため、水素ガス管理や防爆構造等の対策を講じる必要がある。

そのため、放射性廃棄物の保管コストが増大するとともに、放射性廃棄物の安全性に対する信頼性を損ない、不信感を助長する可能性がある。
また、放射性元素を含む沈殿物を脱水し乾燥させた場合は水素が発生する可能性は低くなるが、沈殿物が細かいパウダーとなって飛散し周辺を汚染する恐れがある。

今後、既存の原子炉の廃止措置、事故炉の廃炉作業では大量の放射性廃液が発生すると予想されるが、放射性廃液に含まれる放射性元素を安定に処理する技術の開発が望まれている。

特許第１３１８４９８号公報 特許第５０４７４００号公報

上述した従来のセメント固化方法は、低レベル放射性廃棄物に対して一般的に用いられているが、高レベル廃棄物に対しては、セメント固化体中の水分が放射線分解し水素が発生し、水素爆発を引き起こす可能性があるという課題がある。

また、上述した従来のガラス固化方法は、再処理施設で発生する高レベル廃棄物の固化方法として採用されているが、ガラス固化運転温度が高温であるため大規模な設備を必要とするとともに、放射性元素の化学的性質によってはガラス中で均一化せず、安定な固化体を得られないという課題がある。

本発明者等は、上述した課題を解決するために、耐放射線性に優れ、水を含まず、種々の活性金属を取り扱える溶融塩電解に着目し、水分を除去した放射性元素を含む処理対象廃棄物を溶融塩中に浸漬し、溶融塩電解により放射性元素を陰極に析出させるとともに適切な金属と合金化することで放射性元素を安定化することができることを知見して、本発明に至ったものである。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る放射性元素の安定化方法は、放射性元素を含む処理対象廃棄物から水分を除去するステップと、前記処理対象廃棄物を溶融塩中に添加するステップと、前記溶融塩中の放射性元素イオンを溶融塩電解により陰極に析出させ他の金属と合金化するステップと、を有する。

本発明の実施形態によれば、ガラス固化運転温度よりも低い条件で、水分を含まない放射性元素の安定化方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る放射性元素の安定化方法を示す図。 第１の実施形態に係る放射性元素の析出電位を示す図。 第２の実施形態に係る放射性元素の安定化方法を示す図。 第３の実施形態に係る放射性元素の安定化方法を示す図。

以下、本発明に係る放射性元素の安定化方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る放射性元素の安定化方法について、図１を用いて説明する。
（構成）
第１の実施形態に係る反応装置は、溶融塩２が収容された反応容器１と、電源３に接続され溶融塩２中に浸漬される陽極４及び陰極５と、反応容器１の周囲に設けられた加熱装置６と、から構成される。

本実施形態では、放射性元素を含む処理対象廃棄物１０としてスラリー状のＳｒＣＯ_３を用い、陽極４として炭素、陰極５として溶融Ａｌを用い、溶融塩２として融点３５２℃の共晶組成ＬｉＣｌ−ＫＣｌを用いた例について説明するが、他の元素、材料の組み合わせを用いてもよい。

なお、溶融塩は高温の無機化合物からなる液体であり、特徴として金属塩の溶解が可能なこと、高温のため反応速度が速いこと、耐放射線性が高いこと、浄化することで溶融塩の再利用が可能なこと、等が挙げられ、一般産業でもアルミニウム製錬やアルカリ土類金属の生産技術として広く用いられている。

（作用）
反応容器１内には、加熱装置６により融点以上に保持された液体のＬｉＣｌ−ＫＣｌからなる溶融塩２が収容されている。処理対象廃棄物１０であるスラリー状のＳｒＣＯ_３は水分を多量に含んでいるため、反応容器１に添加する前に、加熱等により水分を除去する。その一例として、溶融塩２を熱源として用い、図１に示すように、例えば高温の溶融塩２の上方でスラリー状のＳｒＣＯ_３を所定時間保持し水分を蒸発させることも可能である。

水分が除去された処理対象廃棄物１０（ＳｒＣＯ_３）を反応容器１内の溶融塩２に添加すると、以下の反応式によりＳｒはＳｒ^２＋イオンとして溶融塩２中に溶解する。
ＳｒＣＯ_３ ＋ ２ＫＣｌ ＝ ＳｒＣｌ_２ ＋ Ｋ_２ＣＯ_３ （１）
ＳｒＣｌ_２ ＝ Ｓｒ^２＋ ＋ ２Ｃｌ⁻ （２）

ここで、Ｓｒの析出電位Ｅは、ネルンストの式とＳｒＣｌ_２の標準生成自由エネルギーΔＧ^０から、次式（３）、（４）のように算出される。

（Ｅ^０；標準電極電位、Ｒ；気体定数、Ｔ；温度、ｎ；移動電子数、ａ；活量、
Ｆ；ファラデー定数、ΔＧ^０；ギブスエネルギー変化）

通常、Ｓｒの析出電位はＬｉの析出電位より卑なため溶融塩２のＬｉＣｌ−ＫＣｌからＳｒを単体として析出させることは困難である。しかしながら、Ｓｒ化学種の活量を操作することでＬｉ析出電位よりも貴とし、析出回収を可能とすることができる。

このような条件を実現するためには、式（３）におけるａ_Srを小さくすればよく、これによりＳｒ^２＋ を溶融Ａｌからなる陰極５に析出させＳｒＡｌ合金として回収することが可能となる。

また、陰極５が溶融Ａｌからなる溶融金属のため、適宜撹拌を行うことでＳｒを溶融Ａｌ中に均一に分布させて回収することも可能である。回収した溶融合金は型枠に流し込み冷却することで所望の形状とすることができる。この冷却した合金は、例えばキャニスタなどに安定的に長期保管することが可能である。

（Ｓｒの析出電位）
図２を用いて、溶融塩としてＬｉＣｌ−ＫＣｌを用いた際のＳｒの析出電位を、熱力学平衡計算により算出した結果を説明する。

図２に示すように、Ｓｒの析出電位は、活量比ａ_Sr / ａ_Sr ^２＋ ＝１のときは全温度領域においてＬｉ析出電位よりも卑な値となっており、Ｓｒ回収が困難なことがわかる。この活量比を１より小さくすると析出電位が貴にシフトし、例えば、ａ_Sr / ａ_Sr ^２＋ ＝０．０１又は０．０１以下となった場合には全温度領域でＳｒの析出電位がＬｉ析出電位よりも貴となり析出回収が可能となる。
このためには回収合金中のＳｒモル分率を小さくし、溶融塩中のＳｒ^２＋イオンのモル分率を大きくすればよい。

したがって、例えば７００℃溶融ＬｉＣｌ−ＫＣｌのＳｒ濃度が１０ｍｏｌ％となるまでＳｒＣＯ_３を添加し、溶融Ａｌ電極の電位を０．０６Ｖｖｓ．Ｌｉ^＋／Ｌｉに保持することでＳｒ^２＋を溶融Ａｌ中に取り込むことができる。
実験例では、溶融塩２の温度が７００℃の場合では１〜２ｍｏｌ％のＳｒ^２＋を溶融Ａｌ中に取り込むことが確認できた。

（変形例）
本変形例では、陰極５として放射線遮蔽機能を有する溶融Ｐｂや溶融Ｂｉ等を用いる。Ｓｒを取り込んだ溶融Ｐｂ又は溶融Ｂｉは回収して冷却した後、金属マトリックスとして放射線遮蔽効果を奏することができる。

なお、Ｐｂ、Ｂｉ等の放射線遮蔽機能を有する溶融金属は単独に陰極５として用いることができるが、適宜の比率で混合したものを用いることができるほか、Ａｌとも混合して用いることも可能である。

（効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、ガラス固化運転温度よりも低い条件で、溶融塩電解により放射性元素を陰極に析出させるとともに適切な金属と合金化することで放射性元素を安定化することができる。析出した合金は水分を含まないため水素爆発を防止することができるとともに、放射性元素を長期的に安定化することが可能となる。

また、従来の放射性廃棄物の固化設備に比較して装置の小型化も図ることができる。
さらに、本実施形態では処理対象廃棄物としてＳｒ廃棄物、Ｓｒと合金化する金属としてＡｌ、Ｐｂ、Ｂｉを用いた例について説明したが、他の放射性元素にも適用可能であり、その放射性元素の種類に応じて合金化する金属を適宜選択することで、放射性元素を安定化することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る放射性元素の安定化方法について、図３を用いて説明する。
本第２の実施形態では、陽極４として炭素、陰極５として鉄を用い、処理対象廃棄物１０の放射性元素と合金形成する金属を溶融塩２中に添加する。

本実施携帯では、処理対象廃棄物１０として放射性元素Ｃｏを含むＣｏ廃棄物を用い、溶融塩中に添加する金属（金属化合物）としてＺｎを用いた例について説明する。
図２に示すように、まず、Ｃｏを含む処理対象廃棄物１０を溶融塩２中に添加し、ＣｏをイオンＣｏ^２＋として溶解させる。次に、溶融塩２中にＺｎ化合物を添加すると、溶融塩２中に金属イオンＺｎ^２＋が生成する。この状態で、溶融塩電解を行うことでＣｏＺｎ合金が陰極５上に析出し回収可能となる。

なお、Ｚｎ化合物は予め溶融塩２中に添加してもよい。また、Ｚｎ化合物は試薬だけでなく、Ｚｎを含む廃棄物、例えば溶融飛灰等を用いることも可能である。
また、陰極５に析出したＣｏＺｎ合金は組成と温度を制御することで溶融金属として回収することも可能である。

本実施形態では、処理対象廃棄物１０中のＣｏをＣｏＺｎ合金として陰極５に析出回収する例について説明したが、第１の実施形態と同様に陰極として機能する溶融Ａｌに析出させることもできる。
なお、Ｃｏと合金化する物質としてＡｌやＰｂ、Ｂｉ等の放射線遮蔽機能を有する物質を用いてもよい。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る放射性元素の安定化方法について、図４を用いて説明する。
本第３の実施形態では、処理対象廃棄物として放射性元素Ｃｏを含むＣｏ廃棄物を用い、陽極４として金属のＡｌ、陰極５として鉄を用い、陽極溶解により溶融塩２中にＡｌイオン（Ａｌ^３＋）を生成させ、陰極５にＣｏＡｌ合金を析出させる。

本実施形態では、陽極４では溶融塩２の分解によるガスが発生することがないため、廃ガス処理が簡便になる利点がある。
また、陰極５の材料には鉄等の通常の金属だけでなく、所望の元素から構成される金属廃棄物を用いてもよい。

さらに、陽極４に例えば金属アルミニウム廃棄物を用いることも可能であり、その場合には溶融塩２中にＡｌがＡｌ^３＋イオンとして溶解し、これが陰極５上でＣｏＡｌ合金として析出する。

本実施形態によれば、陰極５に放射性元素（本実施形態ではＣｏ）とＡｌを共析させることで、化学的に安定なＡｌ塊中に放射性元素を閉じ込めることができる。
なお、陽極４としてＰｂ、Ｂｉ等の放射線遮蔽機能を有する金属を用いてもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…反応容器、２…溶融塩、３…電源、４…陽極、５…陰極、６…加熱装置、１０…処理対象廃棄物

Claims (5)

1. 放射性元素を含む処理対象廃棄物から水分を除去するステップと、前記処理対象廃棄物を溶融塩中に添加するステップと、前記溶融塩中の放射性元素イオンを溶融塩電解により陰極に析出させ他の金属と合金化するステップと、を有する放射性元素の安定化方法。
2. 前記他の金属は溶融金属であるとともに陰極として機能する請求項１記載の放射性元素の安定化方法。
3. 前記陰極は前記他の金属からなり、当該金属のイオンを前記溶融塩中に溶出させる請求項１記載の放射性元素の安定化方法。
4. 前記他の金属の化合物を前記溶融塩中に添加し当該金属のイオンを前記溶融塩中に生成する請求項１記載の放射性元素の安定化方法。
5. 前記他の金属が放射線遮蔽効果を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の放射性元素の安定化方法。
   
   

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