JP2021092474A

JP2021092474A - ジオポリマー固化体製造方法及びジオポリマー固化体製造システム

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Publication number: JP2021092474A
Application number: JP2019223888A
Authority: JP
Inventors: 佑樹古館; Yuki Furudate
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: JP7159147B2

Abstract

【課題】均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができるジオポリマー固化体製造方法及びジオポリマー固化体製造システムを提供する。【解決手段】本発明の一態様は、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する工程と、上記混合工程で得られた混合物を低密閉状態で加熱する工程とを備えるジオポリマー固化体製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、ジオポリマー固化体製造方法及びジオポリマー固化体製造システムに関する。

放射性廃棄物をドラム缶等の容器の中に入れて固めるための固化材として、セメント、アスファルト、プラスチック、ガラス等が用いられている。このうち、セメントと放射性廃棄物とを混合して容器の中に固める方法は、原子力施設内での処理が比較的容易なことから、多くの原子力施設で標準的な固化法として用いられている。

しかしながら、セメントによる固化法では、水和反応により水和物を生成して硬化する反応を利用するため、その固化体中には多量の水が含まれる。放射性廃棄物の放射能濃度が高くなると、水和物に不可分に含まれている水分や添加した水分が放射線分解されて水素が発生する。そして、発生した水素が容器内に充満して爆発限界濃度を超えると、爆発を起こすことがある。このため、セメント固化法では、セメントと混合する放射性廃棄物の濃度あるいは量を制限して、水素の発生量を抑制する必要がある。すなわち、放射能濃度の高い放射性廃棄物をセメントで固化する場合には、１個の容器に収納することができる放射性廃棄物の量が制限され、結果として使用する容器の数が増え、放射性廃棄物の輸送費用や処分費用が増大するという問題がある。

この問題を解決する方法として、水分を含まないガラスを固化材とするガラス固化法を適用することが考えられる。しかしながら、ガラス固化法は、１２００℃以上に加熱した溶融ガラスに放射性廃棄物を混合して容器の中に固める高度な技術を要する固化法であり、セメント固化法に比べて汎用性・経済性に劣る。

そこで、放射性廃棄物をジオポリマーで固化することが考えられる。ジオポリマーは水和反応を利用しないため、固化体中に不可分な水が含まれることがない。例えば、特許文献１には、赤泥と灰とを混合した粉末を、ジオポリマーにより固化する赤泥の固化方法が開示されている。

特開２００５−７５７１６号公報

放射性廃棄物を廃棄体として処分する際には、廃棄体が所定の技術上の基準に適合している必要がある。具体的には、一軸圧縮強度が１５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上であることや、空隙が残らないこと、固型化材料と混和材料と放射性廃棄物とが均質に混合されていること等がある。しかし、放射性廃棄物をジオポリマーで固化する場合、ジオポリマー固化反応の進行が不十分となることがある。この場合、固化体の均質性や強度について、前述の技術上の基準に適合せず、廃棄体として処分が出来なくなることが懸念される。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができるジオポリマー固化体製造方法及びジオポリマー固化体製造システムを提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する工程と、上記混合工程で得られた混合物を低密閉状態で加熱する工程とを備えるジオポリマー固化体製造方法である。

上記課題を解決するためになされた本発明の別の態様は、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する工程と、上記混合工程で得られた混合物を高湿度環境で加熱する工程とを備えるジオポリマー固化体製造方法である。

上記課題を解決するためになされた本発明の別の態様は、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する混合部と、上記混合部で得られた混合物を低密閉状態で加熱する加熱部とを備えるジオポリマー固化体製造システムである。

本発明によれば、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができるジオポリマー固化体製造方法及びジオポリマー固化体製造システムを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るジオポリマー固化体製造方法のフローチャートである。図２は、本発明の一実施形態に係るジオポリマー固化体製造システムの構成例を示す概略図である。

本発明の一実施形態に係るジオポリマー固化体製造方法は、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する工程と、上記混合工程で得られた混合物を低密閉状態で加熱する工程とを備える。当該ジオポリマー固化体製造方法によると、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができる。

低密閉状態とは、完全な密閉状態とせずに、加熱により蒸発した水蒸気が外部に放出できる程度の密閉状態であることを意味する。上記低密閉状態においては、ジオポリマー固化体の生成反応を進行するために必要な水分が不足しない程度の水蒸気雰囲気下で加熱を行うことができる。当該ジオポリマー固化体製造方法は、上記加熱工程が低密閉状態で行われることにより水蒸気の過度な放出を防ぐため、固化反応に必要な水分が不足しない。ジオポリマー固化反応に必要な水分を反応系に留めておくことで、ジオポリマー固化反応の不十分な領域が生じることを防ぎ、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができると考えられる。

本発明の別の実施形態に係るジオポリマー固化体製造方法は、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する工程と、上記混合工程で得られた混合物を高湿度環境で加熱する工程とを備える。当該ジオポリマー固化体製造方法によると、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができる。

高湿度環境とは、ジオポリマー固化反応に係る反応系の水分が、加熱による水分蒸発に拘わらずジオポリマー固化反応の進行が妨げられない程度に維持される湿度環境をいい、必ずしも相対湿度１００％である必要はない。当該ジオポリマー固化体製造方法は、上記加熱工程が高湿度環境で行われることにより、反応系の水分を一定に保つことができる。ジオポリマー固化反応に必要な水分を反応系に留めておくことで、ジオポリマー固化反応の不十分な領域が生じることを防ぎ、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができると考えられる。

当該ジオポリマー固化体製造方法は、上記加熱工程を、上記混合物の上面に蓋を載置することで行うと好ましい。上記蓋により、上記加熱工程において蒸発した水蒸気が環流される。このようなジオポリマー固化体製造方法は、加熱中の過度な水蒸気の外部への放出を抑制し、また、反応系の水分を一定に保つことができる。ジオポリマー固化反応に必要な水分を反応系に十分に留めておくことで、ジオポリマー固化反応の反応場が維持され、より均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができる。

当該ジオポリマー固化体製造方法は、上記混合工程後に上記混合物を型枠に充填する工程を備え、上記加熱工程で加熱される混合物が上記充填工程で得られた成形体であると好ましい。ジオポリマー固化前の過度な混合物の圧縮は、水分が混合物内に閉じ込められることによる不均質なジオポリマー固化体を生成し得る。混合物を型枠に充填し、上記充填工程で得られた成形体を加熱する当該ジオポリマー固化体製造方法は、より均質なジオポリマー固化体を製造することができる。

当該ジオポリマー固化体製造方法は、上記ジオポリマー材料が、アルミナ及びメタケイ酸ナトリウム九水和物を含む材料であると好ましい。アルミナ及びメタケイ酸ナトリウム九水和物を含む材料を上記ジオポリマー材料として用いた場合、上記加熱工程において、ジオポリマー固化反応に必要なＳｉとＡｌの架橋反応が効率的に進行する。また、メタケイ酸ナトリウム九水和物から水和水が脱離し、この水和水がジオポリマー固化反応に必要な水分として機能する。このようなジオポリマー固化体製造方法は、上記ジオポリマー材料をすべて固体の状態で取り扱うことができ、設備及び作業工程の簡略化が可能となる。

本発明の一実施形態に係るジオポリマー固化体製造システムは、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する混合部と、上記混合部で得られた混合物を低密閉状態で加熱する加熱部とを備えるジオポリマー固化体製造システムである。

当該ジオポリマー固化体製造システムによると、ジオポリマー固化反応の進行が不十分となる領域の生成を防ぐことができる。このため、当該ジオポリマー固化体製造システムは、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができる。

以下、本発明の一実施形態に係るジオポリマー固化体製造方法及びジオポリマー固化体製造システムについて詳述する。なお、各実施形態に用いられる各構成要素の名称は、背景技術に用いられる各構成要素の名称と異なる場合がある。適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

なお、以下の説明において、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する工程を「混合工程」と、混合工程で得られた混合物を型枠に充填する工程を「充填工程」と、上記混合物又は充填工程で得られた成形体（以下、まとめて「混合物等」ということがある。）を低密閉状態で加熱する工程を「加熱工程」と、加熱工程の後に得られた生成物を養生する工程を「養生工程」とし、説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るジオポリマー固化体製造方法のフローチャートである。図中のＳ１からＳ４は工程を示す符号であり、後述する符号Ｓ１からＳ４と対応している。

＜ジオポリマー固化体製造方法＞
図１に示す本発明の一実施形態に係るジオポリマー固化体製造方法では、混合工程Ｓ１と、充填工程Ｓ２と、加熱工程Ｓ３と、養生工程Ｓ４とを備える。なお、本発明に係るジオポリマー固化体製造方法においては、充填工程Ｓ２及び養生工程Ｓ４を省略することが可能である。

（混合工程）
混合工程Ｓ１では、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を撹拌機等によって均一に混合する。混合工程Ｓ１において、水分を添加してもよい。水分の添加は、水の添加、水蒸気の導入等により行うことができる。混合工程Ｓ１において適切な水分量を保持することにより、十分な流動性を確保し、均一な混合を行うことができる。混合工程Ｓ１により、上記ジオポリマー材料と上記放射性廃棄物との混合物を得ることができる。

（ジオポリマー）
ジオポリマーとは、ケイ酸モノマーと架橋金属とが脱水縮合により重縮合することで形成される無機ポリマーの１つである。上記架橋金属は、例えばアルミニウムを用いることができる。

上記ジオポリマーは、例えば、ケイ酸ナトリウム等のＳｉを含む化合物と、アルミナ等のＡｌを含む化合物と、アルカリ性の化合物を含有するアルカリ刺激剤とを混合することで形成することができる。ジオポリマーの形成にあたり、上記アルカリ刺激剤を溶解し、アルカリ性の反応場を形成することによってＳｉとＡｌの架橋反応を形成するために水分が必要である。上記水分は反応系に水を加えてもよいし、上記アルカリ刺激剤として水和物を用いることにより加熱時に脱離する水和水を上記水分として機能させてもよい。ジオポリマー形成前の材料をすべて固体の状態で取り扱うことができ、設備及び作業工程の簡略化が期待できるため、上記アルカリ刺激剤として水和物を用いると好ましい。

ケイ酸ナトリウムとアルミナを例として、上記ジオポリマーの生成過程を詳説する。アルミナに含まれるＡｌは、ケイ酸ナトリウム水溶液、いわゆる水ガラスに溶出してケイ酸モノマーとなるＳｉＯ_４と重縮合する。これにより、Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ結合が生じて、無機ポリマーであるジオポリマーが生成される。さらに詳説すると、水ガラスの一部は加水分解してケイ酸と水酸化ナトリウムになっており、反応系に添加された上記アルカリ刺激剤や上記水酸化ナトリウムから生じた水酸化物イオンは、アルミナを水和させて水酸化アルミニウム等に変え、さらにアルミン酸まで可溶化させる。このアルミン酸とケイ酸とから水分子が取り外されることでＳｉ−Ｏ−Ａｌ結合が生じ、上記ジオポリマーが生成される。上記ジオポリマーが、上記放射性廃棄物を固化するバインダーの役目を果たす。

ここで、ポリマーとは、複数のモノマーが重縮合することによってできた化合物のことである。また、重縮合とは、複数の化合物が、互いの分子内から水のような小分子を取り外しながら縮合し、それらが連鎖的につながってポリマーを生成することである。

（ジオポリマー材料）
上記ジオポリマー材料には、無機材料とアルカリ刺激剤とが含まれる。上記無機材料には、ケイ酸塩、二酸化ケイ素、アルミナ、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、メタカオリン、高炉スラグ、焼却灰、飛灰、フライアッシュ、ゼオライト、モルデナイト、シリカフューム等があり、上述したジオポリマーの形成に必要なＳｉ及びＡｌが含まれるよう、これらのうち少なくとも１種以上が選ばれる。

上記ケイ酸塩としては、例えば、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸ルビジウム、ケイ酸セシウム等を用いることができる。また、ケイ酸塩には、オルト、メタ等の様々な化学形態のものが存在するが、特定の化学形態に限定されることなく何れの化学形態のケイ酸塩であっても上記無機材料として採用することができる。

上記無機材料中のＳｉとＡｌとの比率は特に制限されないが、通常、Ｓｉ：Ａｌ原子比が１：１〜３５：１にあるものが使用され、上記放射性廃棄物の固定という機能の点からは、Ｓｉ：Ａｌ比が１：１〜５：１の範囲内にあるものが好ましい。なお、上記無機材料にはＳｉ及びＡｌ以外の元素や不純物を含んでもよい。

（アルカリ刺激剤）
アルカリ刺激剤とは、上記無機材料に含まれるＡｌを水ガラスに溶出させて反応を促進させるアルカリ性の化合物を含有する反応促進剤である。

上記アルカリ刺激剤としては、例えば、水酸化物、炭酸塩、炭酸水素塩、上述したケイ酸塩等を用いることができる。上記水酸化物としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム等がある。上記ケイ酸塩を用いる場合は上記無機材料の機能を兼ねることができる。また、上記水酸化物や上記ケイ酸塩に、さらにアルミン酸塩を添加したものも上記アルカリ刺激剤として採用することができる。

（水和物）
ジオポリマーの形成に必要な水分は、上記アルカリ刺激剤として水和物を用いることで、加熱時に脱離する水和水を水分として機能させてもよい。上記水和物は、水分子を含む物質を持つ化合物として、例えば、ケイ酸塩水和物、アルミン酸塩水和物、硫酸ナトリウム十水和物等を用いることができる。

上記ケイ酸塩水和物としては、例えば、ケイ酸リチウム水和物、メタケイ酸ナトリウム九水和物等のケイ酸ナトリウム水和物、四ケイ酸カリウム一水和物等のケイ酸カリウム水和物、ケイ酸ルビジウム水和物、ケイ酸セシウム水和物等がある。また、上記アルミン酸塩水和物としては、例えば、アルミン酸リチウム水和物、アルミン酸ナトリウム水和物、アルミン酸カリウム三水和物等のアルミン酸カリウム水和物、アルミン酸ルビジウム水和物、アルミン酸セシウム水和物等がある。

上記ジオポリマー材料は、アルミナ及びメタケイ酸ナトリウム九水和物を含む材料が好適である。アルミナ及びメタケイ酸ナトリウム九水和物を含む材料を上記ジオポリマー材料として用いた場合、上記加熱工程において、ジオポリマー固化反応に必要なＳｉとＡｌの架橋反応が効率的に進行する。また、メタケイ酸ナトリウム九水和物から水和水が脱離し、ジオポリマー固化反応に必要な水分として機能する。このため、上記ジオポリマー材料をすべて固体の状態で取り扱うことができ、設備及び作業工程の簡略化が可能である。

（放射性廃棄物）
上記放射性廃棄物は、特に限定されず、イオン交換樹脂の熱分解処理残渣、放射化金属の切粉等の粉状あるいは粒状のもの、瓦礫等を焼却して得られる焼却残渣、板や管等の塊状のもの、汚染水等の液状のものであってもよい。上記放射性廃棄物を用いて当該ジオポリマー固化体製造方法により製造されたジオポリマー固化体は、低水分となるため、水の放射線分解による水素の発生を抑制することができる。

当該ジオポリマー固化体製造方法では、上記放射性廃棄物以外の廃棄物を用いることも可能である。このような廃棄物として、一般廃棄物、燃え殻、汚泥、廃油、廃アルカリ、廃プラスチック類、ゴムくず、金属くず、ガラスくず、コンクリートくず、陶磁器くず、鉱さい、がれき類、ばいじん、紙くず、木くず、植物性残さ、動物系固体不要物、動物のふん尿、感染性産業廃棄物等を用いることが可能である。

（混合量）
上記ジオポリマー材料の混合量は、ジオポリマー固化体が形成できる範囲であれば特に制限されない。上記ジオポリマー材料の混合量は、上記ジオポリマー材料と上記放射性廃棄物との合計重量に対し５重量％以上５０重量％以下の範囲が好ましく、２０重量％以上５０重量％以下の範囲にあるとより好ましい。

なお、混合工程Ｓ１において水の添加は必ずしも必要ないが、水を添加する場合、水の添加量は、上記ジオポリマー材料と上記放射性廃棄物と水との合計重量に対し、０．１重量％以上５０重量％以下の範囲にあることが好ましく、０．１重量％以上３０重量％以下の範囲にあるとより好ましい。ジオポリマーが固化する際の脱水重縮合でも水が生成されるため、過剰量の水の添加は、不均質なジオポリマー固化体が生成する原因となり得る。上記範囲の水の添加であれば均質なジオポリマー固化体の生成に支障をきたすことがない。

（充填工程）
当該ジオポリマー固化体製造方法は、充填工程Ｓ２を備えると好ましい。加熱工程Ｓ３の前に充填工程Ｓ２を行う場合、混合工程Ｓ１後に得られた上記混合物を型枠に充填するとよい。充填工程Ｓ２における上記型枠への充填に係る上記混合物の導入は、少量ずつ行うことが好ましく、上記混合物の導入後に上記型枠を震盪するとより好ましい。これにより、充填工程Ｓ２により得られる成形体の嵩密度を高めることができる。

充填工程Ｓ２は、常圧、すなわち減圧や加圧を行わない大気圧程度の圧力条件下で上記混合物を上記型枠に充填することで行われると好ましい。ジオポリマー固化前の混合物の加圧等は、水分が混合物内に閉じ込められることによる不均質なジオポリマー固化体を生成し得る。常圧で混合物を型枠に充填することで、より均質なジオポリマー固化体を製造することができる。

（型枠）
上記型枠としては、長期保存が可能であれば、特に制限されず、その素材は、例えば金属材料やセラミックス等の無機材料等を用いることができる。無機材料等を用いた基材に金属層を積層した材料を用いてもよい。上記型枠の容積は、処理効率等を鑑み適宜選択される。例えば、金属製のドラム缶やペール缶を用いる場合は規格に応じて、２００Ｌ、１２０Ｌ、１００Ｌ、８０Ｌ、６０Ｌ、５０Ｌ、４０Ｌ、２０Ｌ等がある。

（加熱工程）
本発明の一実施形態に係るジオポリマー固化体製造方法は、加熱工程Ｓ３において混合物等を低密閉状態すなわち、完全な密閉状態とせずに加熱により蒸発した水蒸気が外部に放出できる程度の密閉状態で加熱を行う。上記加熱は、例えば温度調整が成される加熱器や乾燥機等によって行うことができる。当該ジオポリマー固化体製造方法は、このような加熱工程を備えることでジオポリマー固化反応の不十分な領域が生じることを防ぎ、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができる。

上記低密閉状態は、例えば混合物等の上面に蓋を載置すること、混合物等の上面を気密性の高いカバーで覆うこと、型枠に空孔を設けること、上記型枠に開閉可能な蓋を設けること等の方法により作り出すことができる。また、加熱工程Ｓ３において、水蒸気の外部からの導入又は水の追加を併行して行うと、より十分に水分が存在する雰囲気下で加熱によるジオポリマー固化反応を促進することができる。

本発明の別の実施形態に係るジオポリマー固化体製造方法は、加熱工程Ｓ３において高湿度環境、すなわちジオポリマー固化反応に係る反応系の水分が、加熱による水分蒸発に拘わらずジオポリマー固化反応の進行が妨げられない程度に維持される湿度環境において加熱を行う。当該ジオポリマー固化体製造方法は、このような加熱工程を備えることでジオポリマー固化反応の不十分な領域が生じることを防ぎ、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができる。

上記高湿度環境は、例えば上記型枠内に水蒸気を外部から導入すること、上記型枠内に水を断続的に追加すること、混合物等の上面に蓋を載置すること、上記型枠に開閉可能な蓋を設けること等の方法により作り出すことができる。上記高湿度環境における相対湿度は５０％以上１００％以下であると好ましく、７０％以上１００％以下であるとより好ましく、８０％以上１００％以下であるとさらに好ましい。上記範囲内の湿度であると、十分に水分が存在する環境下でジオポリマー固化反応を促進することができる。

（蓋）
加熱工程Ｓ３を、上記混合物等の上面に蓋を載置することで行うと好ましい。上記蓋は、上記混合物等の加熱中に蒸発した水蒸気を環流することで、加熱中の過度な水蒸気の外部への放出を抑制し、反応系の水分を一定に保つ。このような加熱工程を備えたジオポリマー固化体製造方法は、ジオポリマー固化反応の反応場が維持され、混合物等の内部まで十分にジオポリマー固化反応が進行した、より均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができる。また、上記蓋の自重によってジオポリマー固化反応の進行によるジオポリマー固化体の体積減少に伴い、上記型枠に充填された上記混合物等を適度に減容させることができる。

上記蓋は、例えば上記型枠との間に隙間を確保する大きさであること、又は水蒸気を放出する孔を有することが好ましい。上記蓋が水蒸気を放出する孔を有さない場合は、上記蓋の表面積が上記混合物等の上面の表面積に対して７０％以上９５％以下の範囲内の面積であるとよい。これにより上記型枠が密閉されることなく、上記混合物等の加熱中に上記型枠の内圧が過度に高まることを防ぐことができる。

上記蓋の材質は、加熱工程Ｓ３において変形、変質しないものであれば特に限定されない。例えば、金属、セラミックス、石英ガラス等を好適に使用することができる。

（加熱温度）
加熱工程Ｓ３において、加熱温度は４０℃以上１００℃未満の温度であることが好ましい。１００℃以上の温度で加熱を行うと水分が急速に蒸発し、上記混合物等の表面部のみで固化反応が進み、表面部が硬く緻密となる一方で、上記混合物等の内部には大量の水分が残存することがある。閉じ込められた上記混合物等の水分が外部に放散できなくなり、不均質なジオポリマー固化体が生成する可能性がある。また、４０℃より低い温度で加熱を行うとジオポリマー固化反応の進行や、水分の除去が適切に行われず、余剰な水分を含んだジオポリマー固化体が生成する可能性がある。

（養生工程）
養生工程Ｓ４は、加熱工程Ｓ３後の生成物を養生してポリマー化反応を進行させる工程である。加熱工程Ｓ３により適度にジオポリマー固化反応が進行した上記生成物は、例えば常温常圧環境下に静置することによって、人為的に手を加えなくても、大気中の水蒸気を吸収してジオポリマー固化反応の反応場が形成され、ジオポリマー固化反応が自然に進行する。養生時間は特に制限されず、養生温度や上記混合物等の容量等から最適に決定される。通常、３時間以上１００時間以下の範囲であればよい。

当該ジオポリマー固化体製造方法は、混合工程Ｓ１と加熱工程Ｓ３とを備えることで、ジオポリマー固化反応の不十分な領域が生じることを防ぎ、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することを可能とする。また、使用するジオポリマー材料の種類や放射性廃棄物の量等に応じて充填工程Ｓ２や養生工程Ｓ４をさらに備えることも可能である。製造した放射性廃棄物を含むジオポリマー固化体は、型枠から取り出したうえで、又は型枠ごと、廃棄体として処分場に搬出される。

当該ジオポリマー固化体製造方法は、部分的にジオポリマー固化反応の不十分な領域が生じることを防ぎ、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができる。また、当該ジオポリマー固化体製造方法によって生成されたジオポリマー固化体は、低水分となるため、水の放射線分解による水素の発生を抑制することができる。さらに、当該ジオポリマー固化体製造方法によれば、一連の処理で放射性廃棄物の固化処理を行うことができ、処理時間の短縮、省力化を図ることができる。

＜ジオポリマー固化体製造システム＞
本発明の一実施形態に係るジオポリマー固化体製造システムは、ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する混合部と、上記混合部で得られた混合物を低密閉状態で加熱する加熱部とを備えるジオポリマー固化体製造システムである。

図２にジオポリマー固化体製造システム１０の構成に係る一例を示す。ジオポリマー固化体製造システム１０は、ジオポリマー材料１及び放射性廃棄物２を混合する混合部１１と、混合部１１で得られた混合物３を図示しない型枠に充填する充填部１２と、混合物３又は充填部１２で得られた成形体４を低密閉状態で加熱する加熱部１３と、加熱部１３における加熱後の生成物を養生する養生部１４とを備える。なお、ジオポリマー固化体製造システム１０は、ジオポリマー固化反応が十分に進行するのであれば、充填部１２及び養生部１４の一方又は両方を省略することが可能である。

混合部１１は、ジオポリマー材料１及び放射性廃棄物２を混合することで混合物３を作製する機能を有する。混合部１１は、例えば撹拌機を有していてもよく、ジオポリマー材料１と放射性廃棄物２とを均一に混ぜ合わせることができる。

充填部１２は、混合物３を充填することにより成形体４を作製する機能を有し、混合物３を充填する図示しない型枠を備える。充填部１２は常圧で成形体４を作製することも可能であるし、任意に設定される圧力を加える加圧部を有することで加圧して成形体４を作製することも可能である。

成形体４を作製する際に混合物３に圧力を加えることにより、物量を圧縮できる点では有利といえる一方、設備コスト等が増大する点に留意する必要がある。このような観点からは、加圧を行わず常圧にて成形体４の作製を行う方が好ましい。

加熱部１３は、混合物３又は成形体４を加熱する機能を有する。加熱温度を制御する調温機能を有しており、混合物３又は成形体４への加熱温度を調節し、所定範囲内の温度を維持する。加熱部１３は、少なくとも１００℃までは昇温可能に構成される。

加熱部１３では、低密閉状態での加熱を行うことができるよう、例えば混合物３又は成形体４の上面に載置することができる蓋を備える。低密閉状態での加熱を行うことにより、ジオポリマー固化反応の促進に適した環境に調節する。すなわち、加熱時に反応物の内部に水分が提供され、ジオポリマー固化反応の反応場が形成される。ジオポリマー固化反応がさらに進行し、均質かつ高強度のジオポリマー固化体５を製造することができる。

養生部１４は、加熱部１３における加熱後の生成物を養生してポリマー化反応を促進させる機能を有し、例えば、養生する空間を提供する養生室と、養生室の雰囲気を調節する空調部とを備える。養生部１４では、上記空調部が上記養生室内の雰囲気を適度に調節することで、上記養生室内にて上記加熱後の生成物が大気中の水蒸気を吸収して、ジオポリマー反応が自然に進行する。これにより、より均質かつ高強度のジオポリマー固化体５を製造することができる。

当該ジオポリマー固化体製造システムは、ジオポリマー固化反応の不十分な領域が生じることを防ぎ、均質かつ高強度のジオポリマー固化体を製造することができる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明に係るジオポリマー固化体製造方法及びジオポリマー固化体製造システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成又は周知技術に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。また、ある実施形態の構成に対して周知技術を付加することができる。

以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。本発明は以下の実施例に限定されない。

［実施例１］
ジオポリマー材料としてアルミナ及びメタケイ酸ナトリウム九水和物を使用した。また、模擬廃棄物として炭酸ナトリウムを使用した。本実施例においては、メタケイ酸ナトリウム九水和物が３７重量％、アルミナが１３重量％、炭酸ナトリウムが５０重量％となるように混合した混合物を２５０ｇ作製した。

続いて、得られた混合物を、直径５０ミリメートル、長さ１００ミリメートルの型枠に充填することにより成形体を得た。充填は少量ずつ行い、都度振盪することにより、成形体４の嵩密度を高めた。

得られた成形体を型枠ごと６５時間加熱を行った。急速な水の蒸発を抑制するための蓋を成形体の上面に載置した上で、５５℃の条件で加熱を行った。蓋の形状は、型枠との間に隙間が確保されるものとして、水蒸気の経路を確保した。

［実施例２］
実施例１と同様にして成形体を得た。得られた成形体を型枠ごと６５時間加熱を行った。加熱は、実施例１と同様に蓋を成形体の上面に載置した上で、加熱開始後１時間は６０℃で行い、その後５５℃の条件で加熱を行った。加熱後の生成物は、実施例１と同様に養生し、ジオポリマー固化体を得た。

［比較例１］
実施例１と同様にして成形体を得た。得られた成形体を型枠ごと６５時間加熱を行った。加熱は蓋を使用せず、５５℃の条件で加熱を行った。加熱後の生成物は、実施例１と同様に養生し、ジオポリマー固化体を得た。

（ジオポリマー固化体の評価）
実施例１、実施例２及び比較例１において作製したジオポリマー固化体について、型枠から外し均質性及び一軸圧縮強度の評価を行った。均質性は作製したジオポリマー固化体の外観を観察することにより評価を行った。二層化が確認されなかった場合をＡ、二層化が生じその上層の厚さが全体の２０％未満であった場合をＢ、二層化が生じその上層の厚さが全体の２０％以上であった場合をＣとして、均質性の評価とした。一軸圧縮強度はＪＩＳ−Ａ−１１０８に準拠して測定を行った。

上記評価結果を表１に示す。

実施例１におけるジオポリマー固化体は上部から７分の１程度で二層化していた。実施例２におけるジオポリマー固化体は二層化が見られなかった。すなわち実施例１及び実施例２で得られたジオポリマー固化体は均質性が高いものであった。一方、比較例１におけるジオポリマー固化体の均質性は上部から４分の１程度で二層化した不均質なものであった。すなわち比較例１に係る製造方法は、本発明に係るジオポリマー固化体製造方法としては不適である。

実施例１、実施例２及び比較例１において作製したジオポリマー固化体の一軸圧縮強度はいずれも１．４７ＭＰａを超えたものであった。放射性廃棄物を廃棄体として処理するためには一軸圧縮強度が１５ｋｇｆ／ｃｍ^２（１．４７ＭＰａ）以上である必要があるため、実施例１、実施例２及び比較例１において作製したジオポリマー固化体はいずれも基準を満たす。

本発明に係るジオポリマー固化体製造方法は、放射性廃棄物を用いたジオポリマー固化体の製造方法として有用であり、放射性廃棄物の固化方法として好適に用いることができる。また、本発明に係るジオポリマー固化体製造システムは、放射性廃棄物をジオポリマーで固化したジオポリマー固化体を製造することができる。

Ｓ１混合工程
Ｓ２充填工程
Ｓ３加熱工程
Ｓ４養生工程
１ジオポリマー材料
２放射性廃棄物
３混合物
４成形体
５ジオポリマー固化体
１０ジオポリマー固化体製造システム
１１混合部
１２充填部
１３加熱部
１４養生部

Claims

ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する工程と、
上記混合工程で得られた混合物を低密閉状態で加熱する工程と
を備えるジオポリマー固化体製造方法。
ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する工程と、
上記混合工程で得られた混合物を高湿度環境で加熱する工程と
を備えるジオポリマー固化体製造方法。
上記加熱工程を、上記混合物の上面に蓋を載置することで行う請求項１又は請求項２に記載のジオポリマー固化体製造方法。
上記混合工程後に上記混合物を型枠に充填する工程を備え、
上記加熱工程で加熱される混合物が上記充填工程で得られた成形体である請求項１、請求項２又は請求項３に記載のジオポリマー固化体製造方法。
上記ジオポリマー材料が、アルミナ及びメタケイ酸ナトリウム九水和物を含む材料である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のジオポリマー固化体製造方法。
ジオポリマー材料及び放射性廃棄物を混合する混合部と、
上記混合部で得られた混合物を低密閉状態で加熱する加熱部と
を備えるジオポリマー固化体製造システム。