JP2989508B2 - 高レベル放射性廃液のガラス固化方法 - Google Patents

高レベル放射性廃液のガラス固化方法

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    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28Treating solids
    • G21F9/30Processing
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    • G21F9/302Processing by fixation in stable solid media in an inorganic matrix
    • G21F9/305Glass or glass like matrix

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、使用済核燃料の再処
理工程から発生する高レベル放射性廃液をガラス固化処
理する方法に関し、さらに詳しくは、廃棄物含有率の高
いガラス固化体を得ることができるガラス固化方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】原子力発電所から発生する使用済核燃料
を再処理してUとPuを分離する過程で高レベル放射性
廃棄液(以下、単に“高レベル廃液”という)が発生す
る。この高レベル廃液には、硝酸溶液に使用済核燃料中
の核分裂生成物などの種々の成分が溶解した状態、また
は溶解せずに沈殿物の状態で含有されている。さらに
は、再処理工場で試薬としてNaが添加されたり、腐食
生成物であるFe、Cr、Niなども含有されることと
なる。
【0003】かような高レベル廃液は、高温のガラス溶
融炉において、SiO2 およびB23 を主成分とする
ガラス原料と混合して、溶融固化されてガラス固化され
る。このとき、高レベル廃液中の硝酸成分は水蒸気およ
びNOx として除去され、核分裂生成物などはガラス原
料とともに均一に混合されてガラス固化体となる。この
ガラス固化体は30〜50年間冷却のために貯蔵した
後、地下数百メートルより深い地層に処分されることに
なる。この発明の出願人である動力炉・核燃料開発事業
団において従来から高レベル廃液のガラス固化に使用さ
れているガラス原料組成のいくつかの例を表1に示す。
【0004】
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のガラス固化処理
における核分裂生成物などの廃棄物とガラス原料との混
合比は、一般的にガラス原料約75%(重量%、以下同
じ)に対して廃棄物約25%とされており、本来ガラス
固化されるべき核分裂生成物などの廃棄物成分より、ガ
ラス原料の方が約3倍も多い量でガラス固化体に含有さ
れている。その理由は、ガラス原料の割合を低くして廃
棄物含有率を増加させると、Moを主成分とするイエロ
ーフェーズと呼ばれる水溶性の析出物が固化ガラス中に
析出する現象(相分離)が起こり、固化ガラスの核種閉
じ込め性能を著しく低下させてしまうからである。ま
た、廃棄物に含まれる核分裂生成物は崩壊に伴い自己発
熱しているので、ガラス固化体中の廃棄物含有率を増加
させるとガラス固化体の中心部の温度が上昇し、固化ガ
ラスの性質を変えてしまうことも、ガラス固化体中の廃
棄物含有率を増加できない理由となっている。
【0006】しかしながら、ガラス固化体の高減容化を
図るためには、ガラス固化体中の廃棄物含有率を従来の
約25%よりも高めた場合でも、イエローフェーズの析
出がなく、従来の固化ガラスと同等の浸出率を保持する
ことができる高レベル廃液のガラス固化処理方法の開発
が望まれるところである。
【0007】そこでこの発明は、ガラス固化体中の廃棄
物含有率を従来の25%より増加させた場合でも、イエ
ローフェーズの析出がなく、従来の固化ガラスと同等の
浸出率を保持できるガラス固化体を作製できる方法を提
供することを目的としてなされたものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、高レベル
廃液中の沈殿物の主成分がMoとZrであることに着目
し、固化処理前に沈殿物を分離除去した高レベル廃液に
ついて、従来と同様なガラス原料を用いてガラス固化す
ることを試みた。しかしながら、ガラス固化体中の廃棄
物含有率を45%に高めた場合には、イエローフェーズ
の析出を阻止することができなかった。そこでさらに使
用するガラス原料の組成を種々検討したところ、ガラス
成分中のSiO2 、B2 3 、Li2 O、ZnOおよび
Al2 3 が特定の割合を持つ組成のガラス原料を用い
ることによって、ガラス固化体中の廃棄物含有率を45
%に高めた場合でも、イエローフェーズの析出を阻止で
き、所定の浸出率が保たれることを見いだし、この発明
を完成させた。
【0009】すなわちこの発明による高レベル廃液のガ
ラス固化方法は、高レベル廃液からMoおよびZrを主
成分とする沈殿物を除去した後、B2 3 /SiO2
比が0.41以上、ZnO/Li2 Oの比が1.00以
上、Al2 3 /Li2 Oの比が2.58以上である組
成を有するガラス原料を高レベル廃液と混合し溶融固化
してガラス固化体とすることを特徴とするものである。
【0010】ガラス固化体中の廃棄物含有率を制限して
いるイエローフェーズ析出の原因となる高レベル廃液中
のMoは、その80%以上が廃液中の沈殿物に含有され
ている。この沈殿物にはMo以外にZrも含有されてい
る。そこでこの発明においては、ガラス固化処理を施す
に先立って、高レベル廃液中の沈殿物を濾過等の固液分
離技術により分離除去する。これにより、廃液中のMo
の約80%を除去できることになる。
【0011】沈殿物を分離除去した後の高レベル廃液
は、次いでガラス原料と所定の割合で混合し、ガラス溶
融炉で溶融してガラス固化体とする。溶融固化条件は従
来と同様な条件を用いればよいが、特にこの発明によれ
ば、特定の組成をもつガラス原料を用いることによっ
て、ガラス固化体中の廃棄物含有率を25%より高い、
例えば45%程度まで高めることができるのである。
【0012】この発明で使用するガラス原料組成は、従
来から使用されていたガラス原料組成である表1中のP
F798をベースにしてこれを改良したものである。す
なわちPF798におけるSiO2 成分を3.7〜4.
6%の範囲で相分離抑制効果のあるB2 3 に置換する
ことにより、B2 3 /SiO2 の比を0.41以上と
した。また、化学的耐久性を高めるために、PF798
におけるLi2 O成分を0〜3.6%の範囲でZnOに
置換するすることにより、ZnO/Li2 Oの比を1.
00以上およびAl2 3 /Li2 Oの比を2.58以
上とした。これらの条件を満たさない組成のガラス原料
を用いたガラス固化体においては、廃棄物含有率を45
%にした場合に、目視による相分離は認められないが、
従来と同程度の浸出率を保持できなくなる。
【0013】
【実施例】以下に実施例を挙げてこの発明を詳述する。高レベル廃液 使用した模擬高レベル廃液SW−11NPの組成を表2
に示す。表中の括弧で示した数字は他の元素で置換した
ことを表わしている。すなわち、白金族元素(Ru,R
h,Pd)は同族の周期の軽い元素(それぞれFe,C
o,Ni)で置換してある。Pmは原子番号の1つ小さ
いNdで置換してあり、アクチニド元素(U,Np,P
u,Am,Cm)はCeで置換してある。従って、置換
された上記各元素(Fe,Co,Ni,Nd,Ce)の
数値はそれぞれ置換分を合わせた数値で示されている。
なお表中に示されていないTcはMnで置換してあり、
Mnの数値はTc置換分を合わせた数値で示されてい
る。
【0014】
【0015】この発明では、ガラス固化処理の前に高レ
ベル廃液からMoとZrを主成分とする沈殿物を除去す
る。そこで、沈殿物の一部を除去した場合を想定して、
廃液中のMoO3 濃度およびZrO2 濃度を上記SW−
11NP廃液組成中の各濃度の約50%とした(Moと
Zrを約50%除去できたと想定した)模擬廃液SW−
22を調製した。さらに、廃液中に存在する沈殿物の組
成の変化により沈殿物にMoがあまり含有していなかっ
た場合を想定して、廃液中のMoO3 濃度を上記SW−
11NP廃液組成中の濃度の約75%とし(Moを約2
5%除去できたと想定し)、またZrO2 濃度を上記S
W−11NP廃液組成中の濃度の約50%とした(Zr
を約50%除去できたと想定した)模擬廃液SW−22
Mを調製した。実際のガラス固化処理には、これらの模
擬廃液SW−22とSW−22Mを使用した。
【0016】ガラス原料 実施例および比較例で使用したガラス原料の種類と組成
を表3に示す。なお表3で対照として使用したPF79
8のガラス組成は、表1中の従来から動力炉・核燃料開
発事業団で使用されていたものである。ガラス原料の調
製に際しては、100gを1バッチとして各成分を調合
した。各成分は、酸化物、リン酸塩、炭酸塩、硝酸塩、
ナトリウム塩、塩化物の形態としてそれぞれ秤量し、ア
ルミナ乳鉢で粉砕混合した。
【0017】
【0018】ガラス固化体の製作 模擬廃液SW−22およびSW−22Mと表3に示した
組成のガラス原料とを混合して白金ビーカーに移し入
れ、電気炉にて溶融した。溶融温度は1100℃で、バ
ッチ投入後2.5時間加熱した。融液は加熱1時間後か
ら15分毎に3回、石英棒で撹拌した。溶融後、金属板
上に流下して室温の空気中で自然放冷させた。以上の方
法により廃棄物含有率45%のガラス固化体を調製し
た。なお特性比較のための対照として、従来のガラス原
料PF798を使用して廃棄物含有率25%のガラス固
化体を調製した。得られたガラス固化体の組成を表4に
まとめて示す。
【0019】
【0020】ガラス固化体の物性評価 各ガラス固化体試料のイエローフェーズ析出(相分離)
の有無と浸出率(全重量減少率)の評価結果を表5にま
とめて示す。なお測定方法は以下の通りである。 イエローフェーズ析出(相分離)の有無:目視観察 浸出率:ガラス固化体を粒径250〜420μmに粉砕
した試料1gを50mlの蒸留水に浸漬して98℃、2
4時間保持したときの重量減少量を測定した。B.E.
T.法で求めた比表面積に試料重量1gを掛けた試料表
面積で上記の重量減少量を割ることによって全重量減少
率を算出した。全重量減少率が4×10-4 kg/m2
・d以下のものを、従来のガラス固化体の浸出率と同等
と評価した。
【0021】
【0022】表5からわかるように、模擬廃液SW−2
2(廃液中のMoを約50%除去したもの)およびSW
−22M(廃液中のMoを約25%除去したもの)のい
ずれについても、所定の成分比を備えたガラス原料PF
−C,PF−D,PF−E(実施例)を用いた場合に
は、廃棄物含有率を45%に増加させても、イエローフ
ェーズの析出がなく、浸出率も従来のガラス固化体(対
照)と同等に保つことができる。これに対して、所定の
成分比をもたないガラス原料PF−A,PF−B(比較
例)を用いて廃棄物含有率を45%としたガラス固化体
においては、イエローフェーズの析出は認められなかっ
たが浸出率において従来のガラス固化体よりも劣ってい
る。
【0023】
【発明の効果】以上説明したところからわかるようにこ
の発明によれば、沈殿物を除去した高レベル廃液をガラ
ス固化処理するに際して、B2 3 /SiO2 の比が
0.41以上、ZnO/Li2 Oの比が1.00以上、
Al2 3 /Li2 Oの比が2.58以上である組成を
有するガラス原料と廃液を混合して溶融固化することに
よって、廃棄物含有率を45%に増加した場合でも、イ
エローフェーズの析出がなく、従来と同等の浸出率を保
持するガラス固化体を得ることができ、高レベル廃液の
高減容固化処理が可能となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 捧 賢一 茨城県那珂郡東海村大字村松4番地33 動力炉・核燃料開発事業団 東海事業所 内 (56)参考文献 社団法人日本原子力学会「1994秋の大 会」予稿集 第2分冊 第203頁 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G21F 9/16

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高レベル放射性廃液からMoおよびZr
    を主成分とする沈殿物を除去した後、B2 3 /SiO
    2 の比が0.41以上、ZnO/Li2 Oの比が1.0
    0以上、Al2 3 /Li2 Oの比が2.58以上であ
    る組成を有するガラス原料を高レベル放射性廃液と混合
    し溶融固化してガラス固化体とすることを特徴とする高
    レベル放射性廃液のガラス固化方法。
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