JP3541882B2 - 低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低レベル放射性雑固体廃棄物の溶融物を受容器に充填して冷却し受容器ごとドラム缶に装入して廃棄体とする低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電所や放射性物質取扱施設などで発生する低レベル放射性廃棄物のうち雑固体廃棄物は埋設処分される。処分に際しては、廃棄物を２００リットルドラム缶に詰め、隙間にモルタルを充填した廃棄体を製造する。このとき、処分費用を節約するため廃棄物をドラム缶に詰める前に減容することが好ましい。減容するには溶融処理するのが一般的であるが、溶融物の冷却固化は、冷媒など二次廃棄物をできるだけ発生させず、ドラム缶内の充填率をできるだけ大きくし、廃棄物の減容率をできるだけ大きくするものであることが好ましい。
【０００３】
特開平９−９００９６号公報には、このような要求に応えることができる低レベル放射性雑固体廃棄物の溶融減容処理後の廃棄体製造方法が開示されている。ここで開示された方法は、低レベル放射性雑固体廃棄物を溶融減容処理したプラズマ加熱溶融炉から排出される溶融物を、図５に示すように、厚肉耐火構造の保持容器に保持された薄肉鋼製の受容器に減圧雰囲気下で充填し、自然冷却して溶融物中の溶存ガスおよび巻き込みガスを放出すると共に溶融物を金属層とスラグ層に分別形成し、溶融物の凝固後に冷却フード内で冷却して受容器ごとドラム缶に装入し蓋締めして廃棄体とするものである。
【０００４】
この方法によれば、立体形状を持つ雑固体廃棄物が溶融されて高密度化するので減容率が大きい。また、受容器に受けた溶融物は自然冷却するので水などの冷却媒体により冷却する方法と比較して二次廃棄物の発生が少ない。さらに、受容器は、厚肉耐火構造の保持容器に保護されるため変形しないので、ドラム缶の内法に合うように形成することによりドラム缶内の充填率が向上する。
【０００５】
しかし、この方法では溶融物を受容器に受けた後に自然冷却により固化させるため、横軸に時間、縦軸に受容器内の金属とスラグの温度をとって温度の径時変化を示す図６から分かるように、溶融金属層の上にあるスラグ層が早く冷却する。したがって、溶融金属が凝固点付近で溶存ガスを大量に放出するときには、スラグの温度が低くなっており、スラグの粘度が高いため放出ガスがスラグ層内に捕捉されて発泡状態となる。スラグがそのまま固化すると、気泡を多量に含んで比重が１〜２と密度が低く脆い発泡体となる。このような発泡体は強度が不足するため、地下に埋設すると廃棄体や覆土の加重により圧壊して地表の陥没に繋がる可能性があるので、埋設処分が認められない場合がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、低レベル放射性雑固体廃棄物のより高密度な溶融減容廃棄体を製造する方法を提供することであり、特にスラグの強度の高い廃棄体として処理する低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法は、雑固体廃棄物の溶融物を受容器に充填し冷却し金属層とスラグ層に分別形成された溶融物の凝固後に受容器ごとドラム缶に装入し固定材を充填固化して廃棄体とする雑固体廃棄物減容処理方法において、溶融物中の金属が凝固するまでスラグの温度を高温に保つことによりスラグを低粘度に保ち凝固に伴い金属から放出されるガスがスラグ層を透過しやすくすることを特徴とする。
また、金属の凝固が終了するまでスラグに熱を与えて徐冷することが好ましい。
【０００８】
本発明によれば、受容器に受けた溶融物が冷却するときにスラグ側を加熱するなどしてスラグの冷却を調整することにより、金属が凝固点付近まで冷却したときにスラグの粘度が十分小さい状態に保持するので、金属が凝固する過程で溶融金属から大量に放出される溶存ガスがスラグ層をスムーズに通過しスラグ中に捕捉されにくくなる。このように、スラグ内の発泡現象が抑制され、冷却後のスラグは密度が高く硬質になるので、減容率が大きく、埋設保管中にも型くずれしにくく、より安定な廃棄体を形成することができる。
【０００９】
なお、金属の凝固後にスラグを徐冷するようにすると、気泡がスラグ中に残留せず外気に放出されやすくなるので、たとえば比重３程度とより高密度で硬質のスラグを得ることができる。
また、処分費用は廃棄物の体積に比例するが、本発明の方法による処分では減容効果が大きいため、同じ重量のスラグを処分する場合に、処分費用を３０〜７０％節約することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施例の低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法においてスラグ層を加熱している状態を示す概念図、図２は本実施例における金属とスラグの温度変化を示す線図、図３は純鉄の水素溶解度を示す線図、図４は酸化珪素の粘度の温度依存性を表す線図である。
【００１１】
本実施例の低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法は、図外のプラズマ加熱溶融炉により低レベル放射性廃棄物を溶融して、その溶融物を湯道を介して減圧雰囲気下にある受容器１に注入する。受容器１は薄肉鋼で形成され、厚肉耐火構造の保持容器２に保持されている。保持容器２の内壁には受容器の上半部分を囲うように電熱板３が仕込まれており、電熱板３は電源装置４と接続されている。保持容器２の底には温度検出端５が配置されていて、受容器１の温度を測定している。
【００１２】
溶融物を受容器１に注入し電熱板３を加熱した状態で放置しておくと、比重の差により金属層６とスラグ層７に分離する。金属層６の溶融金属は、図２に示すように温度が低下してやがて金属の凝固点まで達すると固化し始める。雑固体廃棄物は色々な形状を持っていて、プラズマ加熱溶融炉で溶融すると周囲のガスを溶かし込むので、溶存ガス濃度は飽和点まで達している。
スラグ層７に含まれるガスは、スラグ層７の表面が減圧雰囲気に接しているので、温度が下降して溶解度が低下するにつれて内部で発生するガスは順次スラグ層７内を上昇し表面から放出されるため、気泡としてスラグ層７に残留するガスは比較的少ない。
【００１３】
一方、金属層６に含まれるガスは、金属の温度が低下するに従って、金属から放出されるが、金属が凝固するときには特に多量のガスを放出する。
図３は、そのような現象の例を説明するために引用した純鉄の水素溶解度を示すグラフである。図は、横軸に温度を取り、縦軸に水素の溶解度を取ったもので、溶融鉄が低温になるにつれて水素の溶解度は減少するが、凝固点に達して溶融状態からδ−Ｆｅ鉄に相変化するときには溶解度が著しく減少し、大量の水素ガスを放出することが分かる。凝固点における溶解度変化量は純鉄１００ｇ当たり水素ガス約１７ｍｌになる。こうした現象は、他のガスについても観察され、たとえば窒素ガスの場合は、鉄１００ｇについて０．０３ｇ放出される。
【００１４】
金属層６はスラグ層７に覆われているので、金属中から放出されるガスはスラグ層７に気泡となって上昇し、スラグの粘度が高いとそこに捕捉されて、いわゆる発泡現象を発生しスラグの密度を低下させる。
溶存ガスの放出は、図３に示したように、特に金属の凝固点付近において著しい。ところが、従来方法では金属が凝固点付近まで温度降下するときにはスラグ温度もかなり低下しておりスラグの粘度が高くなっているため、スラグ層内を上昇し切れずにスラグ層内に捕捉される割合が大きくなり、スラグ密度は１から２程度であった。
【００１５】
しかし、本実施例の方法では、電熱板３により受容器１内のスラグ部分を加熱して冷却を遅延させ、金属の凝固点付近ではスラグの粘度が低い状態に保持しているから、金属層６で発生した気泡の多くはスラグ層７を通過して表面に達し真空装置に吸引されフィルターを通った後に排気される。
スラグの粘度は、温度が低下するにつれて指数関数的に上昇する。図４に、酸化珪素に関する粘度の温度依存性の実測例を示す。純鉄の凝固点である１５３５℃付近では１００℃の温度変化で粘度が約１０倍変化することが分かる。気泡の上昇速度は粘度にほぼ逆比例するので、温度を僅かに上昇させることによりスラグ層における抜気を著しく促進することができる。
【００１６】
粘度と温度の関係はスラグの組成により異なり、各種のスラグ成分について粘度の温度依存性を表す実験式あるいは理論式が提示されている。しかし、実際に生成する溶融スラグは単純な組成を示すわけではないから、スラグ中を気泡が上昇できる粘度になるような温度を経験的に見出すことになる。
このようにして見出した温度に基づいて、スラグの温度管理を行うことにより効果的に発泡を抑制することができる。
【００１７】
受容器１内の溶融物を自然冷却すると、温度は凝固点付近で停滞して全ての金属が固相に変化した後に急激に低下する。金属は変態中に溶存ガスを大量の放出するが、固相になった後はガスの放出が減少するので、スラグ層７も金属の凝固が終了するまで保温して低粘度に保てば効果的に層内の気泡を追い出すことが可能である。そこで、本実施例では金属温度が凝固点より低下するところまで電熱板３で加熱して保温するが、その後は電熱板３の電源を切断してスラグ層を自然冷却で徐冷するようにしている。このようにすることにより、スラグ層７に侵入した気泡が殆ど外部に排斥され、スラグの密度がほぼ３程度に増加し、スラグ自体の硬度が高まる効果がある。
なお、金属層６の温度は受容器１の底部温度を測定する検出端５により監視することができる。
【００１８】
また、スラグ温度を高くしすぎるとスラグに溶解している不燃性物質が揮発しやすくなる。たとえば同位元素に放射性物質を含むセシウムでは、１５００℃を越えるとスラグ中の残存量が急激に減少することが観測されている。したがって、スラグの粘度が小さくなるからといって温度を上げすぎることは好ましくない。なお、不燃性物質の残存量は処理時間が長くなっても減少するので、保温時間は余り長くしないことが好ましい。
このようにして減容処理された低レベル放射性雑固体廃棄物は、冷却後受容器ごとドラム缶に納めてコンクリートを充填し、密封して地下に埋設処分し厳重に管理する。
【００１９】
本実施例では、スラグの保温を電熱板で行うが、高周波加熱、プラズマトーチ、あるいは灯油やＬＰＧ等を燃料としたバーナなど、各種の手段が利用できることはいうまでもない。
また、廃棄物の溶融はプラズマ溶融炉で行っているが、るつぼを用いた高周波誘導炉など、適当な溶融方法を使用しても同じ作用効果を得ることができることはいうまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法は、金属層に気泡がなくスラグ層にも気泡が少なくて、十分高い減容率でスラグ層の硬度も高い廃棄体を形成することができ、安全性が高く経済的な処理が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法においてスラグ層を加熱している状態を示す概念図である。
【図２】本実施例における金属とスラグの温度変化を示す線図である。
【図３】純鉄の水素溶解度を示す線図である。
【図４】酸化珪素の粘度の温度依存性を表す線図である。
【図５】従来の低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法の例を示す概念図である。
【図６】従来例における金属とスラグの温度変化を示す線図である。
【符号の説明】
１ 受容器
２ 保持容器
３ 電熱板
４ 電源装置
５ 温度検出端
６ 金属層
７ スラグ層

Claims (2)

1. 雑固体廃棄物の溶融物を受容器に充填し冷却し金属層とスラグ層に分別形成された溶融物の凝固後に受容器ごとドラム缶に装入し固定材を充填固化して廃棄体とする低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法において、該溶融物中の金属が凝固するまでスラグの温度を、金属の凝固に伴い金属から放出されるガスがスラグ層を容易に透過する粘度となる温度以上かつスラグ中の放射性物質残存量が急激に減少する温度以下に保持することを特徴とする低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法。
2. 金属の凝固が終了するまでスラグに熱を与えて徐冷することを特徴とする請求項１記載の低レベル放射性雑固体廃棄物減容処理方法。

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