JP3861286B2 - 放射性汚染金属の溶融処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力関連施設から発生するウランやプルトニウムなどの核燃料物質を含む炭素鋼やステンレス等の鉄鋼系金属廃棄物から核燃料物質を除染すると同時に減容も達成する含ウラン廃棄物の処理方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
原子力関連施設からは、ウランやプルトニウムなどの核燃料物質に汚染された金属廃棄物が発生する。これら廃棄物の内、汚染濃度が高いものについては、地中深くに設けた保管施設に保管する深地層処分が想定されているが、その処分費用は莫大なものとなる。このため、これら汚染された金属廃棄物からウランやプルトニウムなどを除去する、いわゆる除染を行い、廃棄物の汚染濃度を規制除外レベルまで下げてから別途処理することによりコストの削減を図っている。
【０００３】
さらに、除染された廃棄物は、ドラム缶等に詰められて保管されることになるが、保管施設の容積には限りがあるため、このような汚染された金属廃棄物を汚染物質と金属とに分離し、汚染物質を大幅に減容化する方法が提案されている。
【０００４】
このような汚染された金属廃棄物を汚染物質と金属とに分離する方法としては、例えば、核燃料物質で汚染された金属にカルシア、シリカ、アルミナなどのスラグ材を添加して加熱溶融し、核燃料物質を酸化物として金属成分から分離して回収することが行なわれている。また、この方法を改良したものとして、特公平５−３１７５９号公報には、核燃料物質で汚染した金属に塩基性無機酸化物と酸性無機酸化物とからなるスラグ材を添加して加熱溶融し、前記核燃料物質をスラグ中に包含させる放射性汚染金属の溶融除染方法において、前記酸性無機酸化物がケイ酸であり、且つ塩基度が１から２の間にある組成の塩基性無機酸化物を用いる方法が開示されている。
【０００５】
これらのスラグ材を用いる除染方法により、金属成分と放射性汚染物質とを分離することができ、ある程度の減容効果が得られるとともに有害物質を安定化させ、さらに固化体の均質化を図ることが可能となった。
【０００６】
しかしながら、このような処理方法は、スラグ中に酸化ウランなどとして放射性汚染物質を閉じ込めて分離するものであるので、十分な量のスラグ材を添加する必要があり、ウランを含有するスラグ材の量もある程度の量とならざるをえない。そして、このウランを含有するスラグは高レベルの廃棄物と同様の取扱いが必要となるため、このスラグが二次廃棄物となる上に、分離した金属成分の処理も必要となるため、結果として十分な減容化が図られていないのが現状であった。
【０００７】
ところで、ウランやプルトニウムなどの核燃料物質に汚染された金属廃棄物の代表的なものとして、「ハル」がある。このハルとは、使用済核燃料棒は被覆管に充填されて棒状体として収納されており、この使用済核燃料棒を処理する際には、この被覆管ごと切断する，この際に発生する被覆管廃棄物のことである。この被覆管として通常の原子炉ではジルコニウム合金などが用いられているが、高速増殖炉等ではこれに代わって鉄鋼系金属材料としてのＳＵＳ３１６系ステンレス系材料が使用されている。酸化物核燃料の機械式破砕後のハルは磁気選別等により金属片と核燃料に分離され、金属片は放射性廃棄物として処分され、核燃料は再処理を施されてあらたな核燃料として利用される。しかし、金属片には磁気選別等では分離しきれなかった核燃料が含まれることから、金属廃棄物としての廃棄を困難にするとともに燃料回収率の向上を妨げる。
【０００８】
したがって、この核燃料物質を含む鉄鋼系金属材料から核燃料物質を分離除染または回収するとともにその大幅な減容化を達成でき、さらに回収した金属材料の再資源化を図ることが可能となれば、これからの核燃料物質に汚染された金属廃棄物の処理を進めていく上で有利である。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、原子力関連施設から発生するウランやプルトニウムなどの核燃料物質を含む炭素鋼やステンレス等の鉄鋼系金属廃棄物から核燃料物質を分離除染または回収すると同時に減容も達成する含ウラン廃棄物の処理方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の放射性汚染金属の溶融処理方法は、核燃料物質で汚染された鉄鋼系金属廃棄物から鉄鋼系金属と核燃料物質とを分離するための方法であって、通常の大気あるいはアルゴンガスを導入した大気で、スラグ材を添加しないで、前記鉄鋼系金属廃棄物を溶融して、前記核燃料物質を前記大気中の酸素によって酸化して酸化物として分離する方法である。このため、スラグ材を用いることなく、鉄鋼系の金属成分と核燃料物質とを分離することができるので、分離された核燃料物質は非常に少量でしかもスラグ材が含まれていないのでそのまま再処理して利用することができる。また、鉄鋼系の金属成分については、残存ウラン量が非常に低くなっているので廃棄物としての廃棄方法や管理が簡便であり、また、場合によっては資源としての再利用を図ることもできる。これらにより二次廃棄物の量が大幅に低減される。しかも、この方法では加熱炉を用いるだけでよいので処理プロセスの簡略化も達成される。
【００１１】
また、請求項２記載の放射性汚染金属の溶融処理方法は、前記請求項１において、使用済み核燃料を被覆管に収納した燃料棒を、前記被覆管ごと機械的に破砕し、磁気分離にて分離して前記鉄鋼系金属廃棄物を生成するものである。このため、鉄鋼系金属廃棄物の処理を効果的に行うことができる。
【００１２】
さらに、請求項３記載の放射性汚染金属の溶融処理方法は、前記請求項１又は２において、前記鉄鋼系金属廃棄物を溶融して前記核燃料物質をアルミニウムの含有率を抑制しつつ酸化物として分離するものである。このため、核燃料物質を効果的に除染することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の放射性汚染金属の溶融処理方法の一実施例について図１を参照して詳細に説明する。
【００１４】
まず、本発明において処理対象となる鉄鋼系金属廃棄物とは、ウランやプルトニウムなどの放射性の核燃料物質で汚染された炭素綱、ステンレス等の鉄鋼系金属廃棄物である。通常ウランなどに汚染された金属材料からこれらを除染する場合には、カルシア、シリカ、アルミナなどスラグ材を添加することにより、酸化ウランとしてスラグに包含させて除染しており、このスラグが二次廃棄物となることが廃棄物の減容化が達成されない要因となっていた。しかしながら、本発明者らが種々研究した結果、スラグ材を添加しなくてもウラン等はそれ単独で酸化物としてスラグを形成して鉄鋼系金属と分離するという驚くべき事象を見出したのである。
【００１５】
次に上述したような鉄鋼系金属廃棄物を処理する本発明の方法について、ＳＵＳ３１６系ステンレス製のハルから核燃料物質であるウランを除染、回収する場合を例に説明する。図１において使用済核燃料１はＳＵＳ３１６系ステンレスからなる被覆管２に収納されて使用済み燃料棒３の状態で保管されていて、処理時にはこの燃料棒３を被覆管２ごと機械的に破砕する（図１（ａ））。続いて、この破砕された廃棄物をまず磁気分離等にて使用済核燃料４のみからなる廃棄物Ａと、被覆管２の破砕片であるハル５及びこれとは磁気分離等にて分別できない使用済核燃料６が混在した廃棄物Ｂとに分別する（図１（ｂ））。そして、使用済核燃料４のみからなる廃棄物Ａについては、別途再処理工程を経て再利用される（図１（ｃ））。
【００１６】
一方、ハル５と使用済核燃料６とが混在した廃棄物Ｂについては、溶融分離処理に付される（図１（ｄ））。すなわち、溶融加熱炉１１に廃棄物Ｂを投入して、該廃棄物の融点以上の温度、具体的には１５００〜１６５０℃で加熱する。この際の雰囲気としては、通常の大気あるいは若干のアルゴンガスを導入したものでよく、これにより雰囲気中の酸素がこの溶融浴中に巻き込まれ、ウランを酸化しこのウラン酸化物によりスラグが形成される。なお、ウランが既に酸化物として存在している場合にはウランが酸化される必要はなく、そのままでスラグが形成され、ウラン成分７と金属成分８とが異層として形成される。
【００１７】
このようにしてウラン成分７とステンレス系金属成分８とを分離したら、ウラン成分７は核燃料として再処理工程を経て再利用され（図１（ｅ））、ステンレス系金属成分８のみを廃棄物として処理する（図１（ｆ））。
【００１８】
このようにして処理を行うことによりステンレス系金属成分８中におけるウランの残存量は数ｐｐｍ以下であるため、廃棄物として処分する場合にも廃棄方法や管理が簡便で済む、という効果も奏する。さらに、ウラン成分７においては酸化ウランのみを濃縮して回収することができるので、それ自身従来のスラグとして回収していた場合と比して大幅に減容化されているだけでなく、再処理工程で再処理することで再利用可能となるため全体として放射性廃棄物の量を大幅に低減できる。
【００１９】
なお、廃棄物Ｂ中のアルミニウムの含有率が高いと溶融分離処理時にウランが酸化され難くなるため、アルミニウムの含有量の低い被覆管２を用いるなどして、廃棄物Ｂ中のアルミニウムの含有量を抑制する必要がある。
【００２０】
以上詳述したとおり、本発明の放射性汚染金属の溶融処理方法は、ステンレス系金属であるハル５と使用済核燃料６とが混在しているステンレス系金属廃棄物から使用済核燃料６を分離するための方法であって、通常の大気あるいはアルゴンガスを導入した大気で、スラグ材を添加しないで、ステンレス系金属廃棄物を溶融して、この使用済核燃料６を構成するウランを前記大気中の酸素によって酸化して酸化物として分離する方法であるので、スラグ材を用いることなく、ステンレス系金属成分とウラン成分とを分離することができるため、ウラン成分はそのまま再処理して再利用することができる。また、ステンレス系金属成分においては残存ウラン量が非常に低くなっているので廃棄物としての廃棄方法や管理が簡便であり、また、場合によっては資源としての再利用を図ることもできる。しかもこれらの処理は、全て乾式で行うので設備生産性が高く大量処理に適している。また、除染と減容の同時処理であるため、処理プロセスが簡易で処理に必要な人員が少ないことや、スラグ材やフラックス等を使用しないため処理コストが低いという利点も有する。その上、処理装置としては基本的には加熱溶融炉だけでよいので、処理装置及びプロセスの簡素化も達成される。
【００２１】
このような本発明の処理方法は、ステンレス系合金製のハルに対して好適であるが、これに限らず種々の核燃料物質で汚染された鉄鋼系金属廃棄物に適用可能である。また、前記実施例においてはウランの場合について説明してきたが、プルトニウムなどの他の核燃料物質でも同様である。
【００２２】
【実施例】
以下の具体的実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
実施例１
ＳＵＳ３１６小片にウランを１重量％（酸化ウラン粉末換算）を添加し、これらを混合して試験用試料を調製した。
【００２３】
これら各試験用試料を加熱溶融炉に投入して１６００℃で加熱して全体を溶融し、３０分間この溶融状態に保持し、冷却・固化後これを取り出したところ、ＳＵＳ３１６鋼塊とウラン粒子の集積層に分離した。
【００２４】
ＳＵＳ３１６系の金属層から４点サンプリングした後、酸等で溶解し、ＩＣＰ分析でウランの残存濃度を測定したところ、金属層中のウラン残存量は４点とも０．５ｐｐｍ〜１ｐｐｍの範囲内であった。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の放射性汚染金属の溶融処理方法は、核燃料物質で汚染された鉄鋼系金属廃棄物から鉄鋼系金属と核燃料物質とを分離するための方法であって、通常の大気あるいはアルゴンガスを導入した大気で、スラグ材を添加しないで、前記鉄鋼系金属廃棄物を溶融して、前記核燃料物質を前記大気中の酸素によって酸化して酸化物として分離する方法であるので、スラグ材を用いることなく、鉄鋼系の金属成分と核燃料物質とを分離することができるため、分離された核燃料物質は非常に少量でしかもスラグ材が含まれていないのでそのまま再処理して利用することができる。また、鉄鋼系の金属成分については、残存ウラン量が非常に低くなっているので廃棄物としての廃棄方法や管理が簡便であり、また、場合によっては資源としての再利用を図ることもできる。これらにより二次廃棄物の量が大幅に低減される。しかも、加熱炉を用いるだけでよいので処理プロセスの簡略化も達成される。
【００２６】
また、請求項２記載の放射性汚染金属の溶融処理方法は、前記請求項１において、使用済み核燃料を被覆管に収納した燃料棒を、前記被覆管ごと機械的に破砕し、磁気分離にて分離して前記鉄鋼系金属廃棄物を生成するものであるので、鉄鋼系金属廃棄物の処理を効果的に行うことができる。
【００２７】
さらに、請求項３記載の放射性汚染金属の溶融処理方法は、前記請求項１又は２において、前記鉄鋼系金属廃棄物を溶融して前記核燃料物質をアルミニウムの含有率を抑制しつつ酸化物として分離するものである。このため、核燃料物質を効果的に除染することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の放射性汚染金属の溶融処理方法を示す概略図である。
【符号の説明】
１、４、６ 使用済核燃料
２ 被覆管
３ 燃料棒
５ ハル（鉄鋼系金属廃棄物）
１１ 溶融加熱炉

Claims (3)

1. 核燃料物質で汚染された鉄鋼系金属廃棄物から鉄鋼系金属と核燃料物質とを分離するための処理方法であって、通常の大気あるいはアルゴンガスを導入した大気で、スラグ材を添加しないで、前記鉄鋼系金属廃棄物を溶融して、前記核燃料物質を前記大気中の酸素によって酸化して酸化物として分離することを特徴とする放射性汚染金属の溶融処理方法。
2. 使用済み核燃料を被覆管に収納した燃料棒を、前記被覆管ごと機械的に破砕し、磁気分離にて分離して前記鉄鋼系金属廃棄物を生成することを特徴とする請求項１記載の放射性汚染金属の溶融処理方法。
3. 前記鉄鋼系金属廃棄物を溶融して前記核燃料物質をアルミニウムの含有率を抑制しつつ酸化物として分離することを特徴とする請求項１又は２記載の放射性汚染金属の溶融処理方法。

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