JP4787997B2 - リン酸二水素ナトリウムを含む放射性廃液の固化処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、使用済み燃料の再処理において発生するリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ₂
ＰＯ₄）を含む放射性廃液の固化処理方法に関する。

核燃料の再処理においては、使用済み燃料を硝酸で溶解した後、ウラン、プルトニウム等を回収している。このための処理方法として、ピューレックス（ＰＵＲＥＸ）法が実用化されている。ピューレックス法では、溶媒としてリン酸トリブチル（ＴＢＰ）を使用する。このＴＢＰをドデカン（希釈剤）に溶かした有機溶媒を、使用済み燃料を溶かした硝酸溶液に混ぜると、ウランとプルトニウムは溶媒側に移り、核分裂生成物の大部分は硝酸溶液に残る。これを利用してウラン及びプルトニウムと核分裂生成物とを分離することができる。

上記のようにウラン及びプルトニウムの回収のために用いられたＴＢＰを含む有機溶媒には、８５％のリン酸（Ｈ₃ＰＯ₄）溶液が加えられる。これによって、ＴＢＰとリン酸とで付加体が形成され、この付加体をドデカンと分離することが可能となる。なお、分離されたドデカンは希釈剤として上記の処理で再利用される。

一方、ＴＢＰとリン酸とで形成された付加体にはさらに純水が加えられ、ＴＢＰとリン酸とに分離される。前者はプラスチックとともに溶融混合してプラスチック固化処理され、後者は中性化するためにＮａＯＨが加えられリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ₂ＰＯ₄）溶液とされ、さらに減容のために水分を蒸発させ、およそ３０ｗｔ％程度のリン酸二水素ナトリウム溶液（以下、この溶液を「放射性廃液」という）とされる。

このような放射性廃液の処分法としては、例えばセメントを加えて固化する方法を挙げることできる。しかしながら、セメントによる固化では、放射性廃液の投入量が多いと、リン酸イオンの存在によりセメントの水和反応が阻害されるため、固化体が十分に硬化しないなどの問題がある。そこで、このような問題を解決のため、特許文献１（特開平１０−１３２９９７号公報）には、放射性廃液にアルカリ土類金属化合物を添加して主成分を不溶化し、次いで脱水処理した後、得られた粉末またはスラリーにセメント系の水硬性無機固化材を混合して固化する方法が提案されている。

また、セメントによらない固化方法としては、特許文献２（特開２００５−２０７８８５号公報）に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、リン酸塩（Ｐ₂Ｏ₅）及び放射性廃液を混合した後、加熱溶融し、次いで冷却固化するリン酸マグネシウム系ガラスを用いた固化処理方法が提案されている。
特開平１０−１３２９９７号公報 特開２００５−２０７８８５号公報

特許文献１に記載の方法では、不溶化された成分を含む放射性廃液を脱水するための特殊な加熱装置が必要であり、処理コスト上昇の要因となるなどの問題があった。また、固形化のために別途セメント系の水硬性無機固化材を添加する必要があるため充填できる放射性廃液の重量が減少し、その結果、処理効率の高い固化体を作製することができず、処分費用が増大する、という問題があった。

また、特許文献２に記載の方法では、原料と放射性廃液の混合物を１３００℃程度の高温で加熱溶融する必要があるなど、手間のかかる工程を要するなどの問題があった。また、混合物を加熱溶融する工程では、例えばヨウ素などの放射性核種が揮発する恐れがあり、これを管理するための処置なども必要となるので、処理コストが上昇し問題であった。

上記のような問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、リン酸二水素ナトリウムを含む放射性廃液に酸化マグネシウムを添加しつつ混練する工程を有することを特徴とする放射性廃液の固化処理方法である。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の放射性廃液の固化処理方法において、添加する酸化マグネシウムは酸化マグネシウム軽質であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の放射性廃液の固化処理方法において、添加する酸化マグネシウムは酸化マグネシウム重質であることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の放射性廃液の固化処理方法において、添加する酸化マグネシウムと放射性廃液中のリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で０．５〜１．０であることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の放射性廃液の固化処理方法において、酸化マグネシウムを添加するときの放射性廃液の温度を２０℃〜８０℃とすることを特徴とする。

本発明の放射性廃液の固化処理方法によれば、特殊な加熱装置や高温の加熱工程などが不要であり、混練工程などの簡単なプロセスを経るだけであるので、処理コストを抑制することが可能となる。また、高温加熱工程などが不要であるために、放射性核種の揮発などの問題も発生することがない。

また、セメント系材料を用いる方法では固化体中のリン酸二水素ナトリウムの重量比を６％程度とするのが上限であったが、本発明の放射性廃液の固化処理方法では、固化体中のリン酸二水素ナトリウムの重量比を５０％程度にまで上昇させることができ、処理効率の高い固化体を作製することが可能となり、処理コストを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る放射性廃液の固化処理方法における水分調整工程の概略を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る放射性廃液の固化処理方法における混練工程の概略を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る放射性廃液の固化処理方法の各工程の概略をフローにまとめた図である。

以下、本発明の放射性廃液の固化処理方法について適宜図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る放射性廃液の固化処理方法における水分調整工程の概略を模式的に示す図であり、図２は本発明の実施形態に係る放射性廃液の固化処理方法における混練工程の概略を模式的に示す図である。また、図３は本発明の実施形態に係る放射性廃液の固化処理方法の各工程の概略をフローにまとめた図である。図１及び図２において、１は固化容器、２は水分調整用加熱装置、３は水分調整用水供給装置、４は混練装置、５は酸化マグネシウム供給配管、６は酸化マグネシウム貯槽、７は酸化マグネシウム計量装置、８は酸化マグネシウム供給装置、９は飛散防止用フード、１０はモーターをそれぞれ示している。

本発明の放射性廃液の固化処理方法においては、まず、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ₂ＰＯ₄）を含む放射性廃液が固化容器１に投入される（ステップＳ１０１）。ここで、放射性廃液を固化容器１に投入する前の段階で、リン酸二水素ナトリウムの濃度は予め適当な化学分析手法によって定量的に調べておく。

次のステップＳ１０２は、放射性廃液におけるリン酸二水素ナトリウムの濃度に応じて、必要であれば実施する水分調整工程である。この水分調整工程においては、放射性廃液におけるリン酸二水素ナトリウム濃度がおよそ３０ｗｔ％程度となるように調整する工程である。先の定量分析によって、元の放射性廃液中のリン酸二水素ナトリウムの濃度がこれより高いことが分かっている場合には、水分調整用水供給装置３によって加水し、また、元の放射性廃液中のリン酸二水素ナトリウムの濃度がこれより低いことが分かっている場合には、水分調整用加熱装置２によって水を蒸発させて、固化容器１中の放射性廃液のリン酸二水素ナトリウム濃度を略３０ｗｔ％程度とする。

なお、この３０ｗｔ％という濃度は、リン酸二水素ナトリウムの塩が析出しない上限の濃度である。塩が析出することによって溶液の取り扱いを難しくさせることを回避しつつ、最大の濃度のリン酸二水素ナトリウムを処理するために、このような３０ｗｔ％という濃度が選択されている。

また、水分調整用加熱装置２の加熱により固化容器１中の放射性廃液が８０℃以上になった場合には、自然冷却または強制冷却により液温を下げるようにすることが好ましい。

上記のような水分調整工程によって、リン酸二水素ナトリウム濃度が略３０ｗｔ％とされた放射性廃液で満たされた固化容器１は、水分調整用加熱装置２、水分調整用水供給装置３からなる図１に示すようなシステムから図２に示すようなシステムに移設され、混練工程を経ることとなる。

図２に示すように、固化容器１には、飛散防止用フード９が取り付けられて蓋がされる。このような飛散防止用フード９は、混練中で放射性廃液が固化容器１からあふれ出ないようにするためである。また、この飛散防止用フード９には、混練装置４の回転軸及び酸化マグネシウム供給配管５が挿通される。混練装置４はその回転翼によって固化容器１中の内容物を混練するものであり、酸化マグネシウム供給配管５からは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が固化容器１中に添加されるようになっている。

酸化マグネシウムは、酸化マグネシウム計量装置７が設けられているホッパーなどの酸化マグネシウム貯槽６から供給される。酸化マグネシウム貯槽６から供給される酸化マグネシウムは、フィーダーなどの酸化マグネシウム供給装置８によって規定量ずつが固化容器１中に添加されるようになっている。

次に、以上のように構成される図２のシステムによる混練工程について説明する。まず
、固化容器１中の放射性廃液は温度が２０℃〜８０℃程度、より好ましく温度が２０℃〜４０℃程度であることが確認される。放射性廃液の温度が高すぎる場合には、混練工程で十分な混練を行うことができないまま急激に固化してしまうこととなるので、このように放射性廃液の温度を室温程度とすることが望ましい。

次に、ステップＳ１０３の混練工程では、固化容器１内に挿通した混練装置４の回転翼によって、放射性廃液の攪拌を開始する。そして、ステップＳ１０４に示すように、酸化マグネシウム計量装置７で定量分取した酸化マグネシウムの粉末を、酸化マグネシウム供給配管５から固化容器１内に供給する。なお、酸化マグネシウムの粉末としては、酸化マグネシウム重質、酸化マグネシウム軽質のいずれものものも用いることができる。なお、本実施形態では、酸化マグネシウム供給配管５から粉末の酸化マグネシウムを添加するようにしているが、予め酸化マグネシウムに微量の水を添加しおき、スラリー状とした酸化マグネシウムを添加するようにしても良い。

ここで、放射性廃液に添加する酸化マグネシウムの量について説明する。本発明に係る放射性廃液の固化処理方法においては、添加する酸化マグネシウムと放射性廃液中のリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で０．５〜１．０であること、より好ましくは略０．５であることを一つの特徴としている。

上記のように設定する理由は、添加する酸化マグネシウムと放射性廃液中のリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で０．５未満であると、固化体上部に浮き水が残ってしまうこととなり、また、当該比がモル比換算で１．０を超えると、ステップＳ１０３の混練工程における混練物の粘性が急激に上昇し均質な固化体の作製が難しくなるからである。

ステップＳ１０４に示すように、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ₂ＰＯ₄）を含む放射性廃液が満たされた固化容器１中に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が添加されると、次式に示すような反応が起こり、リン酸ナトリウムマグネシウムと水の結晶が生成される。

ＮａＨ₂ＰＯ₄ ＋ ＭｇＯ ＋ ５Ｈ₂Ｏ → ＭｇＮａＰＯ₄・６Ｈ₂Ｏ
ステップＳ１０３の混練工程では、このような結晶が生成されるに伴い、固化容器１内の放射性廃液が徐々に粘度を増し固化体となる。混練工程では、放射性廃液に規定量の酸化マグネシウム添加後、さらに１０分間程度の混練を行うことが好ましい。

放射性廃液は、混練工程後、１時間以内に凝結が開始するが十分な強度が発現するまで養生する（ステップＳ１０５）。セメント系材料を用いた固化法と比較し、本発明に係る放射性廃液の固化処理方法は凝結時間が著しく短く、酸化マグネシウム添加後、１０分〜６０分の内に硬化反応が始まり混練後４時間程度で放射性廃液が完全に固化するという有為な特徴を有する。

以上のように、本発明の放射性廃液の固化処理方法によれば、特殊な加熱装置や高温の加熱工程などが不要であり、混練工程などの簡単なプロセスを経るだけであるので、処理コストを抑制することが可能となる。また、高温加熱工程などが不要であるために、放射性核種の揮発などの問題も発生することがない。

なお、混練工程において、混練物の粘性が短時間で増加する急結現象を抑制するには、ほう酸塩（例えば四ほう酸ナトリウム）を添加するとよい。

本発明に係る放射性廃液の固化処理方法において、作製する固化体内のＮａＨ₂ＰＯ₄の占める割合としては、重量比で２０〜５０％の範囲であること、より好ましくは４５〜５
０％であることが理想的である。固化体内のＮａＨ₂ＰＯ₄の割合が、重量比で５０％を超える場合には、混練工程において混練物の粘性が増加する原因となるからである。

セメント系材料を用いる方法では固化体中のリン酸二水素ナトリウムの重量比を６％程度とするのが上限であったが、本発明の放射性廃液の固化処理方法では、固化体中のリン酸二水素ナトリウムの重量比を５０％程度にまで上昇させることができ、処理効率の高い固化体を作製することが可能となり、処理コストを抑制することができる。

なお、上記の実施形態においては、固化容器１内に固化体を作製するようにしたが、リン酸ナトリウムマグネシウムをペレット状に整形し、それを容器に充填しそこにセメントモルタルを流し込む充填廃棄体として廃棄体化することなども可能である。

１・・・固化容器
２・・・水分調整用加熱装置
３・・・水分調整用水供給装置
４・・・混練装置
５・・・酸化マグネシウム供給配管
６・・・酸化マグネシウム貯槽
７・・・酸化マグネシウム計量装置
８・・・酸化マグネシウム供給装置
９・・・飛散防止用フード
１０・・・モーター

Claims (5)

1. リン酸二水素ナトリウムを含む放射性廃液に酸化マグネシウムを添加しつつ混練する工程を有することを特徴とする放射性廃液の固化処理方法。
2. 添加する酸化マグネシウムは酸化マグネシウム軽質であることを特徴とする請求項１に記載の放射性廃液の固化処理方法。
3. 添加する酸化マグネシウムは酸化マグネシウム重質であることを特徴とする請求項１に記載の放射性廃液の固化処理方法。
4. 添加する酸化マグネシウムと放射性廃液中のリン酸二水素ナトリウムの比が、モル比換算（ＭｇＯ／ＮａＨ₂ＰＯ₄）で０．５〜１．０であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の放射性廃液の固化処理方法。
5. 酸化マグネシウムを添加するときの放射性廃液の温度を２０℃〜８０℃とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の放射性廃液の固化処理方法。

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