JP5002002B2 - 高アルカリ性放射性廃棄物および有害廃棄物をシリケート系ガラスの中に固定化するためのプロセスおよび組成物 - Google Patents

高アルカリ性放射性廃棄物および有害廃棄物をシリケート系ガラスの中に固定化するためのプロセスおよび組成物 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許仮出願第６０／７８３，４１５号（２００６年３月２０日出願）の優先権を主張する（その出願を参照することにより、そのすべてを本明細書に取り入れたものとする）。
（技術分野）
本発明は、一般的には、高アルカリ性放射性廃棄物および有害廃棄物の処理に関するが、さらに詳しくは、放射性核種、有害元素、有害化合物、および廃棄物中に存在するその他の化合物の１種または複数を含む廃棄物を固定化するためのプロセスに関する。
世界中で放射性および有害性物質を使用しているので、顕著な量の放射性廃棄物および有害廃棄物が蓄積してしまっている。それらの廃棄物を地中の深地層廃棄物処分場に埋設することによって、それらを計画的に廃棄することについては、国際的な合意ができている。現時点においては、高レベル放射性廃棄物は、長期保管されて、永久廃棄処分を待っている状態にある。一旦埋設すれば、時間が経過するうちに、地下水および熱水溶液が、その廃棄物の中に含まれる放射性核種、有害元素、または有害化合物と接触する可能性がある。その結果、地下水および熱水溶液が、それらの廃棄物から放射性核種、有害元素および有害化合物を、動植物が生存している生物圏の中へと容易に溶出する可能性がある。さらに、地下水および熱水溶液の影響がなかったとしても、放射性核種、有害元素、または有害化合物がそれらの廃棄物から拡散放出されて、生物圏を汚染してしまうこともあり得る。したがって、廃棄物の収蔵が不適切であると、重大な問題を引き起こす可能性がある。
放射性廃棄物および有害廃棄物の溶出および／または拡散を抑制することが可能なプロセスがいくつも存在している。しかしながら、既存のプロセスは、各種の欠点を有している。たとえば、低レベルおよび中間レベルの放射性廃棄物を固定化するためには、セメント固化が一般的に使用されている。このプロセスは、小量の廃棄物を固定化するのに大量のセメントを必要とし、廃棄地域の面積が膨大となるために、望ましいものではない。さらに、セメントは溶出および拡散いずれもを極めて受けやすい。
高レベル放射性廃棄物を処理する最も一般的な方法は、ホウケイ酸ガラス中へのガラス固化である。現在のところ、ガラス固化は、たとえば、フランス、米国、韓国、イタリア、ドイツ、英国、日本、ベルギー、中国、およびロシアなど、多くの国で使用されている。しかしながら、慣用されているガラス固化プロセスは、取り込むことができる廃棄物の量に限界があり、ホウケイ酸ガラスまたは溶融物の廃棄物の担持性能を向上させるための努力がなされてはいるものの、結晶化率の上昇、溶出速度の上昇、溶融装置の腐食の増大などが起きてしまって、慣用されるガラス固化溶融装置でそれらの組成物を使用するのが不適切となっている。
したがって、より高い廃棄物担持性を達成し、それらのプロセスおよび組成物を慣用されるガラス固化溶融装置で使用したときに上述のような欠点が存在しないような、改良されたガラス固化プロセスおよびホウケイ酸ガラス様の組成物が必要とされている。
低レベル放射性廃棄物は一般的にはガラス固化されないが、米国においては、たとえば、高ナトリウム含量の低レベル放射性廃棄物を、ワシントン州リッチランド（Ｒｉｃｈｌａｎｄ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ Ｓｔａｔｅ）の廃棄物処理プラント（Ｗａｓｔｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｐｌａｎｔ）においてガラス固化させる計画がある。ナトリウムは活性の高いアルカリ元素であるので、高濃度でホウケイ酸ガラスの中に固定化させると、そのガラスの耐久性の低下を引き起こす。米国の放射性廃棄物サイトに見出される低レベル放射性廃棄物のほとんど、たとえば、ハンフォード（Ｈａｎｆｏｒｄ）ＬＡＷのエンベロープＡ（Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ａ）（ハンフォード廃棄物処理プラント（Ｈａｎｆｏｒｄ Ｗａｓｔｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｐｌａｎｔ）で処理されるＬＡＷの大部分）は、ナトリウム濃度が高いことを特徴としている。最近計画されているそれらの低レベル放射性廃棄物へのナトリウム廃棄物担持量は、約２０〜２３質量パーセントの間であるが、業界の報告によれば、実際に受容可能な廃棄物は約１８〜２０質量パーセントの間である。最終的なガラスに、より大量のナトリウムを導入すると、それが不安定となって、廃棄物形態の受入基準およびガラス固化溶融装置のための処理要件を満足させることができない。
最終的なガラスにおけるナトリウムの濃度を上げるためには、このナトリウムを組み入れることが可能で、かつ廃棄物形態の受入基準およびガラス固化溶融装置のための処理要件を満足させるような組成物を作り出さねばならない。廃棄物形態の受入基準（ガラスの耐久性および溶出抵抗性）は、蒸気水和試験（Ｖａｐｏｒ Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔ：ＶＨＴ）、製品整合性試験（Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ Ｔｅｓｔ：ＰＣＴ）および毒性溶出試験法（Ｔｏｘｉｃｉｔｙ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｌｅａｃｈ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ：ＴＣＬＰ）によって試験する。処理要件には、粘度、比導電率、および結晶化度が含まれる。
したがって、より高いナトリウム廃棄物担持性を達成し、それらのプロセスおよび組成物を慣用されるガラス固化溶融装置で使用したときに上述のような欠点が存在しないような、改良されたガラス固化プロセスおよびホウケイ酸ガラス様の組成物が必要とされている。
本発明は、高アルカリ性放射性廃棄物および／または有害廃棄物をシリケート系ガラスの中に固定化するためのプロセス、ならびにそれらのプロセスに使用するための組成物を提供する。本発明の一つの態様においては、高アルカリ性廃棄物を固定化するためのプロセスが提供されるが、それに含まれるのは、その廃棄物を、ガラス形成性成分と、特定の比率で組み合わせる工程、その混合物を溶融させて、廃棄物ガラス固化溶融装置に適した性質を有する、廃棄物と一体化させたガラスを形成させる工程、その溶融させた廃棄物と一体化させたガラスを受容キャニスター（ｒｅｃｅｐｔｉｖｅ ｃａｎｉｓｔｅｒ）の中に注入する工程、およびその溶融させた廃棄物と一体化させたガラスを冷却することにより固化させる工程、である。標準的な廃棄物ガラス固化溶融装置を使用することに加えて、廃棄物を「イン−コンテナー（ｉｎ−ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）」または「イン−カン（ｉｎ−ｃａｎ）」プロセスでガラス固化させてもよく、そうすれば、溶融させた廃棄物と一体化させたガラスを受容キャニスターの中に注入する必要がなくなる。形成されるガラスの造岩成分（すなわち、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、アルカリ土類酸化物およびアルカリ酸化物）の間の比率は、天然の高アルカリ性超塩基性岩主成分の間の比率に近い。このガラスは、高アルカリ性廃棄物を固定化させるのには特に適している。
本発明のまた別な態様においては、高アルカリ性廃棄物を固定化するためのプロセスが提供されるが、それに含まれるのは、その廃棄物を、ガラス形成性成分と、特定の比率で組み合わせる工程、その混合物を約１１５０℃までの温度で溶融させ、約２０〜約１００ポワズの粘度と、約０．１Ω−１ｃｍ−１〜約０．７Ω−１ｃｍ−１の間の範囲の比導電率のような性質とを有し、廃棄物のガラス固化溶融装置に好適な低粘度の溶融ガラスを形成させる工程、その溶融させた廃棄物と一体化させたガラスを受容キャニスターの中に注入する工程、および冷却することによって、その溶融させた廃棄物と一体化させたガラスを固化させる工程、である。現時点では、米国においてガラス固化に使用される溶融温度は１１５０℃である。溶融温度を高くすれば、ガラス固化のプロセス速度が向上することは公知である。本発明のプロセスとガラスは、約１１５０℃までの溶融温度で望ましい利点を有してはいるが、より高い、およびより低い温度もまた好適で、利点を有している。標準的な廃棄物ガラス固化溶融装置において使用することに加えて、廃棄物を「イン−コンテナー（ｉｎ−ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）」または「イン−カン（ｉｎ−ｃａｎ）」ガラス固化プロセスでガラス固化させてもよく、そうすれば、溶融させた廃棄物と一体化させたガラスを受容キャニスターの中に注入する必要がなくなる。本発明の好ましい実施形態においては、形成されるガラスの造岩成分の間の比率は、天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に近い。
本発明のさらなる態様においては、シリケート系ガラスの中に高アルカリ性放射性廃棄物および／または有害廃棄物を固定化させるためのプロセスが提供される。そのプロセスにおいては、シリケート系ガラスは、形成されるガラスの造岩成分の間の比率が天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に近いようにして、形成される。形成されるシリケート系ガラスは、放射性廃棄物および有害廃棄物のための固定化マトリックスとして使用される。そのプロセスには、実質的に酸化物の三つの群：（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）、Ｒ２Ｏ３、および（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）からなる、ガラス形成性成分と廃棄物成分を合わせて溶融させる工程が含まれる。形成されるガラスの造岩成分の間の比率は、質量パーセントで約（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）であるが、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）は主としてＮａ２Ｏからなり、Ｒ２Ｏ３は主としてＡｌ２Ｏ３からなり、そして（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）は主としてＳｉＯ２からなる。高アルカリ性廃棄物を固定化させるためには、超塩基性岩の溶融温度を下げる目的で、他のシリケート系ガラスにおけるよりも、多くの量のＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分を使用する。
本発明のさらに別な態様においては、高アルカリ性放射性廃棄物および／または有害廃棄物を固定化するためのシリケート系ガラス組成物が提供される。形成されるガラスの造岩成分の間の比率は、天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に近い。そのシリケート系ガラスは、実質的に酸化物の三つの群：（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）、Ｒ２Ｏ３、および（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）からなる。このガラスの造岩成分は、質量パーセントで約（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）の比率を有しているが、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）は主としてＮａ２Ｏからなり、Ｒ２Ｏ３は主としてＡｌ２Ｏ３からなり、そして（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）は主としてＳｉＯ２からなる。高アルカリ性廃棄物を固定化させるためには、超塩基性岩の溶融温度を下げる目的で、他のシリケート系ガラスにおけるよりも、多くの量のＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分を使用する。
これらのプロセスおよびそれらの組成物に従って形成されるガラスには、従来実施されてきたよりは実質的に高いパーセントの高アルカリ性廃棄物が含まれており、しかもそれと同時に、廃棄物ガラス固化溶融装置において製造されるガラスについての、処理要件（粘度、比導電率、および結晶化度を含む）と、廃棄物形態の受入基準（蒸気水和試験（ＶＨＴ）、製品整合性試験（ＰＣＴ）および毒性溶出試験法（ＴＣＬＰ）によって試験される、ガラスの耐久性および溶出抵抗性を含む）との両方を満足させる。本発明のさらなる利点と特徴は、本発明の好ましい実施形態を説明する、以下の詳細な説明および実施例からも明らかとなるであろう。
本発明の現時点で好ましい実施形態について詳しく参照するが、それは、下記の実施例とあいまって、本発明の原理を説明するのに役立つことであろう。それらの実施形態は、当業者が本発明を実施することが可能となるように、充分に詳しく説明するが、本発明の精神と範囲から外れることなく、他の実施形態もまた用いることができること、構造的、化学的および物理的な変更が可能であることは理解されたい。
定義：
「廃棄物」という用語には、廃棄物質、たとえば核分裂生成物が含まれるが、それには、放射性核種、有害元素、放射性化合物、有害化合物、および／または廃棄物中に存在するその他の成分が含まれる。廃棄物混合物には、たとえば以下のような元素およびそれらの化合物が含まれていてよい：Ｆｅ、Ｎａ、Ｓ、Ｐ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｚｒ、Ｋ、Ｃｓ、Ｒｕ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｃ、Ｒｈ、Ｍｇ、Ｉ、ランタニド、アクチニド（たとえば、Ｔｈ、Ｕ、Ｐｕ、Ｎｐ、Ａｍ、Ｃｍ、およびＣｅ）およびそれらの化合物、ならびに、放射性廃棄物および有害廃棄物のその他の成分。廃棄物にはさらに、貴金属、ならびに揮発性成分たとえばＨ２Ｏおよび／またはＣＯ２が含まれていてもよい。分離した場合に、それらの元素およびそれらの化合物のすべてが有害であるという訳ではない。
「放射性核種」という用語には、アルファ、ベータ、およびガンマ放出の１種または複数を含めて、放射線を放出するすべての核種が含まれる。「核種」という用語には、すべての原子が同一の原子番号と質量数を有する原子種が含まれる。しかしながら、異なった放射性核種の混合物が固定化されるプロセスが、特に本発明の範囲内に含まれる。放射性核種の例は、ＳｒおよびＣｓ、ならびにアクチニドおよびランタニド、たとえばトリウムおよびウランである。
「放射性廃棄物」という用語には、以下のように分類される３種のレベルの放射性廃棄物が含まれる：
１．「低レベル放射性廃棄物」（ＬＬＷ）および「低活性放射性廃棄物」（ＬＡＷ）は、主として、病院、研究施設、および産業分野で発生する。低レベル放射性廃棄物はさらに、高レベル放射性廃棄物を濃縮したために、その高レベル放射性廃棄物から成分を除去した場合にも発生する。低レベル放射性廃棄物は、全世界の放射性廃棄物の約９０容量％を占めるが、放射能としてはほんの約１パーセントを占めるに過ぎない。
２．「中間レベル放射性廃棄物」（ＩＬＷ）には、樹脂、化学スラッジ、および原子炉成分が含まれる。中間レベル放射性廃棄物は、全世界の放射性廃棄物の約７容量％、そして放射能としては約４パーセントを占めている。
３．「高レベル放射性廃棄物」（ＨＬＷ）には、使用済み原子炉燃料（使用済み燃料）ならびに主として使用済み燃料の再処理および核兵器の開発で発生するその他の高レベル放射性廃棄物が含まれる。高レベル放射性廃棄物は、全世界の放射性廃棄物の約３容量％しか占めていないが、放射能としては約９５パーセントを占めている。
放射性元素または有害元素の文脈において使用される「元素」という用語には、周期律表における原子元素が含まれる。有害性化合物または放射性化合物の文脈において使用される「化合物」という用語には、２種以上の元素から構成されている物質が含まれる。
「有害廃棄物」という用語は、ＥＰＡ・環境用語集（ＥＰＡ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｇｌｏｓｓａｒｙ）においては、その廃棄物が非崩壊性であるかもしくは本質的に持続性であるためか、またはそれらが生物学的に増幅されうるためか、またはそれらが致死性となりうるためか、またはそれらが有害な蓄積効果の原因であるかもしくは原因となりうるために、ヒトの健康または生物体に対して、有害性が存在するかもしくは有害となる可能性があるような、各種の廃棄物または廃棄物の組合せであると定義されている。
廃棄物混合物の化合物の多くのものは、ガラス固化プロセスにおいて酸化物に転化されるために、それらの混合物は一般に、それらの「廃棄酸化物」含量という用語で呼ばれる。「廃棄酸化物担持量（ｗａｓｔｅ ｏｘｉｄｅ ｌｏａｄｉｎｇ）」、「廃棄酸化物の担持量」、「廃棄物担持量」、または「廃棄物の担持量」という用語は、廃棄物固定化プロセスの最終生成物中での廃棄物混合物（ガラス固化プロセスにおいて熱的に酸化物に転化されたもので、非有害性成分を含んでいてもよい）の質量パーセントを表している。本明細書で使用するとき、「質量％」という略語は質量パーセントを意味している。
本明細書で使用するとき、「天然の高アルカリ性超塩基性岩」は、（ａ）ネットワーク変性成分である１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）と２価のカチオン酸化物（ＲＯ）との合計，（ｂ）ネットワーク形成成分である３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）、および（ｃ）これもまたネットワーク形成成分である４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）と５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）との合計、の間の質量パーセントによる比率によって、決められる。本明細書においてこの比率を表現したり参照したりする場合には、簡略化して、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）：Ｒ２Ｏ３：（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）とする。天然の高アルカリ性超塩基性岩の場合のこの比率は、質量パーセントで、約（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）である。
本明細書で使用するとき、「Ｒ２Ｏ」は、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、およびＫ２Ｏなどの１価のカチオン酸化物を指すが、これらに限定される訳ではない；「ＲＯ」は、ＣａＯ、ＭｇＯ、およびＳｒＯなどの２価のカチオン酸化物を指すが、これらに限定される訳ではない；「Ｒ２Ｏ３」は、Ａｌ２Ｏ３およびＦｅ２Ｏ３などの３価のカチオン酸化物を指すが、これらに限定される訳ではない；「ＲＯ２」は、ＳｉＯ２およびＺｒＯ２などの４価のカチオン酸化物を指すが、これらに限定される訳ではない；そして、「Ｒ２Ｏ５」は、Ｐ２Ｏ５などの５価のカチオン酸化物を指すが、これらに限定される訳ではない。
「造岩成分」という用語には、主として、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、アルカリ土類酸化物、およびアルカリ酸化物が含まれる。「ガラス形成性成分」という用語には、主として、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、アルカリ土類酸化物、およびアルカリ酸化物；ＺｒＯ２およびＴｉＯ２など（これらに限定される訳ではない）のガラス安定化剤；そしてフラックスたとえば、Ｌｉ２Ｏ、Ｆ、Ｂ２Ｏ３およびＰ２Ｏ５（Ｂ２Ｏ３およびＰ２Ｏ５は、ガラス形成性成分としておよびフラックスとしての両方に機能することができる）、が含まれる。「フラックス成分」という用語には、主として、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、およびＦが含まれる。
「シリケート系ガラス」という用語には、各種のタイプのシリケート系ガラス、たとえばホウケイ酸ガラス、リン−シリケートガラス、チタン−シリケートガラス、およびジルコニウム−シリケートガラスが含まれるが、これらに限定される訳ではない。本明細書においては、好ましい実施形態としての説明でホウケイ酸ガラスを用いているが、本発明はホウケイ酸ガラスに限定されるものではなく、固定化マトリックスとして他のシリケート系ガラスを使用することも包含していることは理解されたい。
説明：
本発明は、安定であり、すなわち、廃棄物（高アルカリ性廃棄物を含む）を組み入れることが可能であり、さらに廃棄物形態の受入基準およびガラス固化溶融装置のための処理要件を満足するような、天然の岩に可能な限り類似するように設計した、改良されたガラス組成物を目的としている。天然の岩には主として、花崗岩、安山岩、玄武岩および超塩基性岩の、４種のタイプが存在する。それらを区別する主なものは、ネットワーク形成成分のＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の濃度である。表１に、それぞれのタイプの岩中のそれら酸化物の平均濃度を示す。
表１
主な４種のタイプの天然の岩の中のＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の平均濃度（重量パーセント）＊
Figure 0005002002
表１から判るように、超塩基性岩におけるＳｉＯ２濃度は、他のタイプの岩に見出される濃度よりも低く、超塩基性岩におけるＡｌ２Ｏ３濃度は、他のタイプの岩に見出される濃度よりも高い。このように超塩基性岩におけるＡｌ２Ｏ３の濃度が高いために、他の３種のタイプの岩におけるよりもアルカリの量を多く組み入れることが可能となるが、それは、アルミナシリケート中のＡｌが、アルカリと結合して、強い構造単位を形成するからである。
天然の高アルカリ性超塩基性岩は、（ａ）ネットワーク変性成分である１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）と２価のカチオン酸化物（ＲＯ）との合計，（ｂ）ネットワーク形成成分である３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）、および（ｃ）これもまたネットワーク形成成分である４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）と５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）との合計、の間の質量パーセントによる比率によって、決められる。本明細書においてこの比率を表現したり参照したりする場合には、簡略化して、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）：Ｒ２Ｏ３：（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）とする。天然の高アルカリ性超塩基性岩の場合の（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）：Ｒ２Ｏ３：（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の比率は、質量パーセントで、約（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）である。
本発明の第一の好ましい実施形態においては、形成されたガラスの造岩成分の間の（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）：Ｒ２Ｏ３：（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の比率が、質量パーセントで、（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）、であるシリケート系ガラスを製造する。この比率は、天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に近い。
本発明の第二の好ましい実施形態においては、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）：Ｒ２Ｏ３：（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の比率が、質量パーセントで、（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）、である、シリケート系ガラスを製造するが、ここで、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）は、主として約２３質量パーセントを超えるＮａ２Ｏからなり、Ｒ２Ｏ３は、主として約１３〜２０質量パーセントの間のＡｌ２Ｏ３からなり、そして（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）は、主として約３０〜４８質量パーセントの間のＳｉＯ２からなる。この（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）の比率は、天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に似ている。
この実施形態のガラスは、以下のものよりも実質的に安定である：（１）高アルカリ物を固定化するために現在製造されているが、その造岩成分の間では（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）の比率を有していないシリケート系ガラス、または、（２）その造岩成分の間では（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）の比率を有してはいるが、約２３質量パーセントを超えるＮａ２Ｏ、約１３〜２０質量パーセントの間のＡｌ２Ｏ３、および約３０〜４８質量パーセントの間のＳｉＯ２を含んでいない、高アルカリ物を固定化するためのシリケート系ガラス。
本発明の第三の好ましい実施形態においては、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）：Ｒ２Ｏ３：（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の比率が、質量パーセントで、（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）、である、シリケート系ガラスを製造するが、ここで、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）は、主として約２３、２４、２５、２６、２７、もしくは２８質量パーセントを超えるＮａ２Ｏからなり、Ｒ２Ｏ３は、主としてたとえば約１５〜２０質量パーセントの間のＡｌ２Ｏ３からなり、そして（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）は、主として約３０〜４８質量パーセントの間のＳｉＯ２からなる。この（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）の比率は、天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に似ている。
本発明の第四の好ましい実施形態においては、Ｂ２Ｏ３およびその他のフラックス成分、たとえばＰ２Ｏ５およびＦを、合計して約９〜１５質量パーセントの間で、先の実施形態のガラスに添加する。（Ｌｉ２Ｏも同様にしてフラックス成分として使用されるが、そのものは、アルカリ性酸化物であって、そのため固定化することが可能なアルカリ性廃棄物の量を減らすことになるので、高アルカリ性廃棄物の中には添加されないであろう）。Ｂ２Ｏ３は二つの機能を有している。それは、ガラス形成性成分としての挙動を有していて、ほぼ５質量パーセントよりも高い量で使用すると、相分離の原因となりうるＰ２Ｏ５またはＦとは対照的に、相分離を防止する。（超塩基性岩は、ガラス形成性成分たとえばＢ２Ｏ３を添加しないと、それ自体でガラス固化することができない）。ガラス形成性成分であることに加えて、Ｂ２Ｏ３は、フラックスの役目も果たして、全組成物の融点を低下させ、慣用されるガラス固化溶融装置において使用するのに必要とされるホウケイ酸ガラスを与える。Ｂ２Ｏ３およびその他のフラックス成分の本明細書における濃度は、合計して約９〜１５質量パーセントの間の範囲であるが、それは実質的に、高アルカリ性廃棄物を固定化させる他のホウケイ酸ガラスにおいて見出されるＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分の濃度よりは高い。
Ｂ２Ｏ３およびその他のフラックス成分は造岩成分ではないが、最終的なホウケイ酸ガラスの成分の比が約（１）：（１）：（１）ではあるものの、ガラスの造岩成分（すなわち、Ｂ２Ｏ３およびその他のフラックス成分を除いた全部の成分）の（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）：Ｒ２Ｏ３：（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の比率は、約（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）に留まっている。ガラスの造岩成分の間のこの比率は、超塩基性岩の主成分の間の比率に類似していて、そのために好ましい実施形態のホウケイ酸ガラスに超塩基性岩に固有の安定性を与えているという点で、本質的なものである。添加される（したがって、ホウケイ酸ガラスを製造する）Ｂ２Ｏ３は、超塩基性岩のような火成岩に本来的には含まれていない酸化物（ｎｏｎ−ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｏｘｉｄｅ）である。
本発明は二重の利点を有しているが、その第一は、既存のガラス固化システムにおいて、従来からホウケイ酸ガラスを用いて達成されていたよりも高い廃棄物担持量が可能となり、しかも、廃棄物のガラス固化で必要とされる処理条件および製品品質（すなわち、粘度、比導電率、および耐薬品性）もまた満足させている点にある。たとえば、米国において必要とされる処理条件および製品品質については、たとえば、Ｕ．Ｓ．ＤＯＥ／ＲＷ「ウェイスト・アクセプタンス・システム・リクワイアメンツ・ドキュメント（Ｗａｓｔｅ Ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ、ＷＡＳＲＤ）、および「ガラス・フォーミュレーションズ・フォア・インモビライジング・ハンフォード・ロウ−アクティビティ・ウェイスツ（Ｇｌａｓｓ Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｉｎｇ Ｈａｎｆｏｒｄ Ｌｏｗ−Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｗａｓｔｅｓ）、（Ｄ−Ｓ．キム（Ｄ−Ｓ．Ｋｉｍ）ら、ウェイスツ・マネージメント・’０６・カンファレンス（Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ’０６ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、２００６年２月２６〜３月２日、アリゾナ州トゥーソン（Ｔｕｃｓｏｎ，ＡＺ）を参照されたい。第二には、アルゴリズムに従ってそれらの高い廃棄物担持量を達成することができ、実験に基づいた試行錯誤を最小限とすることが可能である点が挙げられる。これらの利点はいずれも、本発明を商業的に価値の高いものとしている。
ここで協調しておかねならぬが、本発明のプロセスおよびガラスは、慣用される溶融装置において使用するのにも適しているし、また、補助的なガラス固化技術、たとえば（これに限定される訳ではない）、ＡＭＥＣ・アース・アンド・エンバイロメンタル・インコーポレーテッド（ＡＭＥＣ Ｅａｒｔｈ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｉｎｃ．）の「バルク・ビトリフィケーション（Ｂｕｌｋ Ｖｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」（これは、「イン−コンテナー」ガラス固化技術である）において使用するのにも適している。
たとえば、好ましい実施形態のガラスを、ＡＭＥＣ・アース・アンド・エンバイロメンタル・インコーポレーテッド（ＡＭＥＣ Ｅａｒｔｈ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｉｎｃ．）のＡＭＢＧ−１３ガラス（パシフィック・ノースウェスト・ナショナル・ラボラトリー（Ｐａｃｉｆｉｃ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）によってＡＭＥＣのために製造されたガラス組成物であって、ハンフォード廃棄物処理プラント（Ｈａｎｆｏｒｄ Ｗａｓｔｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｐｌａｎｔ）の高ナトリウム低活性放射性廃棄物をガラス固化させるための補助的な処理技術として、ＡＭＥＣのバルク・ビトリフィケーション（Ｂｕｌｋ Ｖｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）プロセスを試験するための、ベースライン組成物（ｂａｓｅｌｉｎｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）として最も好適であると認められ、選択されているもの）と比較すると、ＡＭＢＧ−１３ガラスの造岩成分では、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）、Ｒ２Ｏ３、および（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の間の比率が、質量パーセントで、（１．２４）：（１）：（２．４１）であることが判る。このＡＭＢＧ−１３ガラスは、Ｎａ２Ｏ担持量が２０質量パーセント、９．８９質量パーセントがＡｌ２Ｏ３、そして４２．５５質量パーセントがＳｉＯ２である。ＡＭＢＧ−１３ガラスのフラックス成分には、５質量パーセントのＢ２Ｏ３、０．０７質量パーセントのＦ、および０．６質量パーセントのＰ２Ｏ５が含まれている。「ガラス・フォーミュレーションズ・フォア・インモビライジング・ハンフォード・ロウ−アクティビティ・ウェイスツ（Ｇｌａｓｓ Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｉｎｇ Ｈａｎｆｏｒｄ Ｌｏｗ−Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｗａｓｔｅｓ）、（Ｄ−Ｓ．キム（Ｄ−Ｓ．Ｋｉｍ）ら、ウェイスツ・マネージメント・’０６・カンファレンス（Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ’０６ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、２００６年２月２６〜３月２日、アリゾナ州トゥーソン（Ｔｕｃｓｏｎ，ＡＺ）を参照されたい。
ＡＭＢＧ−１３ガラスと同じ廃棄物類似配合物を使用して、本発明の教示を適用して、Ｎａ２Ｏ担持量２８質量パーセントであって、しかもさらに、廃棄物のガラス固化で必要とされる処理条件および製品品質（すなわち、粘度、比導電率、および耐薬品性）を満足させるホウケイ酸ガラスを製造した。このように、廃棄物により高いナトリウムを担持させることに成功したのは、本発明のガラスの造岩成分の（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）、Ｒ２Ｏ３、および（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の間で、ほぼ（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）の比率としたためであって、これは主として、約２３質量パーセントを超えるＮａ２Ｏ、約１３〜２０質量パーセントの間のＡｌ２Ｏ３、および約３０〜４８質量パーセントの間のＳｉＯ２とすることにより維持されている。
具体的には、得られたガラスにおいて、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）は主として２８質量％のＮａ２Ｏからなり、Ｒ２Ｏ３は主として１６質量％のＡｌ２Ｏ３からなり、そして（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）は、主として３６質量％のＳｉＯ２および５質量％のＺｒＯ２からなっている。（それらの主成分を合計した質量％が８５％であって、１００％ではないが、その理由は、１４質量％のＢ２Ｏ３と廃棄物の数種のマイナー成分が含まれていないからである。先に説明したように、Ｂ２Ｏ３が含まれていないのは、火成岩たとえば超塩基性岩には本来的には含まれていない酸化物であり、したがって、造岩成分としてではなく、ガラス形成性成分としての挙動をするためである。）このガラスにおける、Ｂ２Ｏ３およびその他のフラックス成分の濃度は、ほぼ１４．７７質量パーセントである。組み合わせると、それら３種の造岩成分（Ｎａ２Ｏ、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２）の濃度と、Ｂ２Ｏ３およびその他のフラックス成分の比較的高い濃度は、高アルカリ性廃棄物を固定化させるために現在製造されているホウケイ酸ガラスにおけるそれらの濃度とは、実質的に異なっている。
先にも説明したように、本発明の好適なガラスは、約２３質量パーセントを超えるＮａ２Ｏ、約１３質量パーセント〜２０質量パーセントの間のＡｌ２Ｏ３、約３０質量パーセント〜約４８質量パーセントの間のＳｉＯ２、および合計して約９質量パーセント〜１５質量パーセントのＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分を使用している。本発明の好適なガラスにおけるＮａ２ＯおよびＡｌ２Ｏ３の高い濃度（高アルカリ性廃棄物を固定化するホウケイ酸ガラスを製造するために一般的に使用される濃度よりは、相対的に高い濃度）、およびＳｉＯ２の比較的低い濃度によって、造岩成分の、質量パーセントで、ほぼ（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）の比率が維持されている。Ｂ２Ｏ３およびその他のフラックス成分の濃度を比較的高くすることによって、全組成物の融点が下がる。
公知の高アルカリ性ガラスが、個々の成分をその好ましい範囲の中で有しているかもしれないが、それら４種の成分（Ｎａ２Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、およびＢ２Ｏ３）のそれぞれの組合せをその好適な範囲の中で含み、本発明のシリケート系ガラスに見出されるような、天然の高アルカリ性超塩基性岩の比率に近い、造岩成分の間の総合的な比率を有しているようなガラスは知られていない。
たとえば、米国エネルギー省（Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ）によって開始された最近の性能向上検討において評価された、ハンフォード（Ｈａｎｆｏｒｄ）低活性廃棄物のための公知の目標ガラス（ＬＡＷＡ１８７；ハンフォード（Ｈａｎｆｏｒｄ）のエンベロープＡ（Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ａ）、ＡＮ−１０５ＬＡＷのために配合されたガラス）は、Ｎａ２Ｏ担持量２３質量パーセント、１０．５７質量パーセントのＡｌ２Ｏ３、および３４．８質量パーセントのＳｉＯ２、ならびに合計して１２．７７質量パーセントのＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分の濃度を有している。「パフォーマンス・エンハンスメント・トゥ・ザ・ハンフォード・ウェイスト・トリートメント・アンド・インモビライゼーション・プラント・ロウ−アクティビティ・ウェイスト・ビトリフィケーション・システム（Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ｔｈｅ Ｈａｎｆｏｒｄ Ｗａｓｔｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｔ Ｌｏｗ−Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｗａｓｔｅ Ｖｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）」（ハメル（Ｈａｍｅｌ）ら、ウェイスツ・マネージメント・’０６・カンファレンス（Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ’０６ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、２００６年２月２６〜３月２日、アリゾナ州トゥーソン（Ｔｕｃｓｏｎ，ＡＺ）を参照されたい。しかしながら、ＬＡＷＡ１８７ガラスの造岩成分では、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）、Ｒ２Ｏ３、および（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の間の比率は、質量パーセントで、（４．４５）：（１）：（９．９６）である。
同様にして、ハンフォード（Ｈａｎｆｏｒｄ）廃棄物のために配合された１，９００種を超えるガラス組成物と比較してみても、それらのガラスの造岩成分の間の（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）、Ｒ２Ｏ３、および（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の比率が（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）であることと、Ｎａ２Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分の濃度の組合せが好ましい実施形態において記載された範囲の中にあること、の両方を満たすものは一つもない。「データベース・アンド・インテリム・ガラス・プロパティ・モデルズ・フォア・ハンフォード・ＨＬＷ・アンド・ＬＡＷ・グラシズ（Ｄａｔａｂａｓｅ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｉｍ Ｇｌａｓｓ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ Ｈａｎｆｏｒｄ ＨＬＷ ａｎｄ ＬＡＷ Ｇｌａｓｓｅｓ）」（ビエナ（Ｖｉｅｎｎａ）ら、２００２）；「パフォーマンス・エンハンスメント・トゥ・ザ・ハンフォード・ウェイスト・トリートメント・アンド・インモビライゼーション・プラント・ロウ−アクティビティ・ウェイスト・ビトリフィケーション・システム（Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ｔｈｅ Ｈａｎｆｏｒｄ Ｗａｓｔｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｔ Ｌｏｗ−Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｗａｓｔｅ Ｖｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）」（ハメル（Ｈａｍｅｌ）ら、ウェイスツ・マネージメント・’０６・カンファレンス（Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ’０６ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、２００６年２月２６〜３月２日、アリゾナ州トゥーソン（Ｔｕｃｓｏｎ，ＡＺ）を参照されたい。
本発明の教示を特定の問題または環境に対して適用することは、本明細書に含まれる教示を考慮すれば、当業者の能力の範囲に入る。本発明の生成物およびプロセスの例は、以下の実施例に示される。
実施例１
２８質量パーセントのＮａ２Ｏ担持量を用いた、ハンフォード（Ｈａｎｆｏｒｄ）タンク２４１−Ｓ−１０９低活性廃棄物（ＬＡＷ）類似物のガラス固化
１．列Ａのハンフォード（Ｈａｎｆｏｒｄ）タンク２４１−Ｓ−１０９ＬＡＷ廃棄物組成物を、列Ｂの量で使用した。列Ｃには、２８質量パーセントのＮａ２Ｏ担持量を用いた、目標の最終的なガラス生成物中の、それらの成分の量（単位：質量パーセント）を示す。
Figure 0005002002
２．列Ｄの量に従ったガラス形成性成分を２４１−Ｓ−１０９廃棄物組成物に添加して、列Ｅに示された最終ガラス組成物を得た。使用されたガラス形成性成分の正確な量を、２４１−Ｓ−１０９廃棄物成分と合わせて計算すると、それらの成分の合計量では、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）：Ｒ２Ｏ３：（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の比が、質量パーセントで、約（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）の範囲となった。約（１．７３）：（１）：（２．５６）の比が達成された。
３．工程１と工程２の混合物を合わせて、環境温度で１時間撹拌して、水性懸濁液を得た。
４．次いで、工程３の生成物を、実験室オーブンの中で１５０℃で３時間かけて乾燥させた。
５．次いで、工程４の生成物を、粉砕し、４２０ミクロンの金網を通して篩別してから、マッフル炉中、１１５０℃で２．５時間かけて溶融させた。
６．次いで、工程５の生成物を、１５ｍｍ×１５ｍｍ×２５ｍｍのスロットを刻み込んだ、カーボンのスラブの中に注ぎ込んだ。材料（たとえば、白金、ステンレス鋼、炭素、ムライトなど）が異なっていたり、サイズが異なっていたりする他の型を使用してもよい。次いでそのものを、マッフル炉の中で最低でも１５時間かけて、各種の冷却方式に従って環境温度にまで冷却した。
７．次いで、得られたガラスについて、液体供給セラミック溶融装置（ＬＦＣＭ）法を用いた処理に対するこの組成物の適用性を求める試験を行った。６種の試験の結果から、この組成物が、ＬＦＣＭ法を使用した処理に適していることが明らかとなった：
（ａ）蒸気水和試験（ＶＨＴ）結果（図１〜３の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真参照）：
１週間：９．１０５ｇ／ｍ２／日（図１）
２週間：１６．２０３ｇ／ｍ２／日（図２）
４週間：１７．８３ｇ／ｍ２／日（図３）
（これらの結果は、同一のガラス組成物を用いて調製した三つの個別のバッチについて実施した、４個のＶＨＴ試験からの結果を平均したものである。）
（ｂ）粘度：３８．３ポワズ（１１５０℃）〜３８２ポワズ（９５０℃）の範囲。
（ｃ）比導電率：０．４８Ω−１ｃｍ−１（１１５０℃）〜０．２６Ω−１ｃｍ−１（９５０℃）の範囲。
（ｄ）製品整合性試験（ＰＣＴ）結果（ｇ／ｍ２／ｄ）：Ｎａ−２．７２×１０−１；Ｂ−４．０３×１０−１；Ｓｉ−２．２７×１０−２。
（ｅ）毒性溶出試験法（ＴＣＬＰ）結果（ｍｇ／Ｌ）：Ｃｒ−１．８
（ｆ）二次相の同定（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）：Ｘ線回折を使用しても結晶は見えなかった。
実施例２
２８質量パーセントのＮａ２Ｏ担持量を用いた、ハンフォード（Ｈａｎｆｏｒｄ）タンクＡＮ−１０５低活性廃棄物（ＬＡＷ）類似物のガラス固化
１．列Ａのハンフォード（Ｈａｎｆｏｒｄ）タンクＡＮ−１０５ＬＡＷ廃棄物組成物を、列Ｂの量で使用した。列Ｃには、２８質量パーセントのＮａ２Ｏ担持量を用いた、目標の最終的なガラス生成物中の、それらの成分の量（単位：質量パーセント）を示す。
Figure 0005002002
２．列Ｄの量に従ったガラス形成性成分をＡＮ−１０５廃棄物組成物に添加して、列Ｅに示された最終ガラス組成物を得た。使用されたガラス形成性成分の正確な量を、ＡＮ−１０５廃棄物成分と合わせて計算すると、それらの成分の合計量では、（Ｒ２Ｏ＋ＲＯ）：Ｒ２Ｏ３：（ＲＯ２＋Ｒ２Ｏ５）の比が、質量パーセントで、約（１．６〜２．２）：（１）：（２〜３）の範囲となった。約（１．７８）：（１）：（２．５９）の比が達成された。
３．工程１と工程２の混合物を合わせて、環境温度で１時間撹拌して、水性懸濁液を得た。
４．次いで、工程３の生成物を、実験室オーブンの中で１５０℃で３時間かけて乾燥させた。
５．次いで、工程４の生成物を、粉砕し、４２０ミクロンの金網を通して篩別してから、マッフル炉中、１１５０℃で２．５時間かけて溶融させた。
６．次いで、工程５の生成物を、１５ｍｍ×１５ｍｍ×２５ｍｍのスロットを刻み込んだ、カーボンのスラブの中に注ぎ込んだ。材料（たとえば、白金、ステンレス鋼、炭素、ムライトなど）が異なっていたり、サイズが異なったりしている他の型を使用することもできる。次いでそのものを、マッフル炉の中で最低でも１５時間かけて、環境温度にまで冷却した。
その最終的なガラス組成物は、実施例１におけるガラス組成物と極めて類似していたので、物理化学的性質（ＶＨＴ、ＰＣＴ、ＴＣＬＰ、粘度、比導電率、二次相の同定）は実施例１の場合と同じであると考えられる。
上述の本発明の好ましい実施形態の開示は、説明し描写することを目的として提供されたものである。それは、すべてを網羅したり、本発明を開示されたそのままの形態に限定したりすることを意図したものではない。本明細書に記載された実施形態の各種の変形や修正は、上述の開示を参照すれば、当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、本明細書に添付された特許請求項およびそれらの等価物によってのみ定義される。さらに、本発明の代表的な実施形態の記載においては、本発明の方法および／またはプロセスを特定の順序の工程として、詳細に説明してきた。しかしながら、その方法またはプロセスが本明細書において言及された特定の順序の工程に依存しないという限りにおいて、その方法またはプロセスは、上述の特定の順序の工程に限定されるべきものではない。当業者のよく認識しているところであるが、他の工程の順序も可能であろう。したがって、本明細書において言及された特定の順序の工程は、特許請求項を限定するものと考えてはならない。さらに、本発明の方法および／またはプロセスを目的とした特許請求項は、書かれた順序のそれらの工程を実施することに限定されるべきではなく、順序は変更することが可能であって、それでもなお本発明の精神と範囲の中にあるということは、当業者ならば容易に理解できるであろう。
本発明のガラスについての、１週間の蒸気水和試験の結果を示す、走査型電子顕微鏡写真である。 本発明のガラスについての、２週間の蒸気水和試験の結果を示す、走査型電子顕微鏡写真である。 本発明のガラスについての、４週間の蒸気水和試験の結果を示す、走査型電子顕微鏡写真である。

Claims (38)

  1. ガラスの中に高アルカリ性廃棄物を固定化して、高濃度の廃棄物構成成分（廃棄物担持量）を達成するためのプロセスであって：
    実質的に、１．６〜２．２部（質量パーセント）の１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）および２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ、１部（質量パーセント）の３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）、ならびに２〜３部（質量パーセント）の４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）および５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、高アルカリ性シリケート系ガラスが形成できるような混合物が達成される割合で、核種、有害元素、および有害成分の１種または複数を含む廃棄物の流れをガラス形成性成分と組み合わせる工程；
    前記混合物を溶融させて、廃棄物と一体化させた溶融されたガラスを形成させる工程；および
    前記溶融させた廃棄物と一体化させたガラスを冷却することにより固化させて、前記高アルカリ性シリケート系ガラスを形成させる工程、
    を含むプロセス。
  2. 前記溶融工程を１１５０℃までの温度で実施する、請求項１に記載のプロセス。
  3. 形成される前記ガラスの造岩成分の間の比率が、天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に近い、請求項１のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  4. 前記シリケート系ガラスの造岩成分が、実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）および２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    ２〜３部（質量パーセント）の４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）および５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    請求項１のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  5. 前記シリケート系ガラスの造岩成分が、実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の、アルカリ酸化物を含む１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）およびアルカリ土類酸化物を含む２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の、アルミニウムおよび第二鉄の酸化物を含む３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    ２〜３部（質量パーセント）の、ケイ素、ジルコニウムおよびチタンを含む４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）、ならびにリンの酸化物を含む５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    請求項１のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  6. 前記シリケート系ガラスが、１１５０℃の温度で２０〜１００ポワズの粘度を有する、請求項１のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  7. 前記シリケート系ガラスが、１１５０℃の温度で、ガラス固化溶融装置における加工を可能とする、０．１Ω−１ｃｍ−１〜０．７Ω−１ｃｍ−１の間の範囲の比導電率を有する、請求項１のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  8. 廃棄物を固定化させるためのプロセスであって：
    実質的に、１．６〜２．２部（質量パーセント）の、アルカリ酸化物およびアルカリ土類酸化物を含む１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）および２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ、１部（質量パーセント）の、アルミナおよび酸化第二鉄を含む３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）、ならびに、２〜３部（質量パーセント）の、シリカ、ジルコニア、チタニア、およびリンの酸化物を含む４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）および５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せ、からなり、Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、高アルカリ性シリケート系ガラスが形成できるような混合物が達成される割合で、核種、有害元素、および有害成分の１種または複数を含む廃棄物の流れをガラス形成性成分と組み合わせる工程；
    前記混合物を溶融させて、廃棄物と一体化させた溶融されたガラスを形成させる工程；および
    前記溶融させた廃棄物と一体化させたガラスを冷却することにより固化させて、前記高アルカリ性シリケート系ガラスを形成させる工程、
    を含むプロセス。
  9. 前記溶融工程を１１５０℃までの温度で実施する、請求項８に記載のプロセス。
  10. 形成される前記ガラスの造岩成分の間の比率が、天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に近い、請求項８のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  11. 前記シリケート系ガラスの造岩成分が、実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）および２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    ２〜３部（質量パーセント）の４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）および５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    請求項８のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  12. 前記シリケート系ガラスの造岩成分が、実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の、アルカリ酸化物を含む１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）およびアルカリ土類酸化物を含む２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の、アルミニウムおよび第二鉄の酸化物を含む３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    ２〜３部（質量パーセント）の、ケイ素、ジルコニウムおよびチタンを含む４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）、ならびにリンの酸化物を含む５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    請求項８のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  13. 前記シリケート系ガラスが、１１５０℃の温度で２０〜１００ポワズの粘度を有する、請求項８のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  14. 前記シリケート系ガラスが、１１５０℃の温度で、ガラス固化溶融装置における加工を可能とする、０．１Ω−１ｃｍ−１〜０．７Ω−１ｃｍ−１の間の範囲の比導電率を有する、請求項８のプロセスによって製造されるシリケート系ガラス。
  15. 実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）および２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    １〜２部（質量パーセント）の４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）および５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、シリケート系ガラス。
  16. 形成される前記ガラスの造岩成分の間の比率が、天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に近い、請求項１５に記載のシリケート系ガラス。
  17. 前記シリケート系ガラスの造岩成分が、実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）および２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    ２〜３部（質量パーセント）の４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）および５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    請求項１６に記載のシリケート系ガラス。
  18. 前記シリケート系ガラスの造岩成分が、実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の、アルカリ酸化物を含む１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）およびアルカリ土類酸化物を含む２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の、アルミニウムおよび第二鉄の酸化物を含む３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    ２〜３部（質量パーセント）の、ケイ素、ジルコニウムおよびチタンを含む４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）、ならびにリンの酸化物を含む５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    請求項１６に記載のシリケート系ガラス。
  19. 前記シリケート系ガラスが、１１５０℃の温度で、ガラス固化溶融装置における加工を可能とする、２０〜１００ポワズの粘度を有する、請求項１５に記載のシリケート系ガラス。
  20. 前記シリケート系ガラスが、１１５０℃の温度で、ガラス固化溶融装置における加工を可能とする、０．１Ω−１ｃｍ−１〜０．７Ω−１ｃｍ−１の間の範囲の比導電率を有する、請求項１５に記載のシリケート系ガラス。
  21. 実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の、アルカリ酸化物を含む１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）およびアルカリ土類酸化物を含む２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の、アルミニウムおよび第二鉄の酸化物を含む３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    １〜２部（質量パーセント）の、ケイ素、ジルコニウムおよびチタンを含む４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）、ならびにリンの酸化物を含む５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    シリケート系ガラス。
  22. 形成される前記ガラスの造岩成分の間の比率が、天然の高アルカリ性超塩基性岩の主成分の間の比率に近い、請求項２１に記載のシリケート系ガラス。
  23. 前記シリケート系ガラスの造岩成分が、実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）および２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    ２〜３部（質量パーセント）の４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）および５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    請求項２２に記載のシリケート系ガラス。
  24. 前記シリケート系ガラスの造岩成分が、実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の、アルカリ酸化物を含む１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）およびアルカリ土類酸化物を含む２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の、アルミニウムおよび第二鉄の酸化物を含む３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    ２〜３部（質量パーセント）の、ケイ素、ジルコニウムおよびチタンを含む４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）、ならびにリンの酸化物を含む５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２３質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    請求項２２に記載のシリケート系ガラス。
  25. 前記シリケート系ガラスが、１１５０℃の温度で、ガラス固化溶融装置における加工を可能とする、２０〜１００ポワズの粘度を有する、請求項２１に記載のシリケート系ガラス。
  26. 前記シリケート系ガラスが、１１５０℃の温度で、ガラス固化溶融装置における加工を可能とする、０．１Ω−１ｃｍ−１〜０．７Ω−１ｃｍ−１の間の範囲の比導電率を有する、請求項２１に記載のシリケート系ガラス。
  27. 実質的に、
    １．６〜２．２部（質量パーセント）の１価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ）および２価のカチオン酸化物（ＲＯ）の組合せ；
    １部（質量パーセント）の３価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ３）；
    １〜２部（質量パーセント）の４価のカチオン酸化物（ＲＯ２）および５価のカチオン酸化物（Ｒ２Ｏ５）の組合せからなり、
    Ｎａ２Ｏが２４質量パーセントを超える量で存在し、Ａｌ２Ｏ３が１３質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在し、ＳｉＯ２が３０質量パーセントを超え、４８質量パーセント未満の量で存在し、そしてＢ２Ｏ３およびその他のフラックス成分が、９質量パーセントを超え、１５質量パーセント未満の合計量で存在する、
    シリケート系ガラス。
  28. Ｎａ２Ｏが、２５質量パーセントを超える量で存在する、請求項２７に記載のシリケート系ガラス。
  29. Ｎａ２Ｏが、２６質量パーセントを超える量で存在する、請求項２７に記載のシリケート系ガラス。
  30. Ｎａ２Ｏが、２７質量パーセントを超える量で存在する、請求項２７に記載のシリケート系ガラス。
  31. Ｎａ２Ｏが、２８質量パーセントを超える量で存在する、請求項２７に記載のシリケート系ガラス。
  32. Ａｌ２Ｏ３が、１５質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在する、請求項２７に記載のシリケート系ガラス。
  33. Ｎａ ２ Ｏが、２４質量パーセントを超える量で存在する、請求項１に記載のプロセス。
  34. Ｎａ ２ Ｏが、２５質量パーセントを超える量で存在する、請求項１に記載のプロセス。
  35. Ｎａ ２ Ｏが、２６質量パーセントを超える量で存在する、請求項１に記載のプロセス。
  36. Ｎａ ２ Ｏが、２７質量パーセントを超える量で存在する、請求項１に記載のプロセス。
  37. Ｎａ ２ Ｏが、２８質量パーセントを超える量で存在する、請求項１に記載のプロセス。
  38. Ａｌ ２ Ｏ ３ が、１５質量パーセントを超え、２０質量パーセント未満の量で存在する、請求項１に記載のプロセス。
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