JP5232327B2 - 放射性廃棄物の合成岩石形態でのパッケージ化方法 - Google Patents
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Description
・粒径の小さい、特に粒径が1mm未満のいわゆる「均質」廃棄物(土、汚泥、灰、砂、塵又は粉塵、フィルター塵など)
・粒径の大きい、特に粒径が1cm以上、好ましくは1〜5cmのいわゆる「不均質」廃棄物(石、コンクリート瓦礫、くず鉄、プラスチック、ガラスなど)
a.アルミノケイ酸塩、炭酸カルシウム及びシリカをベースとした石灰土であって、原子力発電所外部への放射能漏れの結果として汚染されたもの。フランス国内における処理が必要な汚染土の体積は約5000m3と見積もられている。
b.金属酸化物、建物からでるコンクリートくず、並びに工程から生じる有機生成物及び水の混合物からなる残渣など、原子力発電所を含む原子力関連施設で生じる汚泥。処理されるこれら汚染汚泥の乾燥抽出物の体積は一年当たり100m3以上である。
c.老朽化して運転を停止した動力炉など、寿命により解体される原子力施設のインフラから生じるコンクリート類。この第三の出所源からは10000m3以上のWA/MAコンクリートが生じる。
・10〜16重量%のAl2O3、
・59〜65重量%のSiO2、
・22〜28重量%のCaO。
以下の連続した工程:
a)950℃でか焼後の乾燥抽出分の組成(以後、出発組成という)の90%以上が、CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、及びB2O3から選択される化合物で構成される放射性廃棄物を処理し、上記廃棄物の組成を補完して、補完した廃棄物のか焼後の組成が目的組成となるようにする工程、
b)上記補完した放射性廃棄物を溶融させる工程、並びに、
c)上記溶融物を容器に注入し、冷却後に、上記目的組成を有するガラス質又は結晶化ガラス質の合成岩石(synthetic rock)を含む生成物を得る工程
を行う、放射性廃棄物のパッケージ化方法であって、
上記出発組成及び上記目的組成は、下記条件、すなわち、
CaO/SiO2/X2O3三元系において、X2O3が、Al2O3、Fe2O3、及びB2O3から選択される三価元素の酸化物又は三価元素の酸化物の混合物であり、
・上記出発組成では、
・PC及びPXは90%未満、
・PSは75%未満、
・上記目的組成では、
・PCは35〜60%、好ましくは40〜50%、
・PSは10〜45%、好ましくは20〜40%、
・ただし両方の場合において、
・PC+PS+PX=100%、
・PX=PA+PH+PB、ここで、
・PC=[MC/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・PS=[MS/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・PA=[MA/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・PH=[0.28MH/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・PB=[2MB/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・Pi及びMiはそれぞれ、i=C、S、A、H又はBとして、CaO(i=C)、SiO2(i=S)、Al2O3(i=A)、Fe2O3(i=H)、B2O3(i=B)の質量百分率(Pi)及び質量(Mi)である、という条件
を満たす
ことを特徴とする方法を提供する。
・上記モノリスの大きなブロック、特に200L以上、さらには最大500Lのものをも適度な冷却時間内、特に2週間以内、さらには1週間以内、通常24時間未満の時間内で、当然ながら冷却中に熱応力によりブロックが小片に砕けることなく、注型することができ、
・セシウムやプルトニウムなどの揮発性放射性元素の50%以上が溶融プール中に、その後固体モノリスブロック中に保持される
ことから、工業用途において特に有利である。
・工程b)において、上記放射性廃棄物をるつぼ内で加熱し、1250〜1650℃の温度で溶融させ、
・工程c)において、上記モノリスが形成されるように上記溶融物を容器、好ましくは容積200L以上の、さらに好ましくは容積500L以上の容器に注入し、このように溶融させてパッケージ化したものを焼きなまさずに室温まで15日間未満、好ましくは1週間未満、さらに好ましくは24時間未満の期間内で冷却する。
c1)1250〜1000℃の冷却段階において、上記溶融物を充填した上記容器の冷却速度を50℃/時間〜250℃/時間に制限する工程であって、好ましくは、ベッド状に敷き詰めたアルミナ粒子などの耐熱性物質粒子中に上記容器を埋めて、室温の屋内で自然に冷却させることによって、さらに好ましくは、上記容器に0.1〜1m/秒の速度の室温気流を流すことによって、上記制限を行う工程と、その後、
c2)上記冷却速度を制限することなく、1000℃から室温まで冷却を行って上記容器の冷却を完結させる工程であって、好ましくは温度が室温に下がるまで上記容器を屋外に置くか、又は冷水中で急冷することによって行う工程と
で行う。
上記CaO/SiO2/X2O3三元系において、X2O3及びPiは上記と同義であるが、PC及びPXは75%未満、PSは60%未満という条件
を満たす出発組成を有する。
・PCは40〜50%、
・PSは20〜40%
に相当する。
a1)上記出発組成が、
CaO/SiO2/X2O3三元系において、X2O3及びPiは上記と同義であるが、
・PCは30〜80%、
・PXは20%未満
という条件
を満たす石灰土及び/又はコンクリート瓦礫を処理する工程、並びに、
a2)Al2O3、Fe2O3、及びB2O3から選択されるX2O3を5〜50%添加する工程
を行う。
・B2O3の添加量は、工程a1)において処理される上記放射性廃棄物の質量の5%未満であり、且つ/又は、PBは、得られる上記モノリスの上記目的組成の7%未満であり、
・Al2O3及びFe2O3の添加量は、工程a1)において処理される上記放射性廃棄物の質量の10%超、好ましくは20%超であり、且つ/又は、PXは、得られる上記モノリスの上記目的組成の15%超、好ましくは30%超である。
1)PCが50〜80%の上記出発組成の石灰土及び/又はコンクリート瓦礫、並びに、
2)PXが10〜70%、好ましくは15〜40%、PCが50%未満、好ましくは35%未満、特に30〜40%の上記出発組成の放射性廃棄物の汚泥、好ましくは原子力発電所から生じる汚泥
を混合する。
a1)上記出発組成が下記条件:
上記CaO/SiO3/X2O3三元系において、
・PCは50〜80%、
・PSは20〜50%、
・PXは20%以下、好ましくは4〜10%、
ここでX2O3は、Al2O3及びFe2O3から選択される三価元素の酸化物又は三価元素の酸化物の混合物であり、PB=0という条件
を満たす石灰土及び/又はコンクリート瓦礫を処理する工程、並びに、
a2)以下の上記モノリス目的組成:
上記CaO/SiO3/X2O3三元系において、
・PCは35〜55%、
・PSは15〜40%、
・PXは10〜45%という組成
となるように、X2O3を含む上記添加剤を添加する工程
を行う。
・工程b)において、処理される上記放射性廃棄物中に浸漬した黒鉛電極を用いて、上記補完した放射性廃棄物をジュール効果加熱で溶融させ、
・工程c)において、X2O3がAl2O3及びB2O3から選択される上記目的組成を有し且つ鋳鉄包有物を含む合成岩石マトリクスを含む二相生成物を得る。
・上記るつぼ内に上記放射性廃棄物を導入する前に、上記放射性廃棄物を粉砕することで、含まれる粒子の少なくとも一部の粒径が好ましくは5cm未満、さらに好ましくは1cm未満となるようにし、
・上記放射性廃棄物の溶融中に放出される煙霧を200℃未満まで冷却し、含まれるガス状の放射性元素、例えばセシウム等を粒子フィルターに捕集する。
以下の実施例1〜9の処理廃棄物(石灰土、コンクリート、汚泥)は、本質的に、炭酸カルシウム(CaCO3)、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)及びヘマタイト(Fe2O3)からなる。下記表において、廃棄物の平均組成は1行目の表に示し、2行目の表には、上述のCaO/SiO2/X2O3三元図系における廃棄物の質量百分率PC、PS及びPXを示す。これらは、か焼後のものであり、必要な場合は、後述するヘマタイト/アルミナ等価係数を適用したものである。
B.1−か焼の効果
廃棄物は最初に下記組成からなるとする。
PC1+PS1+PA1+PX1=100
とする。
廃棄物の組成のCAS図での位置を決定する際には、か焼後の廃棄物を対象とし、石灰、アルミナ、及びシリカだけを考慮する。
PC+PS+PA=100
とする。
実施例で使用した土の質量比率(%)は以下である。
最初に、アルミナ以外のものは添加せずに土及びコンクリートを処理した。
・pxは、CaO/X2O3混合物中の三価元素の酸化物X2O3の実際の質量比率であり、CXS図のP点の位置に相当する。
・pAは、CaO/Al2O3混合物中のAl2O3の実際の質量比率であり、CAS図のP点の位置に相当する。
・kXは等価係数である。
有害廃棄物を人工岩石中、ガラス質又は結晶化ガラス質固体中にパッケージ化する方法には以下の連続した工程が含まれていた。
・廃棄物を分析する工程、
・添加剤を添加して組成を調整し、最終組成が目的組成となるようにする工程、
・必要であれば、上述した出発領域に含まれるように廃棄物を混合する工程、
・最終組成が10%超のホウ酸を含む場合には、300℃よりも高い温度で分解し得る構成成分を別個にか焼する工程、
・1250〜1650℃の温度(酸化ホウ素濃度が3%超である場合には1550℃より低い温度にできる)で全体を溶融する工程、
・消失型インゴット鋳型又は再使用可能なインゴット鋳型に溶融液を注入する工程、
・焼きなまさずに、モノリスの大きさに応じて数時間〜15日間以内で冷却した後にモノリスを得る工程。
・必要な場合は、廃棄物を乾燥する工程14。
・必要な場合は、粒径が典型的には5cm未満となるように廃棄物を粉砕する工程11。場合によっては、特に汚染された土の場合には、大きな粒を分離することで、WA/MAより下の区分であり且つより費用のかからないVWA(極低レベル)廃棄物として排出することが経済的に有利である。
・添加剤を混合する工程12。
実施例1〜9では、目標は、
・50%>PC>35%、
・40%>PS>20%
であり、且つ、CAS図においてゲーレナイト(Ca2Al2SiO7)とラーナイト(Ca2SiO4)を分ける共晶谷部の近くに画定された目的領域である。
(1)=CaCO3(未処理土)、CaO(か焼後の物質)
(2)=Al2O3(表の1行及び3行)
(3)=X2O3(Al2O3等価比率)(最終行:PC+PS+PX=100%の三元系における「CXS比率」)
・PC+PS+PX=100%、
・PX=PA+PB+PH。
以下の出発組成(質量%)を用いた。
・汚泥の水分量
・土/汚泥混合物(必要な添加剤が限定される)
・鋳鉄の包有物としての分離及びこの包有物の密度
・汚泥:1.2kg/L
・土:1.1kg/L
・合成岩石:2.7kg/L
・鋳鉄:7kg/L
実施例10の土組成にアルミナを4%(アルミナ4%に土96%)だけ添加した場合、混合物は約1600℃で溶融し(土のCAS以外の不純物のため)、鋳鉄包有物を含む下記組成の合成岩石を含む二相生成物が得られる。
くず鉄を含まない以下の組成(質量%)の未処理コンクリートを用いた。
・合成岩石の密度が高い(3kg/L、鋳鉄包有物を除く)
・鋳鉄の包有物としての分離及びこの包有物の密度
11 粉砕
12 添加剤混合
14 乾燥
15 炉
17 煙霧
18 冷却
19 ろ過
20 洗浄カラム
21 ガス
22 蒸気/水洗
23 塩
25 塩
26 インゴット鋳型
27 冷却室
28 モルタル
30 黒鉛電極
31 アーク
32 固体物質
33 るつぼ
33a 管
34 プール
35 固層
Claims (15)
- 以下の連続した工程:
a)950℃でか焼後の乾燥抽出分の組成、以後、出発組成という、の90%以上が、CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、及びB2O3から選択される化合物で構成される放射性廃棄物を処理し、前記廃棄物の組成を補完して、補完した廃棄物のか焼後の組成が目的組成となるようにする工程、
b)前記補完した放射性廃棄物を溶融させる工程、並びに、
c)前記溶融物を容器に注入し、冷却後に、前記目的組成を有するガラス質又は結晶化ガラス質の合成岩石を含む生成物を得る工程
を行う、放射性廃棄物のパッケージ化方法であって、
前記出発組成及び前記目的組成は、下記条件、すなわち、
CaO/SiO2/X2O3三元系において、X2O3が、Al2O3、Fe2O3、及びB2O3から選択される三価元素の酸化物又は三価元素の酸化物の混合物であり、
・前記出発組成では、
・PC及びPXは90%未満、
・PSは75%未満、
・前記目的組成では、
・PCは35〜60%、
・PSは10〜45%、
・ただし両方の場合において、
・PC+PS+PX=100%、
・PX=PA+PH+PB、ここで、
・PC=[MC/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・PS=[MS/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・PA=[MA/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・PH=[0.28MH/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・PB=[2MB/(MC+MS+MA+0.28MH+2MB)]×100%、
・Pi及びMiはそれぞれ、i=C、S、A、H又はBとして、CaO(i=C)、SiO2(i=S)、Al2O3(i=A)、Fe2O3(i=H)、B2O3(i=B)の質量百分率(Pi)及び質量(Mi)である、という条件
を満たす
ことを特徴とする方法。 - ・工程b)において、前記放射性廃棄物をるつぼ中で加熱し、1250〜1650℃の温度で溶融させ、
・工程c)において、前記モノリスが形成されるように前記溶融物を容器に注入し、このように溶融させてパッケージ化したものを焼きなまさずに室温まで15日間未満の期間内で冷却する
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 工程c)において、前記冷却工程を以下の2工程:
c1)1250〜1000℃の冷却段階において、前記溶融物を充填した前記容器の冷却速度を50℃/時間〜250℃/時間に制限する工程、及び、
c2)その後、前記冷却速度を制限することなく、1000℃から室温まで冷却を行って前記容器の冷却を完結させる工程であって、温度が室温に下がるまで前記容器を屋外に置くか、又は冷水中で急冷することによって行う工程
で行う
ことを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 前記放射性廃棄物は、石灰土、コンクリート瓦礫、原子力発電所から生じる汚泥、原子力発電所のエバポレータの濃縮物、砂、及び/又は、放射性廃棄物の焼却灰で構成される
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記出発放射性廃棄物は、
前記CaO/SiO2/X2O3三元系において、X2O3及びPiは請求項1と同義であるが、PC及びPXは75%未満、PSは60%未満という条件
を満たす出発組成を有する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。 - 前記目的組成は下記質量百分率:
・PCは40〜50%、
・PSは20〜40%
に相当する
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。 - 工程a)において、以下の工程:
a1)前記出発組成が、
CaO/SiO2/X2O3三元系において、X2O3及びPiは請求項1と同義であるが、
・PCは30〜80%、
・PXは20%未満
という条件
を満たす石灰土及び/又はコンクリート瓦礫を処理する工程、並びに、
a2)Al2O3、Fe2O3、及びB2O3から選択されるX2O3を5〜50%添加する工程
を行う
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の方法。 - 工程a2)において、処理される前記放射性廃棄物の質量の10%未満のB2O3を添加し、且つ/又は、PBは、得られる前記モノリスの前記目的組成の15%未満である
ことを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 工程a2)において、
・B2O3の添加量は、工程a1)において処理される前記放射性廃棄物の質量の5%未満であり、且つ/又は、PBは、得られる前記モノリスの前記目的組成の7%未満であり、
・Al2O3及びFe2O3の添加量は、工程a1)において処理される前記放射性廃棄物の質量の10%超であり、且つ/又は、PXは、得られる前記モノリスの前記目的組成の15%超である
ことを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 異なる組成の放射性廃棄物を混合することで、Al2O3、Fe2O3、及びB2O3から選択される非放射性の三価元素の酸化物を添加せずに前記目的組成を得る
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。 - 1)PCが50〜80%、PXが20%未満の前記出発組成の石灰土及び/又はコンクリート瓦礫、並びに、
2)PXが10〜70%、P Cが50%未満の前記出発組成の放射性廃棄物の汚泥
を混合する
ことを特徴とする請求項5〜10のいずれか一項に記載の方法。 - 工程a)において、以下の工程:
a1)前記出発組成が下記条件:
前記CaO/SiO2/X2O3三元系において、
・PCは50〜80%、
・PSは20〜50%、
・PXは20%以下、
ここでX2O3は、Al2O3及びFe2O3から選択される三価元素の酸化物又は三価元素の酸化物の混合物であり、PB=0という条件
を満たす石灰土及び/又はコンクリート瓦礫を処理する工程、並びに、
a2)以下の前記モノリス目的組成:
前記CaO/SiO2/X2O3三元系において、
・PCは35〜55%、
・PSは15〜40%、
・PXは10〜45%という組成
となるように、X2O3を含む前記添加剤を添加する工程
を行う
ことを特徴とする請求項7〜11のいずれか一項に記載の方法。 - 前記石灰土から5cm超の大きさの大きな粒子が分離され、その細粒分の組成が前記目的組成に近づく
ことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。 - ・工程b)において、処理される前記放射性廃棄物中に浸漬した黒鉛電極を用いて、前記補完した放射性廃棄物をジュール効果加熱で溶融させ、
・工程c)において、X2O3がAl2O3及びB2O3から選択される前記目的組成を有し且つ鋳鉄包有物を含む合成岩石マトリクスを含む二相生成物を得る
ことを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。 - ・前記るつぼ中に前記放射性廃棄物を導入する前に、前記放射性廃棄物を粉砕することで、含まれる粒子の少なくとも一部の粒径が5cm未満となるようにし、
・前記放射性廃棄物の溶融中に放出される煙霧を200℃未満まで冷却し、含まれるガス状の放射性元素、例えばセシウム等を粒子フィルターに捕集する
ことを特徴とする請求項2〜14のいずれか一項に記載の方法。
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