JP5849410B2 - 高周波誘導結合プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、減圧された真空容器の中で、放射性廃棄樹脂を減容処理する高周波誘導結合プラズマ処理装置に関し、特にこの装置が有する窓材の破損を防止する構造に関するものである。

原子力発電所から発生する使用済みイオン交換樹脂の年間排出量は、ＢＷＲ（沸騰水型原子炉）で６０ｍ^３、ＰＷＲ（加圧水型原子炉）で１０ｍ^３に上がっている。
こうした低レベル放射性廃棄物を灰化減容処理することによって、廃棄物の保管や廃棄に必要なコストを下げることができる。

ここで、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）処理装置による減容化処理は、すす・タールなどの不完全燃焼廃棄物が少なく、９０％以上の減容化が可能な、優れた処理方法である。

ＩＣＰプラズマ処理装置では、イオン交換樹脂を、回転するヒータステージ上で加熱して気化させ、酸素プラズマ雰囲気中で燃焼させる。
プラズマに電力を供給するための高周波誘導コイルは、石英ガラスやアルミナなどの絶縁性の窓材を介して真空容器（以下でチャンバーとも言う）の外部に設置され、高温・高活性のプラズマによる腐食を防ぐようにしてある。

また、高周波誘導コイルは、渦電流による発熱を除去するために、水冷手段を有している。
窓材は、ヒータステージやプラズマにより加熱されるので、従来では図２に示すように、テープ状のガラス繊維から成る材料を巻いた高周波誘導コイルを窓材の上に設置し、高周波誘導コイルを水冷することにより、窓材の温度上昇を防止している。

また、窓材には高周波電磁界を透過する性質が必要であるため、石英ガラスなど、熱伝導率が低い絶縁材が窓材として用いられる。しかし、このような材料は、一般的に熱伝導率が低いので、高周波誘導コイルを直接に接触させると、大きな温度差が発生し、熱応力による窓材の破損の可能性が高まる。

特開２００８−２４４２２４号公報 特開平１０−８１９８２号公報

原子力関連設備では、放射性物質の格納性能が求められる。そのため、窓材が破損した場合に備えて、高周波誘導コイルの外側に境界壁（以下で、密閉構造あるいはバウンダリとも言う）が必要となる。

ヒータステージやプラズマ燃焼ガスから窓材に加えられた熱は、図２における従来の構造の除熱方法では、高周波誘導コイル１０の水冷構造（高周波誘導コイル１０を緩衝材１１により巻いた構造）によって、熱が除去される他に、輻射や対流によって、熱が外部へと放熱されている。ところが、密閉構造４付加した場合には、輻射と対流による放熱が妨げられて、窓材の温度が著しく上昇するため、従来よりも高い除熱能力が求められる。

密閉構造４で窓材１の冷却を、高周波誘導コイル１０の冷却構造のみで行う場合には、従来の図２の構造では、窓材１と高周波誘導コイル１０との接触面での熱流束が増加し、高周波誘導コイル１０に接している部分と接していない部分とで、窓材１に加わる温度に、大きな温度差が生じてしまい、熱応力によって窓材１が破損する可能性が大きくなる。

従来の方法として、特許文献１には、水冷されたアルミの冷却部材を、チャンバーに接触させる方法が開示されている。しかしながら、アルミは、電磁界を遮蔽してしまうため、窓材の冷却に用いることはできない。

また、窓材は、真空圧力に耐えるように、外に凸となるような湾曲した形状となっている。このため、冷却部材を窓材と同じ曲面形状に加工して接触させると、微細な形状の相違により、窓材と接触している部分と接触していない部分とができる。このため、接触している部分と接触していない部分とでは、窓材の温度が大きく相違するため、窓材に加わる熱応力による、窓材の破損の可能性が高くなる。

特許文献２においては、窓材の破損を防ぐために、窓材を圧縮空気により冷却する方法が開示されている。しかし、この方法では、高周波誘導コイルの冷却構造とは別に、空冷のための設備が必要となる。また、空冷では、冷却能力が小さいため、十分な冷却効果が得られないという問題もある。

本発明は、以上の問題を解決し、密閉構造においても、窓材を効果的に冷却でき、窓材の熱応力による破損を防止する装置を提供することを、目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明の代表的な構成は、真空容器内で放射性廃棄樹脂を燃焼させて減容化処理する高周波誘導結合プラズマ処理装置であって、真空容器内で発生するプラズマに電力を供給する高周波誘導コイルと、高周波誘導コイルにより発生する電磁界を透過する窓材と、窓材と高周波誘導コイルとの間に配置される絶縁性の熱伝導材と、窓材と熱伝導材との間に配置され、窓材と熱伝導材との間の形状の差異を吸収するシート状緩衝材と、を備え、前記緩衝材が、石英ガラス繊維であることを特徴とする。

本発明によれば、熱伝導材と緩衝材とを用いた簡単な構成により、窓材の破損の可能性を低減することが可能となる。

本発明における、高周波誘導結合プラズマ装置の中央断面図である。 従来の、高周波誘導結合プラズマ装置の中央断面図である。

図１に、本発明の実施例である、高周波誘導結合プラズマ処理装置の中央断面図を示す。
図１において、１は窓材で、バウンダリ（境界壁）４によって、外部空間から遮断されている。２はチャンバー（真空容器）で、この内部で、樹脂の減容化処理が行われる。３はガラス押さえで、窓材１を押圧している。５はヒータステージで、このヒータステージの上に樹脂６が載置される。樹脂６は、図示しない樹脂投入口からヒータステージ上に投入され、減容化された樹脂は、図示しない吸引口から排出される。７は酸素供給口であり、この酸素がプラズマ化されて樹脂６を減容する。８は燃焼ガス排出口であり、ここから燃焼してガスとなった部分の樹脂６が排出される。１０は水冷手段付高周波誘導コイルであり、このコイルは、螺旋状の銅板に銅管をロウ付けした構造の水冷手段によって冷却されている。１１は、熱伝導材１２と窓材１との間に介挿されたシート状緩衝材である。
［実施例］
図１において、ステンレス製の円筒形状のチャンバー２の上面に、石英ガラス製の窓材１を置き、ガラス窓押さえ３とＯリングとで、真空に封止する。窓材１の上面には、円形シート状の、石英ガラス繊維織布から成る緩衝材１１を介して、窒化アルミニウム製の熱伝導材１２を設置し、この熱伝導材１２の上に、水冷された高周波誘導コイル１０を載せる。冷却水の温度は、２０℃〜４０℃が好ましいが、特にこの温度範囲に限定されるものではなく、０℃〜１００℃程度であっても良い。

窓材１の上部は、境界壁であるバウンダリ４によって密閉する。チャンバー２の内部には、放射性廃棄物であるイオン交換樹脂が、図示しない投入口から投入されて載置される、回転可能なヒータステージ５がある。

この高周波誘導結合プラズマ処理装置全体の直径は、本実施例では１．１ｍとし、窓材１の直径は、０．８ｍとした。直径０．６ｍの熱伝導材１２は、厚さ３０ｍｍの上部部材と最大厚さ１５ｍｍの下部部材とに分かれていて、この上部部材と下部部材とは、セラミックス製の螺子で緩やかに締結する。熱伝導材１２を分割構造とするのは、窒化アルミニウムの素材コストを低減するためである。

熱伝導材１２の下面は、窓材１の表面形状に合わせて切削加工してあるが、窓材１との微細な形状の相違を吸収するために、厚さ１．２ｍｍの緩衝材１１を、窓材１と熱伝導材１２との間に挟む。緩衝材１１によって、熱伝導材１２と窓材１との間の隙間が充填されるので、熱伝導材１２の全面に亘って、均等に近い冷却が可能になる。

典型的なプラズマ処理の概要を以下に示す。
チャンバー２の内部圧力を１〜４ｋＰａに保ちつつ、酸素供給口７から、３０〜５０ＮＬ／ｍｉｎ（ＮＬはノーマルリッターの略で、０℃１気圧での量である。）の酸素を供給する。高周波誘導コイル１０に、周波数４５０ｋＨｚ〜１３．６ＭＨｚで、１〜４ｋＷの電力を供給し、チャンバー２の内部の酸素をプラズマ化させる。ヒータステージ５を、４００℃〜７００℃に加熱すると、樹脂６は気化・蒸発し、酸素プラズマ雰囲気中で燃焼して、燃焼ガス排出口８から、二酸化炭素と水蒸気となって排出される。減容化された固体部分は、図示しない吸引口から排出される。

プラズマ処理の過程では、ヒータステージ５からの輻射熱やプラズマ燃焼ガスからの熱は窓材に流入するが、これらの熱は、殆ど全てが熱伝導材１２を経由して、高周波誘導コイル１０に付加されている水冷手段によって除去される。

本発明の窓材１と熱伝導材１２との間に緩衝材１１を介在させた構造によれば、熱伝導材１２の材料にもよるが、本実施例では窓材１の温度が、従来の５５６℃から３７２℃まで、２００℃近く低下した。また、窓材１の内部に発生する熱応力は、従来の３．７ＭＰａから２．７ＭＰａにまで低下した。

これにより、本発明によれば、窓材１の熱による破損の可能性を、著しく低下させることができる。
以上、本実施形態は、減圧された真空容器の中で、放射性廃棄樹脂を減容処理するプラズマ処理装置に関し、特にこの装置が有する窓材の破損を防止する構造に関するものである。
本実施形態によれば、
真空容器内で放射性廃棄樹脂を燃焼させて、この樹脂を減容化処理する高周波誘導結合プラズマ処理装置であって、
真空容器内で発生するプラズマに電力を供給するための高周波誘導コイルと、
この高周波誘導コイルを冷却するための冷却手段と、
この高周波誘導コイルにより発生する電磁界を透過し、境界壁により外部空間から遮断された窓材と、を備え、
窓材と高周波誘導コイルとの間には絶縁性の熱伝導材を備えたこととするプラズマ処理装置が提供される。
ここで、熱伝導材としては、代表的なものとして、窒化アルミニウムが挙げられる。窒化アルミニウムは、電気伝導度が小さく（１０ ^−１１ Ｓ／ｃｍ程度で絶縁体に近い）、熱伝導率が高い（１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）。電気伝導度が大きい材料を用いると、外部から供給した電力が、渦電流となってしまい、好ましくない。窒化アルミニウムの他には、チタンの窒化物が挙げられる。また、熱伝導率は低下するが、アルミナ（熱伝導率：３２Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いることもできる。
また、本実施形態によれば、熱伝導材と窓材との間に、１枚以上のシート状緩衝材を備えたこととするプラズマ処理装置が提供される。
緩衝材としては、代表的なものとして、石英ガラス繊維が挙げられる。石英ガラス繊維は、電気伝導度が小さいので、誘導電流が流れ難い。アルミナを繊維状に焼結したものも、用いることができる。いずれにしろ、窓材である石英の熱膨張率は約１０ ^−７ ／Ｋであるが、この石英と熱膨張率が近い材料であれば、窓材との熱膨張率の差がなくなるので好ましい（石英ガラス繊維の熱膨張率は、５×１０ ^−７ ／Ｋ程度である）。さらに、緩衝材としては、弾性率ＧＰａが小さい（石英ガラス繊維の弾性率は、７２．５ＧＰａ程度である）、柔らかい材料が好ましい。熱伝導材と窓材との間に挟まれたときに、なじみが良いからである。
このような構成を採用することにより、窓材と熱伝導材との接触面積は、窓材と高周波誘導コイルとの接触面積よりも増大する。そのため、窓材表面における熱流束を低減することができる。また、シート状の緩衝材が、窓材と熱伝導材との間の、微細な形状の差異を吸収するので、窓材と緩衝材との間の熱流束を均一化することができる。その結果として、密閉構造においても、窓材の内部に発生する熱応力を緩和して、窓材の破損の可能性を低減する。なお、緩衝材は、後述する実施例で示すように、非常に薄いので、窓材からの熱が熱伝導材に移行することを妨げない。
この結果、上記した構成を採用することにより、従来よりも格段に窓材の破損の可能性が小さい高周波誘導結合プラズマ処理装置を実現することができる。
また、本実施形態によれば、窓材と熱伝導材とを接触させたときに、窓材と熱伝導材との間にできる隙間の大きさが、シート状緩衝材の厚さ以下となることとするプラズマ処理装置が提供される。
このような構成を採用すれば、シート状緩衝材を介して熱伝導材に到達する熱の量が増加する。ただし、本実施形態においては、必ずしも隙間が皆無であることを必要としない。緩衝材と窓材との間、ならびに緩衝材と熱伝導材との間には、それぞれ、緩衝材の厚さと同程度の隙間が有ってもよい。これは、空気と緩衝材との熱伝導率の値は、それ程相違しないからである。
この構成の採用により、より窓材からの熱の移行を促すことができるようになり、窓材の温度が上昇せず、窓材の破損を防止することができる。
さらに、本実施形態によれば、熱伝導材が、厚さ方向に複数個に分割して形成した素材を組み合わせたものであることとするプラズマ処理装置が提供される。
このようにすれば、厚い熱伝導材の素材から熱伝導材を削り出すよりも、コストを低減することができる。

１ 窓材
２ チャンバー
３ ガラス窓押さえ
４ バウンダリ（境界壁）
５ ヒータステージ
６ 酸素供給口
７ 樹脂（イオン交換樹脂）
８ 燃焼ガス排出口
１０ 高周波誘導コイル
１１ 緩衝材
１２ 熱伝導材

Claims (5)

1. 真空容器内で放射性廃棄樹脂を燃焼させて減容化処理する高周波誘導結合プラズマ処理装置であって、
   真空容器内で発生するプラズマに電力を供給する高周波誘導コイルと、
   前記高周波誘導コイルにより発生する電磁界を透過する窓材と、
   前記窓材と前記高周波誘導コイルとの間に配置される絶縁性の熱伝導材と、
   前記窓材と前記熱伝導材との間に配置され、該窓材と該熱伝導材との間の形状の差異を吸収するシート状緩衝材と、
   を備え、
   前記緩衝材が、石英ガラス繊維であることを特徴とする高周波誘導結合プラズマ処理装置。
2. 前記シート状緩衝材は、その厚みが、前記窓材と前記熱伝導材との間にできる隙間の大きさ以上であることを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導結合プラズマ処理装置。
3. 前記熱伝導材は、厚さ方向に複数個に分割して形成された素材を組み合わせたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波誘導結合プラズマ処理装置。
4. 前記熱伝導材が、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の高周波誘導結合プラズマ処理装置。
5. 前記高周波誘導コイルを冷却するための冷却手段をさらに備え、
   前記窓材は、境界壁により外部空間から遮断されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の高周波誘導結合プラズマ処理装置。