JP6744109B2 - 放射性廃棄物の固化体製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射性廃棄物の固化体製造方法に関する。

原子炉施設などの解体に伴って発生する高線量の放射性廃棄物は、例えば、セメント、ガラスなどの固化材を用いて容器などへの固形化することが求められている。

セメントを固化材とする放射性廃棄物の固化方法（以下、「セメント固化法」とする。）は、原子力施設内での処理が比較的容易なことから、多くの原子力施設で標準的な固化方法として用いられている。

しかし、セメント固化法を用いた場合、水和反応により水和物を生成して硬化する反応を利用するため、高線量の放射性廃棄物に対しては、固形化された放射性廃棄物の固化体（以下、単に「固化体」とする。）に残留する水分が放射線分解されて水素が発生する。発生した水素が容器内に充満して爆発限界濃度（空気中では４％）を超えた場合、爆発が生じ得る。従って、セメント固化法を用いる場合、爆発の発生を防ぐ観点から、セメントと混合する放射性廃棄物の濃度または量を制限して、水素の発生量を抑制する必要がある。

故に、放射能濃度の高い放射性廃棄物をセメントで固化する場合、１個の容器内に収納可能な放射性廃棄物の量が制限され、廃棄に必要な容器の個数が増えるので、放射性廃棄物の輸送費用および処分費用が増大する。

一方、ガラスを固化材とする放射性廃棄物の固化方法（以下、「ガラス固化法」とする。）は、水を含まないので高線量廃棄物に対し有用である。しかし、ガラス固化法は、１２００℃以上に加熱した溶融ガラスに放射性廃棄物を混合して容器の中に固める高度な技術を要する固化方法であり、セメント固化法に比べて汎用性および経済性に劣る。

上述した事情を考慮し、水和反応を利用しないジオポリマー（ジオポリマーバインダー）による放射性廃棄物の固化方法（以下、「ジオポリマー固化法」とする。）が提案されている。ジオポリマーは、ＡｌおよびＳｉで構成される。ジオポリマー作製の原料は、水、固化材およびアルカリ刺激剤であり、必要に応じて添加材が添加される。

ジオポリマー作製の原料に関連して、固化材としては、例えば、メタカオリン、カオリン、高炉スラグ、フライアッシュ、焼却灰などを用いることができる。また、アルカリ刺激剤としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸セシウムもしくはケイ酸ルビジウムの単体、またはこれらの少なくとも二つを組み合わせたものなどを用いることができる。添加材は、ジオポリマーの強度向上や粘度制御などを目的に必要時に添加される。

上述のジオポリマーと放射性廃棄物とを混合してできる混合物を所定条件下で加熱することで放射性廃棄物を固形化するジオポリマー固化法が、例えば、特許文献１および２に記載されている。

特許第５８０７７８５号公報 特許第５６６１４９２号公報

しかしながら、ジオポリマーには、水和物のように不可分に含まれる水分がないものの、放射性廃棄物とジオポリマーとの混合物を生成する工程で水を必要とするため、当該混合物には水分が残留する。従って、混合物からの水分除去が不十分でない場合、セメント固化法を用いる場合と同様に、固化体内に残留する水分が放射線分解されて水素が発生するという課題が残る。

特許文献１に記載される放射性廃棄物の固化方法では、第１の加熱工程で放射性廃棄物とジオポリマーとの混合物を水分除去しながら固化させ、続く第２の加熱工程で固化した混合物（固化体）からさらに水分を除去している旨が記載されているが、当該固化方法では、放射性廃棄物とジオポリマーとの固化体の空隙率によっては、混合物内に残留している水分が加熱工程を経ても十分に除去できないことが起こり得る。

従って、特許文献１に記載される放射性廃棄物の固化方法を用いたとしても、固化体内に残留する水分が放射線分解されて水素が発生するという課題を完全に解決できる訳ではなく、セメント固化法の場合と同様に、混合する放射性廃棄物の濃度または量を制限して、水素の発生量を抑制する必要がある。

また、特許文献２に記載される放射性廃棄物の固化方法では、放射性廃棄物とジオポリマーとの混合物を、固化させずに所定条件下で加熱することで、混合物内から水分を除去しながら固化させる旨が記載されているが、当該固化方法では、放射性廃棄物とジオポリマーとの混合物が固化する前から１００〜４００℃で加熱しているため、固化体の変形が起こり得る。

一方、放射性廃棄物の輸送費用および処分費用の観点からいえば、より大きな固化体を製造したり、１個の容器内に収納可能な放射性廃棄物の濃度や量を高めたりすることが望ましいが、より形状の大きい固化体を製造する場合、固化体から水分が抜けにくく、水蒸気が内部にとどまり、爆裂するリスクが高まってしまう。従って、固化体内の水分除去が必ずしも十分でなかったり、固化体が変形し得る従来の放射性廃棄物の固化方法では、現状以上に放射性廃棄物を収容可能な容器の大きさや１個の容器内に収納可能な放射性廃棄物の濃度や量を高めるのは困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも爆裂しにくい放射性廃棄物の固化体製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法は、上述した課題を解決するため、ジオポリマーの組成物に放射性廃棄物を混合した混合物を固化させることで、前記ジオポリマーによって固化された前記放射性廃棄物の固化体を製造する方法であって、粒径が０．０１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の粒状体の固形有機物を含有する添加剤と前記ジオポリマーと前記放射性廃棄物とを混合し添加材入り混合物を生成する工程と、前記添加材入り混合物を１５０℃以上２５０℃以下で加熱する工程と、を具備し、前記固形有機物は、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレンおよびポリエチレンから選択される１種類の熱可塑性樹脂であることを特徴とする。
さらに前記放射性廃棄物の固化体を製造する方法であって、有機溶媒を含有する添加剤と前記ジオポリマーと前記放射性廃棄物とを混合し添加材入り混合物を生成する工程と、を備え、前記添加材入り混合物を１００℃以下で加熱する工程および前記添加材入り混合物を減圧する工程のうち少なくとも一方の工程、を具備することを特徴とする。

本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法によれば、より爆裂しにくい放射性廃棄物の固化体を製造することができる。

本実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法を説明する説明図であり、（Ａ）は固化前の添加材入り混合物の状態を模式的に示す模式図、（Ｂ）は添加材入り混合物を固化して得られる固化体の構造を模式的に示す模式図。 第１の実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法の処理手順の一例である第１の固化体製造手順の流れを示す流れ図（フローチャート）。 第１の固化体製造手順で生成される添加材入り混合物の組成を模式的に示す模式図であり、（Ａ）が第１の添加材入り混合物の組成を模式的に示す模式図、（Ｂ）が第２の添加材入り混合物の組成を模式的に示す模式図。 第１の固化体製造手順で生成される添加材入り混合物を固化して製造される固化体の構造を模式的に示す模式図であり、（Ａ）が第１の固化体の構造を模式的に示す模式図、（Ｂ）が第２の固化体の構造を模式的に示す模式図。 第２の実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法の処理手順の一例である第２の固化体製造手順の流れを示す流れ図（フローチャート）。 第２の固化体製造手順で生成される添加材入り混合物の組成を模式的に示す模式図。 第２の固化体製造手順で生成される添加材入り混合物を固化して製造される固化体の構造を模式的に示す模式図であり、（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ、第３〜５の固化体１Ｃ〜１Ｅの構造を模式的に示す模式図。 本実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法の変形例および当該変形例に係る固化体製造方法で製造される固化体を説明する説明図であり、（Ａ）は固化前の第６の添加材入り混合物の状態を模式的に示す模式図、（Ｂ）は第６の添加材入り混合物を固化して得られる第６の固化体の構造を模式的に示す模式図。

以下、本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法およびこの固化体製造方法によって製造される放射性廃棄物の固化体（以下、単に「固化体」とする。）を添付図面に基づいて説明する。なお、図面の明瞭性を担保するため、添付の図面において、固化体内に混在する放射性廃棄物については図示を省略している。

本発明の実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法は、まず、ジオポリマーの組成物（以下、「ジオポリマー組成物」とする。）に放射性廃棄物を混ぜたものに、さらに固化体の爆裂発生を低減する構造部（以下、「爆裂低減部」とする。）をジオポリマーの内部に形成する添加材を加え、ジオポリマー組成物と放射性廃棄物と添加材とを含む混合物（以下、「添加材入り混合物」とする。）を生成する。

その後、添加材入り混合物に混練水を加えて混練した後、適宜成形し、ジオポリマー組成物を反応させ、硬化を進めるとともに添加材入り混合物を固化する。上記工程により、添加材入り混合物に加えられた添加材がジオポリマー内に爆裂低減部を形成し、ジオポリマー内に爆裂低減部が形成された固化体が製造される。

図１は本実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法を説明する説明図であり、図１（Ａ）は固化前の添加材入り混合物１０などの状態を模式的に示す模式図、図１（Ｂ）は添加材入り混合物１０などを固化して得られる固化体１（１Ａ〜１Ｆ）の構造を模式的に示す模式図である。

本実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法では、例えば、図１（Ａ）に示されるように、添加材入り混合物１０などを用意（生成）する。ここでは、複数の添加材入り混合物１０、２０および３０を用意している。添加材入り混合物１０、添加材入り混合物２０および添加材入り混合物３０は、それぞれ、添加材１２、添加材１４および添加材１２および１４が加えられている混合物である。

生成した添加材入り混合物１０、添加材入り混合物２０および添加材入り混合物３０を固化すると、図１（Ｂ）に示されるように、内部に爆裂低減部３（３Ａ〜３Ｆ）が形成されたジオポリマー２によって固化された固化体１（１Ａ〜１Ｆ）が製造される。

ジオポリマー２は、例えばメタカオリンやアルミノケイ酸原料などの固化材と、例えばケイ酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳｉＯ_３）と水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とを含有するアルカリ刺激剤とを含むジオポリマー組成物１１（混合物）を反応させることで硬化する物質である。

以下、各実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法および当該製造方法によって製造される固化体について説明する。

［第１の実施形態］
図２は第１の実施形態に係る固化体製造方法の処理手順の一例である第１の固化体製造手順の流れを示す流れ図（フローチャート）である。

図３は第１の固化体製造手順で固化される添加材入り混合物１０（１０Ａ，１０Ｂ）の組成を模式的に示す模式図であり、図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、それぞれ、第１の添加材入り混合物１０Ａおよび第２の添加材入り混合物１０Ｂの組成を模式的に示す模式図である。

図４は第１の固化体製造手順で生成される添加材入り混合物１０（１０Ａ，１０Ｂ）を固化して製造される固化体１（１Ａ，１Ｂ）の構造を模式的に示す模式図であり、図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ、第１の固化体１Ａおよび第２の固化体１Ｂの構造を模式的に示す模式図である。

第１の固化体製造手順は、まず、ジオポリマー組成物１１（図３）に放射性廃棄物を混合し、さらに添加材１２（図３）をさらに加えた添加材入り混合物１０（図３）を生成する（ステップＳ１）。

添加材入り混合物１０に加えられる添加材１２としては、少なくとも添加材入り混合物１０を固化する際に気化する物質であればよく、例えば、固体の有機物（以下、「固体有機物」とする。）１２Ａ（図３（Ａ））や有機溶媒１２Ｂ（図３（Ｂ））などから選択される。

ここで、図３（Ａ）に示されるように、添加材１２として固体有機物１２Ａをさらに加えた添加材入り混合物１０が第１の添加材入り混合物１０Ａである。また、図３（Ｂ）に示されるように、有機溶媒１２Ｂをさらに加えた添加材入り混合物１０が第２の添加材入り混合物１０Ｂである。

通常、添加材入り混合物１０を固化する際に加熱して添加材入り混合物１０に含まれる水分を除去するため、この添加材入り混合物１０の加熱によって、添加材入り混合物１０に含まれる水分の除去と併せて添加材１２を気化することもできる。この場合、添加材入り混合物１０の加熱温度は、添加する固体有機物１２Ａや有機溶媒１２Ｂの沸点以上の温度とすればよい。逆に固化する際の加熱温度が決まっている場合、添加材１２は当該加熱温度よりも低い温度の沸点を有する固体有機物１２Ａや有機溶媒１２Ｂから選択することができる。

固体有機物１２Ａとしては、例えば、熱可塑性を有する固体の有機物である。より具体的には、例えば、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレンおよびポリエチレンなどから選択される１種類の熱可塑性樹脂が挙げられる。

有機溶媒１２Ｂとしては、例えば、エチルアルコール（エタノール）、メチルアルコール（メタノール）、ヘキサン、シクロヘキサンおよびアセトンなどから選択される少なくとも１種類が挙げられる。

前記ステップＳ１で加えられる添加材１２Ａ，１２Ｂ（図３）が、続くステップにおいて、添加材入り混合物１０Ａ，１０Ｂ（図３）を固化して得られる固化体１Ａ，１Ｂ（図４）におけるジオポリマー２の内部に空孔４（図４）を含む爆裂低減部３（図１）としての空孔部を形成する。

添加材入り混合物１０を生成したら、続いて、添加材入り混合物１０に、混練水を加えて混練した後、添加材入り混合物１０に内在する添加材１２を気化して除去した状態で添加材入り混合物１０を固化する（ステップＳ２）。

すると、固体有機物１２Ａが加えられている第１の添加材入り混合物１０Ａでは、ジオポリマー２の内部に除去された固体有機物１２Ａが存在した痕が空孔４として残存し、爆裂低減部３としての第１の空孔部３Ａが形成された第１の固化体１Ａが製造される（ＥＮＤ）。

第１の固化体１Ａを製造する第１の固化体製造手順としては、例えば、ジオポリマー組成物１１としての固化材（例えば、メタカオリン、カオリン、高炉スラグ、フライアッシュ、焼却灰など。以下、同様とする。）に、粒径０．０１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内に調製された粒状のアクリル樹脂を固体有機物１２Ａとして添加し、ジオポリマー組成物１１としてのアルカリ刺激剤（例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化ルビジウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸セシウムもしくはケイ酸ルビジウムの単体、またはこれらの少なくとも二つを組み合わせたもの。以下、同様とする。）と水とを加えて混練して混練物を生成する。

固体有機物１２Ａの添加量は、直径１ｍｍ以上の空孔４が含まれる割合（以下、単に「気孔率」とする。）が５％以下であれば固化体１の強度に影響しないという本出願人の知見に基づき、混練物に対して１ｖｏｌ％以上５ｖｏｌ％以下とする。

その後、生成した混練物を、１５０℃以上２５０℃以下で加熱し固化して第１の固化体１Ａとする。ここで、温度範囲を１５０℃以上２５０℃以下としているのは、固体有機物１２Ａを気化するのに十分であることが見込まれる温度である。また、加熱時間は、水蒸気の発生量などを考慮して十分に固化していると判断される状態を確認するまでの時間としている。

上記条件下で製造される第１の固化体１Ａは、何れもジオポリマー２の内部に空孔４を含む第１の空孔部３Ａが形成されており、多孔質化したジオポリマー２で固化された第１の固化体１Ａを得ることができる。

なお、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリスチレンおよびポリエチレンを固体有機物１２Ａとして添加した場合、およびアクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリスチレンおよびポリエチレンから２種類以上を選択し固体有機物１２Ａとして添加した場合にも、アクリル樹脂を固体有機物１２Ａとして添加した場合と同様に第１の空孔部３Ａが形成された第１の固化体１Ａを得ることができる。

ここで、粒径０．０１ｍｍ以上としているのは、粒径０．０１ｍｍ未満は一般に粉体であり、取扱作業の際にはマスクが必要になるなど粒体と比べて取り扱いがより困難なためである。一方、粒径２０ｍｍ以下としているのは、第１の固化体１Ａの内圧に対する強度を確保するためである。

また、有機溶媒１２Ｂが加えられている第２の添加材入り混合物１０Ｂでは、有機溶媒１２Ｂを気化させて除去する過程で生じる空孔４がジオポリマー２の内部に残存し、爆裂低減部３としての第２の空孔部３Ｂが形成された第２の固化体１Ｂが製造される（ＥＮＤ）。

第２の固化体１Ｂを製造する第１の固化体製造手順としては、例えば、ジオポリマー組成物１１としての固化材に、エタノールを有機溶媒１２Ｂとして添加し、ジオポリマー組成物１１としてのアルカリ刺激剤と水とを加えて混練して混練物を生成する。

有機溶媒１２Ｂの添加量は、液体の場合には空孔が比較的細かく均質に形成されるため、固体有機物１２Ａよりも多量に加えることができるという本出願人の知見に基づき、混練物に対して１ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下とする。

その後、生成した混練物を、１５０℃以上２５０℃以下で加熱し固化して第２の固化体１Ｂとする。

上記条件下で製造される第２の固化体１Ｂは、何れもジオポリマー２の内部に空孔４を含む第２の空孔部３Ｂが形成されており、多孔質化したジオポリマー２で固化された第２の固化体１Ｂを得ることができる。

なお、エタノールの代わりに、メタノール、ヘキサン、シクロヘキサンおよびアセトンを有機溶媒１２Ｂとして添加した場合、およびエタノール、メタノール、ヘキサン、シクロヘキサンおよびアセトンから２種類以上を選択し有機溶媒１２Ｂとして添加した場合にも、エタノールを有機溶媒１２Ｂとして添加した場合と同様に第２の空孔部３Ｂが形成された第２の固化体１Ｂを得ることができる。

また、メタカオリンにエタノールを添加し、ケイ酸ナトリウムと水酸化ナトリウムと水とを加えて混練して生成した混練物を１５０℃以上２５０℃以下で加熱（以下、「本加熱」とする。）して固化する前に、有機溶媒１２Ｂを事前に気化しても、事前に気化しない場合と同様に、第２の空孔部３Ｂが形成された第２の固化体１Ｂを得ることができる。

有機溶媒１２Ｂを気化する手法としては、当該有機溶媒１２Ｂの沸点以上で水の沸点未満の温度範囲で温度を変えて加熱する（以下、「予備加熱」とする。）手法、大気圧未満に減圧する（負圧にする）手法および予備加熱と減圧とを併用する手法の何れの手法の何れでもよい。上記手法の何れを採用しても第２の空孔部３Ｂが形成された第２の固化体１Ｂを得ることができる。

なお、減圧時の圧力は、可能な限り低い方が好ましいが、大気圧未満、すなわち負圧であればよい。例えば、０．０９１メガパスカル[Ｍｐａ]（＝約０．９気圧）であっても最終的には有機溶媒１２Ｂを気化することができ、その後、本加熱の工程を経て第２の空孔部３Ｂが形成された第２の固化体１Ｂを得ることができる。

また、メタカオリンなどの固化材にエタノールなどの有機溶媒１２Ｂを添加し、ケイ酸ナトリウムおよび水酸化ナトリウムなどのアルカリ刺激剤と水とを加えて混練して生成した混練物を本加熱する代わりに、予備加熱のみ、すなわち添加した有機溶媒１２Ｂの沸点以上で水の沸点未満の温度範囲で温度を変えて加熱し、本加熱をすることなく有機溶媒１２Ｂの気化し固化した場合においても、予備加熱と本加熱とを併用した場合と同様に第２の空孔部３Ｂが形成された第２の固化体１Ｂを得ることができる。

第１の固化体製造手順および第１の固化体製造手順により製造される固化体１Ａ，１Ｂによれば、固化体１Ａ，１Ｂを構成するジオポリマー２の内部に爆裂低減部３としての空孔部３Ａ，３Ｂを形成することができる。空孔部３Ａ，３Ｂでは、空孔４が内部からの水蒸気の脱離を促進し、内部圧力の上昇を抑制するため、空孔部３Ａ，３Ｂが形成される固化体１Ａ，１Ｂは、より曲げ変形が生じにくい固化体となる。

また、第１の固化体製造手順において、添加材１２として有機溶媒１２Ｂを用いる場合、有機溶媒１２Ｂの沸点は一般に水の沸点よりも低く、エタノールなどは１００℃未満でも気化するため、添加材入り混合物１０に含まれる水分が気化して生じる水蒸気が生じる前に気化させることができる。

また、有機溶媒１２Ｂは、減圧操作によっても有機溶媒１２Ｂを気化させることができる。従って、１００℃未満の加熱操作（予備加熱）および減圧操作の少なくとも一方を行うことで、有機溶媒１２Ｂを除去することができる。さらに、添加材１２として有機溶媒１２Ｂを用いる場合、有機溶媒１２Ｂの沸点よりも高く１５０℃未満の温度範囲で予備加熱することによって本加熱を省略することができる。

［第２の実施形態］
図５は第２の実施形態に係る固化体製造方法の処理手順の一例である第２の固化体製造手順の流れを示す流れ図（フローチャート）である。

図６は第２の固化体製造手順で固化される添加材入り混合物２０（２０Ａ〜２０Ｃ）の組成を模式的に示す模式図であり、図６（Ａ）、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）は、それぞれ、第３〜５の添加材入り混合物２０Ａ〜２０Ｃの組成を模式的に示す模式図である。

図７は第２の固化体製造手順で生成される添加材入り混合物２０（２０Ａ〜２０Ｃ）を固化して製造される固化体１（１Ｃ〜１Ｅ）の構造を模式的に示す模式図であり、図７（Ａ）、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）は、それぞれ、第３〜５の固化体１Ｃ〜１Ｅの構造を模式的に示す模式図である。

第２の固化体製造手順は、第１の固化体製造手順に対して、最終的に除去される添加材１２の代わりにジオポリマー２の内部に最後まで残存する添加材１４を加えている点、すなわち添加材入り混合物１０（１０Ａ，１０Ｂ）の代わりに添加材入り混合物２０（２０Ａ〜２０Ｃ）を生成し、固化して固化体１（１Ｃ〜１Ｅ）を製造する点で相違する。そこで、第２の固化体製造手順の説明では、第１の固化体製造手順と相違する点を中心に説明し、重複する説明を省略する。

なお、以降の説明では、添加材１４として、複数の空孔が設けられた無機材料で構成される構造体である無機多孔体１４Ａ（図６）をさらに加えた添加材入り混合物２０を第３の添加材入り混合物２０Ａ（図６）と呼称し、無機材料の繊維である無機繊維１４Ｂ（図６）をさらに加えた添加材入り混合物２０を第４の添加材入り混合物２０Ｂと呼称し、無機多孔体１４Ａおよび無機繊維１４Ｂをさらに加えた添加材入り混合物２０を第５の添加材入り混合物２０Ｃと呼称する。

また、第３の添加材入り混合物２０Ａ、第４の添加材入り混合物２０Ｂおよび第５の添加材入り混合物２０Ｃを固化した固化体１を、それぞれ、第３の固化体１Ｃ、第４の固化体１Ｄおよび第５の固化体１Ｅと呼称する。

第２の固化体製造手順は、まず、ジオポリマー組成物１１（図６）に放射性廃棄物を混合し、さらに添加材１４（図６）をさらに加えた添加材入り混合物２０（図６）を生成する（ステップＳ３）。

添加材入り混合物２０を生成したら、続いて、添加材入り混合物２０に、混練水を加えて混練した後、添加材入り混合物２０に内在する添加材１４を内部に留めたまま添加材入り混合物２０を硬化させ、ジオポリマー２（図７）の内部に添加材１４を残存した状態で添加材入り混合物２０を固化する（ステップＳ４）。

すると、添加材１４として無機多孔体１４Ａが加えられている第３の添加材入り混合物２０Ａでは、ジオポリマー２の内部に無機多孔体１４Ａが残存したまま固化し、ジオポリマー２の内部に爆裂低減部３として、無機多孔体１４Ａに設けられる複数の空孔を含む第３の空孔部３Ｃが形成された第３の固化体１Ｃが製造される（ＥＮＤ）。

ここで、加えられる無機多孔体１４Ａとしては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ゼオライト、沸石、レンガおよびシャモットなどから選択される少なくとも１種類の無機材料の多孔体が挙げられる。

第３の固化体１Ｃを製造する第２の固化体製造手順としては、例えば、ジオポリマー組成物１１としての固化材に、粒径０．０１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内のサイズに調製されたシャモットを無機多孔体１４Ａとして添加し、ジオポリマー組成物１１としてのアルカリ刺激剤と水とを加えて混練して混練物を生成する。

無機多孔体１４Ａの添加量は、無機多孔体１４Ａ自体が除去されて空孔化する訳ではなく、固体の無機多孔体１４Ａ自身がジオポリマー２の内部に留まって第３の空孔部３Ｃを形成することから固体有機物１２Ａなどを気化して第１の空孔部３Ａなどを形成する場合よりも多量に加えることができるという本出願人の知見に基づき、混練物に対して１ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下とする。

その後、第１の実施形態と同様に、生成した混練物を１５０℃以上２５０℃以下で加熱し固化して第３の固化体１Ｃとする。

上記条件下で製造した第３の固化体１Ｃは、何れもジオポリマー２の内部に無機多孔体１４Ａが残存したまま固化し、無機多孔体１４Ａに設けられる複数の空孔を含む第３の空孔部３Ｃが形成されており、多孔質化したジオポリマー２で固化された第３の固化体１Ｃを得ることができる。

なお、アルミナ、ゼオライト、沸石およびレンガを無機多孔体１４Ａとして添加した場合、およびアルミナ、ゼオライト、沸石、レンガおよびシャモットから２種類以上を選択し無機多孔体１４Ａとして添加した場合にも、シャモットを無機多孔体１４Ａとして添加した場合と同様に第３の空孔部３Ｃが形成された第３の固化体１Ｃを得ることができる。

上述した第３の固化体１Ｃを製造するための第２の固化体製造手順および当該固化体製造手順により製造される第３の固化体１Ｃでは、ジオポリマー２の内部に無機多孔体１４Ａが残存したまま固化し、無機多孔体１４Ａに設けられる複数の空孔を含む第３の空孔部３Ｃが爆裂低減部３として形成されるので、第３の空孔部３Ｃが内部からの水蒸気の脱離を促進し、内部圧力の上昇を抑制することができる。

換言すれば、無機多孔体１４Ａに設けられる複数の空孔は、ジオポリマー２の内部に水蒸気が通気する経路となるため、無機多孔体１４Ａはジオポリマー２の内部に水蒸気が通る孔（経路）を供給している。従って、上述した第３の固化体１Ｃを製造するための第２の固化体製造手順によれば、第３の空孔部３Ｃを介して内部からの水蒸気の脱離が促進され、より曲げ変形が生じにくく爆裂が生じにくい第３の固化体１Ｃを製造することができる。

また、無機繊維１４Ｂが加えられている第４の添加材入り混合物２０Ｂでは、ジオポリマー２の内部に無機繊維１４Ｂが残存したまま固化し、ジオポリマー２の内部に爆裂低減部３として、無機繊維１４Ｂを含む無機繊維部３Ｄが形成された第４の固化体１Ｄが製造される（ＥＮＤ）。

ここで、加えられる無機繊維１４Ｂとしては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アルミナとシリカ（ＳｉＯ_２）を主成分とした人造鉱物繊維であるセラミック繊維、岩石繊維および金属繊維から選択される少なくとも１種類が挙げられる。

第４の固化体１Ｄを製造する第２の固化体製造手順としては、例えば、ジオポリマー組成物１１としての固化材に、長さ０．０１ｍｍ以上２０ｍｍ以下で長さに調製されたガラス繊維を無機繊維１４Ｂとして添加し、ジオポリマー組成物１１としてのアルカリ刺激剤と水とを加えて混練して混練物を生成する。

無機繊維１４Ｂの添加量は、混練物に対して１ｖｏｌ％程度の無機繊維１４Ｂを加えれば曲げ靱性の向上が見込まれるという本出願人の知見に基づき、混練物に対して１ｖｏｌ％以上５ｖｏｌ％以下としている。

その後、生成した混練物を、１５０℃以上２５０℃以下で加熱し固化して第４の固化体１Ｄとする。

上記条件下で製造される第４の固化体１Ｄは、何れもジオポリマー２の内部に無機繊維１４Ｂとしてのガラス繊維を含む無機繊維部３Ｄが形成されており、無機繊維１４Ｂとしてのガラス繊維によって曲げ靱性が高められたジオポリマー２で固化された第４の固化体１Ｄを得ることができる。

ここで、無機繊維１４Ｂの長さを０．０１ｍｍ以上としているのは、長さ０．０１ｍｍ未満では無機繊維１４Ｂの一片のサイズが粉体と同程度となるため、取扱作業の際にはマスクが必要になるなど粒体と比べて取り扱いがより困難なためである。一方、長さを２０ｍｍ以下としているのは、これ以上長い場合、無機繊維１４Ｂ同士が絡みやすくなって機械を使用しての混練が困難となる一方で強度への影響はほとんど変わらなくなるためである。

なお、炭素繊維、セラミック繊維、岩石繊維および金属繊維を無機繊維１４Ｂとして添加した場合、およびガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維、岩石繊維および金属繊維から２種類以上を選択し無機繊維１４Ｂとして添加した場合にも、ガラス繊維を無機繊維１４Ｂとして添加した場合と同様に無機繊維部３Ｄが形成された第４の固化体１Ｄを得ることができる。

上述した第４の固化体１Ｄを製造するための第２の固化体製造手順および当該固化体製造手順により製造される第４の固化体１Ｄでは、ジオポリマー２の内部に無機繊維１４Ｂが残存したまま固化し、無機繊維１４Ｂを含む無機繊維部３Ｄが爆裂低減部３として形成されるので、加熱時に無機繊維１４Ｂが曲げ靱性が高まり、より高い内部圧力が加わった場合にも曲げ変形が生じにくい構造とすることができる。

従って、上述した第４の固化体１Ｄを製造するための第２の固化体製造手順によれば、より曲げ変形が生じにくく爆裂が生じにくい第４の固化体１Ｄを製造することができる。また、第４の固化体１Ｄの曲げ靱性が高まることで、固化体製造時における処理温度をさらに上げることできるので、さらに水分の脱離を促進した第４の固化体１Ｄを製造することができる。

さらに、無機多孔体１４Ａおよび無機繊維１４Ｂが加えられている第５の添加材入り混合物２０Ｃでは、ジオポリマー２の内部に無機多孔体１４Ａおよび無機繊維１４Ｂが残存したまま固化し、ジオポリマー２の内部に爆裂低減部３として、第３の空孔部３Ｃと無機繊維部３Ｄとが併存する構造部、すなわち多孔質な無機繊維部（以下、「多孔無機繊維部」とする。）３Ｅが形成された第５の固化体１Ｅが製造される（ＥＮＤ）。

第５の固化体１Ｅを製造する第２の固化体製造手順としては、例えば、ジオポリマー組成物１１としての固化材に、粒径０．０１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内に調製された粒状のシャモットを無機多孔体１４Ａとして添加するとともに、長さ０．０１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内の長さに調製されたガラス繊維を無機繊維１４Ｂとして添加し、ジオポリマー組成物１１としてのアルカリ刺激剤と水とを加えて混練して混練物を生成する。

ここでは、一例として、上述した第３の固化体１Ｃを製造するために加えている無機多孔体１４Ａの添加量および第４の固化体１Ｄを製造するために加えている無機繊維１４Ｂの添加量の範囲内から選択した添加量とし、具体的には、無機多孔体１４Ａの添加量は混練物に対して１０ｖｏｌ％とし、無機繊維１４Ｂの添加量は混練物に対して１ｖｏｌ％としている。

その後、生成した混練物を、１５０℃以上２５０℃以下で温度条件を変えて加熱し固化して第５の固化体１Ｅとする。

上記条件下で製造される第５の固化体１Ｅは、何れもジオポリマー２の内部に無機多孔体１４Ａおよび無機繊維１４Ｂが残存したまま固化し、ジオポリマー２の内部に爆裂低減部３として、多孔無機繊維部３Ｅが形成されており、多孔質化したジオポリマー２で固化された第５の固化体１Ｅを得ることができる。

上述した第５の固化体１Ｅを製造するための第２の固化体製造手順および当該固化体製造手順により製造される第５の固化体１Ｅでは、ジオポリマー２の内部に無機多孔体１４Ａおよび無機繊維１４Ｂが残存したまま固化し、多孔無機繊維部３Ｅが爆裂低減部３として形成されるので、無機多孔体１４Ａに設けられる複数の空孔を含む多孔無機繊維部３Ｅが内部からの水蒸気の脱離を促進して内部圧力の上昇を抑制するとともに、多孔無機繊維部３Ｅに含まれる無機繊維１４Ｂが曲げ靱性を高めるので、より高い内部圧力が加わった場合にも曲げ変形が生じにくい構造とすることができる。

このように、第２の固化体製造手順および第２の固化体製造手順により製造される第３の固化体１Ｃおよび第５の固化体１Ｅによれば、第３の固化体１Ｃおよび第５の固化体１Ｅを構成するジオポリマー２の内部に爆裂低減部３としての第３の空孔部３Ｃおよび第３の空孔部３Ｃに相当する構造を有する多孔無機繊維部３Ｅを形成することができる。

第３の空孔部３Ｃおよび多孔無機繊維部３Ｅでは、ジオポリマー２の内部に残存する無機多孔体１４Ａが内部からの水蒸気の脱離を促進し、内部圧力の上昇を抑制するため、より曲げ変形が生じにくく爆裂が生じにくい固化体とすることができる。

また、第２の固化体製造手順および第２の固化体製造手順により製造される第４の固化体１Ｄおよび第５の固化体１Ｅによれば、第４の固化体１Ｄおよび第５の固化体１Ｅを構成するジオポリマー２の内部に無機繊維１４Ｂを含む無機繊維部３Ｄおよび多孔無機繊維部３Ｅが爆裂低減部３として形成されるので、加熱時に無機繊維１４Ｂが曲げ靱性が高まり、より高い内部圧力が加わった場合にも曲げ変形が生じにくい固化体とすることができる。

さらに、第２の固化体製造手順および第２の固化体製造手順により製造される第５の固化体１Ｅによれば、無機多孔体１４Ａに設けられる複数の空孔を含む多孔無機繊維部３Ｅが内部からの水蒸気の脱離を促進して内部圧力の上昇を抑制するとともに、多孔無機繊維部３Ｅに含まれる無機繊維１４Ｂが曲げ靱性を高めるので、より高い内部圧力が加わった場合にも曲げ変形が生じにくい構造とすることができる。

以上、上述した放射性廃棄物の固化体製造方法を適用すれば、添加材１２および添加材１４の少なくとも一方が加えられていない場合に固化して製造される固化体のジオポリマー２の内部には形成されない爆裂低減部３（３Ａ〜３Ｆ）をジオポリマー２の内部に形成することができ、ジオポリマー２の内部に爆裂低減部３が形成されない固化体に対して、より曲げ変形が生じにくい構造となるため、より爆裂しにくい放射性廃棄物の固化体１（１Ａ〜１Ｆ）を製造することができる。

より詳細には、第１〜第３の固化体１Ａ〜１Ｃは、爆裂低減部３として、第１〜第３の空孔部３Ａ〜３Ｃがジオポリマー２の内部に形成されるので、第１〜第３の空孔部３Ａ〜３Ｃが内部からの水蒸気の脱離を促進し、内部圧力の上昇を抑制することができる。従って、第１〜第３の固化体１Ａ〜１Ｃを、より曲げ変形が生じにくく爆裂が生じにくい構造とすることができる。

また、第４の固化体１Ｄは、爆裂低減部３として、無機繊維部３Ｄがジオポリマー２の内部に形成されるので、無機繊維部３Ｄが第４の固化体１Ｄの曲げ靱性を向上し、より高い内部圧力が加わっても曲げ変形が生じにくい構造とすることができる。従って、第４の固化体１Ｄを、より曲げ変形が生じにくく爆裂が生じにくい構造とすることができる。

さらに、第５の固化体１Ｅは、爆裂低減部３として、多孔無機繊維部３Ｅがジオポリマー２の内部に形成されるので、多孔無機繊維部３Ｅが内部からの水蒸気の脱離を促進するとともに第５の固化体１Ｅの曲げ靱性を向上するため、第５の固化体１Ｅをより曲げ変形が生じにくく爆裂が生じにくい構造とすることができる。

なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することができる。例えば、上述した第１の固化体製造手順および第２の固化体製造手順は、それぞれ単独な場合の他、組み合わせても適用することもできる。すなわち、ジオポリマー組成物１１（図８）に放射性廃棄物を混合し、さらに添加材１２（図８）と添加材１４（図８）とを加えて固化して固化体１（図８）を製造してもよい。

図８は本実施形態に係る放射性廃棄物の固化体製造方法の変形例および当該変形例に係る固化体製造方法で製造される固化体１を説明する説明図であり、図８（Ａ）は固化前の添加材１２および添加材１４が加えられた混合物（以下、「第６の添加材入り混合物」）３０の状態を模式的に示す模式図、図８（Ｂ）は第６の添加材入り混合物３０を固化して得られる固化体（以下、「第６の固化体」）１Ｆの構造を模式的に示す模式図である。

例えば、図８に示されるように、添加材１２および添加材１４の両方を加えて第６の添加材入り混合物３０を生成し、添加材１２は気化して第６の添加材入り混合物３０から除去する一方、添加材１４はジオポリマー２の内部に留めて残存させた第６の固化体１Ｆを製造してもよい。

第６の固化体１Ｆは、第５の固化体１Ｅと同様に、内部からの水蒸気の脱離を促進する空孔部と曲げ靱性を向上させる無機繊維部とが爆裂低減部３として形成される、すなわち多孔質な無機繊維部である多孔無機繊維部３Ｆが形成されるので、曲げ変形が生じにくい、ひいては爆裂しにくい多孔無機繊維部３Ｆが形成された第６の固化体１Ｆを製造することができる。

また、ジオポリマー２の内部に空孔を形成する、すなわち多孔質化する例として、固体有機物１２Ａや有機溶媒１２Ｂを加えて気化したり、無機多孔体１４Ａをジオポリマー２の内部に留めたまま固化する例を説明したが、ジオポリマー２の内部を多孔質化できるのであれば、固体有機物１２Ａや有機溶媒１２Ｂ以外の物質を適用して行ってもよい。例えば、ジオポリマー２の内部に気泡を発生させる発泡剤を加えることでも、ジオポリマー２の内部に空孔を形成することができる。

ジオポリマー２の内部を多孔質化する添加材として発泡剤を加える場合、ジオポリマー２の内部に気泡を発生させ、発生した気泡が存在していた痕をジオポリマーの内部に空孔として残存させることができる。発泡剤としては、例えば、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）、アゾジカルボン酸アミド（ＡＤＣＡ）、アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）、界面活性剤から選択される少なくとも１種類から選択することができる。

また、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１（１Ａ〜１Ｆ） 固化体
２ ジオポリマー
３ 爆裂低減部
３Ａ〜３Ｃ 第１〜第３の空孔部
３Ｄ 無機繊維部
３Ｅ，３Ｆ 多孔無機繊維部
４ 空孔
１０（１０Ａ〜１０Ｂ） 添加材入り混合物
１２ 添加材
１２Ａ 固体有機物
１２Ｂ 有機溶媒
２０（２０Ａ〜２０Ｃ） 添加材入り混合物
１４ 添加材
１４Ａ 無機多孔体
１４Ｂ 無機繊維
３０ 添加材入り混合物

Claims (3)

1. ジオポリマーの組成物に放射性廃棄物を混合した混合物を固化させることで、前記ジオポリマーによって固化された前記放射性廃棄物の固化体を製造する方法であって、
   粒径が０．０１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の粒状体の固形有機物を含有する添加剤と前記ジオポリマーと前記放射性廃棄物とを混合し添加材入り混合物を生成する工程と、
   前記添加材入り混合物を１５０℃以上２５０℃以下で加熱する工程と、を具備し、
   前記固形有機物は、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレンおよびポリエチレンから選択される１種類の熱可塑性樹脂であることを特徴とする放射性廃棄物の固化体製造方法。
2. ジオポリマーの組成物に放射性廃棄物を混合した混合物を固化させることで、前記ジオポリマーによって固化された前記放射性廃棄物の固化体を製造する方法であって、
   有機溶媒を含有する添加剤と前記ジオポリマーと前記放射性廃棄物とを混合し添加材入り混合物を生成する工程と、を備え、
   前記添加材入り混合物を１００℃以下で加熱する工程および前記添加材入り混合物を減圧する工程のうち少なくとも一方の工程、を具備することを特徴とする放射性廃棄物の固化体製造方法。
3. 前記有機溶媒は、エチルアルコール、メチルアルコール、ヘキサン、シクロヘキサンおよびアセトンから選択される少なくとも１種類である請求項２に記載の放射性廃棄物の固化体製造方法。
   

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