JP6755821B2 - コンクリートの処理方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、コンクリートの処理方法と処理装置に関する。

原子力発電所の廃止措置時には多種多様な廃棄物が発生する。なかでも、原子力発電所の構造躯体として使用されている鉄筋コンクリートの廃棄物量が非常に多くなるため、全量を埋設処分するためには巨大なトレンチ処分場が必要となる。鉄筋コンクリートが放射性物質で汚染されている場合や放射化されている場合には、コンクリートピット中に廃棄物を埋設処分することが必要になり、廃棄物の処理費用がさらに増大する。そのため、放射性廃棄物として廃棄及び管理されるコンクリートの物量を低減させるための技術が開発されている。

放射性物質で汚染された鉄筋コンクリートや放射化された鉄筋コンクリートの処理方法として、原子炉容器の外周に設けられる生体遮壁などの高濃度放射化コンクリートにジェット水を吹き付けて、セメントなどを切断・剥離しスラリー化する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、放射化したコンクリートを破砕して粗骨材とモルタル部分に分離し、それぞれの放射性核種濃度を測定し、測定結果に応じて処分区分を決定する方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。また、放射化コンクリートを粉砕後、硝酸を用いて放射性物質、セメント成分などを溶解させた後、ｐＨ調整、溶媒抽出などの手法を用い、放射性物質を除去する方法もある（例えば、特許文献３参照。）。

しかしながら、これら従来の方法では、処理時間が増大したり、多量の薬剤を使用するために処理費用が増大したりする。そのため、放射性廃棄物として廃棄及び管理されるコンクリートの物量を効率よく減容することは困難であった。

特許第２５５７１３９号公報 特許第４４６７０２６号公報 特許第５７５７２０４号公報

本発明は、多量の薬剤を用いずに、コンクリートを減容することのできるコンクリートの処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。

本発明のコンクリートの処理方法の一態様は、コンクリートを溶融塩に浸漬する溶融塩浸漬工程と、前記溶融塩に不溶の残渣を前記溶融塩中から回収する残渣回収工程と、前記残渣に付着した溶融塩が凝固して生じた塩を、洗浄用水溶液によって洗浄する塩洗浄工程と、前記塩を洗浄後の洗浄用水溶液を加熱して、前記洗浄後の洗浄用水溶液中の水分を除去する塩乾燥工程とを備える。

本発明によれば、多量の薬剤を用いずに、コンクリートを減容することのできるコンクリートの処理方法及び処理装置を提供できる。

実施形態のコンクリートの処理装置を模式的に示す図である。 第１の実施形態のコンクリートの処理方法を概略的に示すフロー図である。 第２の実施形態のコンクリートの処理方法を概略的に示すフロー図である。 第３の実施形態のコンクリートの処理方法を概略的に示すフロー図である。 例２の骨材の溶融塩への溶解性を調査した結果を示すグラフである。 例３のセメントの溶融塩への溶解性を調査した結果を示すグラフである。 例４の模擬放射性物質の溶融塩への溶解性を調査した結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のコンクリートの処理装置１０を模式的に示す図である。コンクリートの処理装置１０は、内部に溶融した塩（溶融塩２）を収容してコンクリート１をその溶融塩２に浸漬する溶融塩浸漬槽１１と、コンクリート１を溶融塩浸漬槽１１に投入し、残渣３を溶融塩浸漬槽１１から回収する残渣回収装置１２とを備えている。

溶融塩浸漬槽１１及び残渣回収装置１２は、いずれも、耐熱性、耐食性の高い材料で構成される。残渣回収装置１２は、ステンレス等を材料としたかご状の容器であり、その壁面は、例えば、１００〜２００メッシュ程度の網目構造である。これにより、残渣回収装置１２の壁面から溶融塩２を通過させて内部に収容したコンクリート１と接触させるとともに、内部に残渣３を残留させることができる。残渣回収装置１２は、上下に移動可能に配置されており、下方に移動させることで、コンクリート１を溶融塩浸漬槽１１内に投入し、上方に移動させることで、残渣を溶融塩浸漬槽１１から引き上げることができる。

図２は、コンクリートの処理装置１０を用いたコンクリートの処理方法を概略的に示すフロー図である。本実施形態に係るコンクリートの処理方法は、コンクリート１を溶融塩２に浸漬する溶融塩浸漬工程Ｓ１と、溶融塩２に溶解しない骨材、鉄筋等の残渣３を回収する残渣回収工程Ｓ２とを備えている。

本実施形態のコンクリートの処理方法における処理対象は、汚染・放射化した鉄筋コンクリートの廃棄物（コンクリート１）である。先ず、コンクリート１を残渣回収装置１２に収容する。残渣回収装置１２に収容されたコンクリート１を、残渣回収装置１２ごと、溶融塩浸漬槽１１内に投入する。これにより、コンクリート１を溶融塩２に浸漬する（溶融塩浸漬工程Ｓ１）。

溶融塩２は、高温の無機化合物（塩）からなる液体であり、金属塩の溶解が可能、高温のため反応速度が速い、耐放射線性が高い、浄化することで溶融塩の再利用が可能、などの特徴を有する。溶融塩２としては例えば、金属ハロゲン化物、金属水酸化物、金属硫酸塩、金属炭酸塩などを用いることができる。溶融塩２として、具体的には、炭酸リチウム−炭酸ナトリウム−炭酸カリウム三元共晶塩を用いることが好ましい。溶融塩２は１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。溶融塩浸漬槽１１内の溶融塩２の温度は、その融点以上であり、３００〜１０００℃程度が好ましく、５００〜７００℃がより好ましい。

コンクリート１を溶融塩２に浸漬すると、コンクリート１中の、酸化カルシウム（ＣａＯ）を多く含むセメント成分が優先的に溶融塩２中に溶解する。また、コンクリート１においてセメント成分に付着した放射性物質は、セメント成分の溶解に伴い、これらの溶融塩２中に溶解する。放射性物質としては、Ｃｓ、Ｅｕ、Ｃｏ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｎ、Ｆｅ等のうち一種以上の単体、上記の元素のうち一種以上含む化合物、単体と化合物の混合物等が挙げられる。

セメント成分に比べて溶融塩２に溶解しにくい骨材、鉄筋は残渣回収装置１２内に残渣３として残る。残渣回収工程Ｓ２で、残渣回収装置１２を溶融塩浸漬槽１１から引き揚げることで、コンクリート１の浸漬された溶融塩２から、放射性物質をほとんど含まない残渣３を取り出して回収する。これにより、溶融塩浸漬槽１１中には、残渣３の除かれた廃溶融塩４が残る。廃溶融塩４中には、放射性物質とセメント成分が溶解されているため、放射性物質を廃溶融塩４中に分離することができる。このとき、残渣回収装置１２の温度を溶融塩２の融点以上に保持することで、残渣回収装置１２を溶融塩浸漬槽１１から引き揚げる過程で、残渣回収装置１２に溶融塩２が付着して凝固するのを抑制し、溶融塩２の大部分を取り除くことができる。

すなわち、本実施形態では、コンクリート１を溶融塩に浸漬することで、コンクリート１から骨材、鉄筋等を容易に除くことができ、その分コンクリートを減容することができる。そのため、コンクリート１に放射性物質が含まれている場合には、放射性廃棄物として廃棄され管理される物量を減らすことができ、放射性廃棄物の処理費用を低減させることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態のコンクリートの処理方法について説明する。図３は、本実施形態のコンクリートの処理方法を概略的に示すフロー図である。本実施形態のコンクリートの処理方法は、第１の実施形態のコンクリートの処理方法とは、塩洗浄工程Ｓ３と、塩乾燥工程Ｓ４とをさらに備える点で異なるが、これ以外の構成は、第１の実施形態のコンクリートの処理方法と同様である。そのため、図３において、図２と対応する部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

塩洗浄工程Ｓ３は、残渣３に付着した塩を洗浄用水溶液５によって洗浄除去する工程である。残渣回収工程Ｓ２で回収された残渣３に溶融塩２が付着している場合、この溶融塩２が冷却されることで生じた塩６を、純水、希酸水溶液、希アルカリ水溶液等の洗浄用水溶液５で洗浄する（塩洗浄工程Ｓ３）。例えば、残渣３を純水で洗浄する場合、残渣３に付着した塩６を、洗浄用の純水に溶解させて除去し、塩６の除去された残渣３（洗浄残渣７）を得ることができる。

塩乾燥工程Ｓ４は、塩洗浄工程Ｓ３で生じた洗浄廃液を乾燥して塩６を取り出す工程である。塩乾燥工程Ｓ４において、残渣３を洗浄後の洗浄廃液を、水の沸点以上に加熱することで、洗浄廃液中の水を蒸発させて除去し、洗浄廃液中に含まれる塩６を固相中に回収することができる。このとき、洗浄廃液を加熱する熱源は、新たに用意されてもよいし、溶融塩浸漬槽１１内の溶融塩２が高温であるため、溶融塩浸漬槽１１から発生する余熱や廃熱であってもよい。回収した塩６は、溶融塩浸漬工程Ｓ１に供給することで再利用することができ、これにより、溶融塩２の単位量あたりのセメント処理量を増加させることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態のコンクリートの処理方法について説明する。図４は、本実施形態のコンクリートの処理方法を概略的に示すフロー図である。本実施形態のコンクリートの処理方法は、第１の実施形態のコンクリートの処理方法とは、溶解成分除去工程Ｓ５をさらに備える点で異なるが、これ以外の構成は、第１の実施形態のコンクリートの処理方法と同様である。そのため、図４において、図２と対応する部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

溶解成分除去工程Ｓ５は、廃溶融塩４中の溶解成分８（溶融塩２に溶解した酸化カルシウム（ＣａＯ）を多く含むセメント成分など）を除去する工程である。上述したように、溶融塩浸漬工程Ｓ１において、コンクリート１中のセメント成分等が溶融塩２中へ溶解して廃溶融塩４を生じる。この際の、セメント成分等の溶融塩２中への溶解度は、溶融塩２の組成、温度、溶融塩浸漬槽１１内の雰囲気等によって決まる。溶融塩２は、溶解度を超えてセメント成分を溶解することができないため、上記方法では、所定の量の溶融塩２によるコンクリート１の処理量が限られる。

本実施形態のコンクリートの処理方法では、廃溶融塩４中に溶解した溶解成分８と廃溶融塩４とを分離する（溶解成分除去工程Ｓ５）。廃溶融塩４から、分離された溶解成分８を回収することで、上記セメント成分等を含む溶解成分８の除去された溶融塩２が得られる。この溶融塩２は、溶融塩浸漬槽１１に供給して、再度、コンクリート１の処理に用いることができる。これにより、コンクリート１の処理に用いる溶融塩２の量を低減することが可能となる。

溶解成分８と廃溶融塩４の分離方法は、例えば、廃溶融塩４中に陰極、陽極を浸漬して廃溶融塩４を電解し、溶解成分８を陰極に析出させて回収する方法がある。また、廃溶融塩４に、溶解成分８と、溶融塩２に難溶性の化合物を生成させる物質を添加して、溶解成分８を沈殿させる方法でもよい。この方法では、例えば、溶融塩２として金属ハロゲン化物を用いる場合、廃溶融塩４に酸化チタン等を添加して、セメント成分からチタン酸カルシウムなどの複合酸化物を生成させて回収することで、溶解成分８を回収することができる。また、廃溶融塩４を、溶解成分８の融点以下に冷却あるいは自然冷却して溶解成分８を晶析させる方法でもよい。この方法では、例えば溶融塩２として炭酸リチウムを使用した場合に、廃溶融塩４の温度を下げて、セメント成分等から炭酸カルシウムを生成させて、この生成した炭酸カルシウム中の溶解成分８を回収することができる。

例えば、溶融塩２を７００℃に加熱してコンクリート１を浸漬し、セメント成分を溶解した後、５００℃まで温度を下げることで、７００℃におけるＣａ成分溶解量と５００℃におけるＣａ成分溶解量の差分が析出する。廃溶融塩４から析出物を回収除去し、その後、廃溶融塩４を再度７００℃まで昇温し、新たにコンクリート１を浸漬すれば、析出回収相当量のセメント成分が溶解する。これを繰り返すことにより、溶融塩２の再利用が可能となり、溶融塩２の単位量あたりのセメント処理量を増加させることができる。

なお、本実施形態は第１の実施形態と同様に、コンクリート１を溶融塩に浸漬することで、コンクリート１から骨材、鉄筋等を容易に除くことができ、その分コンクリートを減容することができる。そのため、コンクリート１に放射性物質が含まれている場合には、放射性廃棄物として廃棄され管理される物量を減らすことができ、放射性廃棄物の処理費用を低減させることができる。

（例１）
例１では、コンクリート中のセメント成分の溶融塩への溶解性について調べた。溶融塩としては、炭酸リチウム−炭酸ナトリウム−炭酸カリウム三元共晶塩（Ｋ_２ＣＯ_３−Ｌｉ_２ＣＯ_３−Ｎａ_２ＣＯ_３、組成はＫ_２ＣＯ_３：Ｌｉ_２ＣＯ_３：Ｎａ_２ＣＯ_３で１８：６０：２２（質量％））を用いた。また、コンクリートとしては、放射性物質を含まない一般のコンクリートを用いた。５００℃に加熱した溶融塩中にコンクリートを投入し、３時間保持した。その後、残渣を引き上げて、残った溶融塩を自然冷却し、自然冷却した塩に塩酸水溶液を加えて溶解させた。溶解液を高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法（ＩＣＰ−ＡＥＳ）によって分析した結果、Ｃａが検出され、Ｃａの溶融塩への溶解率は９０質量％以上であった。このことから、セメント成分が溶融塩中へ溶解したことが分かった。

（例２）
例２では、コンクリート中の骨材の溶融塩への溶解性について調べた。溶融塩としては、上記同様のＫ_２ＣＯ_３−Ｌｉ_２ＣＯ_３−Ｎａ_２ＣＯ_３（組成は１８：６０：２２（質量％））を用いた。５００〜７５０℃に加熱した溶融塩中に骨材成分であるＳｉＯ_２（東北ケイ砂）を投入した。その後、残渣を引き上げて、残った溶融塩を自然冷却し、自然冷却した塩に塩酸水溶液を加えて溶解させた。溶解液をＩＣＰ−ＡＥＳによって分析し、Ｓｉの溶解率を算定した。結果を図５に示す。上記結果から、骨材は溶融塩の温度が７００℃以下ではほとんど溶解せず、コンクリートから残渣として回収可能なことを確認した。

（例３）
例３では、コンクリート中のセメントの溶融塩への溶解性について調べた。溶融塩としては、上記同様のＫ_２ＣＯ_３−Ｌｉ_２ＣＯ_３−Ｎａ_２ＣＯ_３（組成は１８：６０：２２（質量％））を用いた。また、セメントとしては、普通ポルトランドセメントを用いた。５００〜７００℃に加熱した溶融塩中にセメントを投入してセメントを溶解した。その後、残渣を引き上げて、残った溶融塩を自然冷却し、自然冷却した塩に塩酸水溶液を加えて溶解させた。溶解液をＩＣＰ−ＡＥＳによって分析し、溶融塩の単位重量あたりのＣａ溶解量を算定した。結果を図６に示す。

上記結果から、溶融塩へのＣａ溶解量は処理温度とともに上昇することを確認した。また、処理温度によってＣａ溶解量が変動することから、温度制御によりＣａの晶析が可能であることがわかった。

（例４）
例４では、放射性元素の模擬物質の溶融塩への溶解性について調べた。溶融塩としては、上記同様のＫ_２ＣＯ_３−Ｌｉ_２ＣＯ_３−Ｎａ_２ＣＯ_３（組成は１８：６０：２２（質量％））を用いた。また、放射性元素の模擬物質としては、安定同位体のＣｓＯＨを用いた。ＣｓＯＨをＣｓとして０．８９重量％となるように塩と混合してるつぼに投入した。るつぼに蓋をした状態で７００℃に加熱した。また、同等条件において、るつぼに蓋をしない条件での試験も実施した。

それぞれ残渣を引き上げて、残った溶融塩を自然冷却し、自然冷却した塩に塩酸水溶液を加えて溶解させた。溶解液を高周波誘導結合プラズマ発光質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）によって分析し、溶融塩に含まれるＣｓ濃度を算定した。結果を図７に示す。上記結果から、ほぼ全量のＣｓが溶融塩に溶解することがわかった。また、るつぼの蓋の有無で同等の結果であったことから、本手法においてはガス形態のＣｓ化合物が気相に放出される懸念はなく、ガス処理装置の設置は不要であることが分かる。

以上、上記した実施形態のコンクリートの処理方法及び処理装置によれば、多量の薬剤を用いずに、コンクリートを減容することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、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。

たとえば、第１の実施形態及び第２の実施形態のコンクリートは放射性物質を含有するものであったが、コンクリートは放射性物質を含んでいなくてもよい。放射性物質を含有しないコンクリートを減容させるために、第１〜第３の実施形態を実施してもよい。

１…コンクリート、２…溶融塩、３…残渣、４…廃溶融塩、５…洗浄用水溶液、６…塩、７…洗浄残渣、８…溶解成分、１０…コンクリートの処理装置、１１…溶融塩浸漬槽、１２…残渣回収装置、Ｓ１…溶融塩浸漬工程、Ｓ２…残渣回収工程、Ｓ３…塩洗浄工程、Ｓ４…塩乾燥工程、Ｓ５…溶解成分除去工程。

Claims (8)

1. コンクリートを溶融塩に浸漬する溶融塩浸漬工程と、
   前記溶融塩に不溶の残渣を前記溶融塩中から回収する残渣回収工程と、
   前記残渣に付着した溶融塩が凝固して生じた塩を、洗浄用水溶液によって洗浄する塩洗浄工程と、
   前記塩を洗浄後の洗浄用水溶液を加熱して、前記洗浄後の洗浄用水溶液中の水分を除去する塩乾燥工程と
   を備えるコンクリートの処理方法。
2. 前記コンクリートは放射性物質を含有する請求項１に記載のコンクリートの処理方法。
3. 前記溶融塩浸漬工程において、前記放射性物質を溶融塩に溶出させて捕集する請求項２に記載のコンクリートの処理方法。
4. 前記放射性物質がＣｓ、Ｅｕ、Ｃｏ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｎ及びＦｅから選ばれる一種以上を含む請求項２又は３に記載のコンクリートの処理方法。
5. 前記塩乾燥工程において、前記溶融塩浸漬工程で前記溶融塩から発生する熱を用いて前記洗浄後の洗浄用水溶液を加熱する請求項１に記載のコンクリートの処理方法。
6. 前記塩乾燥工程において水分を除去して得られた塩を前記溶融塩浸漬工程に供給する請求項１から５のいずれかに記載のコンクリートの処理方法。
7. 前記コンクリートを浸漬後の廃溶融塩中に含まれる溶解成分を除去する溶解成分除去工程をさらに備える請求項１から６のいずれかに記載のコンクリートの処理方法。
8. 前記溶解成分除去工程において、前記溶解成分を電解、晶析又は沈殿により除去する請求項７記載のコンクリートの処理方法。

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