JP7209629B2 - 流体廃棄物を処理するためのプロセス - Google Patents

Description

本出願は、２０１７年１月６日に出願された米国仮出願番号第６２／４４３，２９７号に基づく優先権の利益を主張しており、この仮出願は、その全体が参考として本明細書中に援用される。

開示される実施形態は、概して、使用済み核燃料の池からのもの、または他の放射性、有害、もしくは毒性のスラッジ、スラリー、または液体廃棄物等の流体廃棄物を処理するためのプロセスに関する。そのような廃棄物から高耐久性生成物を作製するためのプロセスもまた、開示される。

背景
放射性スラッジ（Ｍａｇｎｏｘスラッジ等）を処理し、スラッジを固形廃棄物形態に変えるための現行の基本的方法は、スラッジをセメントグラウトと混合し、それを鋼、ステンレス鋼、または鉄から作製されるコンテナの内側で鋳造することである。セメント固定経路は、総廃棄物体積を増加させる。典型的には、セメント固定されたＭａｇｎｏｘスラッジは、スラッジおよびセメント混合物中の水と反応し、水素を産出し、したがって、付加的な危険物を作成する反応金属を含有するため、不安定である。さらに、スラッジ中の金属および他の相もまた、セメント生成物中に膨張相を形成するように反応し、貯蔵の間または廃棄後、廃棄物コンテナの膨張をもたらし得る。加えて、セメント固定された生成物の耐久性、すなわち、地下水または他の手段による放射性同位体の除去に対するその耐性は、硼珪酸ガラスもしくはセラミック等の代替物と比較すると低い。

上記に言及された欠点にもかかわらず、放射性Ｍａｇｎｏｘスラッジの処理のための、公有に属する、限定される代替プロセスが、存在する。これらのうちの多くのものは、スラッジ液から放射性または有毒イオンを除去するための、脱水および／またはイオン交換システムの使用に関連する。結果は、プロセスから２つまたはそれを上回る廃棄流出力を有することのより複雑な結果となる。これらの生成物は、次いで、上記に議論されるセメント固定経路に広く類似する方法で、ドラム缶処理またはグラウト充填される。貯蔵所の中への地下水の進入から生じ得るように、そこから有毒または放射性成分が水によって容易に浸出され得る、廃棄物形態生成物の可能性として考えられるシナリオが、残っている。加えて、上記に述べられるように、廃棄物形態生成物は、セメント固定または脱水かつパッケージ化されると、依然として、反応金属成分、化学結合水、およびある程度の残留遊離水を含有し、故に、依然として、水素を発生させる。したがって、貯蔵の管理を複雑にし、付加的な安全プロトコルを要求する。

スラッジを添加剤とともに溶融し、ガラス状廃棄物形態を形成するステップもまた、提案済であり、これは、（ｉ）例えば、電極またはプラズマ方法論を使用して、溶融ボックスもしくは他のコンテナ内の原位置で、または（ｉｉ）高レベル廃棄物に関して行われるように、溶融装置内で溶融し、ガラスをキャニスタもしくは他の受器の中に傾注することによってのいずれか一方で行われ得る。ガラス形成添加剤または融剤は、典型的には、溶融を補助するために添加される。（ｉｉ）の場合、ガラスは、傾注するために十分に流動性でなければならず、これは、典型的には、本明細書のオプションに対して廃棄物装填量を減少させる（故に、廃棄物生成物体積を増加させる）。加えて、これらは、いくつかのガラス溶融装置において塞栓物をもたらし得るため、ガラス中の結晶量に関する限界がある。

溶融プロセスに関わる別の問題は、廃棄物と、添加剤との混合物を溶融するために要求される昇温状態において、放射性セシウム、ルテニウム、テクネチウム等の揮発性成分の喪失が、生じることである。故に、放射性保有在庫の有意な部分を含有する放射性二次廃棄物が、結果として残る。このオフガス喪失の一部が、再生利用され得るが、揮発は、処理プロセスのためのオフガスシステムの複雑性およびコストを増加させる。

加えて、スラッジが水銀等の有毒金属を含有する場合、これらもまた、揮発を介して二次的な有害廃棄物流を生成する。典型的には、溶融経路は、密な均一な生成物を達成するために、本明細書に開示される発明より高温を要求し、さらに、本明細書に開示されるプロセスに対して望ましくない種／元素の揮発性を増加させる。

スラッジ廃棄物の処理はまた、高い剪断または希釈を伴わない圧送を困難にする、多くのそのようなスラッジのレオロジーによって複雑にされる。希釈は、プロセスをあまり効率的ではないものにし、処理プラントの処理能力を減少させる。

前述に照らして、放射性スラッジを、（ｉ）長期間の廃棄に好適な、安定した、耐久性の固形廃棄物形態になるように、（ｉｉ）基本的方法と比較して、貯蔵および廃棄のための廃棄物体積を減少させるように、かつ（ｉｉｉ）廃棄物処理プラントの処理能力、故に、効率を増加させるように処理するためのプロセスの必要性が、存在する。

上記に説明される多くの必要性を解決し、言及された不足を克服するために、本出願人らは、処理および生成物形成を補助する具体的な機器ならびに添加剤の異なる組み合わせおよびタイプを使用する点において以前のプロセスと異なる、開示されるプロセスを開発した。開示される本プロセスは、スラッジ、特に、Ｍａｇｎｏｘスラッジである放射性廃棄物を処理するための方法の組み合わせを提案するが、また、添加剤と混合される液体放射性廃棄物にも適用され得る。

要旨
１つまたはそれを上回るプロセス添加剤を、廃棄物形態の化学的性質を変化させるために十分な量で、流体廃棄物に添加するステップを含む、流体廃棄物を処理するための方法が、開示される。開示される方法は、１つまたはそれを上回る分散剤もしくは解膠剤を廃棄物に添加し、流体のレオロジーを変化させるステップ、１つまたはそれを上回る添加剤を添加し、反応金属成分を減少させるステップ、１つまたはそれを上回る特殊添加剤を添加し、核分裂生成物を結合させ、加熱処理の間、有毒または放射性元素もしくは種の揮発を減少させるステップ、および１つまたはそれを上回る添加剤を添加し、廃棄物の微粒子サイズ成分を標的化し、それと反応させ、散粉を減少させ、成分を耐久相において不動化するステップから選択される、少なくとも１つの添加ステップを含む。流体廃棄物を説明される添加剤と混合し、スラリーを形成した後の、混合、乾燥、か焼、ブレンド、およびＨＩＰ処理として公知である、熱間静水圧プレスを含む、耐久性があり安定した廃棄物形態を形成するための付加的なプロセスステップが、説明される。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
１つまたはそれを上回るプロセス添加剤を、廃棄物形態の化学的性質を変化させるために十分な量で、流体廃棄物に添加するステップを含む、流体廃棄物を処理するための方法であって、
以下の添加ステップ、すなわち、
１つまたはそれを上回る分散剤もしくは解膠剤を前記廃棄物に添加し、前記流体のレオロジーを変化させるステップと、
１つまたはそれを上回る添加剤を添加し、反応金属成分を減少させるステップと、
１つまたはそれを上回る特殊添加剤を添加し、核分裂生成物を結合させ、加熱処理の間、有毒または放射性元素もしくは種の揮発を減少させるステップと、
１つまたはそれを上回る添加剤を添加し、前記廃棄物の微粒子サイズ成分を標的化し、それと反応させ、散粉を減少させ、成分を耐久相において不動化するステップと、
のうちの１つまたはそれを上回るものと、
前記流体廃棄物を混合し、スラリーを形成するステップと、
を含む、方法。
（項目２）
核分裂生成物を結合させるための前記特殊添加剤は、イオン交換体を含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記イオン交換体は、廃液から、遊離の有毒または放射性イオンを吸収し、事前熱間静水圧プレス、乾燥、およびか焼から選択される後続の熱処理ステップの間に、それらを結合させる、ゼオライトを含む、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記ゼオライトは、斜プチロル沸石、すなわち、（Ｎａ，Ｋ，Ｃａ） _２－３ Ａｌ _３ （Ａｌ，Ｓｉ） _２ Ｓｉ _１３ Ｏ _３６ ・１２Ｈ _２ Ｏ、およびモルデン沸石、すなわち、（Ｃａ，Ｎａ _２ ，Ｋ _２ ）Ａｌ _２ Ｓｉ _１０ Ｏ _２４ ・７Ｈ _２ Ｏから選択される、項目３に記載の方法。
（項目５）
前記核分裂生成物は、Ｃｓと、Ｒｕと、Ｔｃとを含む、項目２に記載の方法。
（項目６）
前記スラリーを乾燥させ、流動性粉末を形成するステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記乾燥ステップは、薄膜蒸発器、パン乾燥機、噴霧乾燥機、気流乾燥機、流動層乾燥機、および回転乾燥機から選択される、少なくとも１つの乾燥機によって実施される、項目６に記載の方法。
（項目８）
前記乾燥ステップは、１００～３５０℃の範囲に及ぶ温度で実施される、項目６に記載の方法。
（項目９）
前記流動性粉末は、か焼炉内でか焼され、以下、すなわち、残留水、化学結合水、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、有機物、および他の塩類のうちの１つまたはそれを上回るものを除去する、項目６に記載の方法。
（項目１０）
プロセスガスは、前記か焼炉に導入され、か焼条件を制御する、項目９に記載の方法。
（項目１１）
プロセスガスは、廃棄物が放射性元素を含むとき、放射性揮発性元素の喪失を防止するように、還元雰囲気を達成するために選択される、項目１０に記載の方法。
（項目１２）
前記プロセスガスは、ＣＯ／ＣＯ _２ 、Ｈ _２ 、Ｎ _２ 中のＨ _２ 、Ａｒ中のＨ _２ 、Ａｒ、Ｎ _２ 、空気、またはより低い分圧のＯ _２ 雰囲気を含む、項目１０に記載の方法。
（項目１３）
前記乾燥機またはか焼炉のいずれか一方のために、前記プロセスガスの中に酸を注入するステップをさらに含む、項目６に記載の方法。
（項目１４）
前記酸は、ＨＣｌ、ＨＮＯ _３ 、ＨＦ、Ｈ _２ ＳＯ _４ 、Ｈ _３ ＰＯ _４ 、または有機酸から選択される、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記酸は、炭酸塩を分解し、残留金属を不動態化することに役立つために十分な量で添加される、項目１３に記載の方法。
（項目１６）
か焼は、５００～１，１００℃の範囲に及ぶ温度で生じる、項目９に記載の方法。
（項目１７）
か焼は、５００～８００℃の範囲に及ぶ温度で生じる、項目９に記載の方法。
（項目１８）
前記か焼炉は、振動式、流動層式、回転式、気流式、垂直ねじ送り式、またはコンベヤ式のものから選択される、項目９に記載の方法。
（項目１９）
か焼の後、前記粉末は、付加的なプロセス添加剤とブレンドされる、混合器－ホッパに移送される、項目９に記載の方法。
（項目２０）
前記プロセス添加剤は、（ｉ）熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）の間の酸化還元制御のための金属粉末と、（ｉｉ）前記廃棄物形態の相の一部になり、かつ前記廃棄物形態が正しい鉱物組成を有することを確実にする、廃棄物形態添加剤を含む、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記混合器－ホッパは、円錐体混合器、Ｐｈａｕｌｅｒ混合器、Ｆｏｒｂｅｒｇ混合器、リボンブレンダ、回転筒混合器、またはＶブレンダから選択される、項目１９に記載の方法。
（項目２２）
混合の後、前記粉末は、前記材料をＨＩＰ缶の中に移送する、缶充填システムの中に給送される、項目２０に記載の方法。
（項目２３）
ＨＩＰ機械の中に装填するステップに先立って、排気するステップ、加熱して任意の残留水分を除去するステップ、密閉してシールするステップ、および汚染除去するステップから選択された少なくとも１つのステップを、前記ＨＩＰ缶上で実施するステップをさらに含む、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
前記ＨＩＰ缶は、８００～１，４００℃の範囲に及ぶプロセス温度および１０～３００ＭＰａの範囲に及ぶ圧力で圧縮化ならびに高密度化を受ける、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
前記流体廃棄物は、使用済核燃料池スラッジ、放射性スラッジ、または他の有毒なスラッジもしくはスラリーを含む、項目１に記載の方法。
（項目２６）
前記流体廃棄物は、マグネシウム、プルトニウム、アルミニウム、黒鉛、ウラン、および他の原子力発電所廃炉廃棄物と、ゼオライト材料と、汚染土とを含む、項目２５に記載の方法。
（項目２７）
前記ゼオライト材料は、斜プチロル沸石、すなわち、（Ｎａ，Ｋ，Ｃａ） _２－３ Ａｌ _３ （Ａｌ，Ｓｉ） _２ Ｓｉ _１３ Ｏ _３６ ・１２Ｈ _２ Ｏと、モルデン沸石、すなわち、（Ｃａ，Ｎａ _２ ，Ｋ _２ ）Ａｌ _２ Ｓｉ _１０ Ｏ _２４ ・７Ｈ _２ Ｏと、それらの組み合わせとを含む、項目２６に記載の方法。

図１は、本開示による基本的プロセスの概略図である。

図２は、混合タンクを除去することによって達成される、本開示による（かつ図１に示される）単純化されたプロセスの概略図である。

図３は、図１に示される湿式混合フロントエンドが遅延タンクによって置換される、本開示による基本的プロセスの概略図である。

前述の一般的説明および以下の詳細な説明は両方とも、例示的かつ説明的にすぎず、請求されるものとして、本発明を制限するものではないことを理解されたい。

発明の詳細な説明
現在存在するようなスラッジを処理するためのフロントエンドプロセスは、（ｉ）乾燥に先立って、混合タンク内で廃棄物を添加剤と混合するステップ、または（ｉｉ）顆粒を廃棄物で含浸させる目的で、廃棄物を粉末／顆粒状添加剤の撹拌床上に噴霧し、同時もしくは下流においてのいずれかで乾燥させるステップのいずれか一方から成る。これらのプロセスと関連付けられる問題を回避するために、プロセス添加剤の利用を含む、スラッジ廃棄物を処理するためのいくつかのオプションが、本明細書に開示される。本実施形態では、例えば、本プロセスは、分散剤／解膠剤をスラッジに添加し、要求されるプロセス水のレオロジーを変化させ、その量を減少させるステップを含む。

本明細書に開示される、現行のプロセス限界を克服する他の有益なオプションは、反応金属成分を減少させるためのフロントエンド添加剤の添加、ならびに単なる乾燥またはセメント固定と比較して、生成物品質を改善するための添加剤の添加を含む。

他の実施形態では、核分裂生成物を結合し、熱処理の間、有毒または放射性元素もしくは種の揮発を減少させるための、特殊添加剤の使用が、開示される。

本明細書に説明される他の実施形態は、散粉を減少させ、本成分を耐久相において不動化する、スラッジの微粒子サイズ成分を標的化し、それと反応させるための、添加剤の添加に焦点を当てる。

なおも他の実施形態は、熱処理のためと、プロセスの占有面積が、低減され、プロセスが、放射性環境内において維持することが困難であり得る、ポンプ、混合器等の除去によって単純化され得るように、混合ステップをインライン混合器と置換するためとの代替オプションを含む、代替プロセスを説明する。

言及されるように、廃棄物形態を処理するための現行の方法は、多くの場合、貯蔵所の中への地下水の進入から生じ得るように、そこから有毒または放射性成分が水によって容易に浸出され得る、廃棄物形態生成物をもたらす。廃棄物生成物は、セメント固定または乾燥されると、依然として、反応金属成分、化学結合水、およびある程度の残留遊離水を含有し、故に、依然として、水素を発生させる。したがって、貯蔵の管理を複雑にし、付加的な安全プロトコルを要求する。これらの問題を解決するために、開示されるプロセスは、そのようなスラッジ中にすでに存在する水素を安全に除去し、スラッジから遊離の化学結合水、故に、将来の水素発生源を除去し、反応金属成分を、もはや金属形態では存在しないように反応させる。生成される生成物は、密なセラミックまたはガラスセラミックである。

耐久性であるために、溶融によって生成された廃棄物生成物は、高密度かつ開放孔隙のないはずである。これは、ガラス形成添加剤および融剤の添加を要求する。これらの添加剤は、廃棄物装填量を減少させるが、溶融経路に関して、添加剤の量は、本明細書に開示される経路のものよりはるかに多くなる。Ｍａｇｎｏｘスラッジは、いったん加熱され、存在する水酸化マグネシウムを分解すると、難溶性となり、かつ廃棄コンテナの中への傾注を可能にするために、所望される粘性の流動可能な溶融物を形成するためにさらにより多くの添加剤を要求する、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粒子を形成し、その結果、さらにより低い廃棄物装填量が、結果として生じる。

一実施形態では、溶融プロセスは、経路（ｉｉ）からの二次廃棄物として、使用済み溶融剤を含有する。経路（ｉ）、すなわち、原位置経路では、廃棄物生成物はまた、難溶性壁、鋼シェル、および電極を伴う、はるかに厚い溶融ポットまたは容器内に含有される。加えて、原位置経路では、廃棄物の体積は、微粒子廃棄物と添加剤の混合物中の空隙が除去され、ガラスが形成かつ溶融するため、プロセスの間、約５０％減少する。結果として、コンテナの上部は、現時点で空であるが、空の容積は、依然として、最終廃棄物パッケージの一部を形成する。これは、溶融物が沈降するにつれて上部充填によって低減され得るが、コンテナは、容器縁まで決して安全には充填され得ない。さらに、本開示は、これらのガラスプロセスのために要求される溶融の程度を要求せず、故に、化学的性質は、より高密度相が、廃棄物形態生成物の中に取り込まれることを可能にするように設計され、異なるものである。故に、これらの要因のため、貯蔵および廃棄のために生成される廃棄物の実際の体積は、本明細書に開示される発明と比較して、溶融経路から有意により大きい。廃棄物の体積は、貯蔵設備サイズ、廃棄物パッケージ発送数、貯蔵所サイズ、およびさらに潜在的に、要求される貯蔵所の数の観点から、経済コストに等しく、故に、本明細書に開示される経路は、廃棄物処理プロセスの寿命サイクルにわたる有意なコスト節約の可能性を提案する。例えば、本明細書に説明される代替の廃棄物形態の化学的性質および熱処理と組み合わせられた修正されたプロセスを使用することによって、廃棄物パッケージの最終体積は、セメント固定のものの１／１０～１／２０にまで低減されることができる。

開示されるプロセスはさらに、添付図面において説明かつ例示される。図１を参照すると、基本的プロセスは、以下の通りである。スラッジ、スラリー、または液体廃棄物１が、タンクから、またはフラスココンテナもしくは他の容器内でプラントに到着する。これは、混合タンク４の中に圧送される。絞り弁６を介して乾燥機８に圧送する５ために好適であるように、スラリーのレオロジーを変化させるための処理添加剤３が、廃棄物タンクまたはフラスココンテナもしくは混合タンク４のいずれかに添加されることができる。水を含み得る添加剤２が、混合タンク４に添加され、混合物が、撹拌され、均一なスラリーを作成する。添加剤２は、１つの混合物または単一もしくは別個のライン（単純化のために、図面上では１つのラインのみが、示される）からの個々の成分として添加されることができる。添加剤２中に含まれるものは、ゼオライト等のイオン交換体であり得る。使用され得るゼオライトのタイプの非限定的な実施例は、斜プチロル沸石、すなわち、（Ｎａ，Ｋ，Ｃａ）_２－３Ａｌ_３（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｓｉ_１３Ｏ_３６・１２Ｈ_２Ｏ、およびモルデン沸石、すなわち、（Ｃａ，Ｎａ_２，Ｋ_２）Ａｌ_２Ｓｉ_１０Ｏ_２４・７Ｈ_２Ｏを含む。本イオン交換体は、廃液からセシウム等の遊離の有毒または放射性イオンを吸収し、事前熱間静水圧プレス、熱処理段階（乾燥８およびか焼９）の間、それらを結合する役割を果たす。

再循環ポンプ５は、混合物を、乾燥機８への給送量を計測する弁に給送する。弁はまた、スラリーを混合タンク４に再循環させる役割も果たす。乾燥機８は、スラリーを、遊離流動性の低散粉粉末まで乾燥させるように設計され、好適な乾燥機は、薄膜蒸発器（ワイプフィルム蒸発器とも呼ばれる）、パン乾燥機、噴霧乾燥機、気流乾燥機、流動層乾燥機、および回転乾燥機、加えて、いくつかの他の専門産業用設計を含む。プロセスガス７が、湿気を乾燥機からオフガスシステム１０に掃引するために使用される。オフガスは、同伴された粉塵を乾燥機に戻す、ブローバックフィルタ／粉塵除去システム８ａを通過する。

乾燥は、典型的には、１００～３５０℃等の８０～４００℃の範囲に及ぶ温度で行われ、大気圧力または真空下で実行されることができる。オフガスシステム１０中に凝縮される水は、添加剤２の再利用のために再循環されることができる。乾燥の後、スラッジは、か焼され、残留水、化学結合水、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、有機化合物、および他の塩類を除去する。プロセスガス７ａが、か焼炉９に導入され、か焼条件を制御する。

放射性廃棄物流に関して、Ｃｓ、Ｒｕ、およびＴｃ等の放射性揮発性元素の喪失を防止するように、還元条件が、維持される。しかしながら、条件は、例えば、有機物、中性または他の雰囲気を酸化させるための低酸素等の、具体的な廃棄物流に適するように変動されることができる。典型的システムは、ＣＯ／ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｎ_２中のＨ_２、Ａｒ中のＨ_２、Ａｒ、Ｎ_２、空気、またはより低い分圧のＯ_２雰囲気を含む。これに加えて、少量の酸が、乾燥機７もしくはか焼炉７ａのいずれかのために、プロセスガスの中に注入されることができる。本酸は、ＨＣｌ、ＨＮＯ_３、ＨＦ、Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_３ＰＯ_４、または有機酸のうちのいずれかであり得る。これらの酸は、炭酸塩の分解および残留金属の不動態化を補助する。か焼炉オフガスは、オフガスシステム１０を通して処理される。か焼炉は、廃棄物流に応じて、５００～８００℃が、典型的範囲である、５００～１，１００℃で動作する。か焼炉９の好ましいタイプは、振動か焼炉または流動層か焼炉であるが、回転式、気流式、垂直ねじ送り式、コンベヤ式、もしくは他の方法もまた、実行可能である。

か焼の後、粉末は、それらがその廃棄物のために要求される場合、付加的なプロセス添加剤１２とブレンドされる、混合器－ホッパ１１に移送される。プロセス添加剤は、（ｉ）熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）１６の間の酸化還元制御のための金属粉末と、（ｉｉ）廃棄物形態の相の一部になり、かつ廃棄物形態が正しい鉱物組成を有することを確実にする、廃棄物形態添加剤とである。本混合器－ホッパ１１は、円錐体混合器、Ｐｈａｕｌｅｒ混合器、Ｆｏｒｂｅｒｇ混合器、リボンブレンダ、円錐体混合器、Ｖブレンダ、または他のタイプの専用もしくは一般的混合器であり得る。

混合の後、粉末は、ＨＩＰ缶１４の中への材料を計測する、缶充填システム１３の中に給送される。ＨＩＰは、次いで、排気され、必要である場合、加熱され任意の残留水分を除去（ベークアウト）し、密閉してシールされ、汚染除去１６される。缶１４は、ある時間－温度－圧力サイクル下で、圧縮化ならびに高密度化を受け、廃棄物形態相が形成される、ＨＩＰ機械の中に装填される。

典型的プロセス温度は、廃棄物形態材料に応じて、８００～１，４００℃および１０～３００ＭＰａ、かつ１０～１６時間にわたる。ＨＩＰの後、缶１７は、ＨＩＰから除去される。缶は、次いで、廃棄倉庫までの輸送に好適なコンテナの中にパッケージ化１８される。代替として、倉庫が、プラント設計の中に建設されてもよく、ＨＩＰは、そのままの状態またはオーバーパックの中に入れられた状態のいずれかで、倉庫面積の中に装填されることができる。

ＨＩＰプロセスは、概して、米国特許第８，７５４，２８２号（参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）においてより詳細に説明される。より具体的には、本特許において説明されるように、ＨＩＰは、断熱抵抗加熱炉を囲繞する、圧力容器から成る。ＨＩＰを用いて放射性か焼物を処理することは、廃棄物材料、ここでは、汚染されたイオン交換媒体でコンテナを充填することを伴う。コンテナは、排気され、ＨＩＰ炉の中に設置され、容器は、閉鎖、加熱、かつ加圧される。圧力は、典型的には、圧力下では、効率的な熱伝導体でもあるアルゴンガスを介して提供される。熱および圧力の組み合わせは、廃棄物を高密度のモノリスに圧密かつ不動化する。

ＨＩＰは、一度に１つの缶を、３０～１００ＭＰａ等の１０～３００ＭＰａの範囲に及ぶ処理圧力で、１，０００℃～１，３００℃等の約８００℃～１，４００℃の範囲に及ぶ温度等の温度で処理する。ＨＩＰ缶を処理するためのサイクル時間は、約１０～１６時間の範囲に及ぶ。いったんＨＩＰから除去されると、缶は、廃棄キャニスタの中に装填されることに先立って、周囲温度まで冷却されることが可能にされる。ＨＩＰ温度はまた、廃棄物に応じて修正されてもよい。圧密されている材料に応じた、温度、圧力、および雰囲気等のＨＩＰ条件における種々の変更は、米国特許第５，９９７，２７３号および第５，１３９，７２０号（参照することによって本明細書に組み込まれる）において議論される。

代替実施形態では、混合タンク内の混合器が、添加剤が廃棄物と緊密に混合されるように直接導入される、高剪断混合器を含む点を除いて、上記のものに類似するプロセスが、説明される。

図２を参照すると、図１からの単純化されたプロセスを示す、別の実施形態が、説明される。本単純化されたプロセスは、混合タンクおよび再循環システムを除去し、廃棄物タンク内容物２および任意の廃棄物形態添加剤２を両方とも、ポンプ２０および２１を使用して、直接、インライン混合システム１９の中に給送し、次いで、直接、乾燥機８に給送されることによって達成される。乾燥機への給送速度をさらに制御するために、乾燥機に先立って、弁（図示せず）が、存在し得る。インライン混合器１９は、静的混合器、または専用スラリー混合器、もしくは動的高剪断インライン混合器であり得る。本プロセスオプションは、ホットセル容積を低減させ、プロセスを単純化する。さらに、高剪断インライン混合器またはインライン撹拌機（図示せず）を使用することによって、入ってくるスラリーの粒子サイズは、要求される場合、乾燥機に給送される前に低減され、下流反応性を補助し、塞栓物の潜在性を低減することができる。これは、Ｍａｇｎｏｘおよび他の燃料の池スラッジにとって有益であり得る。本プロセスのバックエンドは、図１と同一である。代替プロセスおよび／または廃棄物形態として、添加剤は、直接、混合器（図２に図示せず）に添加されることができる。

図３を参照すると、湿式混合フロントエンド（図１の４）が減衰タンク２２によって置換される、別の実施形態が、示される。本タンクは、乾燥機８の中へのスラッジ廃棄物を計測する。本プロセスでは、廃棄物形態添加剤は全て、混合器２４内ＨＩＰ処理の直前またはか焼混合器２３の直前のプロセスのバックエンドにおいて導入される。混合器は、リボン式、Ｐｈａｕｌｅｒ式、Ｆｏｒｂｅｒｇ式、パドル式、垂直ねじ式円錐体、または他の専用混合器を含む、種々の標準的タイプであり得る。円錐体または双錐体ブレンダ、Ｖブレンダ、もしくは他のバッチ式混合器もまた、使用され得るが、それらが動作するために要求されるラインからの取外しは、流出および汚染のリスクを増加させる。

付加的実施形態では、乾燥機およびか焼炉を１つのユニットに組み合わせる、別のプロセスオプションが、説明される。これは、流動層か焼炉－乾燥機、フラッシュか焼炉プロセス、スラリー給送回転か焼炉、または他のデバイスであり得る。２段階アプローチが、より良好な生成物品質制御を与えるが、単一段階プロセスの明白な単純性もまた、魅力的であり得る。

本発明の他の実施形態もまた、本明細書に開示される発明の明細書および実践を考慮すると、当業者に明白である。明細書および実施例は、例示的にすぎないと見なされ、本発明の真の範囲は、以下の請求項によって示されることが意図される。

Claims (23)

1. 流体廃棄物を長期間の廃棄に好適な固形廃棄物形態に変えるための方法であって、前記方法は、
   １つ以上のプロセス添加剤を前記流体廃棄物に添加することにより、絞り弁を介して乾燥機に圧送するために前記流体廃棄物が好適であるように、前記流体のレオロジーを変化させることと、
   １つ以上の特殊添加剤を添加することにより、核分裂生成物を結合させるとともに、加熱処理の間、有毒な元素もしくは放射性の元素または有毒な種もしくは放射性の種の揮発を減少させることと、
   前記流体廃棄物を混合することにより、スラリーを形成することと、
   前記乾燥機を用いて前記スラリーを乾燥させることにより、遊離流動性の低散粉粉末を形成することと、
   前記遊離流動性の低散粉粉末をか焼炉内でか焼することにより、残留水、化学結合水、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、有機物、他の塩類を除去することと、
   前記か焼された粉末を缶充填システムおよび熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）の中に給送することにより、長期間の廃棄に好適な固形廃棄物形態を形成することと
   を含み、
   前記流体廃棄物は、使用済核燃料池スラッジ、または、放射性のスラッジ、または、他の有毒なスラッジもしくは有毒なスラリーを含み、
   前記乾燥ステップまたは前記か焼ステップのいずれかは、酸とともに注入されたプロセスガスの存在下で実施される、方法。
2. 核分裂生成物を結合させるための前記特殊添加剤は、イオン交換体を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記イオン交換体は、ゼオライトを含み、前記ゼオライトは、廃液から、遊離の有毒なイオンまたは放射性のイオンを吸収し、事前熱間静水圧プレス、乾燥、か焼から選択される後続の熱処理ステップの間に、それらを結合させる、請求項２に記載の方法。
4. 前記ゼオライトは、斜プチロル沸石、すなわち、（Ｎａ，Ｋ，Ｃａ）_２－３Ａｌ_３（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｓｉ_１３Ｏ_３６・１２Ｈ_２Ｏ、モルデン沸石、すなわち、（Ｃａ，Ｎａ_２，Ｋ_２）Ａｌ_２Ｓｉ_１０Ｏ_２４・７Ｈ_２Ｏから選択される、請求項３に記載の方法。
5. 前記核分裂生成物は、ＣｓとＲｕとＴｃとを含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記乾燥機は、薄膜蒸発器、パン乾燥機、噴霧乾燥機、気流乾燥機、流動層乾燥機、回転乾燥機から選択される、請求項１に記載の方法。
7. 前記乾燥ステップは、１００℃～３５０℃の範囲に及ぶ温度で実施される、請求項１に記載の方法。
8. か焼条件を制御するために、プロセスガスが前記か焼炉に導入される、請求項１に記載の方法。
9. 前記廃棄物が放射性の元素を含むとき、還元雰囲気を達成するためにプロセスガスが選択され、これにより、放射性の揮発性元素の喪失が防止される、請求項８に記載の方法。
10. 前記プロセスガスは、ＣＯ／ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｎ_２中のＨ_２、Ａｒ中のＨ_２、Ａｒ、Ｎ_２、空気、または、より低い分圧のＯ_２雰囲気を含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記酸は、ＨＣｌ、ＨＮＯ_３、ＨＦ、Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_３ＰＯ_４、または、有機酸から選択される、請求項１に記載の方法。
12. 前記酸は、炭酸塩を分解することおよび残留金属を不動態化することに役立つために十分な量で添加される、請求項１に記載の方法。
13. か焼は、５００℃～１，１００℃の範囲に及ぶ温度で生じる、請求項１に記載の方法。
14. か焼は、５００℃～８００℃の範囲に及ぶ温度で生じる、請求項１に記載の方法。
15. 前記か焼炉は、振動式、流動層式、回転式、気流式、垂直ねじ送り式、または、コンベヤ式のものから選択される、請求項１に記載の方法。
16. か焼の後、前記遊離流動性の低散粉粉末は、付加的なプロセス添加剤とブレンドされる、混合器－ホッパに移送される、請求項１に記載の方法。
17. 前記プロセス添加剤は、（ｉ）熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）の間の酸化還元制御のための金属粉末と、（ｉｉ）前記廃棄物形態の相の一部になり、かつ、前記廃棄物形態が正しい鉱物組成を有することを確実にする廃棄物形態添加剤を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記混合器－ホッパは、円錐体混合器、Ｐｈａｕｌｅｒ混合器、Ｆｏｒｂｅｒｇ混合器、リボンブレンダ、回転筒混合器、または、Ｖブレンダから選択される、請求項１６に記載の方法。
19. 前記缶充填システムは、前記材料をＨＩＰ缶の中に移送する、請求項１７に記載の方法。
20. 前記方法は、ＨＩＰ機械の中に装填するステップに先立って、排気するステップ、加熱して任意の残留水分を除去するステップ、密閉してシールするステップ、汚染除去するステップから選択された少なくとも１つのステップを前記ＨＩＰ缶上で実施するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記ＨＩＰ缶は、８００℃～１，４００℃の範囲に及ぶプロセス温度および１０ＭＰａ～３００ＭＰａの範囲に及ぶ圧力で圧縮化ならびに高密度化を受ける、請求項２０に記載の方法。
22. 前記流体廃棄物は、マグネシウム、プルトニウム、アルミニウム、黒鉛、ウラン、他の原子力発電所廃炉廃棄物と、ゼオライト材料と、汚染土とを含む、請求項１に記載の方法。
23. 前記ゼオライト材料は、斜プチロル沸石、すなわち、（Ｎａ，Ｋ，Ｃａ）_２－３Ａｌ_３（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｓｉ_１３Ｏ_３６・１２Ｈ_２Ｏと、モルデン沸石、すなわち、（Ｃａ，Ｎａ_２，Ｋ_２）Ａｌ_２Ｓｉ_１０Ｏ_２４・７Ｈ_２Ｏと、それらの組み合わせとを含む、請求項２２に記載の方法。

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