JPH06300893A - 放射性廃棄物の固型化材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高い流動性が維持でき、かつ、Ｃｓ−１３７の
浸出を抑え、より安全性の高い放射性廃棄物の固化体を
つくること。 【構成】重量％で、水硬性無機化合物10から90％、放射
能吸着材１から30％、無機流動化材５から30％で、その
粒径が10μｍ以下および分散材と残部骨材からなること
を特徴とする放射性廃棄物の固型化材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は核燃料再処理工場等の原
子力施設で発生した中ないし低レベルの放射性廃棄物の
処理法に使用され、特に緻密で、長期に亘る安定性、耐
久性に優れた固化体を容易に製造し得る放射性廃棄物の
固型化材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所のような原子力施設から発
生する廃棄物には、濃縮廃液を乾燥して得られた粉体を
ペレット状に圧粉成型したペレット、金属の切断片、フ
ィルター、パッキン材などのような雑廃棄物が発生して
いる。特に雑廃棄物についてはその種類が非常に多く、
また形状も複雑である。

【０００３】このため、現時点では必要に応じて適当に
切断され、 200ｌのドラム缶に入れられている。また、
ペレット状の廃棄物については施設によりその保管方法
が異なっているが、最終的には 200ｌのドラム缶に入れ
られる予定である。

【０００４】このような放射性廃棄物を固型化するため
には、流動性に富んだ固型化材料を200ｌのドラム缶に
流し込み、ドラム缶と廃棄物の間の空間や、廃棄物どう
しの空間を固型化材料で埋めてしまう方法が考えられて
いる。

【０００５】本願発明者らはこのような廃棄物を空隙の
少ない緻密な固化体にするため、特開昭 62-267699号公
報および特開昭 62-267700号公報に記載されたような固
型化材料を開発した。この固型化材料は、ポルトランド
セメントやアルミナセメントに代表される水硬性無機化
合物の結合材と、アルミナやシリカに代表される無機質
流動化材を混合した粉体と、骨材と、縮合リンサン塩や
ポリカルボン酸型高分子活性剤に代表される分散材を含
む混練水からなる。

【０００６】粉体と混練水を混合・混練すると、無機質
流動化材が混練水に含まれる分散材の作用で水硬性無機
化合物の結合材や骨材の周りに分散し水と同じ作用を与
えるため、非常に高い流動性を有する固型化材料のペー
ストを得ることができる。

【０００７】また、無機質流動化材は水硬性無機化合物
の結合材や骨材の間にできる空間に入り込むが、水硬性
無機化合物の結合材が硬化する際に生成する水酸化カル
シウムや水酸化アルミニウムと反応してガラス質の反応
生成物となり、これらの空間を埋めてしまう。

【０００８】すなわち、放射性廃棄物は、非常に緻密な
硬化物により封じ込められることになる。したがって、
廃棄物表面に付着した放射性核種も非常に緻密な硬化物
により、同時に封じ込められ、核種の固化体からの浸出
は抑えられる。

【０００９】この固型化材料を用いれば、ペレットや、
金属の切断片、フィルター、パッキンなどのような雑廃
棄物が入ったドラム缶に、この固型化材料のペーストを
流し込むだけで、放射性核種の浸出が小さい緻密な放射
性廃棄物の固化体を提供することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術による固型
化材料によれば、放射性廃棄物は非常に緻密な固型化材
料の硬化物で覆われているため、廃棄物表面に付着した
放射性核種の廃棄物からの浸出を抑制することが可能で
あった。

【００１１】しかしながら、原子力施設で発生する廃棄
物に含まれる主要核種のうち、Ｃｓ−１３７等は固化体
中や、固化体が処分後地下水と接した場合、非常に小さ
い水和イオンとして存在する。

【００１２】これらは、水硬性セメントの硬化物や無機
質流動化材と水硬性セメントの反応物であるガラス質中
の微細な空隙よりも小さいため移動しやすい。さらに周
りの物質はこれら核種との吸着等の反応性はほとんどな
い。

【００１３】また、Ｃｓ−１３７やＳｒ−９０は半減期
が約30年であり、たとえば1000分の１に減衰するには約
300年が必要となる。このような長い間には廃棄物自体
の分解劣化や硬化物の変質等が一因となって、緻密性が
失われ、孔径が大きくなることも考えられる。

【００１４】このような場合、硬化物自体にＣｓ−１３
７との吸着性がないため、空隙中の核種の移動速度は緻
密性が失われることによって速まる課題がある。

【００１５】従来から、セメント系固型化材料に対する
Ｃｓ−１３７の浸出を抑えるために、結晶性含水アルミ
ノケイサン塩（ゼオライト）の添加が有効であることが
示されてきた。

【００１６】しかしながら、セメントにこのような物質
を直接添加した場合、セメントの流動性が低下し、放射
性雑固体廃棄物どうしの狭い隙間までセメントを十分に
流し込んで充填し固化することはできず、固化体に空隙
が生じて緻密性が失われる課題がある。

【００１７】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、結晶性含水アルミノケイサン塩を添加しな
がら高い流動性を維持でき、かつ、たとえ固化体の緻密
性が失われてもＣｓ−１３７の浸出を十分抑えられ、よ
り安全性の高い放射性廃棄物の固化体を作ることができ
る放射性廃棄物の固型化材料を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は放射性廃棄物を
セメント系の固型化材料で固化するもので、その固型化
材料の構成は、重量％で水硬性無機化合物10から90％、
放射能吸着材１から30％、無機流動化材５から30％でか
つその粒径が10μｍ以下および分散材と残部骨材からな
ることを特徴とする。

【００１９】

【作用】本発明においては結合材としての水硬性無機化
合物に無機質流動化材と放射能吸着材および分散材を加
える。これによって、粒度が調整された無機質分散材の
粒子１個１個が水硬性無機化合物や骨材の周りに分散さ
れる。この際、約10μｍ以下の水硬性無機化合物も同様
に分散される。

【００２０】これらの分散された粒子は、水硬性無機化
合物と骨材の間に入り込み、これらの粒子間の滑りを向
上させる。その結果、固型化材料を構成する粒子は動き
やすい状態になり、固型化材料のペーストでの流動性が
向上する。

【００２１】一方、放射能吸着材の周りにも約10μｍ以
下の粒子が入り込み、これらの粒子間の滑りの向上に寄
与する。すなわち、放射能吸着材を添加しても高い流動
性を持つセメント系固型化材料が得られるのは、無機流
動化材を併用することによるものである。

【００２２】固型化材料中では時間と共に水硬性無機化
合物の水和反応が進み、水硬性無機化合物から水酸化カ
ルシウムや水酸化アルミニウムが溶出しはじめるが、こ
れら溶出物のイオン径は放射能吸着材の吸着サイトの孔
径よりはるかに大きいため、放射能吸着材の吸着能力は
固型化材料の硬化が進行している間や硬化反応終了後で
も保たれたままである。このため、放射性廃棄物からＣ
ｓ−１３７等の核種が溶出しても、放射能吸着材に吸着
され、このため、固化体からの浸出性が向上する。

【００２３】放射性廃棄物の経年劣化や硬化物の変質に
よって微細空隙の孔径が大きくなったとしても、放射性
廃棄物から溶出したＣｓ−１３７等の核種を、放射能吸
着材に吸着することが可能である。

【００２４】水硬性無機化合物を10から90重量％に限定
した理由は10％から90％の範囲内であれば十分な強度が
得られるが、10％未満では十分な圧縮強度が得られない
し、90％を超えると粘性が大きくなるので望ましくな
い。

【００２５】放射能吸着材を１から30重量％に限定した
理由は放射能吸着材を１％以上添加した固化材はそれを
添加しない固化材に比較して同等の流動性を有し、か
つ、Ｃｓ−１３７に対する分配係数が大幅に増加する。
一方、放射能吸着材が30％を超えると流動性（粘性）が
低下し、かつ圧縮強度が低下するので望ましくない。

【００２６】無機流動化材を５から30重量％でかつ粒径
が10μｍ以下に限定した理由は無機流動化材が５％未満
では流動性（粘性）が低下し、30％を超えると粘性およ
び圧縮強度が低下する。また、最小粒径が10μｍの無機
流動化材を15％添加した場合、最大10μｍ以下の無機流
動化材に比較して大幅に流動性が低下するので不可であ
る。

【００２７】骨材としては水硬性無機化合物のセメント
が硬化する際の収縮を防止し、得られた固型化物（固化
体）の強度を向上させて、固体中では粒子のまま存在す
る。また、固型化物中に含まれる水分量を少量にするこ
とができる。

【００２８】

【実施例】本発明に係る放射性廃棄物の固型化材料の実
施例について説明する。

【００２９】（実施例−１）水硬性無機化合物としてポ
ルトランドセメントを30wt％、無機質流動化材としてシ
リカおよびアルミナの混合微粉で最大粒径が10μｍ以下
のものを15wt％を計り取り、放射能吸着材と骨材を入れ
て合わせて 100wt％になるように原料を調合した。

【００３０】これらを均一に混合した後、分散材（β−
ナフタリンスルホン酸ホルマリン高縮合物ナトリウム塩
添加水溶液）を入れた水を添加し、約５分間、ミキサー
で混練した。なお、放射能吸着材を添加しない供試体に
ついても同様に作製した。

【００３１】混練後のペーストの流動性をＢ型回転粘度
粘計で測定した。流動性測定後のペーストを室温、相対
湿度90％以上で28日間養生した。養生後の固型化物の圧
縮強度を測定した後、メノウ乳鉢で42メッシュ以下に粉
砕した。次いで粉砕物５ｇ分取した。

【００３２】Ｃｓ−１３７が185Bq/mlの濃度で添加され
ている水に分取した粉砕物を添加し、３日間保持した。
この液を0.45μｍのポアサイズであるメンブレンフィル
ターで濾過し、濾液とフィルター上に残った固型化物中
のＣｓ−１３７の量をＧｅ（Ｌｉ）ガンマ線スペクトロ
メトリで測定した。これらの測定結果から、分配係数を
以下の式により求めた。

【００３３】

【数１】

【００３４】すなわち、分配係数が大きい方が、固型化
物中にＣｓ−１３７が多く含まれていることになり、放
射能の吸着性の優れていることを示す。

【００３５】試験結果を、放射能吸着材添加量に対する
分配係数、粘性（流動性）および圧縮強度の関係として
図１に示す。

【００３６】放射能吸着材を１wt％以上添加した固型化
物は、それを添加しない固型化物に比べて、同等の流動
性を有し、かつＣｓ−１３７に対する分配係数が大幅に
増加したことがわかる。また、放射能吸着材が30wt％に
なると、流動性が悪くなり、かつ、圧縮強度が低下しは
じめることがわかる。以上より、放射能吸着材は少なく
とも１wt％以上で30wt％以下が妥当であることが示され
る。

【００３７】（実施例−２）放射能吸着材を10wt％、無
機質流動化材としてシリカおよびアルミナの混合微粉で
最大粒径が10μｍ以下のものを15wt％を計り取り、水硬
性無機化合物としてポルトランドセメントを、さらに骨
材を入れて合わせて 100wt％になるように原料を調合し
た。

【００３８】これらを均一に混合した後、分散材（β−
ナフタリンスルホン酸ホルマリン高縮合物ナトリウム塩
添加水溶液）を入れた水を添加し、約５分間、ミキサー
で混練した。混練後のペーストの流動性をＢ型回転粘度
粘計で測定した。流動性測定後のペーストを室温、相対
湿度90％以上で28日間養生した。実施例−１と同様に、
養生後の固型化物の圧縮強度を測定した後、粉砕物のＣ
ｓ−１３７に対する分配係数を測定した。

【００３９】試験結果を、水硬性無機化合物（ポルトラ
ンドセメント）に対する分配係数、粘性（流動性）およ
び圧縮強度の関係として図２に示す。

【００４０】水硬性無機化合物の添加量は10wt％以上、
90wt％以下であれば十分な強度が得られることが示され
る。シリカ微粉およびアルミナ微粉の添加量は、各々の
最大が30wt％未満であれば流動性には影響しないこと、
またこれら微粉の粒径が10μｍ以上では、流動性が低下
することがわかる。

【００４１】（実施例−３）水硬性無機化合物としてポ
ルトランドセメントを30wt％、放射能吸着材を10wt％計
り取り、無機質流動化材としてシリカおよびアルミナの
混合微粉で最大粒径が10μｍ以下のものと骨材を入れて
合わせて 100wt％になるように原料を調合した。

【００４２】これらを均一に混合した後、分散材（β−
ナフタリンスルホン酸ホルマリン高縮合物ナトリウム塩
添加水溶液）を入れた水を添加し、約５分間、ミキサー
で混練した。なお、最小粒径が10μｍの無機質流動化材
を15wt％添加した場合についても試験した。

【００４３】混練後のペーストの流動性をＢ型回転粘度
粘計で測定した。流動性測定後のペーストを室温、相対
湿度90％以上で28日間養生した。実施例−１と同様に、
養生後の固型化物の圧縮強度を測定した後、粉砕物のＣ
ｓ−１３７に対する分配係数を測定した。

【００４４】試験結果を、無機質流動化材に対する分配
係数、粘性（流動性）および圧縮強度の関係として図３
に示す。

【００４５】無機質流動化材の添加量が５wt％より下で
は流動性が低下する。また、30％を超えると流動性と強
度が低下しはじめることがわかる。また、最小粒径が10
μｍの無機質流動化材を15wt％添加した場合、最大10μ
ｍ以下の無機流動化材の場合と比べて大幅に流動性が低
下する。

【００４６】（実施例−４）表１に示す組成で、各種セ
メント、骨材、無機質流動化材および放射能吸着材を均
一に混合した。これに分散材を入れた水を添加し、約５
分間、ミキサーで混練した。

【００４７】混練後のペーストの流動性をＢ型回転粘度
粘計で測定した。流動性測定後のペーストを室温、相対
湿度90％以上で28日間養生した。実施例−１と同様に、
養生後の固型化物の圧縮強度を測定した後、粉砕物のＣ
ｓ−１３７に対する分配係数を測定した。

【００４８】これらの結果を表１に示す。水硬性結合材
にアルミナセメントを用いた場合も、ポルトランドセメ
ントあるいは他のセメントとほぼ同様であることがわか
る。

【００４９】

【表１】

【００５０】本発明における処理対象の放射性廃棄物
は、ペレット、雑固体、スラッジあるいはこれらの混合
物のうちいずれでもよい。

【００５１】本発明に使用する水硬性無機化合物として
は、一般に建築および土木業界で使用されているセメン
トが使用できる。このセメントは、ポルトランドセメン
トもしくはポルトランドセメントに高炉スラグあるいは
シリカあるいはフライアッシュを混合させた混合セメン
トである。

【００５２】これらは、日本工業規格では、JIS-R 5210
に規定されたポルトランドセメント、JIS-R 5211に規定
された高炉セメント、JIS-R 5212に規定されたシリカセ
メント、JIS-R 5213に規定されたフライアッシュセメン
トに対応するが、いずれも水和反応を起こすセメント成
分はカルシウムシリケートである。

【００５３】また、アルミナセメントも一部で使用され
ている。これは、JIS-R 2511に規定されたアルミナセメ
ントであり、ポルトランドセメントとは異なり、水和反
応を起こすセメント成分は、カルシウムアルミネートで
ある。これらは水を混合することにより水和反応で固ま
るため、水硬性無機化合物と呼ぶ。

【００５４】放射能吸着材としては結晶性含水アルミノ
ケイサン塩が示される。例えば、モルデナイト、クリノ
プチロライト、チャンバサイトのような天然ゼオライト
や合成ゼオライトが例示され、この中でも規定として
は、ゼオライト中のＳｉ／Ａｌ比が５以下のものであれ
ばよい。

【００５５】また、無機質流動化材としては、粒径10μ
ｍ以下無機質酸化物が使用可能であり、例えばアルミナ
質微粉、シリカ質微粉あるいはこれらの混合物などを使
用する。

【００５６】分散材としては、縮合リンサン塩、ポリカ
ルボン酸型高分子活性剤およびβ−ナフタリンスルホン
酸ホルマリン高縮合化合物ナトリウム塩、あるいはこれ
らの混合物が使用可能である。例えば、縮合リンサン塩
としては、ピロリン酸ソーダ、テトラポリリン酸ソー
ダ、ヘキサメタリン酸ソーダ、ウルトラポリリン酸ソー
ダなどが例示される。

【００５７】骨材としては川砂、シリカサンド、粘土系
シャモット、焼成ボーキサイトなどが例示される。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、含水量が少なく、か
つ、低粘性の水硬性固化材によって放射性廃棄物を固化
することにより、特にセシウムに対して吸着性に富んだ
放射性廃棄物の固化材を容易に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る放射性廃棄物の固型化材料の放射
能吸着材添加量に対する分配係数、粘性、および圧縮強
度の関係を示す特性図。

【図２】図１と同じく、水硬性無機質化合物に対する分
配係数、粘性、および圧縮強度の関係を示す特性図。

【図３】図１と同じく、無機質流動化材に対する分配係
数、粘性、および圧縮強度の関係を示す特性図。

【符号の説明】

１…分配係数、２…粘性、３…圧縮強度。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放射能取扱い施設で発生する放射性廃棄
   物をセメント系の固型化材料で固化するもので、その固
   型化材料の構成は重量％で、水硬性無機化合物10から90
   ％、放射能吸着材１から30％、無機流動化材５から30％
   でかつその粒径が10μｍ以下および分散材と残部骨材か
   らなることを特徴とする放射性廃棄物の固型化材料。
2. 【請求項２】 水硬性無機質化合物は、カルシウムシリ
   ケートおよびカルシウムアルミネートを主成分とする水
   硬性セメントであることを特徴とする請求項１記載の放
   射性廃棄物の固型化材料。
3. 【請求項３】 放射能吸着材は結晶性含水アルミノケイ
   サン塩であることを特徴とする請求項１記載の放射性廃
   棄物の固型化材料。
4. 【請求項４】 無機質流動化材は、アルミナ質微粉、シ
   リカ質微粉等の無機質酸化物のうちから選ばれた１種ま
   たは２種以上からなることを特徴とする請求項１記載の
   放射性廃棄物の固型化材料。
5. 【請求項５】 分散材は、縮合リンサン塩、ポリカルボ
   ン酸型高分子活性剤あるいはβ−ナフタリンスルホン酸
   ホルマリン高縮合化合物ナトリウム塩から選ばれた１種
   または２種以上からなることを特徴とする請求項１記載
   の放射性廃棄物の固型化材料。