JPH07104436B2 - 磁場を利用した放射性廃棄物固化用電気溶融炉および溶融方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、原子力施設や使用済核燃料の再処理施設等か
ら発生する放射性廃棄物をガラス固化処理するために使
用する電気溶融炉および溶融方法に関するものである。

＜従来の技術＞ 原子力施設や再処理施設から発生する高放射性廃棄物を
より安全に輸送・貯蔵及び処分するための固化形態とし
てガラス固化体がある。高放射性廃棄物とガラス原料
（以後両者を含めて単に原料と言う）を溶融炉内に供給
すると、原料は溶融炉の溶融ガラス表面を覆うような状
態になり、溶融ガラスからの熱移動により、廃棄物中の
水分の蒸発、仮焼、ガラス化反応が連続的におこり、既
に存在する溶融ガラスと混ざり合って均質なガラスとな
る。溶融ガラスを高温に保持するために必要なエネルギ
ーは、溶融ガラス中に対向して配置した少なくとも一対
の電極間に電流を流し、その間に存在する溶融ガラスを
ジュール発熱させることにより供給される。溶融された
ガラスは連続的にまたは間歇的にキャニスタと呼ばれる
金属容器に注入され、そのキャニスタは貯蔵施設内で貯
蔵され、最終的には深地層中に埋設する等の方法により
処分されることが計画されている。

＜発明が解決しようとする課題＞ この種の溶融炉は、運転員の放射線被爆量低減のためセ
ルと呼ばれる放射線遮蔽を施された空間に配置され、遠
隔操作により運転、保守及び交換がなされるものである
から、可及的小型化、軽量化して、溶融炉が寿命に達し
た後の二次廃棄物量もできるだけ少なくしたいという要
請がある。ところが上述したように、原料は主として溶
融ガラス表面からの熱移動により加熱溶融されるので、
溶融炉の処理能力を増加させようとすると溶融ガラスの
上面の面積（以下溶融表面積という）を大きくする必要
があり、これに伴って溶融炉が大型化し、溶融炉が寿命
に達した後の二次廃棄物量も増加することになった。

また、高放射性廃棄物に含まれているRu、Pd、Rh等の白
金族元素はガラスに難溶性で、比重が大きいため、溶融
炉の炉底に沈降堆積する。Pd、Rhはガラス中では還元さ
れて電気の良導体である金属として存在し、Ruは金属又
はRuO₂結晶として存在するが、RuO₂は酸化物ではあって
も電子部品用の導電性ペースト等に用いられているよう
に電気の良導体である。このような良導電性物質が高濃
度に炉底に堆積すると、炉底近傍のガラスの高温固有抵
抗値は上部のガラスに比べて小さくなり（白金族元素を
高濃度に含む炉底近傍のガラスを、以後、炉底堆積物と
いう）、電極間に流す電流が炉底に集中して炉底の温度
が異常に上昇し、逆に溶融炉表面のガラス温度が下がっ
て原料溶融能力を低下させることになった。

更にまた、溶融炉の底面をほぼ水平とするときには、炉
底に堆積した白金族元素はガラスをキャニスタに流下し
ても流動せず、益々炉底に累積して遂には運転をできな
くさせた。このような不都合をなくすには、炉底に30゜
〜70゜の勾配を設けることで炉底に取り付けたガラス流
出口から連続的又は間歇的にガラスを炉底堆積物と共に
抜き出し可能となし、炉底と電極との距離を一対の電極
間距離の約1/2以上とする必要があったが、しかし、こ
のようにすると溶融炉が深くなり、炉底近傍のガラスの
温度低下を招いた。

本発明はガラス溶融炉の小型軽量化、ガラス溶融速度の
増大、炉底堆積物の堆積防止といった課題を解決するこ
とを、その目的としている。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明の磁場を利用した放射性廃棄物固化用電気溶融炉
は、ガラス溶融炉の炉壁に対向して設けられ該ガラス溶
融炉内の溶融ガラスに交流電流を通じる複数の電極と、
該ガラス溶融炉の炉壁に対向して設けられ該電流と交叉
する交番磁界を発生させる複数の磁極とを有するととも
に、該電極および磁極の幅を該ガラス溶融炉の壁面の幅
より十分に狭くし、これらの電流と磁界とが交叉する部
分の溶融ガラスに部分的に電磁力を作用させることによ
り溶融ガラス内に強制的に対流を生じさせるようにした
ことを特徴とするものである。上記磁極の先端は、溶融
炉の炉壁を貫通させて配設してもよく、或いは溶融炉の
炉壁を貫通させずに炉壁の内部に位置せしめて配設して
もよい。また、上記磁極に交番磁界を発生させるための
励磁巻線は常電導性を示す材料から構成することがで
き、或いは超電導性を示す材料から構成して超電導性を
示す条件下で使用することもできる。さらに、平坦な炉
底を有する溶融炉では、上記磁極をその平坦な炉底近傍
に配設することが、炉底堆積物の堆積防止の目的には好
ましく、一方、勾配を付した炉底を有する溶融炉では、
上記磁極をその勾配を付した炉底の近傍に補助電極と共
に配設することが好ましい。

また、本発明の方法は、ガラス溶融炉に設けられた複数
の電極間で溶融ガラスに交流電流を通じると共に、該ガ
ラス溶融炉に設けられた複数の磁極によりこの電流に交
叉する交番磁界を発生させ、これらの電流と磁界とが交
叉する部分の溶融ガラスに部分的に電磁力を作用させる
ことによって溶融ガラス内に強制的に対流を生じせし
め、これによって該溶融ガラスから溶融表面に存在する
未溶融原料への伝熱を促進することや、溶融炉炉底に沈
降し易い物質の炉底への沈降蓄積を抑制防止することが
可能となる。

＜作 用＞ 加熱用の直接通電電流と磁界とが交叉する部分の溶融ガ
ラスには、フレミングの左手の法則により、部分的に電
磁力が作用し、この結果、溶融炉内の溶融ガラスに強制
的に対流を促進させる力を生じさせる。この対流によっ
て、溶融ガラスから溶融表面上の原料層への伝熱量の増
加、溶融能力の向上を図ること、炉底堆積物の沈降堆積
を抑制防止することが可能となる。

＜実施例＞ 第１図は、電気溶融炉１の槽内に磁場をかけた場合の基
本構造を示したものである。溶融炉１の向かい合う１組
の側壁には電極２、３が挿入され、電極２、３は変圧器
４の二次巻線側と電気的に接続することによって、溶融
ガラス８（図中、一点鎖線は溶融ガラス液面位置を示
す）に交流電流を通電し、この電流により溶融ガラス８
を発熱させる。また、溶融炉１の向かい合う他の１組の
側壁には磁極５、６が挿入され、磁極５、６は変圧器４
の一次巻線側と電気的に接続する磁極励磁巻線７によっ
て上記溶融ガラス８中を流れる電流と交叉する交番磁界
を発生させる。磁界の磁束密度をＢ、流体中の電流密度
をＪとしたとき、流体の単位体積当たりに発生する電磁
力Ｆは、フレミングの左手の法則により下式で表すこと
ができる。

Ｆ＝Ｊ×Ｂ 但し、Ｆ、Ｊ、及びＢはベクトル量とする。

通電電流と磁界は時間的にその大きさと方向が変化する
が、発生する力Ｆの方向は変化しない。このため電流と
磁界が交叉する部分の溶融ガラス８に部分的に一方向の
電磁力が生じ、その結果、溶融炉１内に強制的に対流が
引き起こされる。本発明は、このように電流を通じた溶
融ガラス８を磁界中におき、溶融ガラス８に部分的に発
生する力により溶融炉１内の溶融ガラス８に対流の駆動
力を生じさせるという基本構造を立脚するものである。

磁極励磁用巻線７には常電導物質製のほか、超電導物質
を利用して、超電導性を示す条件で使用するようにして
もよい。

溶融炉１内における溶融ガラス８が電極２、３間に通じ
た電流により加熱されたとき、第２図の矢印で示すよう
な自然対流が生じる。溶融ガラス８で発生する熱は、対
流熱伝達及び輻射により溶融ガラス８から溶融表面に存
在する原料層９に移動し、主にこの熱量Ｑによって溶融
炉１に供給されるガラス原料9aと放射性廃棄物9bは溶融
されることについては既に述べた通りである。一般に溶
融炉１を構成する耐火物は通常複層構造であるが、図示
するを省略している。

磁極５、６は、第３図（ａ）に示すように、溶融炉１側
壁を貫通して溶融ガラス８と接触するように槽内に挿入
してもよいし、第３図（ｂ）に示すように、充分な透磁
率を有する耐火物で溶融炉１を構成し、その耐火物の内
部に磁極５、６を設置して、溶融ガラス８と接触しない
ようにすることもできる。

第３図（ａ）と第３図（ｂ）は、また、磁束Ｂと電流Ｊ
がほぼ直交するように配置されることを示し、第４図は
その縦断面を示している。この例では、磁束Ｂと電流Ｊ
の向きを決めるに当たって、第２図に示した溶融ガラス
８の自然対流の向きとほぼ一致するように、磁束Ｂと電
流Ｊとの相互作用によって溶融ガラス８に生じる電磁力
Ｆの向きを下向きとしている。第５図は、この場合の、
溶融ガラスの促進された対流を模式的に示している。対
流の促進により溶融ガラス８から原料層への熱伝達量が
増加し、全体としての熱の移動量Ｑ′は磁場をかけない
場合の熱の移動量Ｑに比べ、同じ伝熱面積では大きくな
る。つまり同じ溶融表面積で比較すれば、前者は後者に
比べ原料の溶融速度が大きくなり、同じ溶融速度で比較
すれば溶融表面積がより小さくて済む。この故、直接通
電溶融炉に磁場をかけることで溶融炉の小型軽量化が達
成できるのである。

以上は主に溶融ガラス８の対流促進によって溶融速度を
増大させるという見地から述べたが、つぎには炉底堆積
物の沈降堆積の抑制という見地から説明する。第６図
は、平らな炉底部に炉底堆積物10が堆積した様子を示し
ている。既述の如く炉底堆積物10は溶融ガラス８より比
抵抗が小さいから、電極５、６間に通電すると、その電
流は、炉底堆積物10が堆積していない場合に比べて、よ
り槽底部に集中する傾向を示す。符号11の凹状の矢印
は、このことを意味した炉底堆積物10を流れる代表的な
電流線である。

かような溶融炉１に、電流にほぼ直交する磁束を発生さ
せる磁極を取り付けて、第５図と同様に溶融ガラスに強
制的な対流を生じさせることにより、溶融ガラス中に炉
底に沈降し易い導電性物質が含まれていても、これを絶
えず流動させて溶融ガラスと共に炉から排出できるの
で、炉底への沈降及び堆積が抑制又は防止でき、炉底堆
積物10への電流集中を生じることなく、円滑に溶融炉１
を運転することができる。なおこの場合には、炉底近傍
の深さに磁束密度Ｂが最も高くなるようにするために、
磁極を炉底近傍に配設することが好ましい。また、炉底
を平坦にすれば、炉底に傾斜をつける構造に比べて、溶
融炉１の構造がより単純になるだけでなく、炉の深さを
より浅くし、溶融炉１を小型軽量化することができるこ
と、いうまでもない。

第７図と第８図の実施例は、炉底のガラス流出口に向か
って炉底に勾配をつけた実施例を示している。溶融炉が
深くなると、炉底近傍の溶融ガラス８の温度が低下し易
くなるから、炉底付近の溶融ガラス８を通電加熱するた
めの一対の補助電極2a、3aを炉底付近に設けている。更
にこの補助電極2a、3a間で通電する電流とほぼ直交する
磁束が得られるように磁極５、６が配置されている。

もし磁界がないとすると、溶融ガラス８をガラス流出口
12のフリーズバルブ（図示せず）により定期的に抜き出
すまでの間に、炉底堆積物10が徐々に炉底に蓄積して補
助電極2a,3a間抵抗を小とするから、炉底付近の溶融ガ
ラス８を昇温するのに電極2,3にはより電流を多く流す
必要が生じ、ひいては電極2,3の侵食抑制のために電流
の電極表面密度を一定値以下にする目的から電極2,3を
大型化して必要な表面積を確保せざるを得なくなる。し
かし磁界をかけると、炉底付近に対流が生じ、炉底堆積
物を流動させて沈降堆積を抑制防止することができ、補
助電極2a,3a間抵抗の低下は抑制され、結果的に電極
２、３の大型化を避けることができる。また、勾配をつ
けた炉底に磁極５、６を配設したこの実施例では、溶融
炉１の炉底を平坦にした場合に比べると、磁極５、６は
小さくてよく、必要な磁束も少なくて済むことになる。

＜発明の効果＞ 本発明によれば、加熱用の直接通電電流と磁界とが交叉
する部分の溶融ガラスに部分的に電磁力をじさせ、これ
によって溶融炉内の溶融ガラスに強制的に対流を促進す
る力を生ぜしめるようにしたから、溶融ガラスから溶融
表面上の原料層への伝熱量が増加し、溶融能力を向上さ
せることができ、同じ溶融能力では溶融炉を小型、軽量
化して、溶融炉が寿命に達したときの二次廃棄物量を減
らすことができる。また強制的な対流による槽内溶融ガ
ラスの流動によって、溶融炉の炉底を平坦な構造としな
がら、炉底堆積物の炉底への沈降、堆積を抑制防止でき
るようになる。

更に炉底に勾配を有する溶融炉とした場合にあっては、
炉底堆積物の沈降、堆積を抑制防止することにより、炉
底近傍の溶融ガラスを直接通電加熱するための補助電極
の寸法を小さくすることができる。

その他、励磁巻線に超電導物質を利用し、超電導性を示
す条件で電流を通じれば、磁極に生じる磁束密度をより
大きくでき、溶融ガラスに生じる対流をより促進できる
し、その耐火物の内部に磁極を設置して、溶融ガラスと
接触しないようにすると、溶融ガラスとの接触による磁
極の腐触を減少できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる磁場を利用した放射性廃棄物固化
用電気溶融炉の基本構造を示した説明図、第２図は電極
間に通じた電流により加熱されたときの主な流れの様子
を模式的に示した説明図、第３図（ａ）と第３図（ｂ）
は磁極の配設の仕方並びに磁界の磁束密度Ｂ、流体中の
電流密度Ｊ、流体の単位体積当たりに発生する電磁力Ｆ
との関係を示す説明図、第４図は第３図（ｂ）の縦断面
図、第５図は第４図の場合における溶融ガラスの対流を
模式的に示す説明図、第６図は炉底が平らな場合の炉底
堆積物と、その炉底堆積物を流れる代表的な電流線を示
す説明図、第７図と第８図は炉底に設けたガラス流出口
に向かって炉底に勾配をつけたときの実施例の横断面図
と縦断面図である。 １……ガラス溶融炉、２、３……電極、2a、3a……補助
電極、 ４……変圧器、５、６……磁極、７……磁極励磁巻線、
８……溶融ガラス、 ９……原料層、9a……高放射性廃棄物、9b……ガラス原
料、 10……炉底堆積物、11……炉底堆積物を流れる代表的な
電流線、 12……ガラス流出口。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガラス溶融炉の炉壁に対向して設けられ該
   ガラス溶融炉内の溶融ガラスに交流電流を通じる複数の
   電極と、該ガラス溶融炉の炉壁に対向して設けられ該電
   流と交叉する交番磁界を発生させる複数の磁極とを有す
   るとともに、該電極および磁極の幅を該ガラス溶融炉の
   壁面の幅より十分に狭くし、これらの電流と磁界とが交
   叉する部分の溶融ガラスに部分的に電磁力を作用させる
   ことにより溶融ガラス内に強制的に対流を生じさせるよ
   うにしたことを特徴とする磁場を利用した放射性廃棄物
   固化用電気溶融炉。
2. 【請求項２】上記磁極の先端は溶融炉の炉壁を貫通させ
   て配設されることを特徴とする請求項１の磁場を利用し
   た放射性廃棄物固化用電気溶融炉。
3. 【請求項３】上記磁極の先端は溶融炉の炉壁を貫通させ
   ずに炉壁の内部に位置せしめて配設されることを特徴と
   する請求項１の磁場を利用した放射性廃棄物固化用電気
   溶融炉。
4. 【請求項４】上記磁極に交番磁界を発生させるための励
   磁巻線は常電導性を示す材料か又は超電導性を示す材料
   から構成したことを特徴とする請求項１の磁場を利用し
   た放射性廃棄物固化用電気溶融炉。
5. 【請求項５】上記溶融炉は平坦な炉底を有し、上記磁極
   はその平坦な炉底近傍に配設されていることを特徴とす
   る請求項１の磁場を利用した放射性廃棄物固化用電気溶
   融炉。
6. 【請求項６】上記溶融炉は勾配を付した炉底を有し、上
   記磁極はその勾配を付した炉底の近傍に補助電極と共に
   配設されていることを特徴とする請求項１の磁場を利用
   した放射性廃棄物固化用電気溶融炉。
7. 【請求項７】ガラス溶融炉に設けられた複数の電極間で
   溶融ガラスに交流電流を通じると共に、該ガラス溶融炉
   に設けられた複数の磁極によりこの電流と交叉する交番
   磁界を発生させ、これらの電流と磁界とが交叉する部分
   の溶融ガラスに部分的に電磁力を作用させることによっ
   て溶融ガラス内に強制的に対流を生じさせることを特徴
   とする磁場を利用した放射性廃棄物固化用電気溶融方
   法。