JPH0740077B2 - 高放射性廃棄物の処理方法 - Google Patents

高放射性廃棄物の処理方法

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JPH0740077B2
JPH0740077B2 JP31840389A JP31840389A JPH0740077B2 JP H0740077 B2 JPH0740077 B2 JP H0740077B2 JP 31840389 A JP31840389 A JP 31840389A JP 31840389 A JP31840389 A JP 31840389A JP H0740077 B2 JPH0740077 B2 JP H0740077B2
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水明 堀江
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、使用済燃料の再処理工程等で発生する高レベ
ル放射性廃棄物の仮焼体を高温で処理することにより、
白金族元素を分離回収し、残渣酸化物を減容度の高い廃
棄物固化体にする処理方法に関するものである。
[従来の技術] ピューレックス法による使用済燃料の再処理で発生する
高レベル放射性廃棄物は、硝酸液中に崩壊生成物(フィ
ッション・プロダクト)が溶液またはスラリーの形で含
まれている。この高放射性廃棄物は、将来、ガラス等に
固体化される。この固体化の方法は媒体中に崩壊生成物
を混入する方法である。媒体としてはガラスや合成岩石
(シンロック)など多種類の材料が研究されている。媒
体中の崩壊生成物の濃度は、崩壊生成物中の元素の媒体
への溶解度や化学的耐久性(水への浸出率)の問題から
約10%程度に制限されている。固化体の体積は、その貯
蔵・処分の費用を低減させるため小さくすべきであり、
そのためには固化体中の崩壊生成物の含有率を上げる必
要があるが、上記の理由により現状では困難である。
一方、高放射性廃棄物中には有用元素であるRu(ルテニ
ウム)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)の白金族元
素が含まれている。高放射性廃棄物からこれら白金族元
素を回収する試みは長年続けられてきており、従来技術
としては次の3つの方法が知られている。それらは、 高放射性廃棄物の硝酸溶液から燐酸エステルを用いて
目的核種を分離する溶媒抽出法 高放射性廃棄物をガラス溶融する際、鉛を添加し白金
族元素を鉛層に移行させて分離する鉛抽出法 放射性廃棄物をイオン交換処理し、目的核種を分離す
るイオン交換法 である。
[発明が解決しようとする課題] しかし上記のような従来の白金族元素の回収方法は、そ
れぞれ次のような欠点がある。
溶媒抽出法は燐酸エステルが二次廃棄物となり、再処
理で使用するTBP(トリブチルフォスフェイト)とは種
類が異なるため、廃TBPと別個の廃溶媒処理方法(処理
方法の研究開発及び処理プラント建設等)が必要とな
る。この費用は多大であり、回収する白金族元素のコス
トを市販価格以上に引き上げ、高放射性廃棄物からの白
金族元素回収は経済的に引き合わないものとなる。
鉛抽出法は、鉛以外の添加物を使用しない点で有利で
あるが、抽出効率を上げるため、高放射性廃棄物のガラ
ス固化体製造に使用するガラスと異なる組成の低粘度の
ガラスを使わなければならず、鉛と白金族元素との分
離、使用した鉛の二次廃棄物化など解決しなければなら
ない問題が多い。
イオン交換法の場合には、イオン交換樹脂が硝酸と接
触することにより燃焼性物質が生成するため、安全性の
面で問題がある。
更にこれらどの方法を採用しても二次廃棄物が生じ、高
放射性廃棄物の高減容処理を行うことができない。
本発明の目的は上記のような従来技術の欠点を解消し、
添加物を加えることなく白金族元素を容易に回収でき、
また二次廃棄物が発生せず、高放射性廃棄物の高減容固
化を実現できる処理方法を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 上記のような技術的課題を解決できる本発明は、高放射
性廃棄物の仮焼体を還元状態において1000℃以上の高温
で加熱溶融処理し、仮焼体中に存在するMo(モリブデ
ン)を還元して白金族元素と合金化させ、得られる白金
族合金層を酸化物層から沈降分離して回収し、残渣酸化
物を固化体にする高放射性廃棄物の処理方法である。
高放射性廃棄物は、通常、使用済燃料の再処理工程にお
ける抽出残渣として得られる硝酸溶液であり、使用済燃
料中の殆ど全ての崩壊生成物を含有している。本発明で
は、この硝酸溶液を加熱し、水分及び硝酸を蒸発させて
仮焼体を得る。その仮焼体を還元状態において1000℃以
上の高温で加熱溶融処理すると、仮焼体中に存在するMo
が還元され白金族元素と合金化し、得られる白金族合金
層は酸化物層よりも下層に沈降し、酸化物層から分離で
きる。白金族合金を回収し、残渣酸化物層を固化体にす
る。
本発明は二つの概念を有している。第1は処理の厄介な
二次廃棄物を生じる添加物を加えることなく、高放射性
廃棄物を固体化すること、第2は高放射性廃棄物中の白
金族元素を高温で還元し、金属態として分離することで
ある。
高放射性廃棄物の加熱処理における酸化還元状態の制御
は、加熱温度、加熱雰囲気、還元剤の添加により行う。
加熱温度は1000℃以上とする。1000℃未満ではPd,Rhは
金属に還元されるが、Ru,Moは還元されない。よって150
0〜2000℃で加熱処理することが好ましい。2000℃以上
ではRu−Pd−Rh−Mo系の合金は溶融するので、それ以上
の高温は必要ない。
加熱雰囲気の制御は還元反応を促進するために行う。空
気下においても、より高温にすることにより還元反応を
行わせることはできるが、2000℃以上では溶融炉の構
造、炉の材料、溶融容器の材料等、加熱技術において多
くの困難があり、より低い温度で処理することが必要で
ある。このため本発明では酸素含有量を低減した空気、
窒素もしくはアルゴンの雰囲気下で行うのが望ましい。
還元剤は、より一層の還元反応促進のために使用する。
還元剤としては二次廃棄物を生じさせないため水素や一
酸化炭素等の気体還元剤、炭素等の酸化還元反応におい
て気体化する還元剤、アルカリ土類金属や希土類元素な
ど廃棄物となる酸化物層の構成元素である還元剤を使用
する。
これらの加熱温度、雰囲気、還元剤は反応条件により適
宜組み合わせて設定し使用する。
[作用] 使用済燃料中の核分裂生成物は金属元素、非金属元
素、希土類元素に大別できる。金属元素としてはアル
カリ土類金属やMo等の遷移金属、白金族元素等がある。
高放射性廃液の仮焼体を高温で加熱することにより、
の非金属元素およびの金属元素の中のアルカリ金属の
大部分が除去される。それらはSb,Te,Cs,Rb等である。
その結果、仮焼体の主成分は、燃焼度45000MWD/MTU、冷
却期間5年の使用済燃料の場合、含有量が100g/MTU以下
の元素を除くと次のようになる。
・アルカリ土類金属(Sr,Ba) … 3.3kg/MTU 8.7% ・遷移金属(Zr,Mo,Tc) …10.5kg/MTU 27.9% ・白金族元素(Ru,Rh,Pd) … 5.4kg/MTU 14.3% ・希土類元素(Y,La,Ce,Pr,Nd,Eu,Gd)…18.5kg/MTU 4
9.1% 合計 …37.7kg/MTU 従って、この仮焼体を更に加熱し焼結溶融することによ
り、通常の高放射性廃棄物の固化体の崩壊生成物含有量
約10%に比べて減容度の高い固化体が得られる。ガラス
固化体では崩壊生成物に対し10倍の重量となり使用済燃
料1トン当たり数百の容積の固化体となるが、本発明
では容積数十の固化体にしうる。これはピューレック
ス法再処理で発生する廃棄物とは種類の異なる二次廃棄
物を生じさせることなく可能である。
更に本発明では仮焼体の加熱溶融処理において、系を還
元状態におくことにより白金族元素を回収分離できる。
白金族元素は、その酸化物生成の自由エネルギーが小さ
く、加熱されることにより金属状態にまで還元されるこ
とが知られている。また仮焼体中には酸化物生成自由エ
ネルギーが比較的小さいMoが含まれている。仮焼体中に
含まれるMoの融点は2623℃であり、白金族元素の融点は
Pdが1554℃、Rhは1963℃、Ruは2254℃である。RuはRhと
その結晶型を異にしているため全率に固溶せず、またPd
はRh,Ruと共晶点をもつ合金を生成しない。従って白金
族元素及びその合金系では、融点が2000℃以上になるこ
とがあり、仮焼体の溶融により白金族元素を単独または
合金として酸化物である残渣と分離させることは困難で
あった。相としては分離しても、溶融体として二層に互
いに分離させるには溶融温度は極めて高くなる。
しかしMoが存在すると、それは白金族元素と融点の低い
合金を形成する。Moと白金族元素との合金において、最
も低い融点はMo−Ru系で1948℃、Mo−Pd系で1737℃、Mo
−Rh系で1940℃である。このようにRuのような融点が22
54℃の白金族元素もMoと合金化させることにより融点を
下げることができる。
本発明はこの現象を利用し、Ru,Rd,Rh,Moを2000℃以下
の温度で溶融する形態に還元し、溶融合金層を形成さ
せ、酸化物層と分離させることにより白金族元素を回収
し、残りの崩壊生成物の酸化物を減容度の高い固化体に
するものである。
この崩壊生成物の酸化物の組成は、前述の仮焼体の成分
の場合には次のようになる。
・アルカリ土類金属(Sr,Ba) … 3.3kg/MTU 11.9% ・遷移金属(Zr,Tc) … 6.0kg/MTU 21.6% ・希土類元素(Y,La,Ce,Pr,Nd,Eu,Gd)…18.5kg/MTU 6
6.5% 合計 栄27.8kg/MTU 白金族元素は、その放射能の減衰または放射性同位体の
分離によって有効利用に供することができるから、放射
性廃棄物として所謂「地層処分」の対象となるのは残り
の希土類元素を主成分とする酸化物となる。これは使用
済燃料1トン当たり27.8kgであり、アクチニドのNp(0.
7kg/MTU),Am(0.5kg/MTU)を加えても約30kgにすぎな
い。それらの比重は約5であるから容量は6/MTUであ
り、ガラス固化体の容量180/MTUに比較し1/30にな
る。
このように本発明により高放射性廃棄物の貯蔵・処分に
おける大幅な費用削減が可能となる。即ち高放射性廃棄
物を高温処理し、その酸化還元処理状態を制御すること
により、α核種に比べ貯蔵・処分において低コストの
取り扱いが期待されるβγ核種である揮発性元素と、
有用金属である白金族元素と、希土類を主成分とする
酸化物の高減容の固化体に放射性廃棄物を大別分離し処
分することができる。
[実施例] 第1図は本発明方法を実施するための処理装置の一例を
示す概念図である。これはボトムフロー型の装置例であ
る。高放射性廃棄物の仮焼体は溶融容器10に入れられ
る。仮焼体は加熱還元処理され、比重の大きな白金族元
素の層12と比重の小さな酸化物層14に分離する。白金族
元素の層12と酸化物の層14は順次底部の流下ノズル16か
ら流下し、別の容器内に注入し固化する。
第2図は本発明方法の実施に用いる処理装置の他の例を
示す概念図である。これはオバーフロー型の装置例であ
る。高放射性廃棄物の仮焼体は溶融容器20の中央部分に
入れられ、加熱溶融処理される。下方に位置する白金族
元素の層12及び上方に位置する酸化物の層14はそれぞれ
矢印で示す流路22,24を経て、流下ノズル26,28から流下
し、別の容器内に注入して固化する。
装置構成は上記2つの例に限られるものではなく、ボト
ムフロー型とオバーフロー型の中間型の装置構成も考え
られる。即ち白金族元素層はボトムフローにより流下さ
せ注入固化し、酸化物層はオバーフローにより流下させ
注入固化する。
仮焼体の加熱処理は、高放射性廃棄物のガラス固化で採
用されているヒーター方式や直接通電方式、高周波加熱
方式等を適用できる。
次に具体的な実験例について述べる。燃焼度45000MWD/M
TU、冷却期間5年の使用済燃料中の崩壊生成物の組成を
ORIGENコードによって計算して相当する高放射性廃液の
模擬廃液を合成し、この模擬廃液を600℃に加熱し仮焼
体とした。
仮焼体を45gボロンナイトライドのルツボに入れアルゴ
ン雰囲気下で1800℃−1時間の加熱溶融処理を行った。
冷却後ルツボを破壊し内容物を取り出した。内容物は2
種類に分かれ、底部には金属の固まりがあり残渣部分か
ら容易に分離できた。金属部分をX線マイクロアナライ
ザー(EPMA)で分析した結果、Ru−Pd−Moが検出され
た。Rhは検出波長がRuの検出波長と重なるため未確認で
ある。この金属部分の重量は仮焼体中のRu−Pd−Rh−Mo
の重量の約90%であった。残渣部分について、その浸出
量をJIS−R3502に準じた方式で測定した。浸出率は8×
10-5g/cm2・dであり、ガラス固化体とほぼ同程度であ
り高放射性固化体としての化学的耐久性を有しているこ
とが確認された。
[発明の効果] 本発明は上記のように高放射性廃棄物の仮焼体を還元状
態において1000℃以上の高温で加熱溶融処理する方法で
あるから、添加物を加えることなく白金族元素を分離回
収でき、処理プロセスの単純化並びに処理装置の小型化
を図ることができる。また添加物を加えないため二次廃
棄物が発生せず、残渣酸化物をそのまま固化体にするた
め従来のガラス固化処理に比べて数十分の一もの大幅な
減容固化を実現でき、高放射性廃棄物の貯蔵・処分にお
ける大幅な費用削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明方法の実施に用いる処理装置の一例を示
す概念図、第2図は処理装置の他の例を示す概念図であ
る。 10,20……溶融容器、12……白金族元素の層、14……残
渣酸化物層、16,26,28……流下ノズル。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高放射性廃棄物の仮焼体を還元状態におい
    て1000℃以上の高温で加熱溶融処理し、仮焼体中に存在
    するモリブデンを還元して白金族元素と合金化させ、得
    られる白金族合金層を酸化物層から沈降分離して回収
    し、残渣酸化物を固化体にすることを特徴とする高放射
    性廃棄物の処理方法。
  2. 【請求項2】加熱溶融処理を1500〜2000℃で行う請求項
    1記載の処理方法。
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