JPS5946893B2 - ガラス化溶融炉の起動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高レベル放射性廃棄物等をガラス化溶融する
ための直接通電ジュール熱溶融炉を起動・再起動する方
法の改良に関するものである。

高レベル放射性廃棄物等の処分法として、ガラス化溶融
処理法が試みられている。

例えば、核燃料再処理工程で分離された使用済核燃料の
高レベル放射性廃液は、貯槽に受は入れられ一定期間冷
却された後、液状にて硝酸根の分解を図り、必要に応じ
て脱水を行い廃液の濃度が高められる（脱硝・濃縮）。

次いで最終目標組成に合致するようガラス化添加物が加
えられ、泥漿状廃液（スラリー）とし、ポンプやエアリ
フトにより溶融炉へ投入される。

この間にスプレー、流動層またはドラム状の仮焼器によ
って液状から粉体状へ変える工程が加わることもある。

ガラス溶融炉で１０００〜１３５０℃で溶融されガラス
となった廃棄物は流し出されキャニスタ−と称する耐熱
鋼製容器に移し替えられ、冷却された後、ガラス固体と
なり貯蔵施設に運ばれ、数年もしくは数十年の冷却期間
をおいて、更に安全な場所に運送され長期間の処分場に
置かれることになる。

このような高レベル放射性廃液のガラス化に用いる溶融
炉として代表的なものに、直接通電ジュール熱溶融炉が
ある。

これは、溶融ガラス中に、ガラスに接触するよう設けら
れた電極間に電流を流すことによって、ガラス中で発熱
し、その熱量でガラスの温度が上昇し、かつ上部から供
給された原料も溶融されガラス化するようにしたもので
ある。

ところが、ガラスは通常、室温において絶縁性を有し、
電流を通すことはできないので、直接通電が行なわれる
まで予熱しなければならない。

従来、このような炉を起動するには、炉内にガラスカレ
ットもしくはガラス化する調合試薬を投入し、天井から
加熱することにより電極間を溶融ガラスで満たし、該電
極間に電圧を印加することによって通電による溶融を開
始させるものである。

しかし、このような予熱法だと、ガラスが十分に溶融す
るまで天井発熱体を高い温度に保つ必要があり、それ故
、発熱体の寿命が短くなること、かつ耐火物も高温にさ
らされる時間が長くなり消耗が大きくなること、電極が
酸化される危険性が高いこと等の欠点がある。

特に高放射性廃棄物ガラス化溶融炉としては、放射性を
もつ元素が炉内に滞留するため・イω理や保守作業に遠
隔操作を要し、上記のような欠点は極めて重大である。

また、高レベル廃液ガラス化工程で、−亘冷却した固体
ガラスの再加熱溶融、電極通電起動のため６０に９（１
００ポンド）ｒ）カセイソーダとガラスフリットでガラ
ス表面を覆い通電した例も報告されている。

カセイソーダによる起動法は、低融点（３１ｓ〜３２８
°Ｃ）であるが、この温度に至ると低粘度の液体となり
電極間に残らず、下地のわずかな隙間を通りしみ込んで
いく傾向がみられ、電極間には導電性はみられたが、安
定に電力が加わらなかったし、またカセイソーダを大量
に添加することが必要で、最終ガラス組成からはずれる
傾向が大きくなる等の欠点もある。

本発明の目的は、上記のような従来技術の欠点を解消し
、昇温時を含め溶融が通電によって維持されなくなった
とき再び通常の処理状態に復帰するのに要する時間及び
熱量を少なくでき、これにより炉材料の大幅な長寿命化
と、作業安全性の向上を図ることができるようなガラス
化溶融炉の起動方法を提供することにある。

本発明は、被溶融物に接触させて硝酸ソーダやホウ酸ソ
ーダを含有する低温溶融塩を配置し、この混合溶融塩を
外部加熱により電流が流れる程度まで溶融し、次いでこ
の混合溶融塩に電流を流して加熱し、その通電熱により
被溶融物を溶融するようにした昇温起動方法である。

本発明を実施するに好適な炉の一例を図面に示す。

溶融炉１は、上部壁中に埋設した発熱体２と、下部壁面
に貫挿した主電極３と、底部に設けた流出口４、上部に
設けたスラリー配管５、オフガス管６、補助電極７等よ
り構成される。

上部からガラス面に向って吊設されている補助電極７は
、ガラス溶融物８の一部と接触している。

主電極３は、ガラス中に大半部分が浸漬しており、その
ため空気中に曝され酸化されるのを防ぐことができる。

ガラス溶融物８が溶融状態にあれば、主電極３によって
ガラス中を通る電流が流れ、ガラス中の電気抵抗Ｒと電
流値■の２乗の積１２×Ｈに比例する発熱（ジュール発
熱）が生じ、加熱される。

天井を貫通するスラリー配管５から供給された泥漿状原
料は、ガラス溶融物８の上部表面で乾燥・溶解されてガ
ラスとなる。

溶融ガラス８は、流出口４を間欠的に加熱することなど
によって抜き出される。

なお、ガラス化工程で発生するガスは、オフガス管６に
よって引き出される。

さて、問題は炉起動時である。

前述のようにガラスは室温において絶縁体であるため、
直接通電可能な状態まで予熱して溶解しなければならな
い。

そこで、本発明では被溶融物（溶融ガラス８）の上に混
合溶融塩１０を配置し、外部加熱、例えば図示の炉の場
合は発熱体２による天井加熱を行うのである。

混合溶融塩１０の必須成分としては、５〜５０％の硝酸
ソーダおよび２５〜５０％のホウ酸ソーダ（ホウ砂とも
言い、Ｎａ ２．Ｂ ４０７無水塩もしくは含水塩結晶
）存在しなければならない。

その他、５〜２５％の炭酸ソーダ、６０％以下のガラス
カレント、或いは４０％以下の高融成分原料（例えばア
ルミナやシリカ等）を含有してもよい。

硝酸ソーダは３０８℃で溶融し、ナＩ−ＩＪウムイオン
が電気伝導担体として存在するため、溶融塩は電極間に
おいて導通路を形成する。

従って、上記のような溶融塩成分は、上部発熱体２によ
って加熱され、３５０℃に達すると硝酸ソーダが融液と
なり、導電炉においてナトリウムイオンが移動すること
が可能となるため補助電極７間に電流が流れはじめ、そ
れに伴うジュール発熱によって熱量が周辺に与えられ、
周囲のホウ酸ソーダ、炭酸ソーダ、ガラスカレント等を
軟化させる。

やがて６００℃に至るとガラス自身のナトリウムイオン
の易動度が上がり、ガラス中を電流が流れるようになり
、補助電極７間に定常的な電流が流れ、ガラス溶融物８
を溶融する。

ガラス融液が１０００〜２０００℃の溶融状態となると
、主電極３から与えられる熱量によってガラス溶融物８
の下方にも熱量が与えられ全体のガラスが軟化し、つい
に主電極３の間に電流が流れはじめ、炉の昇温起動が完
了する。

ここで起動初期に使用される溶融塩１０は、ガラス溶融
物８と完全に混合され均質となる成分でなければならな
いが、硝酸ソーダ、ホウ酸ソーダ、炭酸ソーダは全てガ
ラス溶融物８の成分と均質な溶融塩を形成し均質なガラ
スとなるため何等問題ない。

混合溶融塩の成分範囲は、後述するのも含めて種々の実
験に基づき定められたものである。

硝酸ソーダとホウ酸ソーダを組合わせることにより、低
温で溶融し、比較的粘性をもつ導電路を形成でき、それ
によって安定な電極間の電流を維持できるこ吉が知得さ
れた。

硝酸ソーダ５〜５０％としたのは、５％未満だと溶融通
電に至る温度が高くなり、５０％を越えると溶融塩の粘
性が下がりすぎて電極間で導通路を維持するのが困難と
なったからである。

また、ホウ酸ソーダ２５〜５０％としたのは、２５％未
満だと溶融塩の粘性が下がりすぎ電極間で安定な電流を
持続させることが困難であり、逆に５０％を越えると溶
融に要する温度が高くなりすぎるからである。

炭酸ソーダは、被溶融物を軟化せしめる作用をもつが単
独では溶融温度が高く、４００°Ｃにしてもほとんど溶
融しないが、ホウ酸ソーダまたはホウ酸ソーダと硝酸ソ
ーダの共存する組成では溶融塩を形成し、ホウ酸ソーダ
とともに電極間に安定な溶融塩の導通路を形成した。

しかし、２５％を越えると炭酸ソーダの溶融に要する温
度が高くなり不適当であった。

炭酸ソーダは、硝酸塩に比して反応が穏やかで炉内構造
物にとって良い効果を与えるので、主として硝酸ソーダ
の一部置き換え組成として効果を示すものである。

ガラスカレットやその他の高融成分原料を混合すること
も可能であった。

ガラスカレット置換比は６０％まで最終目標ガラス成分
に近い組成のガラスカレントとして置き換えることがで
きた。

硝酸ソーダ５％以上、ホウ酸ソーダ２５％以上を含有す
る混合塩に骨材成分として、比較的粘性の高い融液を形
成する成分として添加することができた。

その他の高融成分原料としては、シリカやアルミナのよ
うに最終目標ガラス組成に含まれる成分のうち、大半の
組成酸化物を添加することができた。

しかし、４０％を越えると溶融塩中のナトリウムの易動
が損われるので好ましくないことも判明した。

次に、各種溶融塩組成について起動通電実験を行った結
果について述べる（第１表参照）。

使用した炉の構造は図面に示す如きもので、補助電極は
幅１００ｍｍ、電極間距離３００ｍｍであり、天井から
の加熱によって各組成混合物を溶融した。

なお、第１表中、各成分は重量（、’＜９）−、Ｔ示さ
れている。

補助電極に通電が開始した温度を通電温度とし、引続い
て各組成物の通電によってガラスへの溶融が持続され下
地のガラスへと通電が発展した例について、良好、良、
可の順に観察結果を評価した。

ガラスカレット単独の場合（実験例１）は、ガラス自身
の軟化流動の温度６００℃を越えて７５０°Ｃに至って
はじめて通電がはじまり、当然電極間の溶融はガラスへ
と持続していった。

この時天井からの発熱体および耐火物の温度は１２００
℃に達していた。

カセイソーダ単独の場合（実験例２）３００℃から溶け
はじめるが、液の粘性が低く流動性が良いため、電極か
ら周辺に流れ去る傾向が強い。

３５０℃で通電が観察されたが、十分な発熱が見られず
、かつガラスへの反応も少なく、時間経過とともに通電
も維持できなくなった。

硝酸ソーダ単独の場合（実験例３）にも、実験例２と同
様の傾向が見られたが、硝酸ソーダ溶融液は下地ガラス
を浸蝕し反応する傾向がみられ、表面層３０ｍｍ程度に
軟化したガラス層がみとめられた。

この傾向が続けばガラスへの通電も可能と考えられるが
、安定した溶融塩層を形成することが困難であることが
判明した。

次に実験例４〜１１は、合計量２０００ｋｇの各成分比
における混合塩を用いた場合である。

いずれの場合も、３６０〜４２０℃で通電が開始され、
ガラスへの通電へと発展するに必要な電力を加える導電
炉が形成された。

この時の天井温度は７６０〜８５０°Ｃであった。

これら実験例５〜８で観察されたところによれば、溶融
塩の融液の形成は硝酸ソーダの融点からはじまり、ホウ
酸ソーダ、炭酸ソーダの固相反応がこれに次いで生ずる
。

硝酸ソーダの融液がホウ酸ソーダ、炭酸ソーダおよびガ
ラスカレットからなる未だ軟化せざる骨格の隙間に存在
し、かつ両電極間に移動しうるに十分な導電路を形成し
、ナトリウムイオンが移動をはじめ、このイオン電流に
よるジュール発熱がホウ酸ソーダ、炭酸ソーダ、および
ガラスカレントからなる骨格のガラス化へと作用し、そ
のまま比較的粘性をもつ導電路が形成され、安定な電極
間の電流を維持する。

この電流によって下地、周辺のガラスカレット、ガラス
固体へと熱量を与えることになり、遂にはガラス自身の
通電へと発展させることができた。

本発明では電極間の溶融塩の存在比として百分比で硝酸
ソーダ５〜５０％、ホウ酸ソーダ２５〜５０％を含有し
ていることが必要であり、その他炭酸ソーダ、ガラスカ
レット等を含んでいてよい。

これらの混合物を用いた溶融通電加熱によれば、溶融通
電開始温度を３６０〜４２０℃とすることができ、それ
に要する外部加熱は８５０℃以下であった。

外部加熱として、上記のような発熱体による加熱に代え
てマイクロ波加熱によっても良好な結果がもたらされる
ことが確認された。

マイクロ波を印加すると硝酸ソーダ、ホウ酸ソーダ、炭
酸ソーダに含まれる不純物オーダの水および一部結晶水
として存在するＯＨ基と共鳴して電力を導き入れること
が観察された。

すなわち、天井のオフガス管カラ２３５０ ＭＨｚ、２
ＫＷのマイクロ波を第１表実験例４〜１１の組成物に印
加した結果、溶融塩を励起し溶融させることができた。

しかし、通電に至る温度はマイクロ波による励振が急激
に開始されるため正確には測定されず、また補助電極の
通電が伴わなければ２ＫＷの電力では主電極の通電に至
るまで溶融を持続することができなかった。

それ故、通電溶融に至るまでの天井加熱の代替方法とし
てマイクロ波加熱が有効であることが確認された。

上記実施例では、主電極と補助電極を用いる構成となっ
ている。

このようにした方が操炉は容易であるが、必ずしもこれ
ら２組の電極が必要となるものではない。

また、前記溶融塩を水溶液の状態で加えることも可能で
ある。

本発明は、高レベル放射性廃棄物のみならず、各種産業
廃棄物のガラス化処理に直接通電ジュール熱溶融炉を用
いる場合に、その起動（再起動も含めて）に適用できる
ものである。

本発明は上記のように構成されているから、ガラス溶融
を行うとき、ガラス溶融を中断し再び溶融を行うとき、
起動昇温通電に至る過程で、天井加熱の場合はその温度
を従来技術よりもはるかに低い８５０℃以下とすること
ができると共に起動に要する時間を大幅に短縮でき、そ
の結果、天井材料等の各種材料の大幅な長寿命化、操炉
の容易化及び高効率化、作業安全性の向上等数々のすぐ
れた効果を奏しつるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明方法を実施するに好適な炉の一例を示す説
明図である。 １・・・・・・溶融炉、２・・・・・・発熱体、３・・
・・・・主電極、４・・・・・・流出口、５・・・・・
・スラリー：妃管、６・・・・・・オフガス管、７・・
・・・・補助電極、８・・・・・・ガラス溶融物、１０
・・・・・・混合溶融塩。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 核分裂生成分をガラス質物質中に封入するため、固
   体状態で通電性のないガラスを被溶融物とし、これを直
   接通電により溶融するガラス化溶融炉の起動方法であっ
   て、被溶融物に接触させて少なくとも硝酸ソーダ５〜５
   ０％およびホウ酸ソーダ２５〜５０％を含有する混合溶
   融塩を配置し、この混合溶融塩を外部加熱により電流が
   流れる程度まで溶融し、次いでこの混合溶融塩に電流を
   流し、発生する通電熱によって被溶融物を溶融すること
   により被溶融物の通電を可能にすることを特徴とするガ
   ラス化溶融炉の起動方法。 ２ 混合溶融塩は、被溶融物を通電溶融する主電極とは
   別個の補助電極によって通電加熱される特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３ 混合溶融塩は、炭酸ソーダを２５％以下含むもので
   ある特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ４ 混合溶融塩は、ガラスカレットまたはその他の高融
   成分原料を含むものである特許請求の範囲第１項、第２
   項、または第３項記載の方法。 ５ 外部加熱がマイクロ波加熱である特許請求の範囲第
   １項、第２項、第３項または第４項記載の方法。