JPS60154199A - 放射性廃棄物の固定化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、主として放射性廃棄物とケイ酸塩粉末との
混合物をアルカリ水溶液でねり合せたものを、熱水条件
下で圧縮して生成した硬化物を、上記放射性廃棄物の放
射能の強度に従って、之に適合した包被材質の各種の人
造岩石の数１優によって放射性８棄物を封じ込める方法
に関する。

従来放射性廃密物処理はコンクリートあるいはガラスに
よる固化封じ込めによって海洋底、土中に投入または埋
没処理する形として実施、あるいは実施が検討されてき
た。しかしセメントによる硬化体であるコンクリートは
反応の過渡的なものであり、反応が完結すると硬化体は
崩壊する。すなわちコンクリートには寿命がありＳθ〜
／ｊθ年といわれている。したがってコンクリート以上
の長寿命の放射性同位元素を含む廃棄物の処理について
は環境を汚染する危険性が高い、またガラスと共に高温
で溶融して封じ込める方法に関しては、ガラスの結晶化
と放射線による劣化によってガラスの強度が低下するば
かりでなく、溶融封じ込めの際に高温下で放射性物質が
逃散する恐れがある等問題点が多いので未だ実施されて
いない。

この発明はケイ酸塩（シリカ、ケイ酸カルシウム、ゼオ
ライト、長石、粘土等を含む）粉末をｑ％水条件下で放
射性廃棄物と共に硬化せしめ、この硬化物を上記放射性
廃棄物の放射能の強度に従って之に適合した包被材料の
各種人造岩石の数層によって放射性廃棄物を封じ込めて
、土中あるいは深海中で溶出又は破嬢の生じないように
して安全に放射性廃棄物を処理することを目的とする。

この発明の実施要領を放射能強度のレベル別に説明すれ
ば次の通シである。すなわち放射性廃棄物はその形態と
放射能強度によって３つのランクに分けられる。

第７のランクは、使用済核燃料に由来する高放射性廃棄
物に対する処理方法である。この方法では多種多様の核
種を含み、その放射能も高く、発熱の危険性もある。こ
の種の廃棄物の処理をこの発明による方法で行えば以下
のような手順になる、すなわちケイ石あるいは白土のよ
うなケイ酸塩粉末を放射性廃棄物と混合する。これをア
ルカリ水溶液でねり合わせ、以下に詳記する熱水圧縮整
形器の反応室に押し込みピストンによって圧縮しながら
外部から加熱する。

尤も高レベル放射性廃棄物の場合は自己発熱によって反
応が進むことが考えられるので、外部加熱は不要である
。而して、２Ｓθ℃、３０分間の反応でグｊθ〜ｊθθ
に９／ｄの耐圧強度の硬イヒ体ベレットが得られる。

こうしてできたペレットをアルカリ水溶液でねり合わせ
たケイ行末で包み、場合によってはこれを更に大型の上
記熱水圧縮器で整形硬化させる。

この整形体の外部をさらにコンクリートで包み、ピッチ
をまいて土中あるいは深海に投入処理する。

第２のランクで示される原子力発電等の原子炉の７次冷
却水等に含まれる放射性物質については、ゼオライトや
イオン交換樹脂に吸着させる方法があるが、ゼオライト
の場合には、この吸着済みのゼオライトを熱水圧縮整形
器で第１ランクの場合と同様に硬化させ、ついで之をケ
イ石粉末と消石灰との混合粉末を少量のアルカリ水溶液
でねったもので包み込み大型熱水圧縮整形器で硬化整形
する。この場合の外部硬化体は不溶性ケイ酸カルシウム
（トバモライト）となり内部を保護する。

かくして上記硬化整形体の外部をコンクリートで包み、
ピッチをまいて土中あるいは深海に投入処理する。尚又
イオン交換樹脂の場合は、焼却によって容債を減らした
灰分（リン酸を含む）が廃棄物となるので、この場合に
はケイ酸塩にノ（リウムやカルシウム塩を添加すれば同
様の硬化体をつくることが出来、以下上記と同様に処理
する。

第３のランクで示される場合は、汚染除去等の作業によ
φものや、放射線取扱施設からの排気排水を起源とする
ような低レベルの放射性廃棄物で、これらの処理に関し
ては・一般に灼焼による灰を処」」することになる、こ
の場合のボロ切れ、紙類の燃焼灰はシリカ、アルミナ、
カルシアを主成分とするために、之等をアルカリ水溶液
でねり合わせば、熱水圧縮整形器で容易に硬化整形する
ことができる。これに更にケイ石、消石灰をアルカリ水
でねったもので包み込んだ硬化整形体の外部をコンクリ
ートで包み、ピッチをまいて土中あるいは深海に投入処
理する。

以上第１、第、２、＠３のどのランクの放射性廃棄物の
場合も自然界に存在する強固で安定な岩石様のもので外
部からおおむね３爪に固めており、−すれらの鉱物上の
分析では、チャートやトバモライトであった。古代文明
の遺跡で現代になお存続するものは大理石等の石材であ
る。チャート、トバモライトは天然の大理石や石灰岩と
比較してより大きな機械的強度、耐化学強度（風化し）
１１ｔさ）を有しているので、数千年を経過してもなお
存続する大理石以上の安定な存続が保証できる。またガ
ラス融解封入等に比較して本発明による硬化体はいわゆ
る多結晶体で多くの粒界を有しており放射性物質の捕獲
能力が大きく、かつ強度を下げない。

この発明の実施例を添付図面により説明する。

熱水条件により人造岩石を形成し、放射性廃棄物を閉じ
込める母体となるケイ酸は、福島県庁の天然鉱石と別府
市原の温泉沈澱ケイ石を使用した、天然鉱石はα−石英
の一種で、一般的に産出するものである。温泉沈澱物は
非晶質のケイ酸６ｊ９σ、クリストバル！θ％及びアル
ミナ成分／Ｓイを含むケイ石である。

実験材料としては、夫々の鉱石をボールミルで粉砕し、
−３θθｍｅｓｈ　（メツシュ）廂を通過物とし、混合
比を変えて使用した。

放射性廃棄物は日本原子力研−究所で作製した模擬品で
ＪＷ−Ｄと称されるものである。

ストロンチウムの挙動に関しては水酸化ストロンチウム
を用いて実験した。

実験は　（１）ケイ酸混合材料の各温度におけるＮａＯ
Ｈ濃度の影響（加熱中圧縮せず）、 （２）最ｍ　Ｎａ０Ｈ（１１度（５Ｎ　）　Ｋ＞ケル加
Ｒ，Ｆｓ湿ｒｗの影響（加熱中／　６０　＄　／　ｃｎ
ｔに圧縮）、 （３）模擬原子力廃棄物ＪＷ−Ｄの混合処理、 （４）水酸化ストロンチウムの混合処理、（５）水酸化
セシウムの混合処理 について行い（１）　、（２）については結果を夫々第
３図及び第７図に示した。

実験の手順を設備の構造を示す第１図及び第２図により
説明する。

実験材料は所定の比率に混合し、　Ｎａ、０１−１溶液
を添加混練した後に、第１図に示す加熱プレス室（７）
内の充填室（６）に供給し、第一図に示す圧力釜（８１
に収納し密閉した後、圧力釜＋８１は外側より電磁誘導
加熱装置により所定の速度で急速に加熱し、一定時間保
持後に冷却して成型品を取出し、所定の検査を行った。

第１図の（イ）図は加熱プレス室を示す（ロ）図のＡ　
−Ａ１＠面図を示す。

外筒（１）は内面にテーパーを持つ円筒で、逆テーパー
を持つ内周（２）を受け、内圧の増加に耐える構造とな
っている。内約（２）は断面図（イ）に示す如く１３個
の半円形の片状物より成り、頂部のリング（４）により
締付けて／休の内筒とする。空間部は混合材料の充：ｌ
Ｉｉ′ｌ室（６）である、充填室（６）は上部ロッド（
３）及び下部ロッド（５）により上下から充填室（６）
内の充填物が加圧される構造である。内周（２）が３分
割されているのは反応完了後の分ｌＩ！Ｉを容易ならし
めると共に角部などの破損を防ぐためである。内ｆｆ１
ａ　（２）と外筒（１）は逆勾配を有するため、上下か
らの加圧に１ＩＪｊし抜は出すことはない。

加熱プレス室（７）は第一図に示す圧力釜（８）の内部
に挿入される。仰入状聾を第２図に併呟で示した。圧力
釜（８）はハステロイを内張シした耐裂で高温高圧下に
おけるアルカリ水溶液の浸蝕に耐える４’ｌｌ造となっ
ている。加熱プレス室（７）の頂部はピストン（１２１
によって押えており、必要に応じて圧力を加える。この
デストン０２１は押金（９）、押金止具印で強固に固定
して漏洩を防ぎ、又ピストン（１２１の外周にパツキン
０乃を充填し、パツキン押え（１３１によシ圧縮してピ
ストン（１２１の局面からの洩れを防止する。押金止具
（ＩＯｌ及びパツキン押え０３）は夫々＋１４１、ｔ１
５１で示すねじを切り込み、加熱圧縮時の内圧に耐える
構造としている。加熱プレス室（７）の下部は圧力釜（
８）の底部（１６）で固定される。測温孔ｔｔ７＋は熱
伝対を入れ反応中の内部温度を測定する。

◎実施例（１）　ケイ酸混合材料の各温度におけるＮａ
α■濃度の影響（加熱中圧縮せず）。

ケイ酸と温泉沈澱物の各５θ％の混合物グ於に５％Ｎａ
ＯＨ溶液を／　ＱＣ添加して充分混練した後、加熱プレ
ス室（７）の充填室（６）内に充填しグＳ　ｋｇ、／　
Ｃ１ｒｔで加圧成型した後、圧力釜（８１に挿入固定し
た。圧力釜（８）はＮａＯＨの所定の濃度の溶液を充填
した。

圧力釜＋８１はピストンσｚ１押し金（９）、パツキン
（ｌや、押し全止具（１０１及びパツキン押え（１３）
を使用して完全に密封した後、外部から屯磁誘導加熱を
行った。昇温は毎分３０℃の割合で上昇し、夫々２Ｓθ
”Ｇ、３Ｇθ℃、３３θ℃まで昇温した後その温度に３
Ｇ分間保持して反応を行わせた。この熱水条件下の反応
中外部からの加圧は行わなかった。

反応終了後圧力釜（Ｓ＋は送風冷却して室温まで下げ岩
石化した成形品を取出し沸騰水中で３θ分間煮沸した後
／２θ℃で乾燥した。

成型物は長さ１６（’ｓ、直径／４ｔｃｙｎの円筒形で
、上下方向からの圧縮強度と長さ方向での曲げ強度を３
点測定し平均値を出した。

表面の結晶性状をＸ線回折法と光学顕微鏡で検定した。

上記操作結果をｆＥ３図のグラフにより説明する。第３
図は縦軸に成型品の圧縮強度（１１９／　ｃｒｌ　）を
表し、横軸には処理時のＮａＯＨ溶液濃度をとった。

曲線０（至）は３Ｇθ°Ｃに加部した場合の強度を表し
、同様に曲線（１９）は２ｊθ℃に、又曲線２０１は３
００℃に夫々加熱した場合の強度を表している。この場
合水熱条件は温度による自圧のみで外部からの加圧を行
っていない。

ＮａＯＨの濃度が３〜グＮの場合は耐圧強度がｌθθ〜
！θθｈｑ／ｃｒｉｌに止まり、余り強度が上昇してい
ない、　ＮａＯＨをＳ〜６Ｎにした場合、約Ｓθθｈ９
／７の強度が得られ強固な結合を持つ岩石となった。　
ＮａＯＨが７θＮ以上となると３Ｇθ℃の加熱時強度が
著しく減少した、之は大量のケイ酸が充填室（６）から
ＮａＯＨ溶液を充填した室内に溶出したため、成型物は
緻密な結合状態となっていない、同時に圧力釜（８）の
底部（１Ｇ）には再結晶したケイ酸が残留していた。

以上の結果、添加するＮａＯＨの濃度はｊ〜２Ｎが適当
であり、ＮａＯＨの過剰は逆効果を生ずることが判った
。加熱温度は高温度である程好結果を示している。

◎実施例（２）最適ＮａＯＨ温Ｉ￥（ＳＮ）における加
熱温度の影響（加熱中／６θに９／　ｃｒＡに圧縮）。

ケイ酸鉱石と温泉沈澱物を各５Ｇ％混合し、−３θθメ
ツシユ以下に微粉砕した材料に・前実験で好結果を示し
たＳ　Ｎ−ＮａＯＨ溶液にょる熱水条件下の合成実験を
行った。今回は加だ（中１６θ１９　／　ｃｄｌの圧力
を継続的に加えた。この結果を第７図のグラフにより説
明する。

曲線（２１）は熱水処理後の耐圧強度を示し、曲線（２
２１は同じく曲げ強度の測定値を示す、グラフの横軸に
は加熱温度をとり、Ｍ軸には成型物の測定強度をに９　
／　ｃｒｉ、で示している。

此の試験では第３図に示した結果よシも強Ｉｆが大きい
０組織結合の強い合成物が得られており、加熱中の圧縮
効果が明かになった。

成品の空隙率が減少し、ケイ酸相互の結合や再結晶によ
る成長等が促進されたためである、岩石化したケイ酸の
微構成をしらべるため、サンプルの表面を研磨して光学
顕微鏡を用い７８００倍や倍率でｖｌ察した。

◎実施例（３）模擬原子力廃棄物ＪＷ−Ｄの混合処理。

模暉放射性廃棄物として、日本原子力研究所で作成した
ＪＷ−Ｄを用いて封じ込め実験を行った。

放射性材料、２に％に対し、３θθメツシユに粉砕した
ケイ酸鉱物を７．２Ｘ混合した後、その４ｔ９−にＮａ
ＯＨを／　ｏｃ加えて混練したものをプレス室の充填室
（６）に充填した後圧力釜（８）内に装入し各部を固定
した。加熱は毎分３０℃の割合で昇温し、夫々所定の温
度２５θ℃まで上昇後３θ分間保持した。此の間ピスト
ンｌ１２１を経て／乙θ７／ψ／Ｃ〃１の圧力を継続し
て加えた。

冷却後の成型物は圧縮強度にＳθ７／！ｉ’　／　ｃｔ
ｒｔを示し、充分強度を有する岩石が生成したことを示
した。Ｘ線回析の結果、放射性廃棄物とケイ酸との反応
により生成したケイ酸塩相がケイ酸粒子と結合したｌ体
化の状況を推定できた。更にＪ’Ｗ−Ｄには腐蝕による
鉄の酸化物が入っていないので、鉄の酸化物（Ｆｅ２０
３）をさらに１０％加えたものについて、同様の実験を
行ったところ１．２５θθ＃ｇ、／　ｄの耐圧強Ｉｆを
示し、　ＦｅｚＯａがケイ酸塩の硬化強度を強める働き
のあることがわかった。

◎実施例（４）　水酸化ストロンチウムの混合処理。

著しく長い半減期を有する放射性ストロンチウムはこの
種の廃棄物中量も危険な材料の一ツでアル、ストロンチ
ウムの固化実験として水酸化ストロンチウムを用い確認
実験を行） つた。

水酸化ストロンチウムグθ％とケイ酸６０％との混合を
充分混合して、そのグーに対しｊ　Ｎ　ＮａＯＨ／　ｏ
ｃを加え、混線後プレス室の充填室（６）に充填した後
、圧力釜（８１内に装入し、各部を固定した。加熱は毎
分３θ℃の割合で昇温し、２５θ℃で３θ分間保持した
。この間ピストンＩ］ｚを経て／６θｈｑ、　／　ｏｌ
の圧力を加えた０反応終了後の材料は碇縮強度りθθに
９／　Ｃ１４成型物のＸ線回析では、ストロンチウムケ
イ酸塩（Ｓｒ　８ｉ　０２７　Ｓｒ　２　Ｓｉ　０４　
）ノ生成が明かであり、極めて強固な岩石の生成を示し
た、又反応後の残存溶液中にはストロンチウムイオンは
全く存在せず全量結晶固化されていることが判明した。

◎実施例（５）　水酸化セシウムの混合処理。

ストロンチウムと同様の性質を有する放射性セシウムに
ついては、白土とセシウムの／二／ノ混合物１１とｊ　
Ｎ　−ＮａＯＨＪ　ｍＡとをｌθ鮎容積のオートクレー
ブで３θ分間反応させたところ、セシウムはｌθθに、
ボルサイト（Ｃ８２０・ＡＡ２０３・４ｔＳ１０２）を
形成することがわかり、セシウム、ストロンチウムとも
に全景不溶性のケイ酸塩化合物として固定されることが
わかった。

この発明は以上説明したように、熱水条件を利用した人
造岩石中に放射性廃棄物を閉じ込め、地中あるいは海洋
底に安全に投棄処理し、かつ放射能の種類や強度によっ
て、自由に岩石の種類を還べるため、どのような放射能
強度の廃棄物にも適用できる点に著しい特徴がある。原
子力発電所で代表される原子力施設や之に関連する放射
性物質取扱施設は廃棄物処理が困難な為に建設を抑制せ
ざるを得ないという現状である６本発明の実用化は石油
の代替エネルギーである原子力エネルギー開発のために
大きな意味を持っているので、社釡的効果に於て極めて
大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用する熱水圧縮整形器に収納される
加熱プレス室を示し、（イ）は該加熱プレス室のＡ　−
Ａ　僅断面図、（ロ）は加だ一プレス室のＥ−１３縦断
面図。 第２図は第１図に示す加熱プレス室をＩ投信し、外部か
ら加熱して熱水条件を与えるための圧力釜を有する熱水
圧縮整形器の縦断面図。 第３図はケイ酸と温泉沈澱物との混合は料を処理した熱
水条件下の溶液中のＮａＯＨ＆３度（規定）を槌軸とし
、加熱後の成型物の圧縮強度を縦軸にとって、両者の関
係を示すグラフ。 第７図はケイ酸と温泉沈澱物との混合材料を５Ｎ−Ｎａ
ＯＨと共存せしめて、／６θ＄　／　ｃｒｌの圧力下で
加熱した時の成型物の強度を示し、加熱温度を横軸とし
、成型物の圧縮強度を縦軸にとって、両者の関係を示す
グラフ。 （１）・・外筒、（２）・・内筒、（３）・・上部ロッ
ド、（４）・・リング、（５）・・下部ロッド、（６）
・・充填室、（７）・・加熱プレス室、（８）・・圧力
釜、（９）・・押金、ｆｌｏｌ・・押金止具、（ロ）・
・パツキン、肋・・ピストン％　［１３＋・・パツキン
押え、　ｔ１４１・・ねじ、０５１・・ねじ、　ｆ１６
）・・圧力釜ｔｏ＋の底部、ｆ１７１・・測温孔、（１
８１・・第３図に於ける３θθ℃に加熱した場合の成型
物の強度、　ｆ１９１・・第３図に於ける。２５θ℃に
゛加−（〜した場合の成型物の強度、１２１１）・・第
３図に於ける２８６℃に加熱した場合の成型物の強度、
　（２＋＋・・第７図に於ける成型物を一２５θ℃、３
θθ℃、３Ｓθ℃に加熱した時の圧縮強度の変化曲線、
の・・第グ図に於ける成型物を一２Ｓθ°ｃ１３θθ’
に、３５θ°Ｃに加熱した時の曲げ強度の変化曲線。 第１図　第２図 第３図 ＮａＯＨ濃度（規定）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、放射性廃棄物とケイ酸塩粉末との混合物をアルカリ
   水溶液でねり合せたものを、熱水条件下で圧縮して生成
   した硬化物を上記放射性廃棄物の放射能の強度に従って
   之に適合した包被材質の各種人造岩石の数層による放射
   性廃棄物の封じ込め方法。 ２、放射性廃棄物とケイ酸塩粉末との混合物をアルカリ
   水溶液でねり合せたものを、熱水条件下で圧縮して生成
   した硬化物を、アルカリ水溶液でねり合せたケイ石粉末
   で包み、その硬化物の外部をコンクリートで包み、更に
   之をピッチで巻くことを特徴とする放射性廃棄物の封じ
   込め方法。 ３、放射性廃棄物質を吸着させたゼオライトを熱水条件
   下で圧縮し、反応させて硬化体ペレットとなし、更に之
   をケイ石粉末と消石灰との混合粉末をアルカリ水溶液で
   ねったもので包み、これを熱水条件下で圧縮して生成し
   た硬化物を包被することを特徴とする特許請求の範囲＠
   ２項に記載の人造岩石による放射性廃棄物の封じ込め方
   法。 ４、　放射性廃棄物を吸着させたイオン交換樹脂の焼却
   灰を熱水条件下で圧縮し反応させて硬化体ベレットとな
   し、更に之をケイ酸塩、バリウム及びカルシウム塩の混
   合粉末をアルカリ水溶液でねったもので包み、これを熱
   水条件下で圧縮して生成した硬化物を包被することを特
   徴とする特許請求の範囲第２項に記載の人造岩石による
   放射性廃棄物の封じ込め方法。 ５、放射性物質の剛着したボロ切れ、紙類等の燃焼灰を
   アルカリ水溶液でねり合せたものを、熱水条件下で硬化
   圧縮したものを、ケイ石や消石灰等をアルカリ水溶液で
   ねったもので包み、更に熱水条件下で圧縮して生成した
   硬化物を包被することを特徴とする特許請求の範囲第２
   項に記載の人造岩石による放射性廃棄物の封じ込め方法
   。 ６、熱水条件下の加圧手段として、筒体の両端に圧縮ピ
   ストンを嵌入させ、中央に反応充填室を形成して、該圧
   縮ピストンで充填物を圧縮しながら外部から加熱する熱
   水圧縮整形器を使用したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項、第１項、第３項％第ｑ項、第５項に記載の人
   造岩石による放射性廃棄物の封じ込め方法。