JPS6026998B2 - 有機質廃物の処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は或る種の選択された元素類を含有する有機質廃
物の処理に対する廃物制御方法に関する。

本発明は特にストロンチウム、セシウム、ヨウ素および
ルテニウムを含む群から選択された少なくとも１種の放
射性元素で汚染された有機質廃物質の容量を減少させか
つその選択された放射性元素をその溶融塩中に残留させ
るための溶融塩法に関する。先行技術 原子炉用燃料の加工およびこのような炉の操作において
は、放射性元素によって汚染された廃物質の相当な量が
発生される。

種々のエネルギー研究開発アドミニストレィション（Ｅ
ＲＤＡ）施設から年間約３５００００立方フィートの固
体のトランスウラン質廃物が発生されると報じられてい
る。このような廃物を貯蔵する現行コストは高くかつ増
大すると思われるので、このような廃物の容量を減少さ
せることは緊急の経済的題目である。廃物の大部分はボ
ロ、紙、プラスチックおよびゴムのような可燃性物質か
ら構成されている。

このような固形廃物の性質の総括が以下の表にまとめら
れている。代表的固体低水準放射性 ハロゲン化（通常塩素化）プラスチックの高い割合およ
びガス微粒子の形態の放射性元素の危険の理由で、その
容量を減少させる手段としてのこのような物質の燃焼に
対して普通の焼却炉は完全に満足されるものではない。

このようにして、より複雑な焼却炉または特別な燃糠方
法が要求される。さらに詳細には、このような廃物の処
理に当って、最小の汚染で考えられる限り大きな容量減
少をうろことが望まれる。異つたタイプの放射性廃物を
処理するために種々の方法が提案されている。

しかしながら、このような方法で完全に満足されると認
められるものはない。英国特許１０３５３３０号は固体
の放射性廃物の処理のための方法および装置を開示して
いる。その特許は低水準の放射性廃物がそれらの容量を
減少させるように炉中で焼却されることを示唆し、かつ
燃焼ガスのための多段炉過技術を提案している。この方
法の不利な点はその方法が排出ガスに対して精巧なフィ
ルターを要求することである。米国特許３４７班９５号
は核燃料元素の加工で得られた放射性廃溶液を乾燥して
減少させる方法を提案している。

広い意味では、その方法は廃溶液中の塩類の竪焼きによ
って形成された粒子の床を通してその床を流動化させる
ように酸素含有ガスを上方へ通過させ、かっこのように
して形成された流動床中へ追加の廃溶液を供ｇ貧するこ
とから成っている。その燃料を燃焼させかつ溶液を蒸発
させてその中に含有されている塩類を蟹焼きするために
必要な熱を提供するために、その燃料の燃焼温度よりも
上の温度で、硝酸イオンの在下に炭化水素燃料がまたそ
の流動床中へ導入される。この方法の不利な点はそれが
硝酸イオン源を必要としかつ安定な固形成分として揮発
性元素を残留させることが無いことである。米国特許３
７１６４９０号は放射性溶液の処理に対する他の方法を
開示している。

この方法は固形の融解されうる部分スルホン化された燈
青質物質を用意しかつその物質を放射性イオンを含有す
る液体廃物と接触させてその放射性イオンを燈青買物質
のスルホン化部分とイオン交換させることから成ってい
る。そののちに、その漆音質物質はその容量を減少する
ように溶融されかつ放射性イオンをカプセル封入する。
このようにして、この特許は放射性廃物の容量を減少さ
せる方法を提供はするが、揮発性の放射性元素を固形化
合物として分離および残留させる方法を提供することは
ない。米国特許３７６４５５２号は放射性可燃性廃物質
の貯蔵方法を開示している。この方法はその廃物質を吸
蔵された水、および廃物質の酸化および熱分解によって
形成された燃鱗生成物と反応するに十分な量の酸化マグ
ネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、および酸化
ストロンチウムを含む群から選ばれた酸化物ゲツター（
ｇｔにｒ）を設けたコンテナ‐中に贋く段階から成って
いる。次にそのコンテナ‐が密封されかつ廃物を熱分解
するように加熱される。他の方法においては、アクチニ
ド癖有廃物質が燃焼されてカプセル封入される。

このような方法に関連する特許例としては米国特許３０
雌９０４号、３２６２被５号および３＄２紙父号がある
。種々な目的のための溶融アルカリ金属塩中の炭素質燃
料および炭素含有廃物の燃焼それ自体は公知である。米
国特許３７１０７３７号は種々の炭素質物質を使用した
、外部使用するための熱の発生方法を開示している。米
国特許３５６７４１２号、３７０８２７び号および３９
１６６１７号は熱分解ガスの生成に対する、このような
技術の使用を開示している。米国特許３７７８３２ぴ号
および斑４５１９び号にはそれぞれ、爆薬および有機殺
虫剤の非一汚染的処吠におけるこのような方法が包含さ
れている。米国特許紙９９３２２号においては、溶融塩
浴中の有機廃物から有価値金属が回収されている。

これらの特許はいずれも揮発性の放射性元素の分離およ
び保持のための放射性廃物の処理には関連していない。
本出願と同日に出願されかつ本発明の譲受人に譲渡され
た米国特許出願セリアルナンバー服２、２３５には、ア
クチニド含有廃物を処理するための方法が提案されてい
る。その方法によれば、アクチニド含有の有機廃物がそ
の廃物の容量を減少させかつアクチニド元素の回収を提
供するように溶融アルカリ金属炭酸塩浴中で処理されて
いる。有機廃物および酸素が、固形およびガス状の反応
生成物を生じるように、高められた温度に維持されてい
る溶融塩浴中に導入される。廃物のアクチニド元素およ
び無機質灰の成分は溶融裕中に残留される。溶融塩の一
部分が取出されかつその塩成分を溶解するように水性媒
体中で急冷される。次にその媒体は不溶性の無機質灰成
分およびァクチニド元素を除去するように炉過される。
アクチニド元素を含有するその炉過ケーキがその中から
アクチニド元素を可溶化して回収するために無機酸で浸
出される。上記出願はァクチニド元素を含有する有機廃
物の処理に対して満足すべき方法を開示しているのでは
あるが、核分裂から生じるその他の放射性元素の処理に
ついて論議はしていない。

特定的には、燃料源が主としてウラニウムまたはプルト
ニウムまたはそれらの混合物といったようなアクチニド
元素である場合の核分裂反応においては、種々の他の放
射性元素、たとえば放射性希±額元素が形成される。し
かしながら、主要な課題はストロンチウム、ヨウ素、ル
テニウムおよびセシウム元素についてである。ストロン
チウムはその長い半減期のため、およびそれが人体に吸
収されて骨髄中にはいって行くという事実のために特に
議題となる。ヨウ素もまたそれが甲状腺中へ吸収される
ために特に危険である。さらに、セシウム、ルテニウム
およびヨウ素は揮発性でかつ保持しにくい化合物を形成
する。元素態ヨウ素は室温で容易に揮発しそのためにい
っそう保持し‘こくくさえある。明らかに、ストロンチ
ウム、ヨウ素、セシウムおよびルテニウムといったよう
な元素で汚染された有機廃物を処理し、それによってそ
れら廃物の容量を減少させかつそれらの元素を安定な固
形化合物として残留させる方法が要求される。本発明の
総括本発明にしたがえば、ストロンチウム、セシウム、
ヨウ素およびルテニウムから選ばれる少なくとも１種の
元素で汚染された有機廃物を溶融塩中で高められた温度
で処理した場合、その有機廃物の容量を実質的に減少さ
せかつさらにその選ばれた元素を溶融塩中に残留させる
ことが可能であることが見いだされた。

広義には、本方法は選択された元素を含有する有機廃物
および空気といったようなガス状酸素源をアルカ１」金
属炭酸塩で構成される溶融塩中へ導入することから成っ
ている。その格は有機廃物を少なくとも部分的に酸化す
るために約４００乃至１００び０の温度に、かつ約０．
５乃至１ぴ気圧の範囲内の圧力に維持される。一般に完
全燃焼が好ましい。このような条件下で有機廃物の容量
は実質的に減少されかつガス状の燃焼生成物が形成され
る。そのガス状生成物は本質的に二酸化炭素と水蒸気か
ら成りかつその固形生成物は廃物中の無機質灰成分から
成り、選択されたその元素は溶融物中に残留される。溶
融塩は単一のアルカリ金属炭酸塩または２種またはそれ
以上のアルカリ金属炭酸塩の混合物であってもよく、か
つアルカリ金属硫酸塩の少なくとも１種を約２５重量％
まで含有していてもよい。

硫酸塩を含有させることの利点はそのものが有機物質の
燃焼速度を助長させるためであり、この点については例
えば米国特許３５６７４１２号を参照されたい。好まし
いアルカリ金属炭酸塩はリチウム、ナトリウムおよびカ
リウムの炭酸塩である。有機廃物の燃焼を比較的低温度
で行ないたい場合には、アルカリ金属炭酸塩の低融点２
成分または３成分系混合物が利用されうる。たとえば、
リチウム、ナトリウムおよびカリウムの炭酸塩のそれぞ
れ４３．５、３１．５および２５．０モル％を含む３成
分系アルカリ金属炭酸塩共融混合物は約３９７０で溶融
する。好ましい２成分系混合物は約７１０ｑｏで溶融す
る炭酸ナトリウム−炭酸カリウム共融混合物である。主
要な検討事項が最終的には処分される溶融塩のコストで
ある場合には、特に好ましい塩は任意的に１乃至２５重
量％の硫酸ナトリウムを含有する炭酸ナトリウムで構成
され、このものは約７５０乃至１０００ｏｏの温度で使
用される。使用される正確な圧力および温度は絶対的な
ものではないが、勿論それらはその塩の融点よりも上で
ありかつその分解温度よりも下であるように選ばれなけ
ればならない。一般に、温度および圧力は約７００乃至
１０００ｑｏおよび０．５乃至１＄気圧の範囲内である
。約８００乃至９００ｑ○の温度および約０．８乃率１
．ぴ気圧の圧力が一般に好ましく、特に炭酸ナトリウム
の使用の場合好ましい。典型的な有機廃物質は一般に溶
融塩を所望の温度に保つに十分な高い熱量を有する。

しかしながら、廃物の熱量が所望の温度を保つに不十分
な場合には、石炭、タール、石油残澄等のような任意の
炭素買物質が供孫合物の熱量を増加させるためにそれに
追加されてもよい。有機廃物および酸素源が溶融塩中へ
導入される。

一般に、酸素源は経済的観点から空気である。このよう
にして、空気が使用された場合にはその流出ガスもまた
窒素を含有しかつ未反応酸素をも含むであろう。しかし
ながら、ガス状生成物の容量を減少させたい場合には純
酸素が使用されてもよい。勿論別法として酸素−富化さ
れた空気が利用されてもよい。放射性核分裂生成物で汚
染された有機廃物の容量減少の経済的重要性およびこの
ような放射性生成物を実質的に安定な固体形態で得るこ
との明白な必要性という観点から、本発明をこのような
廃物の処理を参照して記載する。

本発明の方法にしたがえば、ストロンチウム、セシウム
、ヨウ素およびルテニウムのような典型的な核分裂生成
物が溶融塩の中に維持される。さらに、他の数多くの放
射性核分裂生成物もまた溶融塩中に維持され、たとえば
希士類元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、お
よびＥｕ）およびイットリウムが不溶性酸化物として灰
部分中に残留される。さらに、パラジウムおよび金のよ
うな貴金属もまた溶融塩中に残留される。もしその溶融
塩にジルコニウム、ニオビウム、モリブデン、テクネシ
ウムおよびテルリゥムのような放射性両性一様元素が存
在すると、それらもまた酸化物またはナトリウム塩化合
物として溶融塩中に残留されるであろう。このようにし
て、不活性ガスを除いて、核分裂生成物の大部分が溶融
塩中に残留されることが見いだされた。その溶融塩が前
述した譲受人の出願中の特許出藤にしたがって引続いて
処理された（溶融塩が水性媒体と混合され、灰分を除去
するように炉遇され、かつその炉液が塩化ナトリウム結
晶を枕でんするように冷却される）場合には、種々の核
分裂生成物の分布は次の第１表に示すようになる。

第１表上記の表から、貴ガスであるクリプトンおよびキ
セノンを除いて実質的にすべての生成物が、小さな重要
性しか有しないものであってさえも、安定な固形の処分
可能な生成物として残留されること（すなわち灰および
塩化ナトリウム中に）が認められる。

しかしながら、このような貴ガスはそれらが一般にウラ
ニウム再処理プラントで除去されかつ通常は核分裂生成
物汚染有機廃物中に存在しないので、重要性は小さいも
のである。添付の図は本発明を実施するためのシステム
の図解的説明を示すものである。

図を参照すればストロンチウム、セシウム、ヨウ素およ
びルテニウムを含む群から選ばれた少なくとも１種の元
素を含有する有機廃物がコンペアー１川こよってシレツ
ター１２へ運ばれるが、そのシュレッダーは例えばハン
マーミルであってもよい。

次にその細分された廃物は導管１４を通してたとえばサ
イクロン受器１６のような固体−ガス体分離器へ送られ
る。細分された廃物はバルブ１８を通してサイクロン受
器１６からスクリューフィーダー２２を備えた貯蔵ホッ
パ−２０へ送られる。導管２４を遺してスクリューフィ
ーダー２２から出てくる細分された物質は導管２８を通
して圧縮機２６から来る圧縮空気と混合されかつそれに
よって運搬される。空気と細分された廃物との混合物は
コンペアー３０を通して送られかつ溶融塩燃焼炉３２の
、約４００℃乃至１００ぴ０の温度および約０．５乃至
１戊気圧の範囲の圧力下に維持されている溶融塩格３４
の表面下に導入されてガス状生成物および固体燃焼生成
物を形成する。ガス状燃焼生成物は本質的に水蒸気とＣ
０２から成っている。

空気からの未反応酸素および空気に含有された窒素を含
む流出ガスが溶融塩燃焼炉３２から取出されかつデミス
ター３６および導管３８を通して水冷却器４０へ送られ
、ガス温度は約２５ぴ○よりも下に下げられる。冷却器
４０を離れる冷却されたガスは導管４２およびバックハ
ウスフィルター４４を通して送られ、同伴された微粒子
の大部分が除去される。次にその流出ガスは導管４６を
通してフィルター４８へ送られ、ここで残りの微粒子の
大部分が除去される。導管５０を通してフィルター４８
を離れるガスは高エネルギー微粒子フィルター（ＨＥＰ
Ａ）５２へ送られ、ここで０．２ミクロンより上の寸法
を有する粒子の９９％より多くが除去される。実質的に
粒子を含まないそのガスは導管５４、ポンプ５６および
導管５８を経由してスタツク６０へ送られ大気へ排気さ
れる。断続的または連続的に溶融塩３４の一部分が導管
６２を通して処分のために取出される。

或は、有機廃物が実質的な量のアクチニド元素をも含有
する場合には、その溶融塩はその塩を灰および塩化ナト
リウム部分へ分解してその灰部分からアクチニド元素を
回収するように前述の譲受人の特許出願の方法にしたが
ってさらに処理および加工されてもよい。補給されるア
ルカリ金属炭酸塩および任意的なアルカリ金属硫酸塩は
導管６４を通して溶融塩燃焼炉３２へ追加される。有利
には、空気に伴われる放射性微粒子のありうべき逃散を
防止するために、たとえばそのガスをサイクロン受器１
６から導管６６を通して真空ポンプ６８によって取出す
ことによって、コンペアー１０、シュレッダー１２、お
よび貯蔵ホッパ−２０を大気圧よりも下に維持してもよ
い。

敬出されるガスの一部分は導管７０を通して予備フィル
ターおよびＨＥＰＡフィルターへ導かれる。真空ポンプ
６８からの排出ガスの他の部分は導管７２を通してシュ
レッダー１２へ導かれてカバーガス、および細分された
廃物をシュレッダ１２から導管１４を通してサイクロン
受器１６へ運ぶ手段の両方として使用される。以下に記
載する実施例は本発明の実施をさらに詳しく説明しかつ
その効果を示すためのものであるが、本発明の範囲を何
等限定するためのものではない。実施例 １ 以下の実施例はルテニウム含有有機廃物の燃焼および溶
融塩中へのルテニウムの残留を示している。

ルテニウム−汚染された廃物試料が炭酸ナトリウム８５
重量％、硫酸ナトリウム５重量％、ＮａＣ１５重量％お
よび灰分５重量％から成る溶融塩床で燃焼された。使用
された装置は９インチの深さの塩床を有する実験室規模
の燃焼器であった。排出ガスは一酸化炭素、二酸化炭素
、炭化水素類、酸素、一酸化窒素、二酸化窒素およびア
ンモニアについて連続的にモニターされた。それぞれの
試験中排出ガスの平均粒状物負荷を測定するために粒状
試料を採取した。粒状物フィルターの下流でルテニウム
を桶捉するように二重の水スクラバーを使用した。粒子
およびスクラバー溶液を分析してルテニウム含有量を求
めた。それぞれの試験の始めに、燃焼されるべき廃物の
約１／２ポンドを供給システムに設けられている供給ホ
ッパ−へ入れた。

燃焼空気供給速度約２．５立力フィ−ト（約１．０フィ
ート／秒の面積速度）に調整された。次に供給を始め所
望の排出ガス組成（約４乃至６％０２および１２乃至６
％Ｃ０２）になるまで調整した。安定状態が得られたの
ちに粒子採取器を始動した。紙、プラスチック、ゴム混
合物およびルテニウム（混合物２００タ中約４００雌の
ルテニウムを含む）を７．１夕／分の速度で燃焼器中へ
供給した。平均燃焼温度は約９１０ｏｏであった。排出
ガスフィルター中に補集された粒子の分析から、ルテニ
ウムの９９．９％より上が溶融物中に残留されたことが
認められた。ルテニウムを含有する腸イオン交換樹脂（
スルホン酸系）を有機廃物として使用して上記の手順を
繰返した。分析値は９９．９％よりも上のルテニウムが
塩中に保持されたことを示した。実施例 ２ 実施例１におけると同じ装贋を使用して、紙およびその
他のセルローズ物質５の重量％、ポリ塩化ビニル８重量
％、ポリエチレン３な重量％およびゴム１の重量％から
成る有機廃物を燃焼させた。

この廃物は、その廃物上に硝酸ストロンチウム、硝酸セ
シウム、硝酸ョーロツピウムおよびョウ化ナトリウムの
既知濃度の分割液を注加することによって、非放射性核
分裂生成物で汚染された。混合ののちに、その廃物のい
くらかを、それが燃焼器への供賭舎システムへ添加され
るに先立って、９０午０に維持されたオーブン中で一夜
乾燥した。８回の異つた燃焼試験を行なった。

４回の燃焼試験のそれぞれの系統を、燃焼器中の同じ溶
融物で行なった。

このようにして、溶融物中の核分裂生成物濃度が４回の
試験の２つの系統のそれぞれで増加され続けた。排出ガ
スの一部分（約１０％）を等運動的に（ｉｓｏｋｉｎｅ
ｔｉｃａｌｌｙ）採取して、その中の粒子を採取するた
めに０．２ミクロン紬孔のフィルターを通り、かつ次に
揮発性の擬似核分裂生成物のすべてを除去するように水
スクラバーを通して送った。そのフィルター上およびス
クラバーの溶液中の粒子のストロンチウム、セシウム、
ョーロッピゥムおよびヨウ素を分析して、排出ガス中に
見いだされる核分裂生成物の割合を測定した。炉紙上の
粒子は×−線けし、光によって、かつ水溶液は原子吸光
、火炎側光、および特定イオン電極技法によって測定さ
れた。これらの試験の結果を次の第２表乃至第６表にま
とめた。第２表 第３表 ４ ５ 表 ６表 上記の表から、一般にストロンチウム、ョーロッピウム
またはセシウムは溶融物から下流では検出されないこと
が認められ、このことはストロンチウムの９９．７％よ
りも上、ョーロツピウムの９９．８％よりも上および多
分９９．５％を越えるセシウムが溶融物中に維持された
ことを示している。

ストロンチウムが検出された場合には（実験７および９
）、溶融物中のより高い濃度で下流にストロンチウムが
検出されないことが認められた（試験３および４）。し
たがって、実険７および８に対する排出ガス中のストロ
ンチウムの分析が誤っているものと推定される。セシウ
ムが検出された場合には（実験４）、ほとんど等しい溶
融物濃度（実験３および７）が粒子中にセシウムを示さ
なかつた。したがって実験４におけるその検出は擬間が
もたれる。いくらかのヨウ素がスクラバーおよび粒子中
に発見された。

これは溶融物からのョウ化ナトリウムの蒸発のためだと
考えられる。それにもかかわらず、ョウソの約※％より
も上が一般に溶融物中に保持される。それらのデータは
排出ガス中に見だされるヨウ素はＮａｌの蒸気圧から予
測される値の約６５％であることを示している。このよ
うにして、廃物中の実際のヨウ素濃度が２乃至３オーダ
ーの大きさで少ない場合には（実際の核分裂生成物廃物
で予測されるように）、排出ガス中の濃度はこれらの試
験で見いだされたよりも２乃至３オーダーの大きさで少
なくあるべきものと期待される。このようにして、実際
の核分裂生成物−汚染有機廃物が燃焼されたときに、ヨ
ウ素の９９％よりも上がその熔融物中に残留されるであ
ろうと期待することが出来る。本発明の好ましい実施を
本明細書に開示したのではあるが、それらの数多くの改
変が可能である。

このようにして、本発明は特定的な塩、廃物および元素
に関連して記載され、かつ部分的には、合成的に調製し
たかまたは擬似の核分裂生成物で汚染された廃物に関連
して説明されたのではあるが、多くの改変がこの技術の
専門家に対しては明白であろう。このようにして、その
溶融塩浴中にそれらの元素の残留をもたらす本発明にお
ける選ばれた核分裂生成物元素の居動は、放射性および
非放射性試料種の両方に対して本質的に同一でありうる
。

【図面の簡単な説明】

添付の図は本発明の方法を実施するためのシステムを図
解的に示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ストロンチウム、セシウム、ヨウ素およびルテニウ
   ムからなる群から選ばれる少なくとも一種の揮発性化合
   物生成性元素を含有する核分裂から生ずる生成物を含む
   有機質廃物を処理するに当り、アルカリ金属炭酸塩又は
   アルカリ金属炭酸塩と１〜２５重量％のアルカリ金属硫
   酸塩との混合物から本質的になる溶融塩浴中へその有機
   質廃物およびガス状酸素を導入し、その浴を４００乃至
   １０００℃の高温にかつ０．５乃至１０気圧の圧力のも
   とに維持してその有機質廃物の体積が実質的に減少する
   ようにその有機質廃物を少なくとも部分的に酸化および
   燃焼させ、かつ上記の選択された元素を溶融塩浴中に残
   留させ、該浴から発生したガス状燃焼生成物どのかゝる
   選択された元素の核分裂生成物をも実質的に含まず二酸
   化炭素および水蒸気から本質的に成るようにすることを
   特徴とする、有機質廃物の処理方法。 ２ 特許請求の範囲１に記載の方法において、その溶融
   塩浴が炭酸ナトリウムから構成され、かつ任意的に１乃
   至２５重量％のアルカリ金属硫酸塩を含有することを特
   徴とする有機質廃物の処理方法。 ３ 特許請求の範囲２に記載の方法において、その溶融
   塩浴が約８００乃至９００℃の温度および約０．８乃至
   １．０気圧の圧力に維持されることを特徴とする有機質
   廃物の処理方法。 ４ 特許請求の範囲１に記載の方法において、その選択
   された元素がセシウムであることを特徴とする有機質廃
   物の処理方法。 ５ 特許請求の範囲１に記載の方法において、その選択
   された元素がルテニウムであることを特徴とする有機質
   廃物の処理方法。 ６ 特許請求の範囲１に記載の方法において、その選択
   された元素がストロンチウムであることを特徴とする有
   機質廃物の処理方法。 ７ 特許請求の範囲１に記載の方法において、その選択
   された元素がヨウ素であることを特徴とする有機質廃物
   の処理方法。 ８ 特許請求の範囲１に記載の方法において、その有機
   質廃物が最初にストロンチウム、セシウム、ヨウ素およ
   びルテニウムを含有し、かつその４元素のすべてを溶融
   塩浴中に残留させることを特徴とする有機質廃物の処理
   方法。