JPS63118697A - 放射性廃棄物ペレツトの固化方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、放射性廃棄物ペレットの固化方法に関するも
のである。

〔従来の技術〕

原子力発電所から発生する放射性廃棄物を減容し、ドラ
ム缶固化することは、施設内の保管スペースを確保する
上で重要であるばかりでなく、最終処分法の一つである
陸地保管上、不可欠な要因となる。放射性廃棄物を減容
する方法の一つとしてＢＷＲプラントから発生する主要
な廃棄物である濃縮廃液（主成分Ｎａ、５ｏ４）および
粉状イオン交換樹脂スラリーを乾燥粉末化して放射性廃
棄物の体積の大部分を占める水を除去し、これをペレッ
ト化する方法が検討さている（例えば特開昭５２−７６
６００号公報参照）。

この方法によって、廃液やスラリーを直接セメント固化
する従来の方法に比べ約１７８に減容できることが確認
されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

減容に対して効果の大きな」二記の方法においても、従
来の操作が容易なセメントを充填剤とする固化方法では
安定な固化体を作成できないという欠点がある。これは
セメントが、重量比でセメント１に対して水が約０．６
（後述の表２の吸水能力参照）と大量の水と混合して用
いられるためで、この水が乾燥粉末に再吸水され乾燥粉
末が体積増加し、ペレットに破損が生ずるものがあるた
めである。このため、これまでアスファルトやプラスチ
ックなど水を使用しなくてよい充填剤による固化方法が
検討されていたが、それぞれ、高温での操作が必要であ
ったり、充填剤が高価であるなどの欠点がある。

本発明の目的は、固化操作が容易な水分を有する（又は
水と混合した）充填剤を用いて、ペレットの破損を防止
することができる放射性廃棄物ペレットの固化方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、吸水性物質の粉体からなる放射性廃棄物ペ
レットの破損を生じない限界のペレットの吸水率を見出
し、その限界の吸水率（０，０５ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−ペレ
ット）を超えないように、充填剤中の自由水の水分量を
調節することにより達成される。

〔作用〕

吸水性物質の粉体からなる放射性廃棄物ペレットに吸収
される充填剤中の水分は、充填剤中の自由水である。従
って、固化に用いる充填剤中の自由水の水分量を調節す
ることによって、充填剤中よりペレットに移行する水分
の量を所定の範囲、即ち、ペレットの破損を生じない限
界のベレソトノ吸水率（０，０５ｇ　−Ｈ２Ｏ／　ｇ−
ペレット）に抑えることができる。この調整は、例えば
、結合水として水分を取り込む吸水剤を充填剤中に添加
することにより行うことができる。

〔実施例〕

本発明による充填剤中の水分量の調節の方法を。

ケイ酸アルカリ溶液を主たる充填剤として用いた場合を
例にとり具体的に説明する。

ケイ酸アルカリ溶液は従来から水ガラスとして知られて
いたものである。発明者はこのケイ酸アルカリ溶液中に
、放射性廃棄物ペレットを浸漬してもペレット中への吸
水が生じないことを見い出した。これは、ケイ酸アルカ
リ溶液が Ｍ２Ｏ・ｎ５ｉｏ２・ｘＨ，Ｏ（ここではＭはアルカリ
金属である）として表わされるように、ケイ酸アルカリ
溶液中の水は、自由な水ではなく、結晶水や水和水など
のような結合水であるためと考えられる。ところで、従
来充填剤として用いられていたセメントと比較すると、
セメントは水と混合して用いられるが、重量比でセメン
ト１に対して水が約０．６と大量に必要とされる。また
、混合初期には水が自由な形で存在する。このようなセ
メント中の水は、混合後３〜４日経過した後、始めて結
合水となる。したがって、セメントによる固化では、大
量の水を使用している限り、放射性廃棄物ペレットの同
化はできないが、ケイ酸アルカリではそれが可能となる
ものと考えた。

しかしながら、ケイ酸アルカリ溶液では下記の様な硬化
反応によって、結合水から自由な水が生ずる。

Ｍ２Ｏ−ｎＳｉＯ２・ＸＨ２Ｏ＋ＭＰ○３−）　ｎ　Ｓ
　ｉ○、＋ｘＨ２Ｏ＋Ｍ、　Ｐ　Ｏ４上式は硬化剤とし
てＭＰＯ，粉末を用いた場合であるが、他の硬化剤でも
同様に自由な水を生成する。

このように、ケイ酸アルカリ溶液そのままでは、ペレッ
トへの吸水を防止できるが、硬化時に生成する水は自由
な水となりペレットへ吸収され、ペレットの安定な固化
ができないことがわかった。

これに対応するため、発明者はケイ酸アルカリ溶液に硬
化剤を添加混合する際に、吸水剤を加えることによって
、ケイ酸アルカリ溶液の硬化反応によって生成する自由
な水を吸水剤中に結合水などとして吸収させてしまうこ
とを考えた。この効果を種々の吸水剤について検討し、
良好な放射性廃棄物のペレット同化体を得ることができ
た。

以下に良好な放射性廃棄物ペレットの同化体を作成しう
る条件を、ケイ酸ナトリウム溶液中の水分量、硬化剤の
種類、吸水剤の種類と添加量に分けて説明する。条件設
定のための実験に用いた放射性廃棄物ペレットは、主と
して模擬濃縮廃液を乾燥粉末化しペレットとしたもので
、主成分はＮａ、Ｓｏ、粉末である。

まずケイ酸ナトリウム溶液中の水分量については、水分
量の増大に伴ない、結合できない水分量すなわち自由な
水の量が増加する結果となる。−般に、このような現象
はセメント等の微粉末に見られるもので、セメントの場
合、操作しゃすい流動性を保つため、結合水に比べ圧倒
的に自由水が多い状態で使用されている。従って、水分
量を低下せしめる方法ががあればセメント等でも自由水
の量をを低下でき、ペレットの固化に使用できる。

以下、ケイ酸ナトリウム溶液の例について具体的に述べ
る。前記ペレットを用い、実験的に検討した結果、ケイ
酸ナトリウム溶液を Ｎａ２Ｏ・ｎ　Ｓ　ｉ　Ｏ２・ｘＨ，○の形で表わした
時、ケイ酸ナトリウム溶液中の水分量を８ｏ重量％以下
にすれば、ペレットへの吸水を防止できることがわかっ
た。また、水分量が少なくなるとケイ酸ナトリウム溶液
の粘性が増大し、流動性がなくなり固化できなくなる。

この時の水分量はほぼ４０重量％程度となるものと推察
される。

次に、上記の条件範囲内にある水分量６０重量％のケイ
酸ナトリウムを用いて、種々の硬化剤について実験を行
なった。その結果を表１に示す。

表　　　　　１ ここではリン酸系と強酸系について硬化後の均質性を検
討した。その結果、リン酸系の塩が良好であることがわ
かった。その内 Ｍ　Ｏｍ　／　２・ｎＰ２Ｏ，で表わされる無機質リン
酸化合物粉末が特に良好であることがわかった。この無
機質リン酸化合物は特公昭５３−２４２Ｏ６号公報に記
載されているもので、文献によれば、リン酸を徐放出す
る硬化剤によって、部分的に急速なケイ酸ナトリウム溶
液の硬化による不均質化を防止し、均質な硬化を行なう
ことが可能である。この無機質リン酸化合物は下記式 ％式％ 式中、Ｍはケイ素を含めて金属を表わし、ｍは金ｉＭの
原子価を表わし、ｎは０．１〜０．７の数である。

で表わされる組成を有し、かつ下記式 ％式％ 式中、Ｘは前記硬化剤１グラムを４規定の水酸化ナトリ
ウム水溶液１００ｍ１中に添加した試料溶液の１２Ｏ分
までの経過時間（分）を表わし、Ｙは前記試料溶液中に
溶出したリン酸分（Ｐ２Ｏ５）の積質溶出量（ｍｇ／１
００ｍ１）を表わす。

で定義される初期溶出量（Ｂ）が２５０以下、平均加水
分解速度定数（Ａ）が０．２以上であるものをいう。

次に水分量５５重量％のケイ酸す１−リウム溶液を用い
て、種々の吸水剤について実験を行った。

その結果を表２に示す。

表　　　２ ここでは吸水剤としては水を物理的に吸着する物理吸着
性のものと、結合水として吸着する化学吸着性のものの
中から選んだ。これらの効果を同化時のペレット吸水率
から比較すると、吸水剤添加によりペレット吸水率が低
下することがわかり、良好な固化体形成の条件を満しう
ろことがわかる。

また、物理吸着性を有するものと、化学吸着性を有する
ものとを比較すると、後者のほうがペレット吸水率が少
なく、本発明の目的とする固化体作成には効果的である
。このように物理的着性と化学吸着性を有するものの差
は、水との結合性の差によるものと考えられる。

次に良好な放射性廃棄物ペレット同化体を得るのに好適
な吸水剤の添加条件を選定するため、吸水剤の中で結果
の良好であったセメントについて添加量を変化させ、ペ
レット吸水率を測定した。

結果を第１図に示す。第１図の横軸はケイ酸ナトリウム
溶液に対するセメント添加量と、それに対応するケイ酸
ナトリウム溶液の反応生成水に対するセメント吸水率で
ある。すなわち、ケイ酸ナトリウム溶液の硬化反応によ
って生成した水をどの程度吸水剤に吸収させれば良いか
という指標となるものである。図からペレットの吸水率
は、セメントの添加量の増大に伴ない減少する傾向にあ
ることがわかる。ペレット吸水率０．０５ｇ−Ｈ，○／
ｇ−ペレット以下、すなわち、反応生成水に対するセメ
ント吸水率の比を０．２以下となるようにすれば、ペレ
ット固化体のクラック発生を防止できる。一方、セメン
ト添加量の増加は、ペレット吸水率を減少させる反面、
ケイ酸ナトリウム溶液の粘度を上昇させる結果となる。

これは、通常の粉末と水との混合時に見られる現象と同
一と考えられる。この粘度上昇の点から、反応生成水に
対するセメント吸水率の比を１．０を超えない範囲にし
、ケイ酸ナトリウム溶液が一定の流動性を持つようにし
て良好なペレット固化体を作る必要がある。また、１．
０を超えた場合未水和の吸水剤、この場合未水和のセメ
ントが残留するため、水を吸収して膨張する可能性があ
り、耐水性が悪くなることがある。

また、上記例ではポルトランドセメントを主体として述
べたが、「化学便覧応用編」（昭和５６年６月発行　丸
善）Ｐ３９３〜Ｐ３９４記載の自硬性セメント、潜在水
硬性セメント、混合セメントにおいても同様の作用があ
る。また、後述する他の吸水剤などにおいても同様の作
用があり、吸水剤の吸水率を反応生成水量で除した値が
０．２〜１．０の範囲とすることによって良好な固化体
を作成できる。

以上の結果に基づき、通常、放射性廃棄物の固化に用い
られる２Ｏ０＋２ドラム缶で固化する場合の一実施例を
示す。まず、２Ｏ０Ｑドラム缶内に設けられたかご内に
、Ｎａ２ＳＯ４を主成分とする放射性廃棄物ペレットを
約２５０ｋｇ充填する。

次に、あらかじめ、ケイ酸ナトリウム溶液と硬化剤と吸
水剤を混合したものを、上記２Ｏ０Ｑドラム缶内に流入
させる。この時、ケイ酸ナトリウム溶液としてＮａ２Ｏ
：　１８ｗｔ％、ＳｉＯ２：２７ｗｔ％、Ｈ２Ｏ：５５
ｗｔ％のものを、硬化剤としてはＳ　ｉ　Ｏ２・ｎＰ２
Ｏ，で示される徐放出仕無機質リン酸化合物を、吸水剤
としてはポルトランドセメントを用いる。これらの混合
比率、ケイ酸ナトリウム溶液：硬化剤：吸水剤は１：０
．４：０．２である。このようにして放射性廃棄物ペレ
ット間の空隙を上記ケイ酸ナトリウム溶液の混合液でう
すめた後、真空脱気して残留している気泡を除去し、温
室にて放誼し硬化させる。硬化は約２時間程度で完了す
る。このようにして、第２図に示すような重量約４４０
ｋｇの固化体を得ることができる。このようにして作成
した固化体は、ペレットの吸水膨潤によるクラック発生
もなく、強度も十分であった。

本実施例によれば吸水剤の添加によりケイ酸ナトリウム
溶液の水分量を調節できるため、安価な素材を使用でき
、かつ、強度的に優れた放射性廃棄物ペレットの固化体
を提供できる。

上記実施例においては、あらかじめ、放射性廃棄物ペレ
ットをドラム缶内に充填したが、放射性廃棄物ペレット
とケイ酸ナトリウム溶液と硬化剤と吸水剤とを混合しド
ラム缶内に充填しても同様の効果を奏することができる
。

また上記実施例では硬化剤と吸水剤とを添加したが、硬
化と吸水との両作用を有する物質単独または、硬化と吸
水との両作用を有する物質と他の硬化剤や吸水剤併用し
てもよい。硬化と吸水との両作用を有する物質としては
、物質の一部が吸水剤、他の一部が硬化剤として作用す
るもの、物質がケイ酸ナトリウム溶液中のＮａ２Ｏと反
応して吸水性を示すもの、物質中に吸水性有する部分と
硬化性を有する部分とを有するものなどがある。

次にこれらの例を示す。まず物質の一部が吸水剤、他の
一部が硬化剤として作用するものとして、石膏（Ｃａ　
Ｓ　Ｏ４・１　／　２　Ｈ−○）、塩化カルシウム（Ｃ
ａＣ１，）などがある。カルシウム塩の場合Ｃａ２＋イ
オンがケイ酸ナトリウム溶液と次の様に反応して硬化す
る。

Ｎａ２Ｏ・ｎ５ｉｏ２・ｘＨ，Ｏ＋　Ｃａ”　”→Ｃａ
Ｏ・ｎ５ｉＯ，↓＋ｘ）１．Ｏ＋２Ｎａ”一方、吸水反
応は、石膏の場合、塩化カルシウムの場合、それぞれつ
ぎのようになる。

Ｃａ５０．４／２Ｈ，Ｏ＋３／２　Ｈ，Ｏ→ＣａＳＯ４
・２Ｈ２ＯＣａＣ１＋　６Ｈ，Ｏ→ＣａＣ１・６１１□
０また、物質がケイ酸ナトリム溶液中のＮ　ａ２Ｏと反
応して吸水性を示すものとして、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ）
）、五酸化リン（ｐ　２ｏ　ｓ　）などがある。

これらのＮａ２Ｏとの反応すなわち硬化反応は、Ｎａ２
Ｏ・ｎＳｉＯ２・ｘＨ，０＋　２８．Ｏ。

−＋　ｎ５ｉｏ□＋ｘＨ□Ｏ＋Ｎａ２Ｂ４０゜３Ｎａ、
　Ｏ・ｎ５ｉｏ２・ｘＨ，Ｏ＋Ｐ２Ｏ゜→ｎ５ｉｏ、　
＋　ｘＨ，Ｏ＋　２Ｎａ、　ＰＯ４であり、吸水反応は
次のようになる。

Ｎａ、Ｂ４０．＋１０Ｈ２Ｏ耐Ｎａ２Ｂ、０．４０１（
，０Ｎａ３ＰＯ４＋１２Ｈ，Ｏ−＋　Ｎａ５ＰＯｉ’１
２Ｈ２Ｏまた、物質中に吸水性を有する部分と硬化性を
有する部分とを有する物質としては、結晶性アルミノケ
イ酸塩であるゼオライトがある。ゼオライトは１Ｍ’ｘ
（（Ａ　１ｏｚ）　ｙ（Ｓ　ｌ○２）ｚ１ｍＨ２Ｏ（こ
こで、Ｍ′はアルカリ金属、水素イオン等である）で表
わされる。ゼオライトのＭ′が水素イオンで、ｍ　Ｈ、
Ｏを加熱除去したものが、硬化と吸水の同作用を有する
。すなわち、硬化反応はＮａ、Ｏ・ｎＳｉＯ２・ｘＨ２
Ｏ＋　−・Ｈｘ（（Ａ１０２）ｖ（ＳｉＯ２）、）→ｎ
ＳｉＯ２＋　（ｘ＋１）Ｈ，Ｏ＋　−・Ｎａｘ（（Ａｌ
Ｏ２）ｖ（ＳｉＯ２）、）であり、吸水反応は Ｎａｇ（（ＡＩＯｚ）ｖ（ＳｉＯｚ）ｉ）　＋　ｌｌｌ
Ｈ２Ｏ→Ｎａｘｌ：（Ａ１０ｚ）ｙ（Ｓｌｏｚ）ｔ）・
ＨｚＯである１以上の例の内、ゼオライトを除く、カル
シウム塩、塩化ホウ素などの無機ホウ素化合物。

五酸化リンなどの無機質リン酸化合物などは、硬化の反
応速度が速いため、硬化が不均一となる。

このような点から、これらの化合物については、前述し
たＭＯｍ／２・ｎＰ２Ｏ，で表わされるような徐放吊型
にすることが望ましい。この方法によれば、硬化剤と吸
水剤の２つの混合操作を１度に済ませることができる。

これらの石膏を前述のケイ酸ナトリウム溶液に入れて硬
化速度を調べた結果、水和（約５分）、半水和（約３０
分）、無水（６０分以上）であった。この結果から、水
和した石膏からＣａ”イオンがケイ酸ナトリウム溶液中
に溶出し、次の反応によって硬化するものと考えられる
。

Ｎａ２Ｏ・ｎＳｉＯ２・ｘＨ２Ｏ＋ＣａＳＯ４・２）＋
２Ｏ→ＣａＯ−ｎＳｉＯ２・ｘＨ２Ｏ＋　Ｎａ２５ｏ、
　＋　２Ｈ２ＯここでＣａＯ・ｎ　Ｓ　ｉ　Ｏ，・ｘＨ
２Ｏは不溶性の硬化物である。しかしながら、水和石膏
では吸水性がないため、半水和、無水石膏が本発明に適
用できる。この方法によれば、硬化剤と吸水剤の２回の
混合操作が、１回だけとなる。

上記実施例のケイ酸ナトリウム溶液は、水溶性のケイ酸
ナトリウムだけでなく、ケイ酸カリウムなどの他のアル
カリ塩または水分散性のケイ素質でも良い、また、性能
向上のため、それ自体公知の配合剤１例えば酸化ホウ素
、酸化カルシウム。

酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、水酸
化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウ
ムなどの各種金属酸化物又は水酸化物：ケイ酸カルシウ
ム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸亜鉛、ケイ酸アルミニ
ウム等の各種金属のケイ酸塩；あるいはケイフッ化アル
ミニウム、ケイフッ化カルシウム等の各種金属のケイフ
ッ化物を任意の量、たとえば一般にはケイ准アルカリ溶
液中のＳｉＯ２当たり１００重量％までの量で配合でき
る。

また、上記実施例においては補強剤等を添加しなかった
が、強度増大、硬化収縮等を防止するために種々の補強
剤または充填材を配合することができる。例えば、補強
剤としては、ガラス繊維、ロック・ウール、スラグ・ウ
ール、石綿、カーボン繊維、金属繊維等のステーブル、
スライバー。

マット、織布、不織布あるいは網等の繊維質補強剤を使
用することができる。また、充填剤としては、カオリン
、焼成りレイ、酸性白土、活性白土、二酸化チタン、二
酸化ジルコニウム、アルミナ粉、硫酸バリウム、炭酸マ
グネシウム、炭酸カルシウム、酸化亜鉛、無水石膏、砂
などの各種無機充填材が使用できる。

また上記実施例では、Ｎａ２５ｏ、を主成分とした放射
性廃棄物ペレットについて述べたが、廃イオン交換樹脂
などのペレットについても同様の効果を奏することが確
認されている。

〔発明の効果〕

本発明によりば、充填剤中の自由水の水分量の調節によ
り、ペレットの吸水率を０．０５ｇ−Ｈ２Ｏ／ｇ−ペレ
ット以下に抑え、放射性廃棄物ペレットに対して経済性
、耐候性の優れた固化体の作成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ペレッ１〜吸水率と吸水剤の添加量との関係
を示す図、第２図は、本発明によって作成した固化体の
一例を示す図である。 １・・・ケイ酸ナトリウムの硬化物、 ２・・・ドラム缶、３・・・金網層かと、４・・・放射
性廃棄物ペレット。 代理人　弁理士　小川筋、男−１、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、吸水性物質の粉体からなる放射性廃棄物のペレット
   を、水分を有する充填剤を用いて所定の容器内に封入固
   化する方法において、 前記ペレットの吸水率が０．０５ｇ−Ｈ＿２Ｏ／ｇ−ペ
   レットを超えないように、前記充填剤中の自由水の量を
   調節することを特徴とする放射性廃棄物ペレットの固化
   方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記自由水の量の
   調整は、結合水として水分を取り込む吸水剤を充填剤中
   に添加することにより行うことを特徴とする放射性廃棄
   物ペレットの固化方法。