(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融することにより金属溶湯と非金属溶湯に分離するような雑固体廃棄物を処理する高周波誘導炉であって、該雑固体廃棄物を収納するキャニスタを囲繞する高周波コイル、および該雑固体廃棄物より高い熱伝導性を有する材料からなる１本以上の柱体を備え、該柱体が前記キャニスタ内部下層の前記金属溶湯に達するところまで挿入および引き出し可能に構成され、該柱体が下層の前記金属溶湯に浸って該金属溶湯の熱を上層の前記非金属溶湯に伝達して該非金属溶湯の溶融を助けることを特徴とする雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉。
【請求項２】
前記柱体が前記キャニスタで溶融する物質より高い融点を持つ材料で形成されることを特徴とする請求項１記載の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉。
【請求項３】
前記柱体の表面にフィンを形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉。
【請求項４】
前記熱伝導性の柱体が導電性物質で形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉。
【請求項５】
前記キャニスタが非導電性セラミックで形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉。
【請求項６】
半分以上が金属からなる廃棄物が装荷されたキャニスタを高周波コイル内の空間に据えて高周波誘電加熱を開始し、金属が溶融したところで金属と非金属が混在する雑固体廃棄物を該キャニスタに投入し、さらに伝熱促進体を該キャニスタ内下層にできる金属溶湯に達するところまで挿入して金属溶湯の熱を上層にできる非金属溶湯に伝達し、前記雑固体廃棄物が溶融した後に前記伝熱促進体を引き出して冷却し、固化させることを特徴とする雑固体廃棄物溶融方法。
【請求項７】
前記雑固体廃棄物が溶融してからさらに半分以上が非金属からなる廃棄物を追加投入することを特徴とする請求項６に記載の雑固体廃棄物溶融方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体廃棄物、特に原子力発電所で発生する雑固体廃棄物の溶融方法および溶融用高周波誘導炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電所や放射性物質取扱施設などで発生する低レベル放射性廃棄物のうち、断熱材や構造材廃材等の雑固体廃棄物は埋設処分される。処分に際しては、廃棄物を２００リットルドラム缶に詰め、隙間にモルタルを充填した廃棄体を製造する。処分費用を軽減するため、廃棄物をドラム缶に詰める前に減容することが望まれる。
【０００３】
雑固体廃棄物の減容方法の一つに、高周波誘導加熱炉を用いて廃棄物を溶融、固化する方法がある。キャニスタ内に装荷した雑固体廃棄物を高周波電力により誘導加熱して雑固体廃棄物を溶融させ、適宜雑固体廃棄物を追加投入しながら減容する。その後、キャニスタ内で溶湯を固化させ、キャニスタごとドラム缶に詰め、隙間にモルタルを充填して廃棄体とする。なお、通常、雑固体廃棄物には主に鋼材などの金属と非金属が含まれる。
【０００４】
キャニスタが使い捨てであるため、アルミナなどの安価な非導電性セラミックキャニスタを用い、雑固体廃棄物に含まれる金属を高周波で誘導加熱して溶融、減容する方法が考えられる。雑固体廃棄物に含まれる非金属は、発熱した金属を熱源として熱伝導により加熱する。
【０００５】
この場合、雑廃棄物中の金属のみを熱源とするため非金属リッチな雑固体廃棄物では十分な温度が確保できない。したがって、雑固体廃棄物中にはある程度以上の金属を含んでいる必要がある。
【０００６】
図６に非導電性セラミックキャニスタに雑固体廃棄物を装荷して加熱した際の溶融状況および温度分布を概念的に示した。なお、図に示した温度は参考値である。金属は非金属より比重が大きいため溶湯が下層の金属層と上層の非金属層に分離する。金属層では高周波加熱によって十分加熱され廃棄物が溶融しているが、非金属層では廃棄物溶融に必要な熱が得られず廃棄物の一部が溶融していない。
【０００７】
非金属を完全に溶融させるためには高周波加熱出力を上げて溶湯全体の温度を上昇させることが考えられる。しかしこの場合、金属溶湯が過熱してキャニスタの耐熱限度を超え、キャニスタが破損する可能性がある。
【０００８】
図７に高周波出力を上げた場合の廃棄物の溶融状況および温度分布を概念的に示した。非金属層においても廃棄物は必要な熱を得て溶融しているが、金属層において溶湯温度がキャニスタの耐熱限度を超えており、キャニスタの溶損、溶湯の漏出が心配される。
【０００９】
なお、非金属リッチな雑固体廃棄物を溶融、減容する場合、導電性セラミックキャニスタを用いて高周波により誘導加熱を行うことも考えられる。キャニスタを導電性とすることで高周波によりキャニスタ自体を発熱させることができ、非金属の混合割合に関わらずキャニスタを熱源として雑固体廃棄物を溶融することが可能となる。
【００１０】
しかし、キャニスタは使用の都度雑固体廃棄物と共に廃棄する。したがって、導電性セラミックキャニスタを用いると、キャニスタが高価であるためランニングコストが高くなるという問題がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、非金属リッチな雑固体廃棄物を安価な非導電性セラミックキャニスタを用いて溶融することができる雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉及び雑固体廃棄物溶融方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉は、キャニスタを囲繞する高周波コイル、熱伝導性材料からなる伝熱促進体、および伝熱促進体をキャニスタに挿入・引き出しする炉上部機構を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の雑固体廃棄物溶融方法では、まずキャニスタに主に金属からなる廃棄物を装荷し、高周波加熱で溶融して金属溶湯を作る。次に、非金属を含む雑固体廃棄物を順次投入して加熱を続け、廃棄物を溶融させる。
【００１４】
高周波電力により金属が発熱し金属からの伝熱で非金属が加熱されるため、非金属の割合がある程度以下であれば非金属の溶融も可能である。なお、通常金属の方が非金属より比重が大きいため溶湯は下部の金属層と上部の非金属層に分離する。
【００１５】
その後、本発明の高周波誘導炉に備えた伝熱促進体をキャニスタに挿入する。この伝熱促進体は、雑固体廃棄物より融点が高く熱伝導性の高い材料で形成され、金属層で発生した熱を非金属層に移動させることができる。
【００１６】
伝熱促進体を挿入した後、非金属リッチな雑固体廃棄物を投入する。非金属は金属層で発生し伝熱促進体によって伝えられた熱を受けて加熱され、溶融する。雑固体廃棄物全体が十分に溶融したら、伝熱促進体をキャニスタから引き抜き、溶湯を冷却固化する。その後、キャニスタごとドラム缶に詰め、モルタルを充填して廃棄体とする。
【００１７】
以上のように、伝熱促進体をキャニスタに挿入することにより金属層で発生した熱を効率よく非金属層に移動させることができ、非金属を含む割合が高い廃棄物も効率的に加熱することができる。
【００１８】
したがって本発明の高周波誘導炉によれば、金属廃棄物からの発熱だけで非金属リッチな雑固体廃棄物をも溶融することができる。したがって、高価な導電性キャニスタを用いる必要がない。
【００１９】
また、本発明の高周波誘導炉は金属層で発生した熱を効率よく非金属層に伝達する機構を備えるため、非金属の溶融を促すために過剰な高周波出力で金属層を加熱する必要が無く、金属層の過熱によるキャニスタの溶損を防ぐことができる。さらに、熱分布が均一化されて金属部分と非金属部分の温度差が小さくなるためキャニスタへの熱影響が緩和される。
【００２０】
なお、高周波誘導の表皮効果のため、誘導加熱では加熱体の外表面に近い部位ほど効率よく加熱される。本発明の伝熱促進体には、伝熱促進体を挿入し溶湯の嵩を増すことによって溶湯の外表面積を増大し、誘導加熱の効率を上げる働きもある。
【００２１】
伝熱促進体は１本の柱体でもよいし、複数の柱体でもよい。また、板状または塊状等他の形状であってもよい。伝熱促進体にフィンを備えるなど、伝熱促進体の形状を工夫して熱伝導性を高めることもできる。
【００２２】
また、伝熱促進体を導電性物質で構成すれば、高周波電力により伝熱促進体が発熱するため、金属廃棄物から発生した熱のみでなく伝熱促進体から発生した熱も廃棄物の溶融に用いることができる。したがって、雑固体廃棄物内の金属の割合に制限されず、非常に非金属リッチな雑固体廃棄物も溶融することができ便利である。極端な場合、金属を含まない雑固体廃棄物でも溶融することができる。
【００２３】
この場合、伝熱促進体には高融点、高熱伝導性とともに導電性が要求されるため、黒鉛、ＳｉＣ、ホウ化ジルコニウムや高融点金属などを用いるとよい。なお、伝熱促進体は使い捨てしないため、比較的高コストでもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の断面図である。キャニスタ１を高周波コイル２が取り巻いており、キャニスタ１に伝熱促進体３が挿入されている。また、図では割愛したが伝熱促進体３をキャニスタ１に上下に挿入・引き出しする炉上部機構が備わっている。
伝熱促進体３はキャニスタ１に装荷する物質より高い融点を持ち、伝熱性の高い物質で形成される柱体である。
【００２５】
図２は本発明の１実施例の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉を用いた雑固体廃棄物溶融、固化の処理手順の１例を示す概略図である。
キャニスタ１に金属リッチな雑固体廃棄物１０を装荷し、図示しない高周波コイルによって誘導加熱する（図２（ａ））。装荷した雑固体廃棄物が溶融し金属溶湯１１となったら（図２（ｂ））、比較的少量の非金属を含む雑固体廃棄物１２を投入し、加熱を続ける（図２（ｃ））。このとき含まれている非金属は高周波加熱によっては発熱しないが、周囲の金属から発熱した熱を得て溶融する。なお、一般的に非金属より金属の方が比重が大きいため下部に金属溶湯１１が溜まり、上層は非金属溶湯１３もしくは残存固体非金属となる。
【００２６】
その後、伝熱促進体３をキャニスタ１内に挿入し、非金属リッチな雑固体廃棄物１４を追加投入する（図２（ｄ））。高周波加熱によって下層の金属溶湯１１で発生した熱は伝熱促進体３を伝わって上層に移動し、上層の非金属を溶融する。
【００２７】
投入した雑固体廃棄物の溶融が完了したら伝熱促進体３を引き抜き（図２（ｅ））、キャニスタ１ごと冷却し溶湯を固化させる（図２（ｆ））。溶融、固化を経て雑固体廃棄物は著しく減容する。冷却固化後、キャニスタ１をドラム缶に詰め、隙間にモルタルを注入して廃棄体とする。
【００２８】
図３は本発明の１実施例の伝熱促進体挿入後の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉内での熱の流れと温度分布を示す図である。仮にキャニスタ１の耐熱限度２０を１７００度、非金属の融点２１を１２００度としたが、これは参考値である。
【００２９】
伝熱促進体３により下部の金属溶湯１１で発生した熱が効率的に上部の非金属１３に移動する。そのためキャニスタ１内の温度分布が比較的均一になり、溶湯温度はキャニスタ１内全域において非金属の融点２１以上キャニスタ１の耐熱限界温度２０以下になっている。したがって、キャニスタ１の溶損や固体非金属の残存の心配が無い。
【００３０】
また、金属溶湯１１からの発熱のみで非金属を溶融させることができるためキャニスタ１が発熱する必要はない。したがって、キャニスタは安価な非導電性セラミック製のものでよい。
【００３１】
図４は本発明の１実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の伝熱促進体を挿入しない状態でのキャニスタ内の発熱の分布を示す断面図であり、図５は同じく伝熱促進体を挿入した状態での断面図である。図４，図５の下部に示したグラフは、キャニスタ内の横方向の位置とその部分での発熱量を表している。なお、簡便のためキャニスタ１内全量を金属溶湯１１とした。
【００３２】
高周波加熱の表皮効果により、金属溶湯１１は外表面に近いほど単位体積当たりの発熱量が大きくなる。伝熱促進体を挿入しない状態では、図４に示したとおり液嵩が低いため全体積に対して上記発熱量が大きい部分の体積が小さく、発熱量が小さくなっている。それに対し伝熱促進体を挿入した状態では図５のように伝熱促進体３の体積分だけ液嵩が増すため溶湯の全体積に対して発熱量の大きい部分の体積が大きくなり、液全体の発熱量も大きくなる。
ここでは液全量を金属溶湯としたが、溶湯が非金属層を含んでいても金属層において同様の現象が起こる。
【００３３】
以上のように本発明の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉を用いれば、金属廃棄物を熱源として効率よく非金属廃棄物を溶融することができる。したがって、使い捨てするキャニスタに導電性セラミック製キャニスタを用いる必要がなく、安価な非導電性セラミック製キャニスタを用いればよいためランニングコストを大幅に軽減することができる。
【００３４】
また、金属廃棄物から発生した熱を非金属廃棄物に効率よく伝熱するため、キャニスタ内の熱が分散され、高温部と低温部の温度差が縮小する。したがって、高温部の温度をキャニスタの耐熱限度以下に設定しても低温部の温度を非金属の融点以上することができ、キャニスタの溶損や固体非金属の残存の心配が無く、温度設定が容易である。
【００３５】
さらに、伝熱促進体をキャニスタに挿入して液嵩を高めることにより高周波加熱の表皮効果を有効に用いて効率よく廃棄物を加熱することができる。
【００３６】
なお、本実施例では伝熱促進体を１本の柱体としたが、複数の柱体でもよいし、板状や塊状等、他の形状のものでもよい。また、伝熱促進体にフィンを設けるなどして伝熱効率を上昇させてもよい。
【００３７】
また、本発明の伝熱促進体を導電性物質で構成すれば、高周波加熱により伝熱促進体を直接発熱させて熱源とすることができるため、金属をほとんど含まない雑固体廃棄物のみでも高周波加熱により溶融することができ非常に便利である。
この場合、伝熱促進体には高融点、高熱伝導率、導電性が求められるため、たとえば黒鉛、ＳｉＣ、ホウ化ジルコニウム、高融点金属等で形成するとよい。伝熱促進体は使い捨てしないため、比較的高コストでも容認されうる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉によれば、非金属リッチな雑固体廃棄物を安価な非導電性セラミックキャニスタを用いて溶融することができる。また、キャニスタ内の熱分布が穏やかになり、固体非金属の残存やキャニスタの溶損の心配がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の断面図である。
【図２】本発明の１実施例の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉を用いた雑固体廃棄物溶融、固化の処理手順の１例を示す概略図である。
【図３】本発明の１実施例の伝熱促進体挿入後の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉内での熱の流れと温度分布を示す概念図である。
【図４】本発明の１実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の伝熱促進体を挿入しない状態でのキャニスタ内の発熱の分布を示す断面図である。
【図５】本発明の１実施例における雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の伝熱促進体を挿入した状態でのキャニスタ内の発熱の分布を示す断面図である。
【図６】従来型の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉のキャニスタに雑固体廃棄物を装荷して加熱した際の溶融状況および温度分布を示した概念図である。
【図７】従来型の雑固体廃棄物溶融用高周波誘導炉の高周波出力を上げた場合の廃棄物の溶融状況および温度分布を示した概念図である。
【符号の説明】
１  キャニスタ
２  高周波コイル
３  伝熱促進体
１０  金属リッチな雑固体廃棄物
１１  金属溶湯
１２  非金属を含む雑固体廃棄物
１３  非金属溶湯
１４  非金属リッチな雑固体廃棄物
２０  耐熱限度
２１  非金属の融点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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