(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摂氏１５００〜１７５０度で溶融したステンレスにイオウを添加し、前記ステンレス中に含まれる鉄、クロム、ニッケル、コバルトを硫化物に変換し、
摂氏１０００〜１３００度の溶融硫化物に、鉄、クロム、ニッケル、コバルトの硫化物を酸化物に変換するのに必要な酸素量の９０〜１０５重量％に相当する量の酸素を吹き込み、
該酸素により、前記ステンレスの主成分であり、低寿命核種である鉄及びクロムの硫化物を酸化物として浮上させ、長寿命核種であるニッケルの硫化物を分離することを特徴とする放射性ステンレス鋼の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力関連施設の解体に伴い発生する放射性ステンレス鋼の処理方法に関し、より詳細には、放射性ステンレス鋼から長寿命核種であるニッケルを分離する処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉その他の原子力関連施設を解体すると、放射化金属、汚染金属、非放射性金属などの金属廃棄物が発生する。このうち、非放射性金属と低汚染金属は適当な処理を施すことにより再利用可能であるが、放射化金属はそれ自体が放射性であるため、再利用は不可能であり、適当な処置を施した上で処分しなければならない。ただし、この放射化金属の処分方法は、処分場所の問題があり、未だ確立していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
放射化金属の一つであるステンレスは、その主成分である鉄、ニッケル、クロム、コバルト等が放射化しているために、放射性物質になっている。
放射性物質は、その半減期で分類すると、半減期が数年程度のものである低寿命核種とそれ以上の半減期を有する長寿命核種とに分けられる。このうち、低寿命核種は、ある程度の期間の保管を行えば、放射性が減衰し、再利用可能な状態になる。
【０００４】
放射化したステンレスの構成元素のうち、最も物量が多く、かつ、長寿命核種であるものはニッケル−６３（半減期：１００年）である。従って、このニッケルを放射化ステンレスから分離することができれば、残りの構成元素の大半を占める鉄やクロムを再利用することが可能になる。さらには、廃棄物として処分すべき放射性金属の物量を減らすことができるため、処理費用や保管費用などを大幅に減らすことが可能である。
【０００５】
ただし、例えば、１１０万キロワット級ＢＷＲを解体すると、約１００トンの放射性ステンレスが発生するため、ニッケルのみを放射化ステンレスから分離する方法は、大量処理が可能であり、かつ、二次廃棄物の発生量が極めて少ないものであることが要求される。
【０００６】
本発明は、このような要求に鑑みてなされたものであり、原子力関連施設の解体により発生する放射性ステンレス鋼から長寿命核種であるニッケルのみを分離し、残りの低寿命核種である鉄やクロムなどの金属の再利用を可能にする放射性ステンレス鋼の処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明に係る放射性ステンレス鋼の処理方法は、
摂氏１５００〜１７５０度で溶融したステンレスにイオウを添加し、前記ステンレス中に含まれる鉄、クロム、ニッケル、コバルトを硫化物に変換し、摂氏１０００〜１３００度の溶融硫化物に、鉄、クロム、ニッケル、コバルトの硫化物を酸化物に変換するのに必要な酸素量の９０〜１０５重量％に相当する量の酸素を吹き込み、該酸素により、前記ステンレスの主成分であり、低寿命核種である鉄及びクロムの硫化物を酸化物として浮上させ、長寿命核種であるニッケルの硫化物を分離することを特徴とする。
【０００８】
すなわち、本方法は、溶融ステンレス中にイオウを添加することにより、ステンレス中の全元素を硫化物に変換させた後、酸素を含む空気その他のガスを吹き込むことにより、鉄やクロムなどの金属を酸化物として取り出し、もって、ニッケル硫化物を分離するものである。
図４に、鉄、クロム、ニッケル及びコバルトの各酸化物の標準生成自由エネルギー変化のグラフを示す。このグラフから明らかであるように、鉄やクロムの方がニッケルよりも酸化されやすい。このため、酸素含有ガス（例えば、空気）の吹き込み量を調節することによって、鉄やクロムだけを酸化させることができる。
【００１３】
本方法においては、合金よりも融点の低い硫化物を処理することから、溶融金属を酸化する方法よりも、溶融温度を低くすることができ、それに伴い、耐火物の消耗が少なく、熱エネルギーの消費量を低くすることができるという利点を有している。
【００１４】
硫化を行う際の処理温度は、ステンレスを硫化することにより得られる硫化物の組成により異なるが、スラグや硫化物の溶融温度より約５０度高いことが望ましい。ただし、処理温度が高すぎると、エネルギーの消費量が大きくなることから、摂氏１０００〜１３００度の範囲が好ましい。
【００１５】
また、酸素供給量に関しては、酸素供給量が少なすぎると、鉄やクロムの酸化が十分に進まず、ニッケルの分離を十分に行うことができない。一方、酸素供給量が過剰になると、ニッケルやコバルトの酸化が進みすぎるため、同様に、ニッケルの分離を十分に行うことができない。発明者はこの点に関して種々の研究・実験を重ね、ニッケル分離に適当な酸素量は、ステンレス溶融物中の鉄、クロム、ニッケル及びコバルトの硫化物（ＦｅＳ，ＣｒＳ，Ｎｉ３  Ｓ２  、ＣｏＳ）の全量が各々酸化物（ＦｅＯ，Ｃｒ２  Ｏ３  ，ＮｉＯ，ＣｏＯ）になるのに必要な酸素量の９０〜１０５重量％に相当する量が適切であり、そのような量の酸素をステンレス溶融物に吹き込めば、鉄及びクロムだけを選択的に分離できることを見いだした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に、放射性ステンレス鋼の処理方法を実施するための装置の一例の概略を示す。
ステンレス鋼廃棄物１０をフラックス１１とともに、溶融炉１２に入れた後、ヒーター１３により、ステンレス鋼廃棄物１０を摂氏１５００〜１７５０度の温度に加熱し、溶融させる。
【００１７】
この加熱による溶融の間、送風機その他の適当な手段を介して、空気１４がステンレス溶融物内に送り込まれる。この際、ステンレス鋼廃棄物１０に含まれる鉄、クロム、ニッケル及びコバルトの全量がそれらの酸化物（ＦｅＯ，Ｃｒ２  Ｏ３  ，ＮｉＯ，ＣｏＯ）になるのに必要な量の７０〜１１０重量％に相当する量の酸素がステンレス溶融物中に送り込まれるようにする。
【００１８】
加熱及び酸素の吹き込みにより、低寿命核種である鉄及びクロムは酸化物１５（ＦｅＯ，Ｃｒ２  Ｏ３  ）として浮上し、長寿命核種であるニッケル１６は沈殿する。この後、酸化物としての鉄及びクロムを取り出し、次いで、ニッケル１６を取り出す。このように、ステンレス鋼中の成分のうち、ニッケルのみを取り出すことができる。
【００１９】
図３は本発明に係る放射性ステンレス鋼の処理方法を実施するための装置の一例の概略を示す。
ステンレス鋼廃棄物１０を溶融炉１２に入れた後、ヒーター１３により、ステンレス鋼廃棄物１０を摂氏１５００〜１７５０度の温度に加熱し、溶融させる。溶融の間、適当な攪拌装置１７により、ステンレス鋼溶融物が一様に溶融するように攪拌を行う。
【００２０】
この加熱によるステンレス鋼廃棄物１０の溶融の間、あるいは、ステンレス鋼廃棄物１０が完全に溶融した後、ステンレス鋼溶融物にイオウ１８を添加し、ステンレス鋼中に含まれる鉄、クロム、ニッケル及びコバルトをそれらの硫化物１９（ＦｅＳ，ＣｒＳ，Ｎｉ３  Ｓ２  ，ＣｏＳ）に変える。
【００２１】
その後、ステンレス鋼溶融硫化物にフラックス１１を加え、ステンレス鋼溶融硫化物の温度を摂氏１０００〜１３００度に調節した後、酸素として空気１４をステンレス鋼溶融硫化物内に送り込む。この際、ステンレス鋼溶融物中に硫化物として存在する鉄、クロム、ニッケル及びコバルトの全量がそれらの酸化物（ＦｅＯ，Ｃｒ２  Ｏ３  ，ＮｉＯ，ＣｏＯ）になるのに必要な量の９０〜１０５重量％に相当する量の酸素がステンレス鋼溶融硫化物中に送り込まれるようにする。
【００２２】
加熱及び酸素の吹き込みにより、低寿命核種である鉄及びクロムは酸化物１５（ＦｅＯ，Ｃｒ２  Ｏ３  ）として浮上し、長寿命核種であるニッケルは硫化物２０（Ｎｉ３  Ｓ２  ）として沈殿する。この後、酸化物としての鉄及びクロムを取り出し、次いで、ニッケル硫化物２０を取り出す。このように、ステンレス中の成分のうち、ニッケルのみを取り出すことができる。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
以下に、放射性ステンレス鋼の処理方法の一実施例を示す。
表１に試験原料の組成を示す。この試験原料の組成は、ステンレス鋼の組成に、廃棄物になった場合に放射能の原因となるコバルトを添加したものである。
【００２４】
試験原料には試薬が添加されている。この試薬は全体で２００グラムであり、酸化物をつくるためのＳｉＯ２  が３０グラム含まれている。
高純度アルミナ製のタンマン管を窒素雰囲気の装置内にセットし、摂氏１６００度又は摂氏１７００度で６０分間保持することにより、試験原料を溶融させた後、溶融金属中に酸素を１５リットル／分の割合で吹き込んだ。
【００２５】
試験後、溶融金属を室温まで冷却し、試験原料を取り出し、酸化物と金属とを分離し、各々の重量を測定した。さらに、酸化物及び金属を酸で溶解し、ＩＣＰで各元素の濃度を測定した。
【００２６】
温度を摂氏１６００度又は摂氏１７００度、さらに、酸素の吹き込み時間を３分又は３．５分とした場合、すなわち、ステンレス鋼を全量酸化するのに必要な酸素量に対して各々１００％又は１１７％の酸素を吹き込んだ場合の試験後の金属及び酸化物の試料組成を表２に示す。
また、この組成から求めた各元素の移行率を表３に示す。
【００２７】
それぞれの試験における酸素効率は、スラグ中の鉄、クロム、ニッケル及びコバルトが各々ＦｅＯ，Ｃｒ２  Ｏ３  ，ＮｉＯ，ＣｏＯの状態で存在するとすれば、８４％、８６％及び７６％であった。
すなわち、ニッケルの移行率がステンレス鋼の他の主要成分である鉄及びクロムに比べて低いことから、本発明に係る第一の方法によりステンレス鋼廃棄物からニッケルを分離することができることがわかる。
【００２８】
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【００２９】
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【００３０】
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【００３１】
（比較例１）
処理温度だけを摂氏１４００度に変え、処理温度以外は実施例１と同様の試験条件の下で、溶融金属中に酸素を１５リットル／分の割合で３分間吹き込んだ。試験後の試料は未溶融ステンレス鋼とＳｉＯ２  とスラグが混在した状態であり、ニッケルの分離は不可能であった。
【００３２】
また、処理温度を摂氏１７００度とし、酸素吹き込み時間を２分又は５分とした場合、すなわち、必要酸素量に対して６７％又は１６７％の酸素を吹き込んだ場合の結果を表４及び表５に示す。酸素の吹き込み時間が２分の場合には、鉄の酸化が十分には進まず、ニッケルを十分に分離することはできなかった。酸素の吹き込み時間が５分の場合には、ニッケルの酸化が進みすぎ、同様に、ニッケルの十分な分離は不可能であった。
【００３３】
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【００３４】
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【００３５】
（実施例２）
以下に、本発明に係る放射性ステンレス鋼の処理方法の一実施例を示す。
表６に試験原料の組成を示す。この試験原料中の金属成分組成は、ステンレス鋼の組成に、廃棄物になった場合に放射能の原因となるコバルトを添加したものである。
【００３６】
試験原料は、金属の試薬を調合したものを、摂氏１０００度の窒素雰囲気の炉内において黒鉛るつぼ内に入れ、硫黄フレークを添加しながら、木の棒で押し込むことにより、作成した。このようにして得られた硫化物から４００グラムだけを取り、酸化物をつくるためのＳｉＯ２  を６０グラム添加した。
【００３７】
高純度アルミナ製のタンマン管を窒素雰囲気の装置内にセットし、摂氏１１００度又は摂氏１２００度で６０分間保持することにより、試料を溶融させた後、溶融硫化物中に酸素を３０リットル／分の割合で吹き込んだ。
試験後、溶融硫化物を室温まで冷却し、試料を取り出し、スラグと硫化物とを分離し、各々の重量を測定した。さらに、酸化物及び硫化物を酸で溶解し、ＩＣＰで各元素の濃度を測定した。
【００３８】
温度を摂氏１１００度又は摂氏１２００度、さらに、酸素の吹き込み時間を３分又は３．５分とした場合、すなわち、ステンレスを全量酸化するのに必要な酸素量に対して各々９０％又は１０５％の酸素を吹き込んだ場合の試験後の硫化物及び酸化物の試料組成を表７に示す。
また、この組成から求めた各元素の移行率を表８に示す。
【００３９】
それぞれの試験における酸素効率は、酸化物中の鉄、クロム、ニッケル及びコバルトが各々ＦｅＯ，Ｃｒ２  Ｏ３  ，ＮｉＯ，ＣｏＯの状態で存在するとすれば、８９％、９２％及び９２％であった。
すなわち、ニッケルの移行率がステンレス鋼の他の主要成分である鉄及びクロムに比べて低いことから、本発明に係る第二の方法によりステンレス鋼廃棄物からニッケルを分離することができることがわかる。
【００４０】
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【００４１】
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【００４２】
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【００４３】
（比較例２）
処理温度だけを摂氏９５０度に変え、処理温度以外は実施例２と同様の試験条件の下で、溶融硫化物中に酸素を３０リットル／分の割合で３分間吹き込んだ。試験後の試料は、硫化物の上部に未溶融のＳｉＯ２  とスラグが混在した状態であり、ニッケルの分離は不可能であった。
【００４４】
また、処理温度を摂氏１２００度とし、酸素吹き込み時間を２分又は４分とした場合、すなわち、必要酸素量に対して６０％又は１２０％の酸素を吹き込んだ場合の結果を表９及び表１０に示す。酸素の吹き込み時間が２分の場合には、鉄の酸化が十分には進まず、ニッケルを十分に分離することはできなかった。酸素の吹き込み時間が４分の場合には、ニッケルの酸化が進みすぎ、同様に、ニッケルの十分な分離は不可能であった。
【００４５】
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【００４６】
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【００４７】
【発明の効果】
以上説明した本発明に係る放射性ステンレス鋼の処理方法は次のような優れた効果を奏する。
（１）簡単な操作のみで、大量の二次廃棄物を発生させることなく、放射性ステンレス鋼の減容処理を行うことができる。
（２）減容処理が可能になったことに伴い、多大な放射性廃棄物の処理コストを減少させることができる。
【００４８】
（３）減容処理のみならず、鉄やクロムを酸化物の形態でレンガその他の建材に用いることができる。
（４）乾式処理であるため、設備生産性が高く、大量処理に適している。
（５）使用する薬剤が安価であり、経済性に優れている。
（６）酸素の供給を調整することにより、コバルトもニッケルと同様の割合で分離させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】放射性ステンレス鋼の処理方法を実施するための装置の概略図である。
【図２】酸化物の標準生成自由エネルギー変化を示すグラフである。
【図３】本発明に係る方法を実施するための装置の概略図である。
【図４】硫化物の標準生成自由エネルギー変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  ステンレス鋼廃棄物
１１  フラックス
１２  溶融炉
１３  ヒーター
１４  空気
１５  酸化物
１６  ニッケル
１７  攪拌装置
１８  イオウ
１９  硫化物
２０  硫化物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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