(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）低寿命核種として鉄及びクロム並びに長寿命核種としてニッケル及びコバルトを含む鋼を摂氏１３００度乃至１６５０度まで昇温させ、少なくとも半溶融状態にする工程と、
（２）少なくとも半溶融状態になった前記鋼に酸化性気体を導入し、前記鉄及びクロムを酸化させ、酸化した鉄及びクロムを含むスラグを抽出する工程と、
（３）前記スラグを還元し、鉄又は鉄−クロム合金を得る工程と、
を有することを特徴とする放射性金属の処理方法。
【請求項２】
前記（３）の工程は、
（３−１）前記スラグ中に含まれるニッケル及びコバルトの酸化物を還元する理論当量の１００乃至４００％に相当する量の還元剤を用いて前記スラグを還元する工程と、
（３−２）還元したニッケル及びコバルトを溶融合金状態で前記スラグと分離する工程と、
（３−３）前記スラグを還元し、鉄又は鉄−クロム合金を得る工程と、
を備えるものであることを特徴とする請求項１に記載の放射性金属の処理方法。
【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炭素鋼又はステンレス鋼の処理方法に関し、より詳細には、放射性炭素鋼又はステンレス鋼から長寿命核種であるニッケル及び放射化強度が大きいコバルト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多量に発生する。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することが可能になるが、放射化金属及び高汚染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、適当な処理を施した上で保管その他の処置が行われる。
【０００３】
しかしながら、保管のための処理は非常に高コストであり、さらに、現状においては、保管のための場所の確保が極めて難しい状況にある。
このため、高汚染金属及び放射化金属については、適切な処理を施すことにより、再利用を可能にし、ひいては、総量を減らすことによるコストダウンが強く望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
原子力関連施設の解体に伴い発生する金属廃棄物の大半は炭素鋼及びステンレス鋼である。放射化金属である炭素鋼あるいはステンレス鋼は、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。
【０００５】
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（例えば、クロムや鉄）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。
【０００６】
一方、炭素鋼又はステンレス鋼には、長寿命核種の一つであるニッケル−６３（半減期：１００年）が含まれており、このニッケル−６３が炭素鋼やステンレス鋼の再利用を妨げる主元素となっている。
また、炭素鋼やステンレス鋼にはコバルトの核種としてコバルト−６０が含まれている。このコバルト−６０は半減期が比較的短く、６年であるが、単位重量当たりの放射能量が多いことから、ニッケル−６３と同様に、炭素鋼やステンレス鋼の再利用を妨げる元素となっている。
【０００７】
従って、これらのニッケルやコバルトを鉄やクロムから分離することができれば、金属廃棄物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あるいは高汚染金属の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。
【０００８】
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炭素鋼又は放射性ステンレス鋼から長寿命核種であるニッケル及び放射化強度が大きいコバルトを分離し、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金属の処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【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金属の処理方法は、低寿命核種として鉄及びクロム並びに長寿命核種としてニッケル及びコバルトを含む炭素鋼あるいはステンレス鋼を摂氏１３００度乃至１６５０度まで昇温させ、半溶融状態又は溶融状態にする第一の工程と、半溶融状態又は溶融状態になった前記鋼に酸素含有空気その他の酸化性気体を吹き付け、あるいは、吹き込み、前記鉄及びクロムを酸化させ、酸化した鉄及びクロムを含むスラグを抽出し、これをもって、長寿命核種であるニッケル及び放射化強度が大きいコバルトから鉄及びクロムを分離する第二の工程と、前記スラグを還元剤を用いて還元し、鉄又は鉄−クロム合金を得る第三の工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
前記第三の工程は、前記スラグ中に含まれるニッケル及びコバルトの酸化物（ＮｉＯ，ＣｏＯ）を還元する理論当量の１００乃至４００％に相当する量の還元剤を用いて前記スラグを還元する工程と、還元したニッケル及びコバルトを溶融合金状態で前記スラグと分離する工程と、前記スラグを還元剤を用いて還元し、鉄又は鉄−クロム合金を得る工程とからなるものとすることができる。
【００１１】
すなわち、本方法は、溶融した炭素鋼あるいはステンレス鋼に酸素を含む空気その他の酸素含有ガスを吹き込むことにより、鉄やクロムなどの金属を優先的に酸化させ、酸化物として取り出し、もって、金属状のニッケル及びコバルトから分離するものである。
【００１２】
一般に、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を考えれば明らかであるが、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、鉄やクロムだけを優先的に酸化させることができる。酸化された鉄及びクロムはフラックスと共存させることによりスラグ化し、溶融状態となり、ニッケル及びコバルトの濃縮合金から容易に比重分離させることができる。
【００１３】
処理温度は炭素鋼やステンレス鋼の種類により異なるが、処理温度が低すぎると、炭素鋼やステンレス鋼の溶融状態が不十分になるため、スラグと濃縮合金との分離性が悪化する、あるいは、融体の粘性が高いために機械的懸垂量が増大し、分離係数が低下するという問題が発生するため、ある一定の温度以上にすることが必要である。
【００１４】
一方、処理温度が高くなるほど、前述の各酸化物の標準生成自由エネルギーの差が大きくなるので、高温ほど分解能は向上する。しかしながら、処理温度が高くなりすぎると、溶融のためのエネルギー消費量が大きくなり、さらには、溶融炉の耐火物の溶損が大きくなるなどの問題を生じる。
【００１５】
本処理方法においては、炭素鋼又はステンレス鋼は予め半溶融又は溶融状態まで昇温されるが、酸化反応は発熱反応であるため、初期状態が半溶融であっても、反応熱によって温度が上昇する。このため、処理温度を摂氏１３００度以上に保持すれば、酸化処理時に処理物温度が上昇し、流動性の高い溶融状態となり、酸化物と金属との分離を容易に行うことができるようになる。一方、開始時の温度が高すぎると、反応熱により溶融物の温度が高くなりすぎるため、上述のような問題が発生することとなる。このため、初期温度は摂氏１６５０度以下に設定することが望ましい。
【００１６】
酸化処理後は、タッピングなどの炉操作を介してスラグと溶融合金とを分離する。次いで、回収したスラグに還元剤を添加し、溶融還元することによって、ニッケル及びコバルトの含有量が少ない、すなわち、放射能量が少ない鉄又は鉄−クロム合金を得ることができる。
【００１７】
還元剤としては、十分な還元強度を得ることができる炭素含有還元剤が好ましい。その理由は、還元により得られる金属や合金は、炭素を含有することにより、その融点が下がり、ひいては、酸化温度よりも低い摂氏１４００度乃至１６００度における処理が可能になるという利点があるからである。炭素含有還元剤としては、例えば、石炭、木炭、ＬＰＧガスなどがある。あるいは、還元剤として水素を用いることも可能である。
【００１８】
さらに、ニッケル及びコバルト含有量を低減させる場合には、以下のように、ニッケル及びコバルトを鉄及びクロムよりも優先的に還元すればよい。
まず、ニッケル及びコバルトの全量を還元する還元剤量の１００〜４００％に相当する量の還元剤をスラグに添加し、ニッケル及びコバルトを優先的に還元する。これにより、ニッケル及びコバルトのほぼ全量が一部の鉄とともに還元され、ニッケル−コバルト−鉄合金となり、溶融状態でスラグと比重分離する。還元剤の量が１００％よりも少ないと、ニッケル及びコバルトの還元が不十分となり、分離係数が低下するとともに、還元により得られる合金量が少なくなりすぎるため、分離・回収が困難になる。また、還元剤を過剰に添加すると、鉄の還元量が増大し、鉄や鉄−クロム合金の収率低下につながるので、還元剤の量は４００％以下にすることが好ましい。
【００１９】
還元分離処理後は、タッピングなどの炉操作によりスラグと溶融合金とを分離した後、得られたスラグに炭素その他の還元剤を添加し、再度還元を行うことにより、ニッケルやコバルトの含有量が極めて少ない鉄や鉄−クロム合金を得ることができる。
【００２０】
以上の処理は全て乾式で行うことができる。従って、設備生産性が高く、大量処理に適している。また、処理の各工程が複雑ではなく、処理に必要な人員が少ないことや、使用するガスやフラックスなどが安価であることから、本処理方法は処理コストを低く抑えることができるという利点をも有する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明に係る放射性金属の処理方法の一実施形態を示す。
第一の工程（Ｓ１）においては、低寿命核種として鉄及びクロム並びに長寿命核種としてニッケル及びコバルトを含む炭素鋼又はステンレス鋼１０を二酸化シリコン１１（ＳｉＯ２）とともに酸化炉又は誘導炉１２に入れる。
次いで、第二の工程（Ｓ２）においては、炭素鋼又はステンレス鋼１０を加熱し、摂氏１３００度乃至１６５０度まで昇温させ、半溶融状態又は溶融状態にする。この間、酸素（Ｏ２）を含む空気１３を溶融途中の炭素鋼又はステンレス鋼１０の内部に吹き込む。
【００２２】
空気１３の吹き込み量を調節しつつ、空気１３を吹き込むことにより、溶融状態の炭素鋼又はステンレス鋼１０中に含まれる鉄及びクロムは優先的に酸化され、シリコン（Ｓｉ）を含有するスラグ１４を形成する。一方、ニッケル及びクロムは濃縮合金１５となって、酸化炉１２の底に沈殿する。
このように、溶融状態の鉄及びクロムは濃縮合金１５と容易に比重分離することができる。
【００２３】
次いで、第三の工程（Ｓ３）においては、ニッケル及びクロムの濃縮合金１５を取り出し、酸化炉１２中にスラグ１４のみを残した後、スラグ１４に還元剤として石炭１６を添加する。
次いで、第四の工程（Ｓ４）においては、例えば、電気炉１７（アーク炉）中でスラグ１４を摂氏約１６００度に加熱し、スラグ１４を還元する。
【００２４】
これによって、スラグ１４中に含まれていたシリコンは二酸化シリコン１１（ＳｉＯ２）として溶解し、鉄又は鉄−クロム合金１８が酸化炉１２の底に沈殿する。（Ｓ５）
二酸化シリコン１１は再び第一の工程（Ｓ１）において用いられる。鉄及び鉄−クロム合金１８は鉄筋又はＳＵＳの原料として再利用することができる。
【００２５】
なお、以上のようにして得られた鉄又は鉄−クロム合金１８にはニッケル及びコバルトがわずかに含まれている。このニッケル及びコバルトの含有量をさらに低下させる場合には、第二の工程（Ｓ２）における酸化処理の終了後、ニッケル及びコバルトの酸化物を還元する理論当量の１００〜４００％に相当する量の還元剤をスラグ１４を添加し、ニッケル及びコバルトを優先的に還元する。この還元処理により、ニッケル及びコバルトのほぼ全量が還元され、スラグ１４と比重分離される。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明に係る放射性金属の処理方法を実際に実施した実施例を比較例と比較しながら述べる。
（実施例１）
純度９９．９％以上のニッケル、クロム、銅、鉄及びクロム粒を総重量が２００グラムとなるように、表１に示す組成で調合し、試料とした。
【００２７】
0003563547.tif 000002
【００２８】
次いで、試料並びにフラックスとしてシリカ３０グラムを、ニッカトー株式会社製Ｔ−７アルミナタンマン管内に入れ、このタンマン管を一般的な酸化試験装置内にセットした。アルゴンガスを用いて雰囲気を不活性雰囲気に置換した後、摂氏１４００度及び１６００度まで昇温した。各々の温度の下でタンマン管を６０分保持することにより、試料を溶融させ、合金化した。次いで、溶融合金中に酸素を１０リットル／分の流量で３．５分間吹き込むことにより、鉄及びクロムのスラグ内への酸化除去を行った。吹き込み管にはニッカトー株式会社製アルミナ管を用いた。
【００２９】
吹き込み終了後、アルゴンガス不活性雰囲気下で３０分間保持することにより、セトリングを行った。その後、炉を冷却し、生成したスラグと合金を分離回収した。
同様の操作を６回行い、各試料について１０００グラム以上のスラグを得た。スラグは粉砕した後、十分に混合し、酸で溶解しＩＣＰで各元素の濃度を測定した。
得られた各スラグの平均組成を表２に示す。
【００３０】
0003563547.tif 000003
【００３１】
表２のスラグを各々３００グラム秤量し、粉砕して２０グラムの高純度黒鉛と混合した後、ニッカトー株式会社製Ｂ−６るつぼに入れた。通常の還元試験装置を用いて、試料を窒素雰囲気下で摂氏９００度まで昇温し、６０分保持し、予備還元を行った。さらに、摂氏１６００度まで昇温し、１２０分保持し、本還元を行った。
【００３２】
炉を冷却した後、生成した合金を回収し、重量を測定した。回収した合金は酸で溶解し、ＩＣＰで各元素の濃度を測定した。
得られた合金の組成を表３に示す。表３から明らかであるように、本処理方法により、特にニッケルの含有量が小さい鉄が得られることがわかった。
【００３３】
0003563547.tif 000004
【００３４】
（比較例１）
表１の試料２を用い、保持温度のみを摂氏１２００度に変え、他は実施例１と同様の試験条件で、試験を行った。試験後の試料の状態は、未溶融試料ＳｉＯ２  と少量のスラグが混在しており、分離は不可能であった。
【００３５】
（実施例２）
表２の試料２スラグを６００グラム秤量し、ニッケル及びコバルトが還元されるのに必要な量の１５０％及び３００％に相当する量の２１グラム及び４２グラムの高純度黒鉛を添加し、十分に混合した後、ニッカトー株式会社製Ｂ−７るつぼに入れた。実施例１で用いた装置と同一の還元試験装置を用いて、試料を窒素雰囲気下で摂氏９００度まで昇温し、６０分保持し、予備還元を行った。さらに、摂氏１５００度まで昇温し、１２０分保持し、本還元を行った。
【００３６】
炉を冷却した後、生成した合金とスラグを分離回収し、得られたスラグを粉砕した。このスラグを４００グラム秤量し、６０グラムの高純度黒鉛と混合した後、ニッカトー株式会社製Ｂ−６るつぼに入れた。実施例１で用いた装置と同一の還元試験装置を用いて、試料を窒素雰囲気下で摂氏９００度まで昇温し、６０分保持し、予備還元を行った。さらに、摂氏１５００度まで昇温し、１２０分保持し、本還元を行った。
【００３７】
炉を冷却した後、生成した合金３及び４を回収し、粉砕した。粉砕した各合金３及び４を酸で溶解し、ＩＣＰで各元素の濃度を測定した。
得られた合金の組成を表４に示す。表４から明らかであるように、本処理方法により、ニッケル及びコバルトの含有量が低い鉄が得られることがわかった。
【００３８】
0003563547.tif 000005
【００３９】
（比較例２）
表２の試料２スラグを６００グラム秤量し、ニッケル及びコバルトが還元されるのに必要な量の５０％に相当する量の７グラムの高純度黒鉛を添加し、十分に混合した後、ニッカトー株式会社製Ｂ−７るつぼに入れた。実施例１で用いた装置と同一の還元試験装置を用いて、試料を窒素雰囲気下で摂氏９００度まで昇温し、６０分保持し、予備還元を行った。さらに、摂氏１５００度まで昇温し、１２０分保持し、本還元を行った。
生成した合金はスラグ中に混在しており、分離は不可能であった。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る放射性金属の処理方法によれば、原子力関連施設の解体により発生する放射性炭素鋼や放射性ステンレス鋼から長寿命核種であるニッケルや、単位重量当たりの放射能量が多いコバルトを分離することができ、炭素鋼やステンレス鋼の大半を占める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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放射性金属の処理方法の一実施形態を模式的に示した工程図である。
【符号の説明】
１０  金属廃棄物
１１  二酸化シリコン
１２  酸化炉
１３  空気
１４  スラグ
１５  濃縮合金
１６  石炭
１７  電気炉
１８  鉄又は鉄−クロム合金
【図１】
0003563547.tif 000006