(57)【要約】  本発明は、ｉ）トリチウム廃棄物を溶融するための炉（１）であって、トリチウム廃棄物を受け入れる炉床と、前記炉（１）内でトリチウム廃棄物が溶融および処理される間に、水素化バブリングガスを炉床に導入するためのバブル発生器と、を含む、炉（１）と、（ii）２つの気流を分離するための、水素同位体に透過性の膜（２０）を含む、炉（１）内でのトリチウム廃棄物の溶融および処理から得られた気体を処理するための、四重極膜（２）を有する触媒反応器と、を含むトリチウム除去装置に関する。本発明は、関連のトリチウム除去方法にも関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｉ）トリチウム廃棄物を溶融するための炉（１）であって、
−トリチウム廃棄物を受け入れるるつぼ（１０）と、
−前記炉（１）内でトリチウム廃棄物が溶融および処理される間に、水素化バブリングガスを前記るつぼ（１０）に導入するためのバブル発生器と、
を含む炉（１）と、
ii）２つの気流を分離するための、水素の同位体に対して透過性の膜（２０）を含む、前記炉（１）内でのトリチウム廃棄物の溶融および処理から発生した気体を処理するための触媒四極膜反応器（２）と、
を含む、トリチウム除去装置。
【請求項２】
前記膜（２）がパラジウムと銀との合金から生成される、請求項１に記載のトリチウム除去装置。
【請求項３】
前記炉（１）が導入炉である、請求項１または２に記載のトリチウム除去装置。
【請求項４】
前記るつぼ（１０）が磁性材料から製造され、炉（１）を加熱する際に前記るつぼ（１０）内に導入される電流を最小限にするために仕切られている、請求項１〜３に記載のトリチウム除去装置。
【請求項５】
前記るつぼ（１０）を冷却する冷却装置を更に含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のトリチウム除去装置。
【請求項６】
前記バブル発生器が、水素化されたバブリングガスを前記るつぼ（１０）に導入するために、前記るつぼ（１０）の底部にノズル（１０２）を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のトリチウム除去装置。
【請求項７】
前記トリチウム除去装置内で前記炉（１）と前記触媒膜反応器（２）との間でベクトルガスを循環させるためのポンプ（３）を更に含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のトリチウム除去装置。
【請求項８】
−炉（１）におけるるつぼ（１０）にトリチウム廃棄物のバッチを装填するステップと、
−前記炉（１）を加熱して、前記るつぼ（１０）内のトリチウム廃棄物を溶融するステップと、
−水素化バブリングガスを前記るつぼ（１０）に導入することにより溶融中のトリチウム廃棄物をバブリングするステップと、
−トリチウム廃棄物が溶融され、触媒膜反応器（２）の膜（２０）を通して同位体交換によりトリチウム化気体が処理される間に生成されるトリチウム化気体を誘引するために、炉（１）と前記触媒膜反応器（２）との間でベクトルガスを循環させるステップと、
を含むトリチウム除去プロセス。
【請求項９】
前記触媒膜反応器（２）内のトリチウム化気体流れと逆方向に水素Ｈ２流れを導入し、トリチウムをガス相に回収すること、を更に含む、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
処理された廃棄物のバッチを、炉（１）の外側に廃棄することを更に含む、請求項８〜９のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１１】
触媒四極膜反応器（２）を含む、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トリチウム除去装置およびトリチウム除去プロセスに関する。本発明は、詳細には易融金属放射性廃棄物をバブリングすることによるトリチウム除去装置およびトリチウム除去プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
トリチウム除去とは、放射性廃棄物マトリックス、詳細には易融金属放射性廃棄物中に捕捉されたトリチウムを抽出することを目的とする熱的および／または化学的処理である。トリチウム除去が必要となり得る放射性廃棄物は、トリチウムを使用する原子力施設から発生する放射性廃棄物である。
【０００３】
易融金属放射性廃棄物をトリチウム除去すると、その放射能が著しく低下し、詳細には環境および人の保護の必要性が大きく低下することから、その後の貯蔵が簡便化される。
【０００４】
しかし、先行技術によるトリチウム除去プロセスは、多量の強トリチウム水（ＨＴＯ）を生成し、その管理は複雑である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それゆえ本発明の一つの目的は、このプロセスの終了時にトリチウム水の生成を大きく低減するか、または完全に阻止することが可能な高度なトリチウム除去プロセスおよびトリチウム除去装置を開示することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
詳細には、上記の目的は、
ｉ）トリチウム廃棄物を溶融するための炉であって、
−トリチウム廃棄物を受け入れるるつぼと、
−炉内でトリチウム廃棄物が溶融および処理される間に、水素化バブリングガスをるつぼに導入するためのバブル発生器と、
を含む炉と、
ii）２つの気流を分離するための、水素の同位体に透過性の膜を含む、前記炉内でのトリチウム廃棄物の溶融および処理から発生した気体を処理するための触媒四極膜反応器と、
を含む、トリチウム除去装置により実現される。
【０００７】
上記の目的は、
−トリチウム廃棄物のバッチを含むるつぼ炉を装填するステップと、
−炉を加熱して、るつぼ内のトリチウム廃棄物を溶融するステップと、
−水素化バブリングガスをるつぼに導入することにより溶融中のトリチウム廃棄物をバブリングするステップと、
−トリチウム廃棄物が溶融され、触媒膜反応器の膜を通して同位体交換によりトリチウム化気体が処理される間に生成されるトリチウム化気体を誘引するために、炉と触媒膜反応器との間でベクトルガスを循環させるステップと、
を含むトリチウム除去プロセスによっても実現される。
【０００８】
水素同位体は、この同位体交換の終了時に得られ、こうして本発明のトリチウム除去プロセスの終了時のトリチウム水生成が大きく低減または完全に予防される。
【０００９】
るつぼ炉と膜反応器を組み合わせることで、プロセスの終了時にトリチウム水をほぼ全く生成しない効率的トリチウム除去プロセスが得られる。事実、るつぼ内の廃棄物を溶融およびバブリングすれば、気体形態のトリチウムの効率的でほぼ完全な排出が可能になり、そのように装填された気体は、膜反応器内で即座に処理されて、トリチウムを気体混合物の形態で回収することもでき、その後、トリチウム水よりも処理および／または貯蔵が容易になる。
【００１０】
本発明は、図に示された以下の説明を参照した後により良好に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の好ましい実施形態に係るトリチウム除去プロセスを示す原理図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る低温るつぼの詳細図である。
【図３】るつぼ冷却装置の一部と共に図２の低温るつぼを示す。
【図４】本発明に係る触媒膜反応器の原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１を参照すると、本発明の１つの好ましい型によるトリチウム除去装置は、放射性廃棄物を溶融する炉１と、廃棄物の溶融および処理から得られたトリチウム化気体を処理する膜反応器２と、を含む。例えば炉１は、以下により詳細に記載された低温るつぼ導入炉であり、前記低温るつぼは、炉１内に配置され、処理されたトリチウム廃棄物、例えば易融金属放射性廃棄物を受け入れることが意図されている。炉内で到達する温度は、少なくともトリチウム除去される廃棄物の溶融温度であり、通常は１０００℃〜１６００℃である。
【００１３】
るつぼ１０の非限定的な一実施形態が、図２に示されており、本図においてるつぼ１０は、磁性材料から製造され、炉１を加熱する際にるつぼ１０内に導入される電流を最小限にするために仕切られている。
【００１４】
例えばこの実施形態によれば、るつぼ１０は、仕切られた円筒形の銅製るつぼである。区分１００は、周辺の大部分に互いにわずかな空間があり、例えばるつぼ１０の底部の中心周辺だけ、共に結合されている。るつぼ１０を互いに空間のあいた異なる区分１００に分けることで、導入炉が活性化される際にるつぼ材料内の誘導電流の形成を最小限にし、または完全に予防し、こうしてるつぼ１０の不適切な加熱を予防することができる。
【００１５】
しかし他の材料および／または形態を、導入炉のるつぼとして、本発明の枠組み内で想定することができる。例えば別の一実施形態によれば、るつぼは、仕切られていない１体の非磁性材料の断片で形成されている。
【００１６】
るつぼ１０は、好ましくは、処理の間に水素化されたバブリングガスをるつぼ１０に、そして結果的に溶融済み廃棄物の塊に導入するために、例えば底部に、ノズル１０２を含む。ノズル１０２は、図示されていない導管を通して水素化バブリングガスの図示されていない供給源に、例えば、好ましくは炉の外側に配置された、ガス貯蔵器に結合されている。
【００１７】
水素化バブリングガスは、水素（Ｈ２）が添加された化学的不活性ガス（例えば、アルゴン、ヘリウムなど）で構成される。例えば容量での組成は、Ａｒ＋１〜１０％Ｈ２、好ましくはＡｒ＋２〜４％Ｈ２である。
【００１８】
別の一実施形態によれば、るつぼは、核融合廃棄物の塊中の水素化バブリングガスの均一な分布を実現するための複数の水素化バブリングガス入口ノズルを含む。本発明の一変形例によれば、水素化バブリングガスは、上開口部を通り、るつぼ１０に導入され核融合廃棄物の塊に浸漬された１つまたは複数の管によって、核融合廃棄物の塊に導入される。
【００１９】
例えばるつぼ１０は、低温るつぼであり、即ち、トリチウム除去装置は、るつぼ１０を冷却する冷却装置を更に含む。その結果、るつぼ１０は、冷却装置により、含有する核融合廃棄物の温度よりも有意に低い温度に能動的に保持される。これは詳細には、温度が１０００℃〜１６００℃に達し得る炉が加熱される時間に、低温るつぼの構造的統合性を最良に保護することができる。
【００２０】
低温るつぼは、トリチウム廃棄物によるるつぼの汚染が減少すること、処理された廃棄物の溶融後に鋳型から取り外しがより容易であること、および計画された出口以外の任意の損失を減少させることによるトリチウム流れのより良好な制御も可能にする。
【００２１】
例えば、るつぼ１０を冷却する低温装置は、るつぼ１０の壁内に形成された溝１０１を含み、それを通して熱伝導流体、例えば気体または低温の液体が、るつぼ１０の壁の内側を循環することができる。図２に示されたように、各区分１００は、好ましくは個別に冷却されており、このため、例えば熱伝導流体の循環のための溝１０１を含む。
【００２２】
図３を参照すると、るつぼ１０の壁の内側の冷却溝は、溝内の熱伝導流体の導入のために導管１０３と連通している。導管１０３自体は、導管１０３の間で低温の熱伝導流体を分配させて高温の熱伝導流体を、例えば好ましくは炉の外部に配置された、図示されていない熱交換器に排出してそれを冷却する、分配装置１０４を通して熱伝導流体を給送する。るつぼ１０を冷却するための冷却装置の他の構成も、本発明の枠組み内で可能である。
【００２３】
るつぼ１０は、好ましくは図示されていない断熱装置に覆われており、例えばベクトルガスが導入され得る水晶製グローブフィンガー１０５に閉じ込められている。
【００２４】
図４において図解で示された本発明の好ましい一実施形態によれば、トリチウム除去装置の触媒膜反応器２は、四極部品であり、言い換えれば、２つの入口２３ａ、２３ｂおよび２つの出口２４ａ、２４ｂを含み、こうしてその内部での２つの材料流れの循環が可能になる。膜反応器２は、２つのチャンバー２１、２２を含み、そのそれぞれが反応器２を通る材料流れの循環を可能にする。２つのチャンバー２１、２２は、好ましくは水素の同位体に透過性である、膜２０により分離されている。膜２０は、好ましくは、特に同位体交換を触媒するパラジウムと銀との合金（Ｐｄ／Ａｇ）から製造されている。
【００２５】
膜反応器の第一のチャンバー２１は、図１に図解で示された回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの一員となっており、前記回路は、炉１も通過し、好ましくは回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ内の気体混合物の循環のためにポンプ３を含む。第二のチャンバー２２は、出口２４ｂを通してトリチウム回収および／または貯蔵システムに結合されている。
【００２６】
本発明に係るトリチウム除去プロセスは、例えば処理されたトリチウム廃棄物の各バッチで反復される一連のシーケンスを含むバッチ式プロセスである。
【００２７】
シーケンスの始動の間に、トリチウム廃棄物が、図１の矢印６により示されたトリチウム除去装置の炉１に装填され、図１に示されていない低温るつぼに配置される。
【００２８】
ベクトルガスが、矢印７，８に示されたように回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに導入される。それは、水素化されていてもよく、化学的に不活性なガス（例えば、アルゴン、ヘリウムなど）と、好ましくは４容量％未満の（典型的には０．１％〜４％）の水素Ｈ２とを含む。例えばベクトルガスは、減圧器および弁を取り付けられた、図示されていないシリンダーから引き込まれる。ベクトルガスの流れは、トリチウム廃棄物の量および活性、ならびにトリチウム化気体を下流で捕捉するシステムの能力の関数として変動し得る。
【００２９】
始動シーケンスの後に、溶融およびトリチウム除去シーケンスが実行され、このシーケンスにおいて、炉１が、トリチウム廃棄物のバッチを溶融するために加熱される。一実施形態によれば、炉１は、導入炉であり、廃棄物は、炉１内で発生した磁場の効果の下で加熱および溶融する金属トリチウム廃棄物である。
【００３０】
溶融済みまたは溶融中の廃棄物の塊が装填されたるつぼは、その後、例えば冷却装置により溶融している材料の温度よりも実質的に低い温度に保持される。低温るつぼを使用することで、溶融後に得られる鋳塊の除去が容易になる。
【００３１】
廃棄物が溶融されたら、水素化バブリングガスが、溶融している材料に、例えばるつぼ１０の底部に配置されたノズル１０２を通して導入される。その後、水素化バブリングガスは、溶融している材料を通過し、同位体交換が、気体と溶融済み廃棄物の間で起こり、気相がトリチウムを豊富に含むようになる。
【００３２】
下部のバブリングは複数の利益を有し、例えばその設計は、より良好なガス分配のために最適化され、それゆえトリチウム除去因子が改良されて、トリチウム除去により生成されるガスを、可能な限り多量に閉じ込めることができる。
【００３３】
回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ内のベクトルガスは、炉１と触媒膜反応器２の間のトリチウム除去装置内を、例えばポンプ３を用いて循環するように生成されており、こうして炉１から膜反応器２までトリチウム化気体を誘引する。
【００３４】
炉１からのトリチウム化気体の流れは、膜反応器２の入口２３ａを通って第一のチャンバー２１に入る一方、水素の流れＨ２は、第二のチャンバー２２の入口２３ｂを通って逆方向に導入される。
【００３５】
トリチウム化気体は、通常、トリチウムと、「Ｑ」（ここでＱは、Ｈ＝水素、Ｄ＝重水素またはＴ＝トリチウムのいずれかである）で表される水素同位体の少なくとも１つと、を含む一般式Ｑ２またはＱ２Ｏのガス混合物、例えばＴ２、ＨＴ、ＤＴ、Ｔ２Ｏ、ＨＴＯまたはＤＴＯから選択される気体で構成されている。
【００３６】
トリチウム化気体は、膜２に到達すると、ベクトルガスと混合される。
【００３７】
流れを分離する膜が、Ｑ２には透過性であるがＱ２Ｏには透過性でないため、以下の２つの流れの間の同位体交換が、例えば以下の一般式に従って起こる。
Ｈ２＋Ｑ２Ｏ←→Ｈ２Ｏ＋Ｑ２ 、
即ち、例えば、Ｈ２＋Ｔ２Ｏ←→Ｈ２Ｏ＋Ｔ２、
またはＨ２＋ＨＴＯ←→Ｈ２Ｏ＋ＨＴ
【００３８】
こうして、ポンプ３により第一のチャンバー２１から出口２４ａを通り炉１に戻るガス産出物は、本質的に脱トリチウムされており、主にベクトルガスおよび水蒸気を含む。水素同位体は、膜反応器２の第二のチャンバー２２から出口２４ｂでガス混合物（例えば、Ｈ２、ＨＴおよび／またはＴ２などの還元された化学種）の形態で回収されて、例えば水素化物の形態で直接貯蔵されるか、または精製システムに送られる。
【００３９】
溶融およびトリチウム除去シーケンスの間に、本発明のトリチウム除去装置内部の圧力は、好ましくは、図示されていないマノメータを用いて連続または定期的間隔で検査される。圧力は、好ましくは一定値に保持され、必要に応じて水素化ベクトルガスを添加して補正される。水素化バブリングガス中の水素濃度も測定され、水素の添加により調節されて溶融材料との同位体交換を最適化し、こうして廃棄物の効率的トリチウム除去を保証する。
【００４０】
廃棄物のバッチが処理されたら、トリチウム除去装置、詳細には炉１に加えられる電力供給量を、停止シーケンスの間に徐々に減少させる。回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、図１に図示されたように出口９を通して排出される。トリチウム除去された金属廃棄物は、その後、貯蔵のため炉１から放出されて、排除またはリサイクルされる。
【００４１】
本発明の一実施形態に係るトリチウム除去プロセスの例示的適用
【００４２】
１．始動
以下の操作を、始動期に行う。
・炉にトリチウム廃棄物を例えば約１００ｇ装填して、炉を閉鎖し、装置が十分に密閉されていることをチェックする。
・プロセスが安全であることが確認されたら、水素を例えば４容量％未満、またはそれを超える量、含有するベクトルガスを用いてスカベンジする。流れは、トリチウム廃棄物の量および活性、ならびにシステムがトリチウム化気体を下流で捕捉できる能力に応じて変わってもよい。
・金属が融解するまで加熱システムに電力を加えるが、その電力は、廃棄物の量、金属のタイプ、スカベンジングの流れ、および炉の効率に依存する。
【００４３】
２．溶融およびトリチウム除去
以下の操作を、トリチウム除去操作の間に行う。
・溶融された金属内でバブリングを続けながらガスのスカベンジングを維持する。
・プロセスが安全であることが確認されたら、圧力をチェックし、水素化バブリングガス中の水素濃度を一定に、例えば４容量％未満、またはそれを超える量、保つ。
・バブリングガスを回収し、これらのガスを膜反応器に送り込み、この反応器の管（複数可）内を循環させる。
・同位体交換を促進するために、膜反応器の殻側の水素でスカベンジする。
・膜を通して拡散された水素同位体を回収する。
・処理の持続時間は、トリチウム活性、材料の性質および試料の重量に応じて変動可能である。
【００４４】
３．停止
以下の操作を、停止期に行う。
・システム、詳細には加熱システムへの電力供給量を徐々に減少させる。
・処理の終了時に出口から排出する。
・操作される固化廃棄物が許容される温度に達したら、トリチウム除去廃棄物を取り出す。
【００４５】
先の記述は、本発明に係るトリチウム除去装置およびトリチウム除去プロセスが、詳細には以下の利益の少なくとも１つを有することを示している。
・トリチウム水が少量またはゼロ生成である
・廃棄物中に含まれるトリチウムが即時回収される
・トリチウム除去効率の改善、つまり初期トリチウム量と最終トリチウム量の比が、材料の性質および初期活性に応じて１０００〜１００００超となりうる
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2014518753.tif 000006
【国際調査報告】
2014518753.tif 000007
2014518753.tif 000008
2014518753.tif 000009
2014518753.tif 000010