(57)【要約】      （修正有）【課題】炉心溶融事故時に発生した燃料デブリを粉末状にした粉末状燃料デブリをウラン含有率に応じて好適に分別でき、高レベル放射性廃棄物量を減容できる分別装置を提供する。【解決手段】高濃度ウラン含有物粉末１を含む粉末状燃料デブリ３を搬送するベルトコンベア１１と、ベルトコンベア１１に対し鉛直方向の位置に設置されて、ベルトコンベアに対し鉛直方向に沿う磁力Ｐを生ずる定常磁場を発生する定常磁場発生装置１２と、ベルトコンベアの上方に設置されて、ベルトコンベアの搬送方向Ｍに対して直交する方向Ｎに沿う磁力Ｑを生ずる振動磁場を発生する振動磁場発生装置１３とを有し、ベルトコンベヤにより搬送される粉末状燃料デブリ３に前記定常磁場及び前記振動磁場を作用して励磁させ、磁気共鳴により高濃度ウラン含有物粉末１を分別するよう構成されたものである。【選択図】図１
2017181041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高濃度ウラン含有物粉末を含む粉末状燃料デブリを搬送する搬送手段と、
前記搬送手段に対し鉛直方向の位置に設置されて、前記搬送手段に対し鉛直方向に沿う磁力を生ずる定常磁場を発生する定常磁場発生手段と、
前記搬送手段の上方に設置されて、前記搬送手段の搬送方向に対して直交する方向に沿う磁力を生ずる振動磁場を発生する振動磁場発生手段とを有し、
前記搬送手段により搬送される前記粉末状燃料デブリに、前記定常磁場及び前記振動磁場を作用して励磁させ、磁気共鳴により前記高濃度ウラン含有物粉末を分別するよう構成されたことを特徴とする粉末状燃料デブリの分別装置。
【請求項２】
前記定常磁場発生手段が発生する定常磁場の磁束密度Ｂ［Ｔ］と、前記振動磁場発生手段が発生する振動磁場の周波数ｆ［ＧＨｚ］とが、磁気共鳴条件の関係式
Ｂ＝０．０３ｆ〜０．０４ｆ
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の粉末状燃料デブリの分別装置。
【請求項３】
前記定常磁場発生手段が発生する定常磁場の磁束密度が０．１Ｔ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の粉末状燃料デブリの分別装置。
【請求項４】
前記振動磁場発生手段が発生する振動磁場の周波数が３ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粉末状燃料デブリの分別装置。
【請求項５】
前記定常磁場発生手段が発生する定常磁場、及び前記振動磁場発生手段が発生する振動磁場が作用する領域に搬送される粉末状燃料デブリは、その温度が絶対温度３００Ｋ以下に設定されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粉末状燃料デブリの分別装置。
【請求項６】
前記振動磁場発生手段が発生する振動磁場の出力強度が、１００ｍＷ以上に設定されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の粉末状燃料デブリの分別装置。
【請求項７】
前記搬送手段は、搬送方向に対し直交する方向に沿って下り勾配が設定されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の粉末状燃料デブリの分別装置。
【請求項８】
高濃度ウラン含有物粉末を含む粉末状燃料デブリを搬送手段により搬送する間に、この粉末状燃料デブリに、前記搬送手段に対し鉛直方向に沿う磁力を生ずる定常磁場と、前記搬送手段の搬送方向に対して直交する方向に沿う磁力を生ずる振動磁場とを作用して励磁させ、磁気共鳴によって前記高濃度ウラン含有物粉末を分別することを特徴とする粉末状燃料デブリの分別方法。
【請求項９】
前記定常磁場の磁束密度Ｂ［Ｔ］と前記振動磁場の周波数ｆ［ＧＨｚ］とが、磁気共鳴条件の関係式
Ｂ＝０．０３ｆ〜０．０４ｆ
を満たすことを特徴とする請求項８に記載の粉末状燃料デブリの分別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、原子炉の炉心溶融事故により生じ粉末状にされた粉末状燃料デブリから、高濃度ウラン含有物粉末とそれ以外の粉末とを分別する粉末状燃料デブリの分別装置及びその分別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉心溶融事故により生じる燃料デブリは、核燃料である酸化ウランと、酸化ウランを装荷する被覆管の主成分であるジルコニウム合金と、ジルコニウムが高温で反応し生成した酸化ジルコニウムと、炉内構造物の主成分である鉄と、酸化ウラン及び酸化ジルコニウムの固溶体とが混合して固化されたものである。この燃料デブリの形態としては、クラスト状の硬く一体化したブロック状、冷却過程で割れた礫状及び粉末状の燃料デブリの存在が予想されるが、いずれも核燃料物質であるウランの含有率は一定でない。
【０００３】
核燃料物質は、その安全上の観点から、ウランの含有量を把握して管理することが義務付けられている。燃料デブリにおいては、核燃料廃棄物の減容の観点から、ウラン含有率に応じて分別することが求められる。
【０００４】
核燃料物質の計量管理方法においては、溶融塩電解と酸溶液を用いることで燃料デブリからウランを分別する方法、中性子照射により燃料デブリのガンマ線放射量を計測し、核燃料物質の重量を評価して計量する方法などの技術がこれまでに開発されている。更に、ブロック状の燃料デブリについて熱処理工程を経て粉末状に処理することで、核燃料物質量の正確な測定と計量管理を行う処理方法も開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１２５１３９号公報
【特許文献２】特開２０１４−４１０７９号公報
【特許文献３】特開２０１４−２９３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
溶融により組成や形態が不均一になった燃料デブリの計量管理は、コストや期間の面で負荷が高くなる。燃料デブリの計量管理を効率的に行うためには、燃料デブリ中の核燃料物質と非核燃料物質とを粗く分別できる１次処理工程と、そのための装置が必要になる。
【０００７】
本発明における実施形態の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、炉心溶融事故時に発生した燃料デブリを粉末状にした粉末状燃料デブリをウラン含有率に応じて好適に分別でき、高レベル放射性廃棄物量を減容できる粉末状燃料デブリの分別装置及びその分別方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態における粉末状燃料デブリの分別装置は、高濃度ウラン含有物粉末を含む粉末状燃料デブリを搬送する搬送手段と、前記搬送手段に対し鉛直方向の位置に設置されて、前記搬送手段に対し鉛直方向に沿う磁力を生ずる定常磁場を発生する定常磁場発生手段と、前記搬送手段の上方に設置されて、前記搬送手段の搬送方向に対して直交する方向に沿う磁力を生ずる振動磁場を発生する振動磁場発生手段とを有し、前記搬送手段により搬送される前記粉末状燃料デブリに、前記定常磁場及び前記振動磁場を作用して励磁させ、磁気共鳴により前記高濃度ウラン含有物粉末を分別するよう構成されたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の実施形態における粉末状燃料デブリの分別方法は、高濃度ウラン含有物粉末を含む粉末状燃料デブリを搬送手段により搬送する間に、この粉末状燃料デブリに、前記搬送手段に対し鉛直方向に沿う磁力を生ずる定常磁場と、前記搬送手段の搬送方向に対して直交する方向に沿う磁力を生ずる振動磁場とを作用して励磁させ、磁気共鳴によって前記高濃度ウラン含有物粉末を分別することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、炉心溶融事故時に発生した燃料デブリを粉末状にした粉末状燃料デブリをウラン含有率に応じて好適に分別でき、高レベル放射性廃棄物量を減容できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態における粉末状燃料デブリ分別装置の構成を示す概略斜視図。
【図２】酸化ウランにおける弱い強磁性の発現状況を説明するグラフ。
【図３】酸化ウランと酸化ジルコニウムの固溶体における磁化率と温度との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る粉末状燃料デブリの分別装置における一実施形態である粉末状燃料デブリ分別装置の構成を示す概略斜視図である。この図１に示す粉末状燃料デブリ分別装置１０は、原子炉の炉心溶融事故時に原子炉格納容器の下部に堆積した燃料デブリを回収して粉末状にした粉末状燃料デブリ３について、核燃料物質であるウランの含有率が高い高濃度ウラン含有物粉末１と、ウラン含有率が低いまたはほとんどない低濃度ウラン含有物粉末２とを非接触に分別するものである。そして、この粉末状燃料デブリ分別装置１０は、搬送手段としてのベルトコンベア１１、定常磁場発生手段としての定常磁場発生装置１２、振動磁場発生手段としての振動磁場発生装置１３、及び回収容器１４を有して構成される。
【００１３】
ベルトコンベア１１は、高濃度ウラン含有物粉末１と低濃度ウラン含有物粉末２とを含む粉末状燃料デブリ３を搬送ベルト１５に載置させて、矢印Ｍの方向（以下、搬送方向Ｍと称する）に搬送するものである。この搬送ベルト１５は、搬送方向Ｍに対して直交する方向Ｎの片側または両側（本実施形態では片側）に、下り勾配θが設定された傾斜面１５Ａが設けられている。
【００１４】
定常磁場発生装置１２は、定常磁場を発生する一対の定常磁場磁石１２Ａ及び１２Ｂを備えて構成される。これらの定常磁場磁石１２Ａと１２Ｂは、ベルトコンベア１１における搬送ベルト１５の鉛直方向の位置、例えば定常磁場磁石１２Ａが搬送ベルト１５の鉛直方向上方位置に、定常磁場磁石１２Ｂが搬送ベルト１５の鉛直方向下方位置にそれぞれ設置される。これらの定常磁場磁石１２Ａ及び１２Ｂは、搬送ベルト１５に対し鉛直方向に沿う一方向（例えば上方向）の磁力Ｐを生じる定常磁場を発生する。この定常磁場が、ベルトコンベア１１の搬送ベルト１５により搬送される粉末状燃料デブリ３に作用して、この粉末状燃料デブリ３を励磁させる。
【００１５】
振動磁場発生装置１３は、コイル１６及び交流電源装置１７を備えて構成されて、ベルトコンベア１１の搬送ベルト１５の上方に設置される。交流電源装置１７からコイル１６に交流電流が流れることでコイル１６が励磁されて、振動磁場が発生する。この振動磁場が生じる磁力Ｑは、搬送ベルト１５の搬送方向Ｍに対し直交する方向Ｎに沿う双方向の磁力である。上述の振動磁場が、ベルトコンベア１１の搬送ベルト１５により搬送される粉末状燃料デブリ３に作用して、この粉末状燃料デブリ３を励磁する。
【００１６】
なお、振動磁場発生装置１３は、コイル１６及び交流電源装置１７に代えて、マイクロ波またはミリ波を発生するマイクロ波・ミリ波発振器（不図示）であってもよい。マイクロ波またはミリ波は、振動する磁場及び電場を有し、このうちの振動磁場がコイル１６等により形成される振動磁場と同様に、ベルトコンベヤ１５の搬送ベルト１５上の粉末状燃料デブリ３に作用して、この粉末状燃料デブリ３を励磁する。
【００１７】
ところで、一般的に、燃料デブリのうちの核分裂性物質の主成分は、酸化ウラン（ＵＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の固溶体であると考えられる。酸化ウランは、半導体的な電気的特性を有し、絶対温度３１Ｋ（２４２℃）を超えた温度域での常磁性特性と、絶対温度３１Ｋ以下の温度域での弱い強磁性（傾角反強磁性）特性とを呈することが知られている。このうちの弱い強磁性は、図２に示すように、ジルコニウム（Ｚｒ）を添加していくほど低下する。このジルコニウムを２２％添加したＵ０．７８Ｚｒ０．２２Ｏ２は、弱い強磁性が消滅することが知られている。
【００１８】
一方、酸化ウランと酸化ジルコニウム等の固溶体（（Ｕ、Ｚｒ）Ｏ２）は、図３に示すように、ウラン（Ｕ）の含有率が高くなると磁化し易くなる性質、即ち磁化率が高くなる性質を有する。図３では、曲線αは、ジルコニウムがほとんどなくウラン含有率が最も高い場合の磁化率を示し、曲線β、曲線γは、ウラン含有率が曲線αの場合よりも順次低い場合の磁化率を示し、曲線δは、ウラン含有率が最も低く、ジルコニウム含有物が最も高い場合の磁化率を示している。
【００１９】
このように、酸化ウランと酸化ジルコニウムの固溶体では、ウラン含有率が高い場合（たとえば曲線α）には、酸化ウランによる常磁性及び弱い強磁性の磁化率が共に高くなり、磁場の作用下で大きな磁気モーメントを有する。ここで、上記磁化率は、酸化ウランの方が酸化ジルコニウムよりも高く、その差は低温になるほど大きくなる。
【００２０】
本実施形態の粉末状燃料デブリ分別装置１０は、ウラン含有率の高い酸化ウランを多量に含む高濃度ウラン含有物粉末１が大きな磁気モーメントを有することを利用して、ベルトコンベア１１の搬送ベルト１５により搬送される粉末状燃料デブリ３（高濃度ウラン含有物粉末１及び低濃度ウラン含有物粉末２を含む）に、定常磁場発生装置１２による定常磁場と振動磁場発生装置１３による振動磁場とを作用して、この粉末状燃料デブリ３を励磁し、高濃度ウラン含有物粉末１が有する磁気モーメントと磁気共鳴を生起させることで、この高濃度ウラン含有物粉末１に力学的な回転駆動力を付与して、ベルトコンベヤ１１の搬送ベルト１５から落下させるものである。
【００２１】
ベルトコンベア１１の搬送ベルト１５から落下した高濃度ウラン含有物粉末１は、搬送ベルト１５の下方に設置された回収容器１４内に回収され、搬送ベルト１５には低濃度ウラン含有物粉末２のみが残存する。これにより、酸化ウランを多量に含む高濃度ウラン含有物粉末１と、酸化ウランを少量含むまたはほとんど含まない低濃度ウラン含有物粉末２とが分別される。
【００２２】
定常磁場発生装置１２による定常磁場と振動磁場発生装置１３による振動磁場とが粉末状燃料デブリ３に作用した状態で、定常磁場の磁束密度Ｂと、振動磁場の周波数ｆとが、磁気共鳴条件の関係式である
Ｂ＝０．０３ｆ〜０．０４ｆ（例えばＢ＝０．０３５７ｆ）
を満たす場合に、粉末状燃料デブリ３中の高濃度ウラン含有物粉末１に付与される、この高濃度ウラン含有物粉末１の磁気モーメントに基づく回転駆動力は大きくなる。
【００２３】
この回転駆動力を更に増大させるためには、定常磁場の磁束密度Ｂを大きくし、振動磁場の周波数ｆを高くすることが重要である。例えば、定常磁場の磁束密度Ｂは０．１Ｔ以上、振動磁場の周波数ｆは３ＧＨｚ以上に設定することが好ましい。振動磁場の周波数ｆを約９ＧＨｚ以上にする場合には、振動磁場発生装置１３としてマイクロ波・ミリ波発振器を用いることが好ましい。
【００２４】
これらの定常磁場の磁束密度Ｂの増大と振動磁場の周波数ｆを高周波数とすることの他に、定常磁場及び振動磁場が作用する領域に搬送される粉末状燃料デブリ３の温度が低温であること、また、上記振動磁場の振幅が大きいことも、上述の回転駆動力を更に増大させるために重要である。
【００２５】
つまり、高濃度ウラン含有物粉末１に付与される回転駆動力は、高濃度ウラン含有物粉末１の磁気モーメントに基づくものであり、この磁気モーメントは高濃度ウラン含有物粉末１の磁化率が高くなるほど大きくなる。図３に示すように、酸化ウランと酸化ジルコニウムの固溶体では、酸化ウランの方が酸化ジルコニウムよりも磁化率が大きく、その磁化率の差は温度が低くなるほど大きくなる。このため、酸化ウランを多量に含有する高濃度ウラン含有物粉末１を含む粉末状燃料デブリ３を低温とすることで、高濃度ウラン含有物粉末１に付与される回転駆動力が増大する。従って、磁気共鳴条件を満たす定常磁場及び振動磁場が作用する領域に搬送される粉末状燃料デブリ３は、例えば３１Ｋ以下または３００（２７℃）Ｋ以下の低温とすることで、粉末状燃料デブリ３中の高濃度ウラン含有物粉末１に有意な回転駆動力を発生させるための磁気モーメントを得ることが可能になる。
【００２６】
また、振動磁場発生装置１３により発生する振動磁場の振幅を大きくするためには、振動磁場発生装置１３のコイル１６から出力される振動磁場の出力強度、振動磁場発生装置１３のマイクロ波・ミリ波発振器から出力されるマイクロ波またはミリ波の出力強度を高めることも必要である。例えば、マイクロ波またはミリ波を含めた振動磁場の出力強度は、１００ｍＷ以上であることが好ましい。振動磁場の出力強度を１００ｍＷ以上とすることで、振動磁場の振幅が増大し、これにより、粉末状燃料デブリ３中の高濃度ウラン含有物粉末１に大きな回転駆動力を付与することが可能になる。
【００２７】
次に、粉末状燃料デブリ分別装置１０の作用を説明する。
高濃度ウラン含有物粉末１及び低濃度ウラン含有物粉末２を含む粉末状燃料デブリ３がベルトコンベア１１によって、磁気共鳴条件を満たす定常磁場及び振動磁場が作用する領域に搬送されると、ウラン含有率の高い高濃度ウラン含有物粉末１には大きな回転駆動力が付与されて、ベルトコンベア１１の搬送ベルト１５上で回転する。
【００２８】
高濃度ウラン含有物粉末１は、この回転により搬送ベルト１５との間で摩擦力が低下し、搬送ベルト１５の傾斜面１５Ａの下り勾配θに沿って搬送ベルト１９から落下し、搬送ベルト１５には低濃度ウラン含有物粉末２が残る。ベルトコンベア１１の搬送ベルト１５から落下した高濃度ウラン含有物粉末１は、回収容器１４内に回収される。これにより、粉末状燃料デブリ３から、ウラン含有率が高い高濃度ウラン含有物粉末１と、ウラン含有物が低いまたはほとんどない低濃度ウラン含有物粉末２とが分別される。
【００２９】
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果を奏する。
粉末状燃料デブリ３に含まれる高濃度ウラン含有物粉末１は、ウラン含有率が高いため、磁場の作用下で生ずる磁気モーメントが大きい。従って、高濃度ウラン含有物粉末１及び低濃度ウラン含有物粉末２を含む粉末状燃料デブリ３がベルトコンベア１１の搬送ベルト１５により搬送されて、定常磁場発生装置１２による定常磁場と振動磁場発生装置１３による振動磁場とが作用する領域に至ると、これらの定常磁場及び振動磁場が磁気共鳴条件を満たしているときには、粉末状燃料デブリ３が励磁されることで、この粉末状燃料デブリ３中の高濃度ウラン含有物粉末１に磁気共鳴によって、磁気モーメントに基づく回転駆動力が付与される。
【００３０】
このため、粉末状燃料デブリ３中の高濃度ウラン含有物粉末１は、ベルトコンベア１１の搬送ベルト１５との間で摩擦力が低下して搬送ベルト１５から落下し、搬送ベルト１５上には粉末状燃料デブリ３中の低濃度ウラン含有物粉末２が残る。従って、粉末状燃料デブリ３から高濃度ウラン含有物粉末１をウラン含有率に応じて好適に分別でき、この結果、高レベル放射性廃棄物量を減容することができる。
【００３１】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３２】
１…高濃度ウラン含有物粉末、３…粉末状燃料デブリ、１０…粉末状燃料デブリ分別装置（粉末状燃料デブリの分別装置）１１…ベルトコンベア（搬送手段）、１２…定常磁場発生装置（定常磁場発生手段）、１２Ａ、１２Ｂ…定常磁場磁石、１３…振動磁場発生装置（振動磁場発生手段）、１５…搬送ベルト、１６…コイル、Ｂ…磁束密度、ｆ…周波数、Ｍ…搬送方向、Ｎ…直交する方向、Ｐ、Ｑ…磁力、θ…下り勾配。
【図１】
2017181041.tif 000003
【図２】
2017181041.tif 000004
【図３】
2017181041.tif 000005