(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体材料を溶解する間に設計された溶解形状を作り出す方法であって、
ａ．  溶解されるべき固体材料の中に各々間隔を隔てた複数の電極を挿入し、前記電極は前記固体材料内で直線状に延びる寸法を有し、
ｂ．  少なくとも２つの前記電極の間に導電性抵抗材料の平面状スターター経路を据え付け、該平面状スターター経路は前記電極の間の距離を横切り、それによって該スターター経路が、前記電極の直線状寸法の大部分に亘って該電極と接触すると共に、幅（Ｚ）より大きい深さ（Ｙ）を持つ状態で前記電極の間でほぼ垂直に配位された平面を画定し、
ｃ．  前記固体材料が、幅（Ｚ）より実質的に大きい長さ（Ｘ）及び深さ（Ｙ）を有する平面から幅（Ｚ）の方向に溶解されるように前記スターター経路に電気を流す、各工程を含む方法。
【請求項２】
前記方法は、一定量の危険な汚染物質をその中に有する一定量の比較的乱されていない固体土材料の中に前記電極を挿入する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法は、処理サイトに移動されて処理のため準備状態にある一定量の固体土材料の中に前記電極を挿入する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電極は、前記材料が溶解されるべきところの深さまで前記固体材料の中に挿入される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記溶解された固体材料の幅（Ｚ）に対する該固体材料の深さ（Ｙ）の比率であるアスペクト比（Ｙ／Ｚ）は、１．０ないし２０の範囲にある、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記スターター経路は、グラファイト薄片、水酸化ナトリウム、電気防食用抵抗要素、化学試薬、或いはそれらの混合物を含むグループから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記スターター経路はグラファイト薄片、ガラスフリット及び土壌、或いはそれらの混合物を含むグループから選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
固体材料を元の場所でガラス状化するための方法であって、
ａ．  少なくとも一対の電極を、互いから間隔を隔てた位置で固体材料の中に挿入し、前記電極は該固体材料内で直線状に延びる寸法を有し、
ｂ．  前記電極間を亘る材料内で初期の導電性抵抗経路を提供し、かかる抵抗経路は、前記電極の直線状寸法の大部分に亘って該電極と接触すると共に、前記電極間の大部分の間で幅（Ｚ）よりも大きい深さ（Ｙ）を有する平面状の領域に位置決めされ、
ｃ．  前記抵抗経路に隣接した材料をその溶解温度まで加熱するため前記電極へ電流を印加することによって前記導電性抵抗経路に電流を流し、
ｄ．  前記電極間の材料が、該電極間の溶解材料の長さ（Ｘ）及び該電極の直線状に延びる寸法に沿った溶解材料の深さ（Ｙ）が、該抵抗経路の平面状の領域を横切る溶解材料の幅（Ｚ）よりもかなり大きくなるように溶解されるまで該電極への電流の印加を続行する、各工程を含む方法。
【請求項９】
前記溶解材料の幅（Ｚ）に対する該溶解材料の深さ（Ｙ）の比率であるアスペクト比（Ｙ／Ｚ）が１．０ないし２０となるまで前記材料を溶解する工程を更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記平面状のスターター経路を溶解材料の望まれた深さに配置する工程を更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記電極間の距離（Ｘ）よりかなり長い壁を形成するため連続的に並んだ溶解領域の端と端とをつなぐ工程を更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記固体材料内の汚染物質を抑制するためアーチ形覆いが構成されるように、連続的に並んだ溶解領域に対して垂直に更に連続的に並んだ溶解領域を順次形成する工程を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
幅に対する深さの比率が１．０より大きい固体材料のガラス状化した塊を生成する方法であって、
ａ．  少なくとも２つの電極を前記固体材料の中に挿入し、該電極は前記固体材料内で直線状に延びる寸法を有し且つ該固体材料の中で垂直に配列され、
ｂ．  前記電極の直線状の寸法の大部分に亘って該電極間の垂直平面内に導電性抵抗経路を提供し、
ｃ．  その周囲の土壌をその融点以上の温度に加熱するように、前記電極及び前記導電性抵抗経路に電流を流し、
ｄ．  前記抵抗経路の方向に対し垂直方向に測定される幅（Ｚ）と少なくとも同程度の深さ（Ｙ）を有する溶解領域を生成するように、前記電極への及び該電極及び前記抵抗経路に隣接した土壌への電流の印加を続行する、各工程を含む方法。
【請求項１４】
溶解材料の幅（Ｚ）に対する該溶解材料の深さ（Ｙ）の比率であるアスペクト比（Ｙ／Ｚ）が１．０ないし２０となるまで前記固体材料を溶解する工程を更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
グラファイト薄片、水酸化ナトリウム、電気防食用抵抗要素、化学試薬、或いはそれらの混合物を含むグループから前記スターター経路を提供する工程を更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
一対の電極の直線状寸法の大部分に隣接した固体材料の溶解を実行するための装置であって、
ａ．  溶解されるべき一定量の固体材料の中に挿入された一対の電極と、
ｂ．  前記電極の直線状寸法の大部分に亘って前記電極間に配置された導電性抵抗材料の平面状のスターター経路と、
ｃ．  電流が前記平面状のスターター経路を通って流れて隣接する固体材料に至り、該スターター経路及び該固体材料をそれらの融点まで加熱するように前記電極に電流を印加することができる電流生成装置と、
を有する装置。
【請求項１７】
溶解された固体材料は、
ａ．  前記電極間に整合された長さ（Ｘ）と、
ｂ．  垂直方向に整合された深さ（Ｙ）と、
ｃ．  前記電極間を結ぶラインに対し垂直方向に整合された幅（Ｚ）と、
を有し、前記溶解された固体材料の幅（Ｚ）に対する該固体材料の深さ（Ｙ）の比率であるアスペクト比（Ｙ／Ｚ）が少なくとも１．０である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記アスペクト比が約１．０ないし約２０までの範囲にある、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
溶解された固体材料の細長い壁を生成するように、複数対の電極を使用して形成された複数の溶解領域が、互いに隣接して連続的に配列され、それにより、このような細長い壁が冷却されたとき地下のバリアを形成する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記スターター経路は、グラファイト薄片、水酸化ナトリウム、電気防食用抵抗要素、化学試薬、或いはそれらの混合物を含むグループから選択される、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、複数の電極の間に配置された平面状のスターター経路に、従って周囲の固体材料に電流を流すことから溶解を始めることによってガラス状材料及び／又は結晶材料を生産するように固体材料を溶解するプロセスに関する。固体材料は、土壌や、元のまま乱されていない状態（undisturbed）若しくは処理のため準備された状態（staged）のいずれかにある、処分のためのサイトに集められた岩石破片材料（waste material）、溶解されることができ且つ処理の間ジュール加熱を維持する他の任意の固体材料のいずれであってもよい。
背景技術
土壌及び他の土壌材料の元の場所（in situ）でのガラス状化即ち溶解するプロセスは、多数の特許、とりわけバテレ・メモリアル・インスティチュートに付与された特許によって示されているように周知である。例えば、１９８３年３月１５日に発行された米国特許第４，３７６，５９８号は、溶解材料を通して電極の間に電流を流すことによって、土壌及び土壌に含まれる他の固体材料を凝固させる方法を開示している。最初の導電性抵抗経路が電極間に提供され、電極への電流の印加は、電極間の固体材料が溶解するまで続行される。
導電性抵抗経路（「スターター経路」）は、最初にスターター経路に隣接する土壌及び他の固体材料を溶解するのに適当な熱を生成し、それらの溶解材料に電流を通すのに十分な程度に電極間に導電性を持つことが必要である。溶解したとき、溶解された土又は他の材料は、それが溶解していない状態よりも遥かに導電率が向上する。次に、電気は溶解した媒体を通って流れ、ジュール熱の現象によって熱に転化され、次にこの熱はより隣接した固体材料に伝導してこれを溶解する。以前では、そのような溶解は、水平の直線経路において固体材料の最上表面で若しくはその近傍で開始され、このとき、電力を印加し続けるにつれて溶解領域は外側及び下方に成長する。
導電性抵抗経路を確立する多数の異なる方法が提案されてきた。例えば、グラファイト又は水酸化ナトリウム経路、電気防食用抵抗（sacrificial resistance）要素（金属抵抗コイル又はワイヤ）及び非常な発熱性化学反応を生成するための化学反応物などである。米国特許第５，００４，３７３号では、誘電材料（例えばガラス繊維など）のコード（cord）は、元の場所でガラス状化を開始するため、導電材料（例えばグラファイト）がしみ込ませられる。
米国特許番号第４，３７６，５９８号に示されているように、スターター経路は、電極間の溝の中にあるグラファイト薄片の比較的小さい「層」（深さ２．５ｃｍ及び幅２．５ｃｍ）であった。そのようなグラファイト層を設けた意図は、単に「電極間に導電性抵抗経路を提供し、この導電性抵抗経路の回りの土壌の温度をその溶解温度にまで上げること」である。材料のガラス状化が、上記米国特許番号第４，３７６，５９８号で示されるように進行すると予想される一方で、実際には、溶解領域の形成は米国特許番号４，９５６，５３５号で示されたものに、より密接に近づくということが見出された。主要成分としてグラファイト（一般には薄片の形態）を有するスターター経路は、溶解プロセスを開始する好ましい方法である。
従来技術のようにグラウンドの表面近くに置かれた水平の直線スターター経路から始まり、溶解領域は、本明細書に添付された図１（「従来技術」）及び上記米国特許番号４，９５６，５３５号の図１０及び図１２に示されたように発展する。図１に示すように、溶解領域１０は、水平の直線スターター経路２６で始まり、それがＸ（電極間を結ぶ平面に沿った方向の寸法）、Ｙ（下方向の寸法）及びＺ（電極間の平面に垂直な方向の寸法）の全ての寸法に膨張するとき、気球の形状を呈する。その結果、半球形の両端部を備えた溶解した円柱状塊となる。ここで示した溶解プール１０は、この溶解プールが大きくなるときの溶解領域の「成長」を表している。従って、図１（及びこれに続く図面）に示したように、溶解プールはＡにおける開始から連続的に成長し、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥへと下方且つ外側に成長する。前段階の溶解プール（Ａ−Ｄ）は、図示という目的のみのために別個の実体として示されているが、実際には、溶解プールはそれが単一の大きな溶解領域になるまで時間の経過と共にサイズが大きくなっていく。体積の減少及び沈下は、最終的な溶解プールの位置の要因となり、及び、溶解されていない固体材料によって前段階で占められた体積（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ）より実質的に小さい体積を占める固体化された塊を生じさせる。米国特許４，９５６，５３５号で示されたように、ガラス状化した塊の端を「直角にする（square up）」ために追加の電極が必要であった。経験を通して、溶解した体積からの熱の隣接した未溶解材料への伝導は、溶解体積の表面積に直接的に関連することがわかった。
理論的には、完全な乾燥した均一状態の土壌では、溶解は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のすべてに均一に進行する。溶解は、Ｚ寸法において（電極間に引かれたラインからの）両方の方向に進行するので、側面への成長は、理論的には下方への成長の２倍となり、よって理論的なアスペクト比（深さと幅との比率：Ｙ／Ｚ）は０．５となる。しかしながら、溶解されるべきほとんどの材料は、液体若しくは他の蒸発可能な材料（例えば土壌中の水など）を含み、これらの材料は下方に侵食する溶解プールにより蒸発させられ、これら比較的「低温の」蒸気は、溶解プールの両側面を進行しつつ、両側面を冷却し、側面方向（Ｚ）の成長の比率を遅くする。従って、従来技術の溶解プールの下方成長比率は、側面成長比率より名目上は速くなり、その結果、実際のアスペクト比は１．５まで上昇する。しかしながら、溶解プールは、より大きく成長するので、熱輸送に関連した他の要因は、外側（Ｚ）への溶解に対する下方（Ｙ）への溶解の比率を減少させ（連続的に成長した溶解プールＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥを図示した図１に図解されている）、最終的に、従来の設備を用いて溶解領域を下方に延ばすという意図で溶解を続行することは、不経済となる。Ｚ方向の（望ましからぬ）成長率は、望ましいＹ方向の成長率を遥かに超えているからである。かくして、従来の技術は、約１．０ないし１．５までの範囲の溶解領域のアスペクト比で作働するように制限される。
出願人は、４メガワットまでの電力を用い、従来技術の直線状スターター経路の手続きを利用する大規模の応用において、４電極による溶解が深さ６．１ｍ（２０フィート）に達し、幅が約１２〜約１３．７ｍ（４０〜４５フィート）となった後、溶解領域の下方への成長が、続行する上で不経済となるような率まで遅くなり（不十分な電力が遥かに大きい質量を溶解するために利用される）、そして、そのような溶解は典型的にその成長率で終わるか、もっと早く終わるということを観察した。従って、市販されている大規模設備を使用するとき、元の場所のガラス状化をどのくらいの深さまで延ばすことができるかに関して生来の限界が存在する。勿論、より電力の大きい設備を更に大きく且つより深い溶解領域を生成するために使用することができる。しかしながら、そのような設備は、それ自身の経済に関連した深さの限界を持つであろう。
出願人は、例えば、米国特許番号第４，３７６，５９８号で開示された方法を使用したとき、商業スケールの元の場所のガラス状化設備（４ＭＷ）を使用した溶解領域の深さ（Ｙ）の現時点における実用上の限界が約６．１ｍ（２０フィート）であることを見出した。この深さにおいて、米国特許番号第４，３７６，５９８号で開示されたようなスターター経路を使用すると、溶解領域の幅（Ｚ）は、一対の電極当たり約６．１〜約６．７ｍ（２０〜２２フィート）、或いは、４つの電極に対して約１３．７ｍ（４５フィート）である。従って、ガラス状化されるべき領域が表面下の約６．１ｍ（２０フィート）若しくはその上方でない場合には、溶解領域の深さをごく僅かに増加させるため側面から溶解し続けることは経済的でない。側面方向（Ｚ）の溶解膨張を制限するため熱バリアを用いることができるが、そのようなバリアは構成するのが難しく、適切に作働せず、そして高価である。
上記したように、水平の直線状スターター経路を有する従来の溶解領域は、非常に広く且つ非常に浅い状態から始まり、これによって、非常に低いアスペクト比（深さ／幅）を生じさせ、このアスペクト比は溶解領域が深くなるにつれて増大する。出願人は、商業上関心がもたれる深さにおいて従来の溶解領域のアスペクト比が約１．０又は約１．３より大きくなることは、たとえあったとしても稀にしかないことを観察した。例えば、従来の設備を使用すると、水平の直線状経路をその間に備えた約３ｍ（約１０フィート）の最も接近した電極間隔において実行可能な最大の溶解領域は、一対の電極当たりにして幅約６．１ｍ（２０フィート）で深さ約６．１ｍ（２０フィート）の溶解領域を生成した。
形作られた溶解領域（１．５より大きいアスペクト比を有する）が望ましい多数の場合が存在する。米国特許番号４，９５６，５３５号のＩＳＶプロセスは、意のままに「成長する」溶解領域を生成する。これに対し本発明は溶解領域が、サイトの必要性及び／又はコストを低減させることのいずれかを適合させるように溶解領域を仕立て上げることを可能にする。溶解領域のアスペクト比を制御できることの最大の利点の一つは、横方向の過剰溶解を最小化することである。
例えば、従来の技術を用いて深さ６．１ｍ（２０フィート）及び幅３ｍ（１０フィート）の体積を溶解することが望まれているとき、６．１ｍ（２０フィート）の深さを達成するためには幅６．１ｍ（２０フィート）を溶解する必要がある。そのような処理工程は、目標とする材料の２倍の量を溶解し、その結果として時間とコストを２倍にする。そのような応用では、アスペクト比２．０（深さが幅の２倍）を備えた溶解領域を実施することが望ましい。アスペクト比を制御するための能力は、溶解領域のコスト、従って、その実行可能性に大きな影響を及ぼし得る。
図２に示されているように、多数の危険な岩石破片のサイトは、溝１２として構成され、この溝には、危険な岩石破片が「Ｕ」又は「ＩＶ」形状をなした溝の土壌の中に埋められている。ロック１４を用いて溝の側壁を直線形状にしてもよい。元の場所のガラス状化は、そのような場合においてコスト的に効率がよいわけではなく、安全面で問題があり得る。（米国特許番号４，９５６，５３５号で示されたように）気球形状の溶解プール１６の自然な形成は、かかる場合で望ましいものとは全く反対の形状だからである。溶解領域が溝の両側を密閉し得るので、溶解プール１６の下で生成されたガス１８の側面方向の移動は溝の両側部分により制限され、そのようなガスは、溶解領域１６を通って上方に押しやられ、その中に変動及び不連続面を形成する。そのような「バブル」は、効果的な溶解を維持する上で重大な問題を引き起こし、表面でガス噴出を生じさせ、電極２２と、溶解領域を覆うオフガス収集装置２４との元のままの状態が危険に曝される。そのような噴出は、フード構成要素２４及びＩＳＶプロセスに関連した他の設備に対し溶解及び／又は損傷を引き起こすほど耐えがたい。
概して云えば、元の場所のガラス状化は、溶解プロセスが進行するとき（図３）、（できる限りスリーブ３０を介して）溶解プールの中に連続的に電流供給される電極２８を用いて進行する。現在のところ実行されているように、最初に電極及びスリーブのいずれも始動の間に望ましい最終的な深さに挿入される。溶解プールが下方に成長するとき、電極は下方に電流供給される。
更に加えて、バリアとしての役割を果たすためのガラス状化物質の地下壁を生成する多数の試みが存在してきた。そのような地表下の構造は、これまでのところ経済的に或いは正確に構成されてこなかった。アスペクト比が非常に小さ過ぎてそのような構造を不経済的にするしかないからである。従って、従来の方法を用いて２つの電極により作られた深さ６．１ｍ（２０フィート）の壁は、「壁」を生成するため必要とされるよりもかなり多くの時間とエネルギーを溶解に費やして、６．１ｍ（２０フィート）の幅（或いはそれ以上の幅）の溶解領域を生成する。バリア壁の応用のためには、４ないし２０の範囲の溶解領域アスペクト比を制御可能であることが望ましいが、このアスペクト比は従来技術（１．０ないし１．５の範囲の最大アスペクト比を制御可能である）を用いては不可能である。
多数の発明が、元の場所のガラス状化の実用に供するため開示されてきた。例えば、米国特許番号４，７６２，９９１号は、ＩＳＶ溶解の予期された経路に沿って配置された複数のセンサーを監視するプローブを開示している。このプローブは、センサーからの温度信号を受信し、該信号を遠隔地に伝達する。米国特許番号５，０２４，５５６号は、ガラス状化された塊の上方に冷たいキャップを形成することによって、元の場所のガラス状化の間に揮発性及び／又は危険な汚染物質の分解を促進するためのシステムを開示している。
発明の開示
本発明は、より正確にサイズ及び形状が定められた溶解プール及び引き続いて冷却されたモノリス状のガラス及び／又は結晶塊を得ることができる、固体材料を溶解する方法及び該方法を実施するための装置を包含する。溶解領域のそのような制御は、物理的なサイトの限界の故に、地表下位置の比較的小さい区分を効率的にガラス状化すること、或いは、地下壁を構成することを要求され得る。
本発明に係る方法は、最初に所望の溶解領域を生成する上で十分な深さにグランドを通して下方に延在する少なくとも２つの電極を備えた、従来の元の場所のガラス状化処理設備を含む。導電性抵抗材料は、スターター経路を形成するため電極の直線寸法の大部分に亘って該電極間に配置され、これによって電極間のスターター経路材料の垂直に配位された平面を画成する。電極に電気が流されたとき、導電性抵抗材料は、周囲の土壌又は他の固体材料の融点よりも高い温度にまで加熱される。溶解すると直ちに、溶解された土壌は、より容易に電流を伝達し、溶解領域の連続的な加熱は、隣接する土壌に溶解材料の成長しつつある「溶解プール（melt pool）」を形成させる。
本発明に係る方法は、ジュール熱により溶解することができる任意材料に対し実施することができる。特に汚染された元のままで乱されていない土壌、処理のためのサイトに移動される土壌、「元の場所の」土壌と固体材料との混合物（例えばドラム（drum）や他の岩石破片生産物）、或いは固体材料を溶解する上で望ましい任意の他の形状に対して実施することができる。
本発明に係る方法により形成された溶解プールの垂直方向寸法（Ｙ）と幅寸法（Ｚ）との比率を約１ないし２０の範囲で制御するように、本発明の溶解プールのアスペクト比を比較的高い精度で制御することができる。これは、溶解プールの望ましくない横方向の大きな成長を促すことなく溶解プールを下方に生成し且つ制御できることを示している。
本発明は、垂直に配位された少なくとも２つの直線状電極及び該電極の直線寸法の大部分に亘って該電極と接触している平面状のスターター経路の形態に係る装置も包含する。この装置は、溶解プールが約４０ないし５０の初期アスペクト比から始まってより深く成長ことを確実にし、これによって溶解プールの所望の深さが望ましからぬ不経済な横方向の成長により制限されないようにする。
本発明の他の態様は、本発明が取り得る様々な実施例に関する次の説明を参照することによって明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の元の場所のガラス状化により生成され、従来技術と名付けられた溶解プールの概略表現である。
図１ａは、溶解プールの寸法を表す図である。
図２は、従来技術と名付けられた、溶解応用に関する特有の型式の概略表現である。
図３は、従来技術と名付けられた、従来の元の場所のガラス状化プロセスに関する電極及び直線状スターター経路の概略表現である。
図３Ａは、図３のライン３Ａ−３Ａに沿って取られた図３のスターター経路の断面図である。
図４は、本発明に係るプロセスにおける電極及び平面状スターター経路の概略表現である。
図４Ａは、図４のライン４Ａ−４Ａに沿って取られた図４のスターター経路の断面図である。
図５ａは、隣接するラインが溶解プールの成長を示している、従来技術の溶解プール形状の概略側面図である。
図５ｂは、図５ａのものと類似した本発明の溶解プール形状の概略側面図である。
図６は、本発明の溶解プール形状の概略平面図である。
図７は、本発明を従来技術と比較している４電極セットの平面図である。
図８は、例１の実験装置の概略立面図である。
図９は、本発明に係る方法により生成された、固体化された例２の溶解プールの平面図である。
図１０は、図２に示されたのと同じ環境で本発明を使用したときの概略図である。
図１１ａは、本発明の方法に係る多重電極セットの概略立面図である。
図１１ｂは、図１１ａの実施例の概略平面図である。
図１２は、本発明の更なる実施例の概略平面図である。
図１３は、本発明の更に別の実施例の概略立面図である。
図１４ａは、従来技術と名付けられた特有型式の溶解領域の概略図である。
図１４ｂは、図１４ａの環境における本発明の方法の概略図である。
図１５は、本発明と従来技術との比較を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
本文中で使用されるように、次の用語は以下のように定義付けられる。
元の場所でのガラス状化（IN-SITU VITRICATION：ＩＳＶ）：これは、材料が置かれているとき、処理時間においてこの材料をガラス状化即ち溶解することを意味する。そのような材料は、それらが置かれている場所即ち元の場所から動かされないかもしれないし、或いは、それらは掘り出され処理のために異なる位置に動かされた（処理のため準備された状態）かもしれない。「ガラス状化」という用語がガラス生産物を製造するものとしばしば考えられる一方で、当業者によるこの用語の使用は、固体化されたガラス及び／又は結晶アモルファス塊（crystalline amorphous mass）を作り出す代わりに、材料が溶解されるがガラス化されないようなプロセスを含み得る。
固体材料（SOLID MATERIAL）：これはジュール熱により溶解可能な土材料を意味し、土壌、危険性液体若しくは他の岩石破片を含む土壌、危険な岩石破片廃棄場所で典型的に見出される土壌と危険な固体岩石破片との混合物、堆積物、鉱山の選鉱くず、及び大部分を占める他の無機材料を含む。
危険な岩石破片（HAZARDOUS WASTES）：これは取り扱いを必要とするが機密扱いされた岩石破片を意味し、危険な放射性物質と混合された岩石破片として当該分野の産業の当業者により定義された岩石破片を含む。
スターター経路（STARTER PATH）：これは固体材料の溶解を開始するため少なくとも２つの電極の間に置かれた導電性抵抗材料を意味する。多くの場合には、例えばグラファイトの薄片又はガラスフリット（glass frit）と混合されたグラファイト薄片などの従来材料が好ましい実施例であるが、望ましい電気抵抗特性を持つ任意の材料（例えば、いくつかの場合には、自然土壌）を用いてもよいことが理解されるべきである。
上記定義から明らかなように、元の場所でのガラス状化（ＩＳＶ）の定義は、比較的乱されていないサイトが例えば危険な化学物質の漏洩で汚染されるような状況の限定されるものではない。埋められた岩石破片を有するサイト、汚染された土壌又は他の固体材料が掘り出され、処理のための第２のサイトに移動されたところのサイト及びその他などもこの定義内に含まれるべきである。説明を容易にするため、以下では「グランド」という用語が使用されるときはいつでも、固体材料が元の場所のガラス状化に係わっている任意の実施例を含むということが理解されるべきである。
図４に示すように、本発明の最も広い実施例は、グランド４２の表面の中、その下方に挿入された少なくとも２つの直線状電極４０（鞘に収められているかいないかのいずれか）を含む。本発明の方法は、垂直に配位された電極及びスターター経路という背景で説明されているが、他の構成が可能である（例えば、土壌の表面に鋭角をなして土壌中に挿入された電極など）。平面状のスターター経路の最上部の高さは同一レベルである必要はなく、即ち、スターター経路が同一平面より下の所定距離だけ離れた位置から始まり、そこから下方に進むことができることも理解されるべきである。
汚染物質フード４４及びオフガス処理装置４６が本明細書中で概略的に示されている。これらは、当業者に周知されており、ここで更に説明する必要はないであろう。電極がグランドに必要最小限に挿入され且つ溶解領域が進行するにつれて該溶解領域の中に供給されるような（図３）従来技術の方法とは対照的に、本発明の電極４０は、グランドの中に十分な距離だけ、一般には平面状のスターター経路にとって最大限の深さにまで挿入されている。電極の間には、導電性抵抗材料４８（スターター経路）が設置されている。この配置にあるとき、スターター経路は平面状の形状を呈し、電極の直線に沿って寸法（Ｙ）の大部分を横切る。本文中で使用されるように、「平面状」という用語は必ずしも完全な平坦である必要はない。即ち、平面状のスターター経路は、湾曲形又は電極間の他の不規則な形状に形成されるようにしてもよい。スターター経路のより大きな総合面積は、図３と図４との比較で明らかなように、作働中で供給される電力が、従来の直線状スターター経路を用いた場合よりも遥かに大きくなることを可能にする。スターター経路４８の直線部分（垂直方向）の寸法５０（図１ａの「Ｙ」）は、最終的な溶解プールの寸法を決定する。
従来技術の図１の溶解プールとは対照的に、本発明の溶解プールは図５に概略的に示されている（図５の電極の配位は図１の電極の配位から９０°をなしている。即ち、図１はＺ軸から見た図であるのに対し、図５はＸ軸から見た図である。）。従来技術の溶解プールが一般に１．０より小さいアスペクト比（深さ：幅の比率）を有する一方で、本発明の溶解プールは一般に１．０ないし２０の範囲のアスペクト比を有する。図５で「Ｙ」のスターター経路寸法を持った場合、幅寸法「Ｚ」５２が十分に小さくなるように調整される一方で、深さ寸法は常に寸法「Ｙ」を超える（電極から下方に幾分か成長するであろう）。溶解は、最初は常にスターター経路に隣接して生じるので、溶解プールの寸法「Ｙ」は、典型的にはスターター経路の垂直寸法に相関する。冷却されたとき、溶解プールは、最終的な溶解プールのサイズ及び形状に近い結晶状及び／又はガラス状のモノリスをなすであろう。溶解プールの図６の寸法「Ｘ」（幅）５４は、典型的には、２つの電極間の寸法より幾分大きい。電極の間隔を超える寸法「Ｘ」までの成長は予想し得るが、そのような成長が本発明の経済に影響を与えるとは期待することはできない。
図７は、より正確に且つよりコスト削減効果を上げるべくサイトを再調停するように溶解形状を設計した本発明の能力を示している。再調停のため指示されたサイトが一般に矩形又は正方形の形状をなす場合では、従来技術は４つの電極（５７ａ、ｂ、ｃ、ｄ）セットを必要とし、一般に円状溶解プール５８を生成する。しかしながら、本発明によれば、類似の４つの電極セットは大まかな矩形の形状６３に融合する２つの別個の溶解プール（５９、６１）を生成する。図７の平面図から明らかなように、本発明の溶解プール６３は、追加の材料（６５で示される）の溶解を抑え、これによって、プロセスのコスト効率を増加させる。
本発明のスターター経路の材料は、好ましくは、グラファイト薄片とガラスフリットとの組み合わせからなる。しかしながら、当業者に明らかなように、所望の溶解サイズのための望ましい抵抗レベルを備えた任意の導電性材料をスターター経路材料として使用することができる。以下に更に詳細に説明されるように、出願人は、特定の出願において、スターター経路の混合物は、約５０％のグラファイト薄片及び約５０％のガラスフリットからなり、そのような場合では、周囲の土壌を溶解させるための最適な抵抗を提供するということを発見した。最適なスターター経路の材料及び混合物は、本発明の各々異なる出願で変更されている。これらの出願における設計は、所望の溶解形態を提供するため加熱目的の電流に対し望ましい抵抗を提供する。
電極及びかくしてスターター経路は、ほとんどの場合、処理されるべき個体材料内で垂直に配位されている。比較的狭い（Ｚ方向において）溶解領域に対して、電極及びスターター経路を開始点から目標となる最大深さの近傍まで配置することができ、これによってプロセスの開始後ほぼ直ちに最大深さで周囲の固体材料を溶解させることを可能にする。最大深さにおけるプロセス開始のために、溶解プールの最低部分における「Ｘ」寸法及び「Ｚ」寸法は、溶解プールが目標の深さまで下方に進行するにつれてそれが側方に成長するところの従来のトップダウン溶解よりも遥かに小さくなる。
本発明の改善されたスターター経路は、従来のＩＳＶ作業を超える多数の利点をもたらす。約０．６ｍ（２フィート）より大きい目標深さ、例えば約６．１ｍ（約２０フィート）を仮定すると、本発明は、従来のＩＳＶよりも遥かに迅速且つ効率的に溶解工程を完遂する。従来のＩＳＶは、溶解領域のサイズが成長し、より大きな電流を膨張する溶解プールに供給していたので、最大電力に至るまで徐々に電力を上げなければならなかった。本発明は、遥かに迅速に最大電力で作業することを可能とし、かくして平均的な溶解電力レベルを増加させ、全体的な溶解サイクル時間を１０ないし２０％減少させる。
出願人は、平面状のスターター経路の溶解の能力が従来技術における溶解のための設計よりも遥かに良いエネルギー効率であることも発見した。この改善されたエネルギー効率は、従来技術の低いアスペクト比（溶解プールが側方には大して成長しない）で経験していたものよりも本発明の高いアスペクト比の場合にはグランド表面へと失われる熱が少なくなることに起因する。これは、更に本発明のコスト効率に利点を追加する。
溶解形状の制御は、溶解プールの最大幅（Ｚ）が望ましくないような、ほとんどのガラス状化の応用又は溶解の応用において強調される。おそらく最大の利点は、作業コストがかなり減少するという可能性である。というのは、溶解をより目標化し局所化することができ、「過度の溶解（over melting）」の発生がより少なくなり、設備のより速い回転率と結び付いた時間とエネルギーの節約が従来技術と比較した場合に２５％ないし５０％から全体コストを減少させることができるからである。
本発明の重要性は次の実施例を参照するときより明らかとなろう。
（実施例１）
元の場所の実際の環境において本発明の実現可能性を決定するため、大規模のＩＳＶテストが実行された。スポカーネ（Spokane）、ＷＡ、の外側のサイトで、出願人は、出願人の商業規模の元の場所のガラス状化設備を使用して比較的乱されていないサイトを準備した。従来の３０ｃｍ（１２インチ）の直径の固体グラファイト電極が使用された。穴堀りの後、その中に電極を備えた（ガラスフリット１部品対グラファイト薄片２部品の混合物が包まれた）ソノチューブ（sonnotube）が４．６ｍ（１５フィート）間隔を置いて配置された。平面状のスターター経路は、電極間において一方を他方の頂部に載せた複数の７．６ｃｍ（３インチ）形のチューブを積み重ねることによって構成された。高さ１．２ｍ（４フィート）及び厚さ７．５ｃｍ（３インチ）のスターター経路を形成するため１６個のチューブが積み重ねられ、これらのチューブが互いの頂部に積み重ねられたとき土壌を戻して充填した。各々の開始チューブがガラスフリット３部品対グラファイト薄片２部品で満たされた。
本発明を使用した他の始動形態と一致するように、出願人は、従来技術の始動方法が始動の間に注意深く手動で制御されなければならない電気パラメータのより奇妙な変動を含む一方で、本実施例の始動における電気性能が通常では滑らかであることを観察した。テストは約２４時間の期間、継続され、この間に平面状の壁形状の溶解領域は、深さ１．５ｍ（５フィート）で平均幅０．６ｍ（２フィート）にまで生成された（約２．５のアスペクト比）。ガラス状化された体積部分はほとんど垂直の側壁を示していた。電力利用効率は冷却された質量に関して１．１ｋＷｈ／ｔ（１ｋＷｈ／トン）であった。従来の溶解は、１．５ｍ（５フィート）の深さに達するのに数日間を必要とし、かなり低いエネルギー効率で、約１．２ｍ（４フィート）と約１．５ｍ（５フィート）との間で過度に幅広い溶解領域を生成したということは出願人の経験である。
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結果：電力が停止され、凝固された塊７０（図９）が冷却された後、この塊の寸法が測定された。全体の寸法「Ｘ」７４は約４．６ｍ（１５フィート）即ち電極７２の間の距離であった。寸法「Ｘ」において電極間を超える成長は認められなかった。塊の高さ（寸法「Ｙ」）は１３８ｃｍ（５５インチ）から１４７ｃｍ（５８インチ）まで変動し、溶解領域の幅７６（寸法「Ｚ」）は４１ｃｍ（１６インチ）から７６ｃｍ（３０インチ）まで変動した。このテストではエネルギー効率を最適にするためにいかなる努力もなされなかった。
論点：本発明に係る方法は、従来では利用不可能であった多数の寸法に関するシナリオで固体材料を取り扱うためにＩＳＶパターンを設計する際に大きな寛容度を提供することは明らかである。本発明は遥かに減少したコストで且つ安全性を向上した状態で溶解が設計され実行されることを可能にする。例えば、図２に記載された溝に埋められた岩石破片を処理する際に、本発明に係る方法は、以前に経験されたようなプールに分裂無しに蒸気が溶解プールの側面から大量に放出されることを可能にする。図１０に示されたように、液体８２からの蒸気８０は溝８６内の溶解プール８４の底部から逃げ出すことができる。溶解プールのアスペクト比は、従来のＩＳＶプロセスにおける比よりも実質的に大きいので、溶解プールは、それが溝の底部に達する前に、側面から側面へ溝を亘らず、岩石側壁が存在し得るところで特に価値がある。本発明に従ってなされた溶解のエネルギー効率は、最適化されたとき０．７又はそれ以下のエネルギー効率を持つと期待される。
大きな塊状のモノリスは、連続的な溶解を並列に（図１１）開始することによって構成してもよい。本実施例では、連続的に並ぶ電極セット９０、９２、９４を製作してもよく、このとき、気球形状及びこれに連係した従来技術に伴う隣接する非汚染の土壌の予期せざるガラス状化を起こすことなく、比較的立方体に近いブロック１０２を形成するように各々の溶解プール９６、９８、１００が一緒に融合する。その代わりに、比較的薄い壁（図１２）は、連続的に続く電極セット１０４、１０６、１０８をその端と端とをつないで配列し、隣接する個々の壁１１０、１１２、１１４が一緒に融合させることによって構成されるようにしてもよい。そのような壁は、直線状、弧状（一般には湾曲している）、或いは、利用に供されるべく閉じられた形状に配列され、とりわけ、汚染物質の移動を防止するための地下バリアとして、或いは、本質的に抜き難い領域を含むように汚染物質の個々の領域の回りの「アーチ形覆い（vault)」として構成することもできる。
本発明に係る方法によって更に他の形状を構成してもよい。例えば、図１３に示されるように、多数の平面状のスターター経路が、複数の硬化された溶解プール１１６、１１８、１２０から垂直壁を生成するため、その一方が他方の頂部に配置されるようにしてもよい。そのような設計は、単一の溶解プールで壁を構成するのが実行不可能であったり或いは不都合な場合、所望の深さが本発明の溶解の深さに対する事実上の制限を越える場合、或いは、利用可能な設備の電力レベルによって制限される場合に使用してもよい。単一或いは多数の電極セットを、そのような実施例のために使用することができる。
図１４ａに描かれているように、別個の非常に汚染された有機層１３０が水平態様で存在するような地下の地層（strata）に遭遇し得る。低いアスペクト比及び幅広くより低い境界１３４を持つ従来の溶解プール１３２が、この層に接触したとき、大量の有機物質（参照番号１３６）が急激に蒸発して、開放されたガスを処理するためのオフガス処理システム４６の能力を圧倒する可能性がある。更に、蒸気の長い経路は、溶解プール１３２の底部を横切るため蒸気の一部分が溶解プールを貫通して上方に抜ける可能性を増加させ、上述した問題を引き起こす。これとは反対に、本発明の溶解プール１３８（図１４ｂでは、図１４ａの配位に対して直角に配置されている）は、比較的小さい最下の境界部１４０で有機層１３０を押し、一旦層を貫通しても、溶解プールの側部境界１４２は、同様に、処理しやすい量の蒸発有機物質１４４を生成する上で十分なほどに小さい。
図１５は、アスペクト比（深さ／幅）と深さと幅との間の数学的関係を個別に示しており、所望の深さとアスペクト比の溶解プールを生成するため必要とされる平面状のスターター経路の深さを同定するための方法を提供する。アスペクト比が縦座標にプロットされ、深さが横座標にプロットされた状態で、それらの条件を満足させる溶解プールの幅を、原点から始まる０．７ｍ、１．５ｍ、３ｍ及び４．６ｍ（２フィート、５フィート、１０フィート及び１５フィート）の溶解幅ラインにより示されるようにプロットすることができる。所望される任意の溶解幅に対する同様のラインをプロットすることができる。プロットされた溶解幅ラインの使用を理解するため、例えば、３ｍ幅（１０フィート）で９ｍ（３０フィート）の深さでは、アスペクト比３を要するとみなされる。同様に、１．５ｍ（５フィート）幅で３ｍ（１０フィート）の深さの溶解プールはアスペクト比２を要する。
図１５のチャートは、特定の溶解プールに対して必要とされるアスペクト比を特定するため技術者によって使用することができるが、この情報は、特定の溶解プールに対して用いられるべき平面状のスターター経路の深さを決定するため、取り扱われている媒体における溶解プールの固有の成長特性と組み合わせることが必要である。この組み合わせは、チャート上の湾曲したラインにより示され、これらのラインは典型的な無水珪酸を基本要素とする土壌における２．４ｍ（８フィート）及び３．６ｍ（１２フィート）の深さの平面状のスターター経路の溶解領域を表す。８ｍ及び３．６ｍラインは、平面状のスターター経路の開始した深さを表している。同様のラインを異なる深さのスターター経路に対して構成することができる。
実例Ｉ：アスペクト比２を持つ３ｍ深さ（１０フィート）の溶解領域（例えば１．５ｍ（５フィート）幅）が望ましい場合、技術者は、２．４ｍ（８フィート）の深さの平面状のスターター経路を使用した平面状の溶解を用いるであろう。そのような平面状の溶解は、非常に高いアスペクト比を持つ２．４ｍ（８フィート）皮下さで開始し、時間の経過によって１．５ｍ（５フィート）幅にまで成長し、３ｍ（１０フィート）の深さまで溶解し、かくして所望の深さとアスペクト比との目標を達成する。
実例ＩＩ：溶解が深さ４．５ｍ（１５フィート）及び幅２．１ｍ（７フィート）に望まれている場合、深さ２．４ｍの平面状のスターター経路では達成することができないが、深さ３．６ｍ（１２フィート）の平面状のスターター経路を用いることによって達成することができる。深さ３．６ｍ（１２フィート）のスターター経路ならば最初に非常に高いアスペクト比を持つ溶解領域を生成し、時間の経過により２．１ｍ（７フィート）にまで幅が広がり、４．６ｍ（１５フィート）の深さまで溶解し、約２．１のアスペクト比を持つ目標寸法に到達する。
実例ＩＩＩ：深さ３ｍ（１０フィート）で幅０．６ｍ（２フィート）の壁状溶解領域が望まれている場合、深さ２．７ｍ（９フィート）のスターター経路を使用することができる。時間の経過によって、溶解領域は２ｍ（１０フィート）の深さにまで成長し、この溶解領域は約０．６ｍ（２フィート）の幅に成長するであろう。
平面状のスターター経路がそれらの元の開始点より実質的に下方であるが、そのアスペクト比のコスト及び溶解効率で溶解領域を生成できることは明らかである。例えば、上記実例ＩＩでは、深さ２．４ｍ（８フィート）のスターター経路を深さ４．６ｍ（１５フィート）の溶解領域のために利用することができるが、アスペクト比はほんの約１．３である。より高いアスペクト比が望まれている場合、より深いスターター経路が要求される。本発明に係る方法は、処理されるべき様々な媒体の実際の溶解特性に基づいてこれらの関係を数学的にモデル化することを出願人をして可能ならしめた。
本発明に係る多くの実施例が示され、本文中で説明されたが、当業者が、本発明から逸脱することなくその最も広い態様で多数の他の変更及び改良を開示発明に対しなすことができることは明らかであろう。従って、本発明の範囲は明細書に添付した請求の範囲によってのみ決定されるべきであり、本発明の範囲内に属するそのような全ての変更及び改良を覆うように意図されている。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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