第５章

関連技術
第５章

5-1

プラズマ溶融処理技術… ……………………………… 88

5-1-1

プラズマ溶融処理の特長

5-1-2

プラズマ溶融技術の低レベル放射性雑固体
廃棄物処理への適用性評価

5-1-3

Cs（セシウム）捕捉率の推定手法

5-1-4

アスベスト廃棄物の無害化・再資源化

5-2

減圧アーク除染技術… ………………………………… 90

5-2-1

減圧アーク除染技術とその特長

5-2-2

減圧アーク除染技術の除染性能

5-3

検認技術… ……………………………………………… 92

5-3-1

大型廃棄体中の放射能濃度分布評価手法の開発

5-1 プラズマ溶融処理技術

時にはスラグ層に捕捉されるものの、沸点が低いため、一部が表面から蒸発する。そこで、廃棄物組成や処理時

5-1-1

プラズマ溶融処理の特長

間などが変わった場合でも、Cs の捕捉率を予測できる手法を確立した 4）。本手法では、図 5-1-2 に示す溶融時

大気圧下で発生させたプラズマは、5,000K を超え、の Cs の挙動を（5-1-1）式によりモデル化している。

エネルギー密度が高い。このため、加熱対象への伝熱がよく、融点の高い廃棄物でも溶融することができる。これらの特長を生かし、国内では、都市ごみ焼却灰の溶融（5-1-1 ）処理へ適用した施設が数多く稼働している 。当研究所
1）は、プラズマの特長に着目し、低レベル放射性廃棄物の処理へ適用するための研究を推進してきた。当研究所でここで、N はスラグ中の Cs 濃度、t は時刻、k は Cs の実施した溶融実験の状況を図 5-1-1 に示す。中央に白く蒸発速度定数、As は Cs が蒸発するスラグの表面積（気輝いているプラズマや、オレンジ色の溶湯が観察できる。

中と接している面積）、Vs はスラグの体積、⊿ w は廃棄物の溶融速度、Ws はスラグ重量、N0 は廃棄物中の Cs

5-1-2プラズマ溶融技術の低レベル放射性雑固体濃度である。

廃棄物処理への適用性評価

第５章

溶融処理が進み、その最終段階に近づけば、一定の廃金属や不燃物、可難燃物など種々雑多な低レベル放射棄物の溶融速度で加熱が続き、スラグが溶融炉の全域に性雑固体廃棄物を模擬した試料を、非放射性の模擬核種拡がるようになる。このような条件では、（5-1-1）
式におとともにプラズマ溶融し、得られた溶融固化体の物性やけるスラグ中の Cs 濃度は、表面からの蒸発と廃棄物溶融時の核種挙動を調べたの溶融による流入が釣り合う（dN/dt=0）濃度へ漸近し。その結果、処分場で環2, 3）境水に接しても核種を安定に閉じ込められるなど、最終ていくので（5-1-2）式が得られる。

処分に適した溶融固化体を得られることを明らかにした。
さらに、溶融時の核種挙動などを解明した。これらの研究成果により、プラズマ溶融による低レベル放射性雑固（5-1-2 ）体廃棄物の処理技術の実用化に貢献した。

5-1-3

セシウム（Cs）捕捉率の推定手法

ここで、Ne は溶融完了時の Cs 捕捉率（％）
、A は溶融炉断面積、ρs はスラグの密度である。

Cs は、廃棄体の放射能評価に用いられる重要な核種で、廃棄体に一定割合以上捕捉される必要がある。溶融プラズマ
トーチ

るつぼ

①
スラグ層
金属層
未溶融の廃棄物②

溶湯
アークプラズマ20cm

図5-1-188

プラズマによる廃棄物の溶融①溶融したスラグ層表面からCsが蒸発する②未溶融の廃棄物が溶融されCsがスラグ層へ流入する

図5-1-2溶融時のCsの挙動

蒸発速度定数 k ×10-6 (m/s)（5-1-2）式から、プラズマ炉の形状から決まる溶融炉断面積、プラズマ加熱条件で決まる廃棄物の溶融速度、廃棄物の組成で決まるスラグ密度と、Cs の蒸発速度定数が決定できれば、Cs の捕捉率が推定できる。
図 5-1-3 に、（5-1-3）式で定義したスラグの塩基度とCs 蒸発速度定数の実験結果を示す。

108塩基度 Ki’=0.63642200250300350400450500

溶解炉断面積(cm2)
図5-1-4蒸発速度定数の溶解炉断面積への依存性（5 - 1 - 3）以上、プラズマ溶融処理技術の低レベル放射性雑固体
ただし、X RmOn は酸化物のモル分率、iRmOn は酸化物の廃棄物の処理への適用性を評価し、廃棄体確認の観点から重要になる Cs の捕捉率の推定手法を提案した。

結合のイオン度である。

5-1-4

アスベスト廃棄物の無害化・再資源化の高温領域の影響を含んだ見かけの蒸発速度定数である。
そこで、溶融炉の断面積を変えて取得した蒸発速度定数

アスベストの使用が規制される以前に建設された原子を、図 5-1-4 に示す。図に示すように溶融炉の断面積を力発電所などでは、その点検や廃止措置に伴ってアスベ大きくすると電極点近傍の高温領域の影響は急激に小さスト廃棄物が発生する。耐熱性に優れたアスベストでも、くなり、Cs 蒸発速度定数も小さくなることが分かる。

プラズマ溶融によりアスベストとしての特質を消滅させ、実機では、溶融炉の断面積がさらに大きいので、電極点化学的に安定なスラグにできることを明らかにした 5）。

近傍の高温領域の影響がさらに小さくなり、Cs 蒸発速

図 5-1-5 に溶融試料の SEM（走査型電子顕微鏡）写度定数は、図 5-1-3 に示した結果より小さい値になると真と、溶融で得られたスラグの外観および SEM 写真を考えられる。蒸発速度定数が大きいほど、Cs の捕捉率示す。溶融試料は、発電所などで広く使用されている保は低下するので、図 5-1-3 の結果を用いれば、Cs の捕温材にアスベストの中で最も融点の高いクリソタイルを捉率を小さく評価することになり、安全側の評価になる加えたもの、アスベストクロスやアスベストスレート、と考えられる。

クリソタイルそのものを用いた。図に示すように、アスベストの繊維状の構造が、溶融により完全に消失してCs蒸発速度定数 k ×10-6 (m/s)

いる。
30

次に、溶融で得られたスラグについて、路盤材試験を溶融炉断面積:415cm実施し下層路盤材として再利用できることを明らかにし2た 5）。さらに、骨材としての利用を促進することを目的

20として、溶融状態にあるスラグから直接球状の骨材を得る技術開発を進めた 6）。具体的には溶融状態にあるスラ10

図5-1-30

グを回転する漏斗に出湯し、溶融したスラグを斜面で分0.5

1.01.5スラグの塩基度 Ki’散させると同時に滑落させることで球状にする方式である。得られた骨材の一例を図 5-1-6 に示す。

スラグの塩基度とCs蒸発速度定数

電中研レビュー No.55 ● 89第５章

図 5-1-3 に示した Cs の蒸発速度定数は、電極点近傍

(a) 水練り保温材(b) パーライト保温材

図5-1-6(c) ケイ酸カルシウム保温材

回転式溶融スラグ骨材化装置で得られた球状のスラグ

第５章のため二次廃棄物を低減できる、発生方法が多様である
ので除染原理としてさまざまな種類がある、といった特(d) 石綿クロス長がある 1）。熱的に除染する方法は、処理対象の性状を選ばず処理速度が速い反面、対象物への熱負荷などが大きい。一方、プラズマ中のラジカルを利用するような化学的方法は、プラズマの原子やイオンなどの重粒子の温度が相対的に低く、処理速度が遅いが、対象物への熱負(e) 石綿スレート

荷が少ないと推測される。
減圧アークは、移行形アークプラズマの一種であり、ここでは、減圧下で処理対象を陰極（逆極）とした直流のものを指す。図 5-2-1（a）に減圧アークの写真を示す。
その内部に輝度が高い陰極点が観察できる。また、図(f) クリソタイル50μm

図5-1-5

溶融試料のSEM写真およびスラグの外観とSEM写真5-2-1（b）に減圧アーク除染原理の模式図を示す。表面に酸化皮膜を持つ金属基板を陰極とすると、酸化皮膜を選択的に溶融 ･ 蒸発させ、熱的に効率よく除去する特長を持つ 2）。陰極点が酸化皮膜を求めて動く現象が起こる理

5-2 減圧アーク除染技術

由は、酸化皮膜に覆われている箇所からは電子が放出されやすいため、陰極点がここを探し動き回るからと推定されている 2） が、詳細は不明である。また、酸化皮膜

5-2-1

減圧アーク除染技術とその特長を除去するのが得意な減圧アークであるが、金属基板上に対しても形成しうる。このため、母材金属中に存在す現在、原子力施設などで用いられている主な除染技術
は、化学除染とブラスト除染である。これらは、除染工程で発生する二次廃棄物の低減が課題となっている。
プラズマを用いた除染技術は、化学除染液などが不要90るコバルト（Co）も、その母材金属とともに溶融 ･ 蒸発、除去することができる。

減圧アーク10ｍｍ陽極50μm

5μm50μm（1） 減圧アーク処理前

処理対象(陰極)

陰極点

ガス種：アルゴン、圧力：20Pa、電流：60A＊陽極内の輝点は陰極点の反射

ガス種：アルゴン、圧力：40Pa、電流：60A

図5-2-2減圧アーク処理前後の試験片の写真
およびSEM画像（a） 減圧アークの写真

減圧アーク
酸化皮膜 放射性核種(6)母材金属上での陰極点の形成→(7)母材金属内の放射性核種の蒸発

陰極点

母材金属

10080
(3) 酸化被膜の蒸発(4) 陰極点の移動(5) 酸化皮膜の除去(5)酸化皮膜の除去

6040

第５章

60

(2) 着火

Co除去率(%）

熱流束
熱流束（1）処理前（2） 減圧アーク処理後(3)酸化皮膜の蒸発→(4)陰極点の移動

20(1)処理前→(2)着火(8) 母材金属内の(6) 母材金属上での放射性核種の除去陰極点の形成(7) 母材金属内の放射性核種の蒸発（b） 減圧アークの除染原理の模式図0

減圧アーク除染技術の除染性能

2468電荷量(×104 C）

1012

試験片：60Co含有腐食生成物皮膜付き配管 （内径φ39×100mm）、ガス種：アルゴン、アーク電流：60A、ギャップ長：2mm、圧力：約50Pa

図5-2-1 減圧アークと除染原理

5-2-20

図5-2-3減圧アークの除染性能率の向上の様相を示す。図内の括弧付きの番号は、図5-2-1（b）中の番号に対応する。腐食生成物皮膜除去時に減圧アーク除染の第一のターゲットは、その特長を考おける Co 除去率は 60% 程度であった。この理由は、も慮し、原子力発電所一次冷却水の配管内面などに形成さともと、母材金属表層内の試験片全体の約 30% の Co がれる腐食生成物皮膜とした。

含まれていること、酸化皮膜除去時に酸化皮膜内の Co処理前後の試験片の写真例、SEM 写真例を処理条件の一部が母材金属内に移行し残留するためである 4）。すとともに図 5-2-2 に示す。図に示すように処理後の試験

な わ ち、 酸 化 皮 膜 内 の 60Co に 対 す る 割 合 と し て は、片の表面には、いずれも腐食生成物特有の黒色が消失し85％程度が除去でき、15％程度が母材金属内に移行したており、金属光沢が観察された。SEM 写真において、こととなる。この後、減圧アークの繰返し処理により試験片表面の様相を処理前後で比較すると、処理後にはCo 除去率は向上し、最終的に Co 除去率 90％以上を達試験片表面の数ミクロンオーダーの結晶粒界が消失して成することができた。この時に要した電荷量は、60Coおり、腐食生成物が除去されたことが確認できた。この含有腐食生成物皮膜試験片に対して、310A・s/cm2 で他の例として、さびなどの除去も確認されている。

あった。

また、 Co に対する除染性能を、腐食生成物付き配60管を選択し、評価した 3）。

以上より、減圧アーク除染技術の 60Co 除染性能を明らかにし、腐食生成物皮膜に対する適用可能性を得た。

図 5-2-3 に減圧アーク繰返し処理時における Co 除去

電中研レビュー No.55 ● 91

5-3 検認技術
5-3-1

複数回繰り返し

放射線計測

大型の低レベル放射性廃棄物が多数発生する。これらを廃棄物を連続的に収納

モンテカルロモンテカルロ計算
計算

正味計数率

専用の大型処分容器（1 ～ 5m3）に収納し、LSA（Low
放射能（単位重量あたりの放射能）が基準値を超えない

放射線計測

セグメン
トの厚さ

BG補正係数

原子炉施設の廃止措置においては、炉内構造物などのSpecific Activity）-II 物質として輸送するためには、比廃棄物を収納
廃棄物を収納ステレオ撮影
ステレオ撮影
位置・形状データ取得
位置・形状データ取得

大型廃棄体中の放射能濃度分布評価手法の開発 1, 2）

CCDカメラによるステレオ撮影

校正定数
処分容器

セグメント比放射能評価廃棄物セグメント

ブロック比放射能評価

ブロックことと、偏在がないことが要件となっている。IAEA の「放射性物質安全輸送規則」の解説では、大型廃棄体の体積に応じて分割注 1）した「ブロック」の比放射能の差が 10 倍以内であることの証明を、要件の確認方法として挙げている。これまでの研究により、大型処分容器へステレオ撮影装置の廃棄物収納が完了した廃棄体に対し、外部から放射線放射線計測装置

ブロックの比放射能を適切な精度で評価するのは困難で模擬処分容器あることが示されたため、さらに精度のよい比放射能評価手法を開発する必要があった。
そこで、高い充填率での合理的な大型廃棄物輸送を実
図5-3-1

現するため、大型処分容器に収納した廃棄物の比放射能評価手法を開発した。

廃棄体内放射能評価システムの放射能評価手法（上）と外観（下）ステレオ撮影による廃棄物の形状計測、放射線輸送モンテカルロ計算および放射線計測を、廃棄物の収納と並0.6

行して繰り返すことで、セグメント（ブロック内の一定量の廃棄物）単位の比放射能を連続評価する手法（図射能評価システム」を作製した（図 5-3-1 下）。大型の模擬処分容器と模擬金属廃棄物を用いた評価試験から、セグメントの放射能評価における標準不確かさを得た。

廃棄物-検出器間距離
廃棄物-検出器間距離
1.0m
1.0m 実験
実験
1.0m
1.0m 計算計算
2.0m2.0m 計算
計算
3.0m
3.0m 計算
計算
4.0m
4.0m 計算計算

0.55-3-1 上）を開発し、本手法を組み込んだ「廃棄体内放充填率(金属)第５章

測定する方式では、高い充填率注 2） の廃棄物に対して、0.4

標準不確
標準不確かさが大かさが大0.3

さらにブロックの放射能評価における標準不確かさを、セグメントの放射能評価における標準不確かさとモンテカルロシミュレーションを用いて推定し、本手法の適用範囲を明らかにした（図 5-3-2）。これにより、輸送要0.1
10件を確認するために事前設定する必要があるセグメントサイズと充填率の基礎情報が明らかになった。
注 1） 0.2m3 以下の体積（例：ドラム缶）では分割せず、0.2m3 ～1.0m3 では 5 分割、1.0m3 以上では 10 分割すべきと記載されている。
注 2） 金属の場合は 30%、コンクリートの場合は 80% を意味している。

92

標準不確
標準不確
かさが2以下でかさが2以下で評価可能
評価可能

0.220304050
セグメント厚さ（cm）

60

・ 廃棄物と検出器間距離が3.0m以上の条件では、距離の効果は確認されない。
・ 本手法により、充填率が30%（金属）の場合、セグメント厚さを30cm程度以下にすることで、標準不確かさが2以内の精度でブロックの放射能評価が実現できる。

図5-3-2ブロックの放射能評価における標準不確かさが２以下になる範囲

参考文献
5-1
1） 岩尾

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プラズマを用いた放射性廃棄物表面除染技術に関する調徹、渡辺隆行、天川正士、稲葉次紀、西脇英夫：

小特集 材料プロセッシングを支える熱プラズマの新展
開5-2

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ラズマ溶融処理におけるセシウム捕捉率推定手法、電力中央研究所総合報告 W18、2003 年 12 月．
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中央研究所研究報告 T02026、2003 年 4 月．

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2） 佐々木道也、荻野晴之、服部隆利：低レベル放射性廃棄技術を活用した比放射能評価手法における標準不確かさと適用範囲－、電力中央研究所研究報告 L08018、2009
年 7 月．

電中研レビュー No.55 ● 93

第５章

物中の放射能分布評価技術の開発（その 2）－形状計測