第章

7廃棄物固化技術

第７章

廃棄物固化技術 ● 目次

原燃サイクル部 主任研究員 西村 友広（現在 日本原子力発電㈱に出向中）
原燃サイクル部

主任研究員

坂村義治

７−１

ガラス固化技術……………………………………………………………………………………………………………61

７−２

人工鉱物固化技術…………………………………………………………………………………………………………62

７−３

金属廃棄物の固化技術……………………………………………………………………………………………………64

西村 友広（1982年入所）
軽水炉と金属燃料FBRのプラント動特性解
析など原子炉の安全性に関わる研究・開発に約10年従事した後、乾式再処理に関する研究・開発に、ここ数年は乾式再処理の使用済塩の処理・固化法の研究・開発に従事している。今後、安全性と経済性に優れた原子燃料サイクルの確立に役立つ研究・開発に取り組んでいきたい。

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坂村 義治（1989年入所）
希土類元素、アクチニド元素に関して、溶融LiCl-KCl共晶塩中の標準酸化還元電位の測定、液体金属中の活量係数と溶解度の測定。
電解精製によるアクチニド元素の希土類元素からの分離回収などの研究に従事。

第７章

廃棄物固化技術

乾式再処理プロセスおよび高レベル廃液の乾式分離プ⑴

ガラス固化技術

ロセスから、希土類元素、アルカリ土類元素、アルカリ⑵人工鉱物固化技術（ソーダライト型固化技術）

金属などの核分裂生成物が蓄積した使用済み塩と貴金属FPを含んだ金属状の廃棄物とが発生する。

について研究している。ガラス固化技術の研究開発の現状を7-1で、人工鉱物固化技術については7-2で述べ使用済み塩は、地下水に容易に溶解して人間の生活環る。

境中に到達する恐れがあるため、そのままでは処分が難

金属状の廃棄物の処理方法については、アルゴンヌしい。そこで、使用済み塩を深地層処分に適応する安定国立研究所（ANL）において行われている「金属廃棄物」な形態の固化体にする方法として、当研究所では、の研究開発状況を7-3で簡単に紹介する。

７−１

ガラス固化技術

現在、軽水炉使用済燃料の湿式再処理で発生する高レ重量％程度と言われている ⑴ 。このため当研究所では、ベル廃液は、ホウケイ酸ガラス固化体にして処分するこ

廃棄物発生量の低減をめざし、図7-1-1に示すように、とが計画されている。乾式再処理プロセスおよび高レベ次の３ステップで塩化物をガラスに転換する方法につい

ル廃液の乾式分離プロセスから発生する使用済み塩も、て研究している⑵。

ガラスに転換できれば同じ方法で処分することが可能と⑴なる。

電気分解の技術を適用することにより塩を塩素ガスと金属状のFPとに分解し、金属状FPは液体鉛金属中に回収する。塩素ガスは、オフガス中から深冷分

7-1-1

塩化物のガラス固化法

離法 ＊１により液化・回収したのち高レベル廃液の塩＊１ホウケイ酸ガラス固化体への塩素イオン許容濃度は１

陽極＋−

深冷分離法：混合ガスを冷却し、そのガス中の成分を、それぞれの凝縮する温度の違いを利用して分離する方法

陰極酸素
（空気）

塩素ガス

ガラス原料
酸化物

酸化物

FP
使用済塩

FP
液体鉛金属

液体鉛金属

⑴

電解により塩化物を分解し、核分裂生成物（FP）を液体鉛金属中に回収する。

図7-1-1⑵液体鉛金属中のFPを酸素と反応させて酸化物にする。

⑶

ガラス固化体を製造する。

使用済塩のガラス固化の手順

電中研レビュー No.37● 61

化物への転換（第６章で示した塩素化工程）で再利用廃棄物をガラス固化体にした場合のガラス固化体の組成する。

を表7-1-1に示す。この表には比較のため核燃料サイク液体鉛金属中のFPを空気中の酸素と反応させて酸ル開発機構のガラス固化体の標準化学組成⑶を併記した化物にする。FPを除去した後の鉛は⑴の工程に戻し、が、乾式分離プロセスの浴塩の成分であるLi、Kの廃棄繰り返し使用する。

量は多くなく、湿式再処理のガラス固化体の技術が適用⑵⑶

FPの酸化物に、ガラスの原料（二酸化ケイ素、酸化できるものと考えられる。

ホウ素など）を加え、高温にしてガラス化し、ガラス今後の課題としては、固化体にする。このステップは従来の湿式法再処理の⑴ガラス固化技術がそのまま適用できると考えられる。

高レベル廃液の乾式分離プロセスからガラス固化体製造までの通しの試験

当研究所は、ステップ⑴と⑵に関して、液体鉛金属を⑵ガラス組成の最適化陰極にした模擬使用済み塩の電解実験ならびに液体鉛金⑶

オフガス処理も含めた工学規模装置の開発

属中の模擬FPの酸化実験を、住友金属鉱山㈱との共同などがあげられる。

研究で行い、電解で液体鉛金属中に金属状態で模擬FPを回収できること、800℃で液体鉛金属中に酸素を吹き表7-1-1込むことにより鉛を酸化させずに模擬FPだけを酸化物

高レベル廃液の乾式分離プロセスから発生するガラス固化体の組成の推定値（単位：重量％）にできることを確認した。

7-1-2

廃棄物
FP等
Na2O
Li2OK2O
ガラス原料
SiO2
B2O3
Al2O3
Li2O3CaOZnO

乾式プロセスへの適用

本ガラス固化技術から発生する塩素ガスのリサイクルの観点から、第６章で述べた高レベル廃液の乾式分離プロセス（塩素化工程で塩素ガスを使用）と組み合わせるこ合とで一貫したプロセスとなる。第６章で示した乾式分離計

高レベル廃液の乾式分離からのガラス固化体

TVFガラス固化体の標準化学組成＊1〜153.4
1.2＊2
0.6

15.010.0−−未定＊3未定＊3未定＊3未定＊3未定＊3未定＊346.7
14.3
5.0
3.0＊2
3.0
3.0
100.0

100.0

＊1 動燃技報No. 100、pp. 215-233（1996）＊2 核燃料サイクル開発機構のTVFガラス個化体にはガラス原料として 3.0重量％添加されている。
＊3 ガラス原料の添加割合はガラス組成の最適化検討を経て決定される。

プロセスフローシートの「使用済み塩処理」工程が上述の⑴の工程に相当する。
高レベル廃液の乾式分離プロセスから発生する全ての

７−２

人工鉱物固化技術

7-1で述べた使用済塩のガラス固化技術は、湿式法再３次元かご構造中に塩化物を安定に保持していることに処理のガラス固化体の処分に関する研究成果がそのまま着目し、ソーダライト型の人工鉱物にする技術（以下ソ利用できるという利点がある。しかし、塩素ガスなどのーダライト型固化と呼ぶ）の研究開発を進めている。以

化学的に活性な副生成物が発生するため、耐腐食性を考下に当研究所で実施しているソーダライト型固化に関すえた設備にしなければならないという欠点がある。

る技術開発の現状について述べる⑷〜⑹。

そこで、当研究所は、塩素ガスなどが発生しない固化法の研究開発にも着手した。塩素ガスが発生しない固化

7-2-1

ソーダライト型固化体の合成試験法として、アルゴンヌ国立研究所（ANL）では、使用済塩をゼオライトの中に取り込み、それを低融点のガラス

ソーダライトは、ネフェリンセン長岩などナトリウムで固めたガラス結合セラミックスの研究開発を行っていに富む深成岩中に産出し、その理想化学組成はNa6る。当研究所は、天然鉱物のソーダライト（sodalite）が（AlO[2）
6（SiO2）6]・2NaClで表され、図7-2-1に示すよう

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にアルミニウムとケイ素が酸素を共有して結合した３次試験片に含まれるソーダライトの量を粉末Ｘ線回折元のかご構造内にナトリウムイオンと塩素イオンが入っ（XRD）分析で調べるとともに、浸出試験で試験片の浸出た立方晶系の鉱物である。ソーダライト型固化体は、３率を測定することにより、耐浸出性に優れたソーダライ

次元かご構造内のナトリウムイオンが核分裂生成物のイト型固化体の合成条件の把握を行っている。これまでのオンで置き代わったものである。

合成試験の結果から、ソーダライトの量が多く、かつ耐ソーダライトの合成法として種々の方法が研究されて浸出性の低下をもたらすネフェリンと呼ばれる鉱物の量いるが、当研究所では、が 少 な い 最 適 な 合 成 条 件（ 加 熱 温 度 と 加 熱 時 間 ）は 、⑴

水を使用しない乾式の合成法であること850℃で約８時間であるとの見通しを得ている。廃棄物⑵

合成時にガスや水などの二次廃棄物が発生しないこ

固化体の性能評価で最も重要なものの一つである耐浸出と性については、短時間浸出試験の結果の一例を、ガラスの２つを条件に合成法の調査・検討を行い、アルミン酸固化体および米国ANLで研究開発中のゼオライトの浸出ナトリウム（NaAlO2）、二酸化ケイ酸（SiO2）、および使率データ⑺と比較して図7-2-2に示す。この図から、ソー用済塩の混合物を900℃程度までの高温にして合成する

ダライト型固化体はゼオライトや湿式法再処理のガラス方法を選定した⑷。下記に合成反応の化学式を示す。

固化体と同等以上の耐浸出性を持つという見通しを得た。

6NaAlO2 + 6SiO2+ 2 MCln

7-2-2

ソーダライト型固化体開発の今後の課題→Na6 [(AlO2)6 (SiO2)6 ]・2 MCln

ここで、MClnは使用済塩を表す。現在、所内研究としソーダライト型固化体開発の今後の課題としては、ネて実施している、模擬使用済塩を用いたソーダライト型

フェリンなどの不純物がほとんどなく、耐浸出性に優れ固化体試験片の合成試験の手順は、３種類の原料（アルミた固化体の合成条件の見極めがある。耐浸出性についてン酸ナトリウム、二酸化ケイ酸、および模擬使用済塩）をは、長期浸出試験による浸出メカニズムの同定と長期浸メノウ乳鉢で十分に粉砕、混合し、約300MPaの力をかけ出率の取得がある。また、ガラス固化体（直径約0.4m、てペレット状にした後、電気炉で900℃程度までの高温に長さ約1.3m）並みの大きな固化体の製造技術の開発も必してソーダライト化させる単純で簡単なものである。

要である。

加熱温度、加熱時間などをいろいろと変えて作製した浸出速度（g/m2/d）

0.30.20.1
ホウケイ酸ガラス
ゼオライト
0.0K

図7-2-1 ソーダライトの３次元かご構造

図7-2-2

ソーダーライト
SrSi

固化体の浸出速度の比較

電中研レビュー No.37● 63

７−３

金属廃棄物の固化技術

乾式再処理プロセスの電解槽の陽極溶解バスケット中に被覆管ハル、燃料成分のジルコニウム、および貴（金属としてより安定）な金属FP（ルテニウム、パラジウム、テクネチウムなど）が不溶解物として残る。
ANLでは、これらを溶解炉で溶かし、鋳型に流し込んで固め、金属廃棄物固化体にして処理・処分すること

軽水炉燃料の再処理ではジルカロイ被覆管ハルから供給される。
ANLではこれまでに数10g規模〜数kg規模の溶解炉を用いた試験片の作製、作製した試験片の金属学的研究、腐食試験、強度試験などを実施している⑻⑼。
金属廃棄物の固化体開発に関する今後の課題として、を考えている。金属廃棄物固化体の組成はステンレス鋼処分概念の検討があげられる。金属廃棄物固化体の特徴とジルコニウムの合金に貴な金属FPを最大で４%入れの一つとして、放射能強度が50年程度で３桁程度低下すたものが検討されている。ステンレス鋼は被覆管ハルやることがあげられており⑻、金属廃棄物固化体の処分方

使用済みの集合体部材などから供給し、ジルコニウムは策として、例えば、一時貯蔵してから処分する方法など

FBR金属燃料の再処理では燃料成分の不溶解物から、が考えられる。

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