廃炉・汚染水対策事業費補助金（固体廃棄物の処理・処分に関する研究開発（先行的処理手法及び分析手法に関する研究開発））

In-Can ガラス固化技術の適用性評価
2018年度 成果報告㈱ Orano ATOX D&D SOLUTIONS(ANADEC)目次
1. バックグラウンド
2. 2018年度プロジェクトの目標とマイルストーン
3. プロジェクトの概要
4. スケジュール5. 実施体制
6. 実施内容
STEP 1. シナリオ検討
STEP 2. ベンチスケール試験
STEP 3. パイロットスケール試験
STEP 4. 福島第一への適用性評価

7. 結論
8. さらに必要な研究
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1. バックグラウンド(1/5)
福島第一の水処理二次廃棄物の現状処理方法の違いによる、特性の異なる多種多様な水処理二次廃棄物が福島第一構内に保管されている。
• ゼオライト• 珪チタン酸塩• ALPSスラリー• Actifloスラッジ• 他
以下の項目を達成可能な処理が必要である
•
•
•
•
•
•
•

減容
放射性核種の封じ込め
処理後の放射線分解リスクがない
液体および固体の供給が可能
スラッジ処理の温度制御が容易
適切な処理能力…他

上記の項目を達成するためには、脱炭酸、脱水、高密度化が必要となる→ ガラス固化は処理方法として適している
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1. バックグラウンド (2/5)
フランスのガラス固化技術開発の歴史

2010
In-Can Melter pilot starts 2008

2004

2001

AVM、 CCIM、In-Can Melter等、様々なタイプのガラス固化システムが試験・開発されてきた。

1996
1992
1989

1980’s1978
1970’s1960’s

CCIM prototype to be implemented in
the R7 facility

In-Can Melter development starts 2005

La Hague

CCIM in R7

PEV+CCIM Industrial Platforms
CFA Platform Development

Mechanical Stirring

La Hague T7 Start-up

La Hague R7 Start-up

CCIM Initial Studies

UP1 AVM Start-up

Two-step Vitrification Process
La Hague

Hot-wall Metallic Induction Melter (PIVER)

Choice of Borosilicate Glass
1950’sMarcoule

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1. バックグラウンド (3/5)
In-Can Melter の開発と福島第一への適用性「In-Can Melter」については、2005年からCEAにより以下の開発が実施されてきた。
① アルファ廃棄物処理• In-Canガラス固化技術は、当初アルファ廃棄物処理のために開発された。
• その技術開発については、パイロット機（100kgガラス/CAN）を使用した20回に渡る一連の試
験（通常運転、感受性試験、過渡モード、劣化モード）を実施・完了しており、
非放射性模擬試料での検証は完了済みである。
• 2014：ガラス固化体の耐久性データ(ガラス固化体の浸出速度、微細構造の観察結果等)をANDRAに提供• 2016：フランス原子力安全規制当局（ASN）に対する技術審査文書の作成完了• 2018：工業化（産業応用、建屋建設等）に向けたプロセスデータブックの作成② D&D廃棄物処理• セシウム含有率の高いD&D廃棄物について、In-Canガラス固化パイロット機を用いて検証を実施• 液体・固体、両方の廃棄物について、In-Canガラス固化試験を実証したがって、• In-Canガラス固化技術は、短期間で福島第一に適用できる解決策である。
• 基本的なIn-Canガラス固化技術のプロセス開発は終了しているが、（廃棄物組成・添加物の明確化、稼動条件の明確化、ユニットの産業化など）福島第一特有のニーズに適合させる必要がある。
• 本事業により、福島第一への適用性についてパイロットスケールでの試験で確認する。
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1. バックグラウンド (4/5)
In-Can Melter の優位性 (1/2)••

安定したガラスマトリックスを形成するために、廃棄物容器（CAN）自体を、廃棄物とガラス添加剤を溶融させる容器（CAN: Melting pot）として、直接使用している。
CANは各バッチ毎に新しいものを使用⇒

放射性廃棄物に対しロバストで用途の広い解決策である。
 バッチ処理であり、各バッチで新しいCANを使用→ 設備を大幅に簡略化→

CANの腐食の問題は限定的

 溶融したガラスをキャニスタに流し込む必要がない→ サイトでの制約に対しより柔軟性の高いシステム

CAN(Melting pot)

 溶融ガラスと直接接触する設備がない→ アクティブ条件下の運転や保守が容易→ 二次廃棄物が非常に少ない

 CANを抵抗加熱炉により簡単に加熱出来る→ 加熱プロセスは独立しており、廃棄物・ガラス組成の影響を全く受けない→ シンプルで安価な加熱システムであり、維持・運転・温度制御が容易である （1日での温度昇降など）熱サイクルの制御が容易である→ 運転プロセスはかなり大きな柔軟性を示している

 コンパクトな設備→ 設備投資が少なく、 現場での処理が可能(廃棄物の発生現場に装置を設置し処理が可能)
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1. バックグラウンド (5/5)
In-Can Melter の優位性（オフガス処理系）(2/2)•

In-Canガラス固化技術のオフガス処理系は、Oranoラ･アーグ再処理工場で実用化された高レベル放射性廃棄物のガラス固化プロセスに適用されている、コンパクトな
湿式のオフガス処理系と同等の処理系で構成されている。
 ダストスクラバー、コンデンサー、ガススクラバーで構成されている。
 ダストスクラバーの廃液は、加熱プロセス内へリサイクルされる。
➢ 溶融中に揮発し、ダストスクラバーで捕集されたCsもリサイクルされる。質量バ
ランス上、コンデンサー以降のCs量の減少につながる。

Gas Scrubber

IN-CAN MELTER

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2. 2018年度プロジェクトの目標とマイルストーン(1/1)
目標: 最も関連性の高い福島第一の廃棄物へのIn-Canガラス固化技術の適用性を評価する。特に、
1. 最大量の廃棄物の処理
2.

最大限の廃棄物の減容

3.

主要放射性核種の長期安定化

重要なマイルストーンは：- できるだけ多くの廃棄物を処理し、Cs、Srを固定化するためのガラス組成の最適化-

工学的パラメータの最適化（温度、時間、他）（設備、プロセスライン数、ガス処理、メンテナンス、CANの管理など）
福島第一への現場適用のために必要な設計検討の実施
福島第一への現場適用に際し、必要な今後の試験内容を提言

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3. プロジェクトの概要 (1/2)
確認試験

検討評価

シナリオ検討(ラボスケール試験)

試験結果

ベンチスケール試験

エンジニアリングパイロットスケール試験

放射線防護

主たる目標を達成するため、プロジェクトは以下二分野に分かれている:
1. 確認試験
2. 検討評価
確認試験でのガラス固化試験は以下三段階のスケールアップで実施された:
1. シナリオ検討(ラボスケール試験) (ガラス約100g)

福島第一の廃棄物へのIn-Can ガラス
固化技術の適用性評価

2. ベンチスケール試験(ガラス約1kg)

3. パイロットスケール試験(ガラス約100kg)

検討評価は、ベンチスケールとパイロットスケール試験の結果に基づき、プロジェクトの全期間を通して実施した。確認試験および検討評価の結果に基づき、福島第一の廃棄物へのIn-Canガラス固化技術の適用性を評価する。

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3. プロジェクトの概要 (2/2)
2018/04

2018/05

2018/06

2018/072018/082018/092018/10

2018/112018/122019/01

2019/02

2019/03

STEP 1 シナリオ検討:
a- 基本データの統合
b- シナリオ検討*およびマトリックスの調合
c- ラボスケール試験*本プロジェクトでは、シナリオとは「数種類の廃棄物をある比率で組み合
わせ、ある条件で処理をすること」を示す。

STEP 2 ベンチスケール試験:
a- 基準シナリオのベンチスケール試験
b- 他のシナリオのベンチスケール試験

STEP 3 パイロットスケール試験:
a- パイロットスケール試験用の材料の供給
b- 基準シナリオのパイロットスケール試験
c- パイロットスケール試験のサンプル分析

STEP 4 福島第一への適用性評価:
a- 適用性評価
b- プレゼンテーション
c- 成果とりまとめ

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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4. スケジュール (1/1)
2018年度
18/04 18/05 18/06 18/07 18/08 18/09 18/10 18/11 18/12 19/01 19/02 19/03
STEP 1：シナリオ検討
a- 基本データの統合
ANADEC: C, CEA: C, Orano: Lb- シナリオ検討およびマトリックスの調合
ANADEC: C, CEA: L, Orano: C

c- ラボスケール試験
ANADEC: C, CEA: L, Orano: C

STEP 2：ベンチスケール試験
a- 基準シナリオのベンチスケール試験
ANADEC: C, CEA: L, Orano: C

b- 他のシナリオのベンチスケール試験
ANADEC: C, CEA: L, Orano: C

STEP 3：パイロットスケール試験
a- パイロットスケール試験用の材料の供給
ANADEC: C, CEA: L, Orano: C

b- 基準シナリオのパイロットスケール試験
ANADEC: C, CEA: L, Orano: C

c- パイロットスケール試験のサンプル分析
ANADEC: C, CEA: L, Orano: C

STEP 4：福島第一への適用性評価
a- 適用性評価
ANADEC: C, CEA: C, Orano: Lb- プレゼンテーション
ANADEC: L, CEA: C, Orano: C

c- 成果とりまとめANADEC: L, CEA: C, Orano: C

L: Leader
C: Contributer

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5. 実施体制 (1/1)

Orano ATOX D&D Solutions Co., Ltd.
Project director

プ ロ ジ ェ ク ト は ANADEC に よ り 管 理 さ れ 、各外注先は主として以下の項目を実施する：- CEA ：STEP 1b, 1c, 2a, 2b, 3a, 3b, 3c- Orano ：STEP 1a, 4a
ANADEC は以下の役割を担う：- 全ての外注先へ必要な情報を適宜提供する。
-

関係機関からの要求を適切にプロジェクトに反映する。

-

全ての文書のレビューおよび検証後、仕様に従い期限内に提出する。

PM team

Technical
team

Project
Management

Technical
review andreporting

Subcontractor 1
Orano cycle

Subcontractor 2
CEA

Paper study

Confirmation tests

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6. 実施内容

STEP 1. シナリオ検討(1/6): 基本データの統合
1.

福島第一の廃棄物を幅広く本プロジェクトでカバーできるよう、STEP
1では福島第一の廃棄物について様々なデータを収集した。
• 体積• 化学組成
• 放射能
• 含水率
• 密度
• 保管方法• 他

2.

福島第一の廃棄物データの収集後、プロジェクトのインプットデータ
としてすべてのデータを統合した。

3.

インプットデータの中から、本プロジェクトで検討対象とする廃棄物を選択した。
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6. 実施内容
STEP 1. シナリオ検討 (2/6): シナリオ検討用に大部分の廃棄物を選択
廃棄物の選択基準:
量的に可能な限り多くの廃棄物を取り扱うことを目的に廃棄物を選択
2017年7月の時点で、8000m3程度の水処理二次廃棄物が発生している。
廃棄物の選択にあたり、体積・乾燥重量・放射能を考慮した。選択した廃棄物は以下のとおり。
• ゼオライト• ALPS炭酸塩スラリー• ALPS鉄共沈スラリー• 珪チタン酸塩• 砂
これらの廃棄物は福島第一の廃棄物の乾燥重量の80%程度、体積の90%程度、放射能の99%程度を占めていると考えられる。
選択したこれらの廃棄物から、- ラボスケール、ベンチスケール試験用に4シナリオを選定- 4シナリオから、パイロットスケール試験用に1シナリオ(基準シナリオ)を選定
シナリオとは「数種類の廃棄物をある比率で組み合わせ、ある条件で処理をすること」を示す。

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 1. シナリオ検討 (3/6): シナリオ一覧表
シナリオB
基準シナリオ
選定プロセスで除外されなかっ選定プロセスで除外されなかった
た全ての固体の廃棄物と乾燥ス
全ての固体の廃棄物とスラッジ
ラッジ
ゼオライト、珪チタン酸塩、ALPS ゼオラ イト 、珪 チタ ン酸 塩 、スラリー（炭酸塩および鉄共沈）、 ALPSスラリー（炭酸塩および砂
鉄共沈）、砂- 固体の吸着剤
固体のみ- 液体状態のスラッジ
前処理なしで処理可能。スラッジ
を事前濃縮することにより処理速 スラッジの乾燥/脱水度の向上が可能。
- ラボスケール**- ラボスケール**- ベンチスケール**- ベンチスケール**- パイロットスケール**- CsとSrを添加- CsとSrを添加
シナリオA

概要

構成

供給廃棄物の種類
実運用時に必要な前処理*

試験

シナリオC

シナリオD

Csを豊富に含む廃棄物

Csをほとんど含まず、Srを豊富に含む廃棄物

ゼオライト、珪チタン酸塩、砂珪チタン酸塩、ALPSスラリー（炭酸塩および鉄共沈）- 固体の吸着剤- 液体状態のスラッジ
前処理なしで処理可能。スラッジを事前濃縮することにより処理速度の向上が可能。

固体のみ
不要- ラボスケール**- ベンチスケール**- Csを添加- ラボスケール**- ベンチスケール**- Srを添加• 選定した全廃棄物を混合する(固体・液体の両方)• スラッジを濃縮する可能性あり• 作製されるガラスの組成は1種類のみとなる• 選定した全廃棄物を混合する(固体)• スラッジの乾燥/脱水処理• 作製されるガラスの組成は1種類のみとなる• Csを豊富に含む廃棄物のみ• シナリオDとの組合せを考慮すると、作製されるガラスの組成はシナリオCとシナリオ
Dでそれぞれ1種類ずつ、合計2種類となる• Csをほとんど、あるいは全く含まない廃棄物のみ• スラッジを濃縮する可能性あり• シナリオＣとの組合せを考慮すると、作製されるガラスの組成はシナリオCとシナリオDでそれぞれ1種類ずつ、合計2種類となる

メリット• 最終的に作製されるCAN数は最小となる• 固体のみを取り扱うため、より高い処理能力を有する• CAN数はシナリオAと同じく最小となる• 固体のみを取り扱うため、高い処理能力• シナリオCとの組合せを考慮
すると、高放射線環境で扱う廃棄物が限定される（体積割
合で20%程度）• 低放射線環境で処理可能（体積割合で80%程度）デメリット• 固体・液体の両方を扱うため、処理能力は限定される• 全ての廃棄物を高放射線環境で扱う• 全ての廃棄物を高放射線環境で扱う• シナリオDとの組合せを考慮
すると、最終的なCAN数は増加する• シナリオＣとの組合せを考慮すると、最終的なCAN数は増加する• 固体・液体の両方を扱うため、処理能力は限定される

特徴* 本年度の試験では前処理未実施** ラボスケール : ガラス100g程度、ベンチスケール : ガラス1kg程度、パイロットスケール : ガラス100kg程度

In-Can ガラス固化技術の適用性評価
シナリオAまたはB、シナリオCとDの組合せにより選択した1F廃棄物の全てを処理可能-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 1. シナリオ検討 (4/6): ラボスケール試験• ガラス組成計算を検証するために、ガラス固化体を、ガラス添加剤と模擬廃棄物（固形物は実際の化合物、スラッジ成分は試薬で代用）の混合物を熱処理し、ラボスケールで生成した• 試験ごとに約100gのガラス固化体が生成される

Ext height 10 cm

Ext diam 7 cm

ガラス添加剤1

ガラス添加剤3

ガラス添加剤2

Alumina crucible

模擬廃棄物は全て事前投入される。

••

溶融温度: 1100 ℃
溶融時間: 数時間程度

ゼオライト

珪チタン酸塩砂

スラッジ模擬廃棄物(試薬の混合)In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

p. 16

6. 実施内容
STEP 1. シナリオ検討 (5/6): ラボスケール試験の分析と比較
シナリオA/B(全廃棄物の混合)

シナリオ C(Csを豊富に含む廃棄物)

シナリオ D(Srを豊富に含む廃棄物)Top
MiddleBottomHomogeneousglass

Major phase: glass phasewith variable composition
Major phase:
Homogeneous glass

Some crystals observed

Some crystals observed
Crystals
observed
Crystals
observed

SEM imageSEM image

Crystals observed

SEM imageSEM image & EDX analysis• 固く高密度なガラス固化体が得られた• 廃棄物はガラス内に問題なく取り込まれ、巨視的に均質的な相が確認された。
• 結晶の生成は珪チタン酸塩中のTi, Zr, Nb (全シナリオ)およびALPSスラリー中のMg, Ca(シナリオA, B, D)による。
• シナリオAとBにおいては、 Actifloスラッジを用いたラボスケール試験にて、Actifloを含めた場合でもガラス固化
In-Can ガラス固化技術の適用性評価が可能であることも確認された。
p. 17-2018年度 成果報告-

6. 実施内容
STEP 1. シナリオ検討 (6/6): まとめと結論•

インプットデータに基づき、検討対象とする廃棄物を選択し、試験用の4シナリオを選定した。各シナリオでガラス固化の実現性の確認と廃棄物充填率の決定のためラボスケー
ル試験を実施した。

•

全シナリオにおいて、適切なガラスが作製できることが判明した。

•

シナリオAとBにおいては、 Actifloスラッジを用いたラボス
ケール試験にて、Actifloを含めた場合でもガラス固化が可能であることも確認された。

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

p. 18

6. 実施内容
STEP 2. ベンチスケール試験 (1/7): 目的と概要
目的:• パイロットスケール試験の実施前に、小規模での廃棄物により、溶融時の挙動を把握する。
• 溶融ガラス上での廃棄物の溶融性を評価する• ラボスケール試験でのガラス固化体作製結果の検証• 運転温度を確認する• 化学物質（特にCs）の揮発性を評
価する
Int diam 9 or 10 cm

シナリオ A

シナリオ B

全ての固体の廃棄 全ての固体の廃棄物とALPSスラリー 物とALPSスラリーの混合の混合• 固体: Cs添加ゼ • 固体: Cs添加ゼ
オライト, 珪チ
オライト, 珪チ
タン酸塩, 砂タン酸塩, 砂• スラリー(含水率 • 乾燥/脱水スラ50%): ALPS炭酸
リー: ALPS炭酸
塩スラリー、
塩スラリー、
ALPS鉄共沈スラ
ALPS鉄共沈スラリー
リー• ガラス添加剤• ガラス添加剤

シナリオ C

シナリオ D

Csを豊富に含む廃棄物の混合• 固体: Cs添加ゼ
オライト, 珪チ
タン酸塩, 砂• ガラス添加剤

Srを豊富に含む廃棄物の混合• 固体: 珪チタン
酸塩
• 乾燥スラリー:
ALPS炭酸塩スラ
リー、ALPS鉄共沈スラリー• ガラス添加剤

溶液中でのゼオライトへのCs添加15 cm~ 1kg glass

Inconel crucible

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

p. 19

6. 実施内容
STEP 2. ベンチスケール試験 (2/7): 試験装置
DS recirculation loop

Columnwith trays
Gas from
melterDS automatical water feedingboilerDust scrubber (DS)

Condenser

ベンチスケール試験装置*
Waste solid inlet• 供給装置• 溶融装置(抵抗加熱)• オフガス処理装置(ダストスクラ
バーとコンデンサー)
Gas extraction pipe

Oven window tap point* シナリオDは異なる試験装置で実施

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

p. 20

6. 実施内容
STEP 2. ベンチスケール試験 (3/7): 廃棄物投入量と温度推移

代表的な温度と廃棄物供給の条件• 加熱前に一定量の模擬廃棄物を事前投入する• 設定温度まで昇温する• 設定温度に達し、事前投入した廃棄物の溶融後、徐々に廃棄物を供給(追加投入)していく。
• 試験中、ダストスクラバーとコンデンサーから廃液をサンプリングする(シナリオDを除く。シナリオDではオフガス処理装置のない装置で試験を実施した。)• 廃棄物の供給が終了した後は、• 温度を維持• その後、加熱停止• CANは炉内で自然冷却

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p. 21

6. 実施内容
STEP 2. ベンチスケール試験 (4/7): ガラス質量と揮発率• シナリオA~Dにおいてベンチスケール試験を実施した• 各シナリオにおいて、約1400g程度のモノリシックで高密度なガラス固化体を作製した。
揮発率の計算方法
ダストスクラバーとコンデンサーで回収された各重量
ダストスクラバー前： 揮発率 =
溶融炉への𝐂𝐬または𝐒𝐫の供給量
ダストスクラバー後： 揮発率 =コンデンサーで回収された各重量
溶融炉への𝐂𝐬または𝐒𝐫の供給量

オフガス廃液から検出された元素
シナリオ A
揮発率(wt %)Cs
Sr

ダストスクラ ダストスクラ
バー前
バー後
0.5～1 %
< 0.05%0.25～0.5 %< 0.05%

シナリオ B
ダストスクラバー前

ダストスクラバー後

1～1.5 %
< 0.05%0.25～0.5 %< 0.05%

シナリオ C
ダストスクラ ダストスクラ
バー前
バー後
1～1.5 %-

0.25～0.5 %-• オフガス廃液をダストスクラバーとコンデンサーからサンプリングし、ICP-MSにて分析。
• シナリオDではオフガス処理装置のない試験装置を用いたため、オフガス廃液のサンプリングを実施していない。

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p. 22

6. 実施内容
STEP 2. ベンチスケール試験 (5/7): 巨視的観察
CANを切断後、目視観察を実施
シナリオA

シナリオB
• 固く高密度なガラス固化体が得られた• ガラス中に廃棄物は問
題なく取り込まれた

シナリオC

シナリオD

• シナリオAとDのガラス
上部にシュリンクボイ
ド(固化体内の空隙部)が発生※一部切断時の跡が付いてしまっているガラスあり※ガラスを安全に切断するため、全シナリオでガラス固化プロセス後にポリマーをCAN上部に充填している(点線
囲部)

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p. 23

6. 実施内容
STEP 2. ベンチスケール試験 (6/7): 微視的観察
各ガラス3点ずつSEM/EDX分析を実施

シナリオA

シナリオB

シナリオC

シナリオD

Top

Top

MiddleMiddleBottom

Bottom• シナリオA,C,Dにおいて、ガ
ラスマトリックス全体に結晶が分散。シナリオBにおいては、主にCANの上部と底部に結晶が生成。
• ラボスケール試験と同様の結晶相が生成された。
• 結晶の生成は珪チタン酸塩
中のTi, Zr, Nb (全シナリオ)およ び ALPS ス ラ リ ー 中 の Mg,
Ca(シナリオA, B, D)による。

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6. 実施内容
STEP 2. ベンチスケール試験 (7/7): まとめと結論• シナリオA~Dにおいてベンチスケール試験を実施した• 各シナリオにおいて、1kgを超えるモノリシックで高密度なガラス固化体を作製した。
• シナリオA,B,CにおいてCsの揮発率を測定し、0.5wt%未満という値を得た。

• SEM/EDX分析で結晶中にCsは検出されなかった。生成された結晶は不溶性であることや、In-Canプロセスにはガラス排出プロセス
がなく、加熱プロセスはCAN内物質の影響を受けないことから、
In-Canプロセスでは結晶はガラスの長期的耐久性、プロセスの実
施、いずれの観点でも問題とはならない。
• シュリンクボイドの生成はキャニスタ内で冷却されるガラス固化体として典型的な挙動であり、問題とはならない。
In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 3. パイロットスケール試験 (1/6): 目的と概要
目的: - ガラス固化プロセス中での各機能/性能の確認→CsとSrの挙動、揮発性、マスバランス、固体/液体供給、オフガス処理…
• シナリオBにおいて、100kg規模のガラス固化体を作製すること• 主要核種の揮発率を評価し、ベンチスケール試験と比較する• 追加材料供給は、供給した材料の溶融を観察しながら実施される• 作製されるガラス固化体のSEM分析を行い、ラボスケール試験およびベンチスケール試験と比較する=> 実験的アプローチの有効性の確認

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p. 26

6. 実施内容
STEP 3. パイロットスケール試験 (2/6): 試験装置
Gas extraction

三つのパーツから構成
1. 固体供給系

Gas scrubber

2. 溶融炉Dust scrubber
3. オフガス処理系(OGTS)

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 3. パイロットスケール試験 (3/6): ガラス質量と揮発率
切断前にコンク
リートを充填

溶融温度: 1100℃~35 cm~35 cm

102kgのガラスの作製に成功

CondenserとGas scrubberで回収した重量
揮発率 =CANに投入したCsまたはSrの供給量

核種
Cs
Sr

揮発率
ダストスクラバー後
0.25～0.38 %<0.1%

オフガス廃液をICP-MSにて分析
Gas scrubber
溶融炉

Dust scrubber

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容

24Middle500μm

zone 3

MiddleTop

3• 固く高密度なガラス固化体が得られた• ガラス中に廃棄物は問題なく取り込まれた• ガラス上部にシュリ
ンクボイド(固化体内の空隙部)が発生

Top

STEP 3. パイロットスケール試験 (4/6): 巨視的/微視的観察

500μm

Bottom• ガラスマトリックス全体に結晶が分散。
• ベンチスケール試験と同様の結晶相が生成された。
• 結晶の生成は珪チタン酸塩中のTi, Zr, Nb (全シナリオ)およびALPSスラリー中のMg, Ca(シナリオA, B, D)による。

500μm

zone 4

Bottom1

zone 2500μm

SEM imagezone 1

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p. 29

6. 実施内容
STEP 3. パイロットスケール試験 (5/6): まとめと結論• シナリオBでのパイロットスケール試験を実施した• 100kgを超えるモノリシックで高密度なガラス固化体を作製した。
• 模擬廃棄物はガラス固化体中に問題なく取り込まれた• Csの揮発率を測定し、最大で0.38%という値を得た。
• SEM/EDX分析で結晶中にCsは検出されなかった。生成された結晶は不溶性であることや、In-Canプロセスにはガラス排出プロセス
がなく、加熱プロセスはCAN内物質の影響を受けないことから、
In-Canプロセスでは結晶はガラスの長期的耐久性、プロセスの実
施、いずれの観点でも問題とはならない。
• シュリンクボイドの生成はキャニスタ内で冷却されるガラス固化体として典型的な挙動であり、問題とはならない。

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

p. 30

6. 実施内容
STEP 3. パイロットスケール試験 (6/6): 実験的手法の結論
パイロットスケール
In-Canプロセスのロバスト性を確認する実績のあるスケールアップ手法# 100 kg
ベンチスケール

ラボスケール# 1kg# 100 g

模擬廃棄物の事前投入 – オフガス処理なし→ 作製される物質の確認

模擬廃棄物の事前投入および追加投入 – オフガス分析→ 物質の確認 / 核種の揮発率の確認

ベンチスケールとパイロットスケールの両方で、固く高密度であり結晶相等の微視的構造も同等のガラスの作製が可能であることを確認→ガラス作製という点で、ベンチスケール試験は十分な代表性と有効性を有している→本スケールアップ手法のIn-Canプロセスへの適用は適切である
In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

p. 31

6. 実施内容
STEP 4. 福島第一への適用性評価 (1/16): 目的と概要

In-Canガラス固化の適用性評価のため、STEP1-3に基づき様々なアプローチを開発・検討する。研究項目は以下のとおり。
‒
‒
‒
‒
‒

アプローチの比較
In-Canガラス固化の福島第一への実施検討
CANの材質の検討
廃棄物の最終処分の考え方
選択しなかった廃棄物の処理方法

適用性評価のための仮定は以下のとおり• 110 L ガラス/CAN、共通キャニスタであるCSDキャニスタを参考に
仮定

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (2/16): 考えられる2種類のアプローチ• ALL MIX: 選択した廃棄物を全部混ぜる方法→ MIX1: CsとSrを両方含む廃棄物• ゼオライト, 珪チタン酸塩, 砂• ALPS炭酸塩スラリー + ALPS鉄共沈スラリー

選択した廃棄物一覧
•
ゼオライト•
ALPS炭酸塩スラリー•
ALPS鉄共沈スラリー•
珪チタン酸塩•砂• STREAM SEPARATION: 選択した廃棄物を2種類に分別して処理する方法→ MIX 2.1: Csを豊富に含む廃棄物• ゼオライト, 珪チタン酸塩,砂→ MIX 2.2: Srを豊富に含む(Csをほとんど含まない)廃棄物• Sr のみを含む珪チタン酸塩• ALPS炭酸塩スラリー + ALPS鉄共沈スラリー• In-Canプロセスは液体・固体両方の処理が可能なことから、 ALPSス
ラリーについては、2種類の供給方法を検討した。
➢OPTION 1: 脱水されたスラリーを固体で供給➢OPTION 2: 濃縮されたスラリーを液体で供給
In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (3/16): アプローチの比較(1/2)

各アプローチのCANの本数と放射能を評価した
CAN本数

アプローチ名ALL MIXSTREAM SEPARATIONMIX 2.1
MIX 2.2
MIX 1
CsとSrを両方含む廃 Csを豊富に含 Srを豊富に含処理対象廃棄物
棄物
む廃棄物
む廃棄物
3664
3773
CAN本数
5683
7437
減容率* (%)~ 9%~11%*減容率 = (処理後の廃棄物体積) / (処理前の廃棄物体積)

STREAM SEPARATIONの場合、CANの総本数がALL MIXと比べ31%増加

CANの放射能STREAM SEPARATIONの場合、CANの半数は非常に低いCs放射能しか持たず、崩壊熱も低い。これは、最終処分までのより簡素でより経済的な管理を可能とする。

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (4/16): アプローチの比較(2/2)

選択した福島第一の廃棄物を処理するのに必要な溶融炉数を評価した
液体供給(OPTION 2)は固体供給に比べて必要な炉数が多くなる。
(液体の蒸発に多くのエネルギーが必要であるため）固体供給(OPTION 1)の場合は、ALL MIX、STREAM SEPARATIONの両方で必要な炉数は同じ→ 固体供給(OPTION 1)について、設置レイアウトを検討

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (5/16): In-Canガラス固化の福島第一への実施検討 (1/5)
ALL MIX : OPTION 1

STREAM SEPARATION: OPTION 1

MIX1

MIX2.1, MIX2.2でそれぞれ異なるガラス固化のコンセプトおよび廃棄物パッケージ• ガラス固化のコンセプトは1つ• 最終的な廃棄物パッケージは1
種類のみ• 主要プロセスはホットセル内での実施• マニピュレーターによる遠隔メ
ンテナンスの設備をモジュールで設置
溶融炉4系統、ホットセ
ル2基からなる施設が1
つ*

Cs: MIX2.1

Sr: MIX2.2• ALL MIXと同様に主要プロセスはホットセル
内で実施• マニピュレーターによる遠隔メンテナンスの設備をモジュールで設
置• MIX1, MIX2.1よりシン
プルな遮へい付き建屋• 線源除去後、人手でメンテナンス

溶融炉2系統、ホットセ
ル1基からなる施設が1
つ*

溶融炉2系統、遮へい付
き作業部屋が2部屋設置されている施設が1つ**運転期間を10年間と仮定
In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (6/16): In-Canガラス固化の福島第一への実施検討 (2/5)
VITRIFICATION MODULE MAIN FUNCTIONS DIAGRAMFROMWASTE & ADDITIVESPREPARATION AND
DOSINGTO FINAL OFF-GAS
TREATMENT AND
RELEASESOLID
FEEDINGAND/
OR

LIQUIDSLUDGEFEEDINGWASTE & ADDITIVESFEEDING
INTO THE CANEMPTY CANHANDLINGFROM
EMPTY CANSTORAGEPRE LOADINGWASTE &ADDITIVES
INTO THEEMPTY CAN

CAN LOADING
INTO FURNACE
AND TIGHT
CONNECTION

IN-CANVITRIFICATIONOFFGAS
SPECIESCAPTATION
AND RECYCLINGCANDECONNECTION
AND UNLOADINGFROM FURNACEGLASS CANLOADING INTO
PACKAGEGLASSCANCOOLINGCAN HEATINGGLASS ELABORATIONGLASS COOLING

TO PACKAGE
CLOSING CONTROLAND HANDLINGIn-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

p. 37

6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (7/16): In-Canガラス固化の福島第一への実施検討 (3/5)

ガラス固化設備のコアモジュールについてのレイアウト検討• ALL MIX、STREAM SEPARATIONの両アプローチで同様の設備となる• 放射線防護についての特徴が、Csを豊富に含む廃棄物かSrを豊富に含む廃棄物
Limit of study
かで異なる。

ADJUSTEDSOLID WASTEDOSING AND
TRANSFERVITRIFICATION FURNACES 1 & 2

2

DUST SCRUBBING
ADJUSTEDSOLID WASTEDOSING &TRANSFERFEEDING
INTO THE
CAN

x2

x2

CONDENSING

x2

OFF-GASEXTRACTION

x2

6

CAN
TIGHT CONNECTION/DISCONNECTION

1Z3VITRIFIED CANEVACUATION

Z2

x1
SOLID WASTE PRELOADING INTO CANCAN WEIGHING

x1
PRE-LOADED CANINTRODUCTION
INTO FURNACE

x2

x1

HEATING - GLASSELABORATION THEN COOLING
INTO FURNACEVITRIFIED CANWEIGHING NATURAL COOLING

Z1

予備的な設備レイアウトの研究を両アプローチで実施

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (8/16): CANの材質の検討(1/2)

背景:
CEAは、これまでの腐食性の高い廃棄物のガラス固化の経験から、インコネル製容器を選択した。

福島第一での必要性:••••

ガラス固化体作製中および最終パッケージ化するまでの冷却中のガラス閉じ込め
加熱プロセスへの材料の適合性
最終パッケージと配置、形状等が適合すること
冷却後、最終パッケージ化までのCANの操作性・取り扱い

見解:➔ インコネルは高価であり、福島第一の廃棄物について必ずしも必要なものではない➔ 福島第一では大量のCANが必要となる➔ 低コストな代替案の評価は興味深い
In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (9/16): CANの材質の検討(2/2)

コスト軽減のため2つの見解• ニクロム合金 (インコネル):- In-Can ガラス固化についての実現性はすでにフランスで実証されている。
- 主な欠点はそのコストである。
• ➔ 見解: CANの厚さを薄くし、腐食性の廃棄物のみに利用する• 代替材料:- 可能性のある代替材料を特定: 耐熱ステンレス鋼(253 MA, 309S, 310…)- これらの材質の主な利点は、低コストであることである。
- クリープ耐性や高温条件下での耐熱ステンレス鋼の耐性が課題• ➔ 見解: 実際の材料を用いたクリープ/腐食試験にて確認

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (10/16): 廃棄物の最終処分の考え方 (1/3)
STREAM SEPARATION

ALL MIX
廃棄物パッケージは1種類のみ

MIX2.1, MIX2.2でそれぞれ異なるガラス固化のコンセプトおよび廃棄物パッケージ

MIX1

Cs: MIX2.1

Sr: MIX2.2

Cs+Sr パッケージ

Cs パッケージ

Sr パッケージ• パッケージは特定のキャスクで貯蔵・移送• 廃棄物パッケージの例：
ガラス固化体が充填されたCAN1個を内包する共通キャニスタ(CSD
キャニスタ)1個• 共通キャニスタは日本ですでに認証済み• パッケージは特定のキャ • ガ ラ ス 固 化 体 が 充 填
スクで貯蔵・移送されたCANを複数個貯蔵した、遮へい付き• 廃棄物パッケージの例：
ガラス固化体が充填され 廃棄物パッケージ
たCAN1個を内包する共通 • 廃 棄 物 パ ッ ケ ー ジ のキャニスタ(CSDキャニス 例: 大型の5m3のCBF-K
タ)1個
タイプコンテナ

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

p. 41

6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (11/16): 廃棄物の最終処分の考え方 (2/3)
STREAM SEPARATION

ALL MIX
廃棄物パッケージは1種類のみ

MIX1
Cs+Sr パッケージ
例: ガラス固化体が充填された
CAN1 個 を 共 通 キ ャ ニ ス タ でオーバーパック

MIX2.1, MIX2.2でそれぞれ異なるガラス固化のコンセプトおよび廃棄物パッケージ

Cs: MIX2.1

Sr: MIX2.2

Cs パッケージ
ALL MIXと同様

Sr パッケージ例: 大型の5m3 パッ
ケージ

CAN設置後、モルタ
ル等の充填剤で充填

経済的な観点から、最大9本のガラス固化体が充填されたCANを収納可能なコンクリートまたは金属製の5m3の大型オーバーパック案も、両アプローチにおいて考えられる。

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (12/16): 廃棄物の最終処分の考え方 (3/3)

浅地中処分の可能性について
STREAM SEPARATION

ALL MIX
Cs+Sr パッケージ
例: ガラス固化体が充填さ れ た CAN1 個 を 共 通
キャニスタでオーバーパック
100年間*の中間貯蔵を実施したとしても、浅地中処分基準に適合しない可
能性がある

2種類のガラスパッケージ
Cs パッケージ
ALL MIX と 同 様 、100年間*の中間貯蔵を実施したとしても、浅地中処分基準に適合しない可能性がある

Sr パッケージ例: 大型の5m3 パッケージ
60年程度*の中間貯蔵を実施した後、浅地中処分が可能となる可能性あり

ピット処分時の廃棄物の放射能濃度上限
核種
C-14
Co-60
Ni-63

濃度上限(ピット処分)
100 GBq/ton
1 PBq/ton
10 TBq/ton

Sr-90

10 TBq/ton

Tc-99

1 GBq/tonCs-137

100 TBq/ton

Alpha nuclide

10 GBq/ton*予備的な試算

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (13/16): 選択しなかった廃棄物の処理方法 (1/3)

選択しなかった廃棄物は検討した2種類のアプローチへの影響が考えられるため、予備的な分析を実施した。
•
•
•
•
•

Actifloスラッジ
蒸発濃縮スラリー
有機廃棄物(イオン交換樹脂)
活性炭
他のALPS吸着材

考えられる処理方法を予備的に研究した。

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (14/16): 選択しなかった廃棄物の処理方法 (2/3)
Actifloスラッジ• ラボスケール試験により以下2点を確認した。
➢ ALL MIXアプローチでは、Actifloスラッジはガラス内に全量取り込むことができる➢ STREAM SEPARATIONアプローチについては、さらなる研究が必要• 乾燥やセメント固化といったガラス固化以外の処理方法も提案可能である。

蒸発濃縮スラリー• ALPS炭酸塩スラリーと組成が類似しており、In-Canガラス固化で処理可能だと思われる。
• 海水成分由来の腐食性イオン(Cl-, SO42-)の影響は評価する必要がある。
• 乾燥やセメント固化といったガラス固化以外の処理方法も提案可能である。

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (15/16): 選択しなかった廃棄物の処理方法 (3/3)
有機廃棄物 (イオン交換樹脂)
2種類の熱処理方法が考えられる:• 現在のシナリオ中に少量混ぜ、ガラス溶融中に酸化させる方法• 専用の前処理ステップをIn-Canプロセスに追加した、専用の処理系統を設計する。
• また、Oranoのこれまでのセメント固化プロセスについてのR&Dやラアー
グ再処理施設でのセメント固化施設での経験等から、セメント固化等の他の処理方法も提案可能。
活性炭
さらなる研究を実施するべきである
他のALPS吸着材
他のALPS吸着材についても、詳細な組成が分かれば処理方法を提案
可能。
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6. 実施内容
STEP 4.福島第一への適用性評価 (16/16): まとめ• 2種類のアプローチを検討した: ALL MIXとSTREAM SEPARATION• 試験結果および福島第一の各種条件に基づき、2種類のアプローチについて下記の観点から福島第一への適用性評価を実施した‒ アプローチの比較✓ CANの本数、放射能、必要な溶融炉数を比較した‒ In-Canガラス固化の福島第一への実施検討✓ ガラス固化設備のレイアウトを検討した。
‒ CANの材質の検討✓ インコネルと耐熱ステンレス鋼の利用可能性について調査した。
‒ 廃棄物の最終処分の考え方✓ 最終処分に向けて考えられる廃棄物パッケージを検討した。
‒ 選択しなかった廃棄物の処理方法✓ ガラス固化以外の技術も含め、考えられる処理方法を提案した。
STEP4にて、In-Canガラス固化の福島第一への適用性を評価した
In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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7. 結論
目標: 最も関連性の高い福島第一の廃棄物へのIn-Canガラス固化技術の適用性を評価する。
1. 最大量の廃棄物の処理✓ 福島第一の廃棄物の乾燥質量・ 体積・放射能の大半を処理可能
2. 最大限の廃棄物の減容✓ 廃棄物の効果的な減容：処理前の廃棄物体積の約10%まで減容可能
3. 主要放射性核種の長期安定化✓ 全てのシナリオでモノリシックで高密度なガラス固化体が作成可能✓ 廃棄物はガラス中に問題なく取り込まれる✓ 低いCs揮発率：すべてのシナリオで0.5%未満を達成→すべての目標はうまく達成された

本プロジェクト全体を通じ, In-Canガラス固化技術の実規模適用の見通しを得た。
In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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8. さらに必要な研究
2018年度に実施されたR&Dの実現性を改善し統合する➢ ガラス固化体の感受性にかかる試験(ラボスケール+ベンチスケール試験)• 廃棄物組成や運転温度を変動させる➢ ガラス固化体の性能試験(浸出試験および機械的強度試験)➢ CAN材質の最適化(コスト低減)➢ パイロットスケール試験(100 kg/CAN)• ステンレス鋼を使用• 廃棄物組成を変動させる

最終処分までのコストとプロセスの改善、統合および最適化➢ R&D結果に基づく、設備投資や運転コストの最適化➢ 最終廃棄物管理の最適化

In-Can ガラス固化技術の適用性評価-2018年度 成果報告-

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