日本原子力学会水化学部会
第１５回研究会
平成２４年３月７日「キュリオンメディアによる汚染水処理について」（電中研） 小山正史、塚田毅志、土方孝敏、魚住浩一、
稲垣健太、宇留賀和義（東京電力） 石川敬司、小野昇一、鈴木俊一（KURION） M. Denton, J.Raymont, R.Keenan, G. Bonhomme

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1

【背景1】 高放射性汚染水の滞留と処理
汚染水の処理システム （6/17〜）
淡水化（逆浸透膜）（8/18〜） 第2吸着設備ｻﾘｰ

セシウム沈殿分離（凝集薬剤）
AREVA(仏)
セシウム吸着分離（ゼオライト）
KURION(米)循環注水
冷却（東京電力ホームページより）油分分離
1200㌧/日

炉心への注水（海水・水）

漏洩の懸念

放射性汚染水・高放射能：＞106 Bq/ml
・不純物：油、海水・大量：10万㌧
Copyright © 2011 CRIEPI⇒25万㌧（東京電力ホームページより）タービン建屋などのたまり水2

【背景2】 汚染水処理の現状
u 累計約１６万㌧処理（11/14時点）し、水位は目標値（3000mm） を維持し、豪雨や長期の水処理施設停止に対する漏出懸念が解消
u Cs吸着分離システムでは、約１１万㌧処理し、99.9%以上のCsを除去

Treated amount (ton)Water level(mm)4000

6/17 start operation

U3-T/B

3800
3600
3400
3200
3000

161,580 ton

160,000

140,000
8/18 2nd Cs adsorption
start operation

120,000
100,000

Total Treated Amount

80,00060,000U2-T/B

40,000Target level20,0000
8/1 8/16 8/31 9/15 9/30 10/15 10/30 11/15

2800
6/17 7/2

7/17

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累積処理量とタービン建屋内滞留水の水位

3２号機ﾀｰﾋﾞﾝ建屋地下たまり水の分析結果
平成23年3月26日採取
3月27日分析

核種 （半減期）
Co-56 （約77日）
Co-58 （約71日）
Co-60 （約5年）
Mo-99 （約66時間）
Tc-99m （約6時間）
Ru-106 （約370日）
Ag-108m （約418年）
Te-129 （約70日）
Te-129m （約34日）
Te-132 （約3日）
I-131 （約8日）
I-132 （約2時間）
I-134 （約53分）
Cs-134 （約2年）
Cs-136 （約13日）
Cs-137 （約30年）
Ba-140 （約13日）
La-140 （約2日）

濃度 （Bq/cc）
検出限界未満
検出限界未満
検出限界未満
検出限界未満
4.8×106
検出限界未満
検出限界未満
検出限界未満
検出限界未満
検出限界未満
1.3×107
検出限界未満
検出限界未満
2.2×106
2.5×105
2.2×106
4.9×105
1.8×105合計

出展：保安院ホームページ （平成23年3月28日)

1.9×107

Copyright © 2011 CRIEPI 「東京電力株式会社福島第一原子力発電所２号機タービン建屋地下階溜まり水の測定結果について」4

参考資料：水処理設備運転直前の滞留水の状況

出展：保安院ホームページ （平成23年6月3日)「東京電力株式会社福島第一原子力発電所における高濃度の放射性物質を含む水の保管・処理に関する計画の受領について」より

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5

【背景3】汚染水処理システム構築の課題
入口

ＴＭＩで行われた汚染水処理との違い
水組成： 塩、油含有（放射能濃度・組成は類似）
処理量： 25万㌧/年 （TMIは6千㌧/年）
設置環境： 構内既設建屋利用のため、・床耐荷重や使用クレーンなどに制限
・個別遮蔽（TMIは燃料ﾌﾟｰﾙ水遮蔽）
工 期： 梅雨までの３ヶ月弱（TMIは２年以上）

次のカラムへゼオライト

内外のメーカー
東芝

KURION

AREVA

日立他

ＴＭＩのゼオライト・カラム（塔）
汚染水

再処理・ゼオライトなどの専門家が協力
ＪＡＥＡ

電中研

他

・乾式再処理でゼオライトカラムの開発実績
・熱流動、遮蔽計算、ガラス固化など幅広い技術基盤
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複数カラムによる高効率化 ３6

汚染水処理における電中研の役割
技術

セシウム吸着分離工程（KURIONｾﾞｵﾗｲﾄｶﾗﾑ）の構築・運転に向けて、以下の研究を実施

設計

乾式再処理

（１） 各種ゼオライトの吸着性能（平衡データ）を測定し、実機のカラム構成選定を支援

適用（３） 実機ゼオライトカラムでの吸着挙動をシミュレートし、運転の安定化・最適化を支援（５） 吸着後ゼオライトの固化処理技術の検討（予備的評価）

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将来課題

ガラス固化

（４） 使用済ゼオライトカラム保管特性の評価（遮蔽、崩壊熱、放射線分解）

運転・運用

遮蔽・熱流動（２） 小型ゼオライトカラムで実機流速での吸着挙動（速度論データ）を確認し、シミュレーションコードを開発

7

１．各種ゼオライトの吸着性能評価
ゼオライト：ナトリウムーアルミノケイ酸（Na-Al-Si-O)など天然に豊富に存在する鉱物
選択的なガス吸着やイオン交換に一般利用（用途に応じた合成物も）例） モレキュラーシーブ（乾燥剤）、ネコ砂（脱臭剤）、土壌改良剤
NaNaNaCs
Cs＋Na
Cs

Na＋＋NaNaNaNa＋NaNa
Na

プロセス選定のため○多種のゼオライトの吸着性能を測定○特に、海水や油に対する影響も評価
国産天然ゼオライト
KURION社ゼオライト
TMI使用ゼオライト
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⇒２種類
⇒７種類
⇒２種類

国産天然KURIONTMI8測定した吸着性能と選定されたカラム構成

各種ゼオライトのCs吸着量(arb.unit)u 各種ゼオライトへのセシウムやヨウ素などの吸着性能を、模擬廃液にゼオライトを浸漬して測定⇒いずれも十分な吸着容量を有し、油分の影響は小さい⇒海水塩分（NaClなど）により吸着性能の低下が見られる
u 得られた吸着性能や表面線量評価などから、実機のカラム構成が確定し、発生する使用済ゼオライトカラム本数を評価
10010Ａゼオライト
ＢゼオライトＣゼオライトＡゼオライトＢゼオライトＣゼオライト

汚染水
淡水海水Cs吸着カラム①

淡水1 (塩分０％)
海水(塩分３％)0.10.01-3-2-1
1010101110210

汚染水中のCs濃度 (ppm)
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310410Cs
吸着カラム②
KURION-H

ヨウ素吸着カラム

Cs
吸
着カラ
ム
③

KURION-AGH

KURIONのカラム構成
9KURIONメディアＨ（Herschelite）の吸着等温線
KURION media for Cs absorption: H (Herschelite)

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２．小型ゼオライトカラムの実機流速での吸着挙動
uKURIONゼオライトで、実機と同様な構成を持つカラムのシステムを急遽構築し、模擬廃液を用いた連続試験を実施

Cs
吸
着カラ
ム
①Cs
吸
着カラ
ム
②Cs
吸
着カラ
ム
③

小型ゼオライトカラム試験装置（カラム内寸φ20x60mm）
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ヨウ
素吸
着カラ
ム

カラム通過後濃度／通過前濃度u実条件（線流速、成分等）での除染係数の評価、速度論データの取得、システム全体の特性データなどを取得
1.0

塩分濃度 3 %0.80.6

塩分濃度 1 %0.40.2
塩分濃度 0 % （淡水）00100020003000
通液量（カラム体積の倍数）

塩分濃度によるCs除染挙動の差11

カラム試験の流速依存性

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12

Csの吸着・脱着挙動

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13

小型カラムでのシミュレーションコードの開発
カラム内液中濃度⑤吸着④粒子内
拡散

3k f (1 − ε b )∂c b∂ 2c b∂c(c b − c p |r = R )u= Db−−2Rε b
∂t
∂x
∂x

ゼオライト
粒子

①拡散

③粒子表面への移動②流れ ③粒子表面への移動

粒子内濃度
∂c p
12 ∂c p∂ 2c p=)× ε p Dp (+∂Q ∂t∂r 2r ∂r
 ε p + (1 − ε p ) ρ∂c p 


カラム通過後濃度／通過前濃度

カラム内の①拡散と②流れ

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⑤吸着

1.0

④粒子内拡散塩分濃度 3 %塩分濃度 1 %0.80.60.40.2

塩分濃度 0 %0010002000
通液量（カラム体積の倍数）

3000
14３．実機のシミュレーションと運転支援
汚染水
Cs
カラム
③Ⅰ
カラム

処理水

Cs
カラム
②Cs
カラム
①

流速を揃えているため、小型カラムと同じ吸着速度モデルのカラム寸法を大きくすることで、実機のシミュレーションが可能

Cs吸着量（mol）

3210（東京電力ホームページより）

KURIONゼオライトカラムシステム
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0102030時間（ｈ）

40

各カラムでのCs吸着量の経時変化
15

実機のシミュレーション結果
KURIONシステムの日々の除染係数＊の変化を適確に再現＊除染係数＝（処理前のCs濃度）／（処理後のCs濃度）106105

汚染水中
塩分濃度=３％

除染係数

104

Cs濃度=0.7ppm

２％

1.7％

1.95％ 1.8％

実測値

0.5ppm103102

計算結果
計算結果

分析結果
Cs137
Cs134

10
17/2

7/6

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7/10 7/14 7/18 7/22 7/26 7/30

運転日

8/3

8/7

8/11 8/15 8/1916シミュレーションを用いた運用の最適化
カラムへの汚染水の供給流量、カラムの交換間隔（交換頻度）などの運転パラメータの影響を評価し、第２吸着システムとの流量バランスなど、システム運用の最適化に貢献
1015

供給流量（ｍ３／ｈ）
汚染水

10Ⅰ
カラ
ム

1011
除染係数

Cs
カラ
ム
③

処理水

Cs
カラ
ム
②

Cs
カラ
ム
①

新品
カラム交換間隔（日）KURIONシステムの運転パラメータ
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4m3/h×5日
5m3/h×4日

109

全体での目標値

103
1018m3/h×2日

6.6m3/h×3日

107
105

使用済

流量×交換間隔
6m3/h×2日

1310m3/h×2日
12m3/h×2日

051015202530運転日数(日)KURIONシステムの除染係数の予測3517

４．使用済ゼオライトカラムの保管特性の評価
ベント管
ゼオライトカラ
ム

入口管

出口管

使用済ゼオライトカラムを保管する際のさまざまな特性を実験と解析により評価• 崩壊熱による使用済みゼオライトの乾燥挙動評価• 崩壊熱による自然循環と内部換気量の評価• 崩壊熱による温度上昇の評価• ゼオライトの耐熱性評価 ほか

流量などの計測部

使用済ゼオライトカラムが安定的に保管できることを確認
KURION ゼオライトベッセルを用いた熱流動試験設備 （電中研狛江地区）
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５．吸着後ゼオライトの固化処理技術の検討
u高濃度のCsを含有するゼオライトは高レベル廃棄物であるが、Cs-137やCs-134は比較的半減期が短いため、さまざまな安定固化方法が可能
uCs吸着後ゼオライトの六ヶ所同等のガラス固化体への転換可能性を検討⇒SiO2、B2O3などを添加し、1150℃程度の高温でガラス合成に成功

散乱X線の強度⇒ガラス固化体と同程度以上の温水に対する耐浸出特性を確認

(11g)

(26g)

原料ゼオライトと合成したガラス固化体
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塩分無し
塩分有り

X線回折角度 ２θ
ガラスのX線回折結果（残留塩分の有無によらず、ガラスが形成）
19

まとめu 乾式再処理などで培った技術を活用し、KURIONゼオライトの吸着性能やカラム特性など、設計に必要なデータの測定・評価を短期間で行い、汚染水処理システムの早期構築に貢献した
u ゼオライトカラム実機における除染挙動を解析・予測するシミュレーションコードを短期間で開発し、吸着量の把握や事象分析、運転計画の立案などに活用されて、運用の効率化に貢献した
u 崩壊熱や放射線の影響など、使用後のゼオライトカラムの特性を評価し、保管時の安定性確認に寄与した
u さらに、将来課題の先取りとして使用済ゼオライトのガラス化方法を検討し、技術的に可能であることを確認した
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【参考】乾式再処理とゼオライトカラム

高速炉から被覆管洗浄
金属廃棄物固化

使用済金属燃料

被覆管
貴金属FP

電解精製槽

使用済塩

U-Pu-MA+FP

処理後塩

Cd-U,Pu,MA

還元

Cd-Li

回収U-TRU

約３Ｖ

陽極

使用済塩

U,Pu,MA合金

U金属+塩U金属
使用済モールド(石英)

再生塩

前処理

TRU入り塩

ゼオライトカラム(FPの除去)新U、新Zr

陰極処理装置（塩、Ｃｄ蒸留除去）

ガラス

塩
O2

燃料製造
(射出鋳造)

陰極処理

向流多段抽出(ｱｸﾁﾆﾄﾞ回収)

向流多段抽出陰極

U,Pu,MA
-Cd合金

電解精製

解体・剪断

新金属燃料

金属廃棄物

ゼオライト＋FP

塩廃棄物
固化体製造

新U-Pu

脱被覆

塩素化

解体・剪断

脱硝

還元

使用済酸化物燃料

高ﾚﾍﾞﾙ廃液

新MOX粉末軽水炉/高速炉から六ヶ所から六ヶ所から

O2-Cs,Sr等

ガラス結合ソーダライトLiCl溶融塩 (650℃)

電解還元槽

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FP: 核分裂生成物
TRU:超ウラン元素21

【参考】乾式再処理の工学規模ゼオライトカラム
使用済塩Cs, Sr, Ce等

450〜500℃
Ar雰囲気

ゼオライト

FP吸着ゼオライト

精製塩

ゼオライトカラム
FP除去工程(ゼオライトカラム)の模式図

乾式再処理用ゼオライトカラム試験装置
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FP: 核分裂生成物

グローブボックス内の試験装置
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