第章

6

処分技術に関する基礎的研究および将来技術

第６章

処分技術に関する基礎的研究および将来技術 ● 目

６−１

溶存ガスを活用した地下水調査手法の開発

６−２

低アルカリ性セメントの開発

６−３

低レベル放射性雑固体廃棄物のアークプラズマ溶融処理技術

我孫子研究所地質部

上席研究員

馬原保典

我孫子研究所構造部

主任研究員

広永道彦

横須賀研究所電力部

上席研究員

天川正士

横須賀研究所電力部

主任研究員

足立和郎

横須賀研究所電力部

主任研究員

安井晋示

……………………………………………………………………………65……………………………………………………………………………………………67

馬原 保典（50ページに掲載）

天川 正士（1984年入所）
アークプラズマを用いた放射性廃棄物の溶融処理に関する研究に従事している。特に、溶融固化体の核種閉じ込め性を解明してきた。
他に、アークプラズマの輸送特性や陽極現象のモデリングなどに携わってきた。

安井 晋示（1989年入所）
アークプラズマを用いた放射性廃棄物の溶融処理に関する研究に従事している。特に、可難燃物の熱分解機構を解明してきた。また、溶融時の核種挙動に関する研究を実施している。

64

次………………………………………………………68

広永 道彦（50ページに掲載）

足立 和郎（1986年入所）
アークプラズマを用いた放射性廃棄物の溶融処理に関する研究に従事している。特に、溶融固化体の強度や均質性を解明してきた。
また、溶融時のアークプラズマの安定性に関する研究を実施している。

６−１

溶存ガスを活用した地下水調査手法の開発

放射性廃棄物の処分のためのサイト調査や安全評価を推定した｡

において重要な地下水の滞留時間の推定、地下水の流動特性を調べたり地下水の入れ物としての地下の構造

6-1-1

地下水年代測定を把握したりするために地下水に溶けている希ガスをトレーサとして地下水の動きを調査している。

溶存ヘリウム濃度を基にした地下水年代測定法の技術的な妥当性を確認するために、地下水の流れの方向

本研究の目的は次のとおりである。

および地下水の構造が古くからの調査で確認されてお高レベル廃棄物処分のための候補地選定やサイトのり、地下水年代測定法の検証には理想的な地下水盆で特性調査において、あるオーストラリア大鑽井盆地の地下水を対象に溶存A地下水の年代（地下での滞留時間）を推定する、ヘリウム蓄積法を解析法、 14C 年代測定法、 36Cl 法と比B

火山活動の影響が及ぶ範囲を推定し火山活動の中較し、溶存ヘリウム蓄積法が有効なことを確認した

心からサイトを離すべき距離に関する基準策定の情（図 6-1-1）。

報を与える｡

6-1-2

火山活動影響範囲の推定

これまでに、A岩手山において溶存ヘリウム量と同位体比の連続観同位体比を基に地下水中に蓄積されたヘリウム量を測行った結果、湧水(浅層地下水)と深層地下水の起源・測定し、別途推定した 1 年間に地下水中に蓄積される流動系が大きく異なり（図 6-1-2）、山麓の湧水に火山活ヘリウム量を基に地下水の地下での滞留時間を評価動の影響がいち早く現れることを確認した。また、Heした。

同位体比は火山の活動性を鋭敏に反映しており、岩手B

地下水に溶けているヘリウムガスの量とヘリウム同位体比（3He/4He）の違いから地下水に含まれる溶山の東側を走る火山フロントより外側（海溝側）で He 同

存ヘリウム成分の違いを分別し、ヘリウムの起源を位体比が著しく小さくなる（つまり、マグマの活動が低推定する｡火山の活動に伴うヘリウム成分は、ヘリウい）ことを考慮すると、その地下深部には火山活動からムの同位対比が高いという特徴をもっているので、の影響が直接及ばない地域が存在する可能性が示唆さ

ヘリウム濃度と同位体比を基に、火山活動の影響範囲れる（図 6-1-3）。

電中研レビュー No.40 ● 65

図6-1-1

オーストラリア大讃井盆地における溶存ヘリウム蓄積法と他地下水年代測定法の検討比較

七時雨

火山フロント
秋田焼山山頂旭日之湯
えぞだて湧水
松川温泉
深度50m
（斜め）

金沢清水 水位観測孔
水位観測孔
姫神の湯
岩手山山頂

薬師岳
山の湯

生出湧水

10km
水位観測孔
県庁井
秋田駒ヶ岳山頂

20km

田沢湖

水位観測孔

30km
青麻山・泉ヶ岳

採水孔
採水湧水点
地下水位観測孔

図6-1-2665km

岩手山周辺における温泉深井戸・湧水・浅層地下水調査のために配置した採水地点と地下水位観測孔

4.0×10-6

浅層地下水・温泉水

地下水流動（拡散Heを取り込む）（3He/4He）Ratio

3.5×10-6
3.0×10-6
2.5×10-6

深層温泉水
2.0×10-6
1.5×10-6
1.0×10-6
5.0×10-7

深層地下水流動場
He拡散小0.0
1E―8

He拡散小

深層地下水流動場

６−２

1E―6

1E―5

地下水・温泉水中の溶存He濃度と（3He/4He）
比の関係

岩手山周辺における湧水の涵養と地下水流動概念図

図6-1-31E―7

岩手山周辺の地下水流動・He拡散概念と溶存He濃度と同位体の違いを基にした深層・浅層地下水の区分

低アルカリ性セメントの開発

セメント系材料は、放射性廃棄物処分施設におけるした。

充填材、支保材およびグラウト材などの複数の部位に・水和物中に水酸化カルシウムを生成させない使用されることが想定されている。セメント系材料を・カルシウムシリケート水和物を低カルシウム型に用いることにより生ずることになる高アルカリ性環境は、他の処分施設構成材料に影響を与え、ガス発生量する。
B原材料組成から焼成過程を変えることにより、水の増加、腐食環境の変化、ベントナイトの変質などを和物中に水酸化カルシウムが生成せず、代わりにエ引き起こすことが懸念される。セメント系材料の各使トリンガイトが生成するセメント（LAC-C）を開発し用部位における要求性能は明確化されつつあるが、他た。のバリア材への影響軽減のために、セメントの pH を調C

LAC-C にシリカフュームを混合することにより、整する技術として低アルカリ性セメントの開発が望まカルシウムシリケート水和物中のカルシウム-シリカ

れている。

モル比を下げ、低カルシウム型にしたセメント

本研究の目的は次のとおりである。

（LAC-S）を開発した。

一般的なセメントの pH は 12.5 〜 13.0 程度であるが、DLAC の製造方法は、一般のセメントと比べ特殊なその pH を 10.0 〜 10.5 程度に低下するようコントロール工程はなく、通常のプラントで対応可能である。

できる方策を検討するとともに、品質的に安定性があE これらの低アルカリ性セメントについて物理試験おり、経済的に認知されやすい低アルカリ性セメントをよび化学試験を実施中であるが、現状までのデータ提案し、その物理的・化学的基礎データを取得する。

では pH が 10.0 〜 10.5 程度という目標は達成できた

これまでに得られた主な成果は次のとおりである。

（図 6-2-1）。その他の性状についても、スランプなどA

既存の各種セメントの pH を支配している因子を整のフレッシュ性状および短期的な強度等については、理し、低アルカリ化方策として以下の２項目を抽出

一般的なコンクリートと比べて遜色がないことを確電中研レビュー No.40 ● 67

かめた。

1312.5

今後の展開は次のとおりである。
開発した低アルカリ性セメントについて物理試験お12pH

よび化学試験を実施中であり、その結果により処分施11.5設への適用性の評価を行う。またその際には、長期的OPC
LAC-C
LAC-S

1110.5な評価モデルを適用することが必要となるため、評価モデルで用いる固相の設定や平衡定数等に関わるデータを取得していく。

100100200

300

400500

600

700

800

浸漬期間（日）図6-2-1

水中浸漬による低アルカリセメントのpH変化

６−３

低レベル放射性雑固体廃棄物のアークプラズマ溶融処理技術
処分の前に固形化が義務付けられている。この際、廃6-3-1

アークプラズマ加熱技術

棄物を減容できれば、最終処分のコストを大幅に低減できる。

アーク放電の温度は、5,000 〜 20,000K と非常に高い。
アーク放電をノズルやガス流で拘束すれば、一層の高温と高い指向性が得られる。これをアークプラズマと6-3-3

低レベル放射性雑固体廃棄物への適用性評価呼ぶ。アークプラズマ加熱技術は、A超高温を容易に発生できる、Bエネルギー密度が高い、C加熱エネル

上述の特長を有するアークプラズマ加熱技術は、低ギーが加熱の場で進行する化学反応に影響されにくい、レベル放射性雑固体廃棄物の一括溶融処理に有望であD排ガスが少ない、E加熱エネルギーの管理と制御がる。このために、プラズマトーチ、プラズマ炉、排ガ容易である、Fクリーンな加熱ができる、という特長

ス浄化装置、計測システム等から構成される 100kW 級を有する。

プラズマ溶融処理実験設備を設置した。プラズマトー
チは、当所の設計によるもので、電極冷却構造などを6-3-2 低レベル放射性雑固体廃棄物工夫し長寿命化を図った。この設備を用いて、溶融時の炉内の雰囲気や金属、不燃物、可･難燃物の廃棄物の原子力発電所の運転や定期点検等に伴って、固体状組成を変えて、放射性核種を模擬する非放射性の Co やで発生する低レベルの放射性廃棄物（低レベル放射性雑セシウム（Cs）等と共に、一括溶融する実験を行い、固体廃棄物）は、炭素鋼等の金属類、保温材やコンクリ

アークプラズマ加熱技術の適用性を評価してきた。評ート等の不燃物、ビニールやゴム等の可難燃物のよう価の視点は、主として、超高温で溶融しても放射性核に種々雑多であり、発生量が多い。低レベル放射性廃種が安定に溶融固化体に捕捉されること、得られた溶棄物は、六ヶ所村で最終処分が進められており、最終融固化体が最終処分に適することである。

68

模擬核種は安定に溶融固化体に捕捉された。最終処分の前に行う放射能量の計測に重要な核種で、沸点の低い Cs も 50%以上捕捉できることを明らかにした。ただし、Cs のスラグ層への捕捉率は、加熱雰囲気を常時還元性とした場合に低下したことから、炉内を連続的な還元性の雰囲気としない運転法が推奨される。
溶融固化体は、比重の違いから上部がスラグ、下部が金属の２層構造となる。脆いスラグ層でも、既に最終処分が実施されているセメント均質固化体より強い圧縮強度を有すること、いずれの層でも模擬核種の分布は均一で、処分前の放射能量の計測が容易になるこ

図6-3-1

飛灰を溶融している炉内の状況と、いずれの層も地下水に晒されても核種を安定に閉じ込められることが明らかになった。以上から、最終処分に適した溶融固化体が作製できることを明らかに華が始まる SiC が主成分である。しかし、炉内の酸素濃した。

度を適切な値に保つことにより SiO2, Si, CO2 等に分解・一連の溶融実験において、金属、不燃物、可･難燃物溶融できることを明らかにした。のほとんどが容易に一括してプラズマ溶融処理できた。

以上から、アークプラズマ加熱技術は、低レベル放しかし、超高温のアークプラズマを用いても溶融が難射性雑固体廃棄物の溶融・減容処理へ適用できること

しい廃棄物があった。その一つが、セラミックフィルを明らかにした。また、これらの研究成果は、低レベターエレメントである。これは、原子力発電所に設置

ル放射性雑固体廃棄物の一括プラズマ溶融処理技術のされている焼却設備の集塵装置の濾材で、2,200 ℃で昇実用化進展に貢献した。

電中研レビュー No.40 ● 69