2010.12

電中研 レビュー
アークプラズマとその応用 技 術
廃 棄 物 処 理と材 料 創 製 へ の 適 用

54

No.

電中研レビュー第 54 号

●

目

次

アークプラズマとその応用技術─廃棄物処理と材料創製への適用─
巻頭言

4-3

中央大学理工学部教授

稲葉

次紀

…1

電中研「アークプラズマに関する研究」のあゆみ………………………………………………2
常務理事

新田

明人

アークプラズマに関わる当研究所

1-1 アークプラズマに関わる当研究所の取り組み…………………………………………………6
アークプラズマ応用技術の現状……………7

1-2-1

アークプラズマとその発生方法

1-2-2

アークプラズマ応用技術の発展

1-2-3

アークプラズマ応用技術の特長

第２章

放射性廃棄物の減容処理への応用 …112-1 低レベル放射性廃棄物の減容処理への応用………………………………………………12
2-1-1 低レベル放射性雑固体廃棄物の発生状況
2-1-2

アークプラズマ溶融技術の適用性評価
の視点

2-1-3

溶融固化体の物性

2-1-4

溶融時の核種挙動

2-1-5

Cs のスラグ層への捕捉率の推定手法

2-1-6

研究成果の電気事業への貢献

2-2

TRU 廃棄物処理への応用…………………18

2-2-1

TRU 廃棄物の現状

2-2-2 耐火系るつぼを用いた逐次溶融法の提案
2-2-3

第３章

溶融時の核種挙動

アスベストの無害化と再資源化への応用 ……………………………………25

3-1

アスベスト廃棄物の法規制………………… 26

3-2

アスベスト廃棄物の無害化………………… 26

3-3 アスベスト廃棄物の溶融スラグの再資源化………………………………………………… 28

第４章

4-3-1 配管形状小試験片を用いた場合における
評価
4-3-2

放射性廃棄物乾式表面除染技術への超微粒子やナノ構造複合粒子など

5-1

電気事業における超微粒子の利用………… 38

5-2

AℓN 超微粒子の合成… …………………… 38

5-2-1

AℓN の高純度化方策

5-2-2

原材料 Aℓ粒子の注入条件

5-3

AℓN 球状ナノ構造複合粒子の合成… …… 39

5-3-1

複合粒子の円形度

5-3-2

ミクロンオーダーの粒子と超微粒子
の体積比

5-3-3
5-4

AℓN 複合粒子を充填したエポキシ樹脂の熱伝導率と絶縁破壊強度………………… 41

5-4-1

複合粒子を充填したエポキシ樹脂

5-4-2

全固体変圧器用絶縁材料への適用性

第６章

応用技術の展開を支える基礎・基盤的研究成果 ………………………43

6-1

アークプラズマの数値解析………………… 44

6-1-1

アークプラズマの物性

6-1-2

アークプラズマの数値解析技術

6-2

アークプラズマの発生・制御技術………… 49

6-2-1
6-2-2
6-3

アークプラズマの計測診断技術…………… 60

6-3-1

輝線スペクトルの自己吸収を考慮した
温度計測技術

6-3-2

第７章

プラズマの流速計測技術

まとめと今後の展望 …………………67

おわりに
理事

4-2

酸化皮膜の除去と推奨処理条件…………… 33
減圧アークの推奨処理条件

交流プラズマトーチにおける発生・
制御技術

応用 ……………………………………31

4-2-2

直流プラズマトーチにおける発生・制御技術

プラズマを用いた除染技術とその特長…… 32
適用可能な酸化皮膜種類

ミクロンオーダーの粒子と超微粒子
の粒径比

4-1

4-2-1

Co の汚染形態に対する依存性

材料創製への応用 ……………………37…3の取り組みと現状 ………………………5

1-2

性能…………………………………………… 34

第５章

はじめに

第１章

Co-60 含有腐食生成物皮膜に対する除染電力技術研究所長

藤波秀雄 …70

執筆分担 …………………………………………71

巻 頭 言アークプラズマとその応用技術「アークプラズマ」とは本では、減容化の効果は甚大であり、医療廃棄物

何か。自然界では夏の風物

や有害物の無害化・低害化処理にも、その本領を詩として「雷」が有名であ発揮している。

る。「雷」はアークプラズ

本レビューでは、電気事業における具体的な研マの一種であり、数千度に究・開発例として、放射性廃棄物の減容処理・乾達する超高温を有している

式表面除染処理、優秀な断熱材ながら発ガン性がものの、時間的には十万分発見されたアスベストの無害化と再資源化処理、の数秒という超短時間の世

超微粒子などの新材料創製などに言及している。

界である。瞬間的なインパ

さらに、これらの研究・開発を支える「アークプクトを電気系統に与えるもラズマ」の基礎特性も解明している。

のの、エネルギーという仕事量から見ると、僅か「アークプラズマ」は、材料の溶融処理の展開技なものである。この「雷」を長時間安定的に維持・術として、新材料の創製にも如何無くその性能を制御したものが「アークプラズマ」と言えよう。

発揮している。その一例が、本レビューでも紹介

氷を加熱してゆくと、水、水蒸気と相変化し、されている AℓN（窒化アルミ）超微粒子の創製で更に高温に加熱すると、酸素・水素原子に分解し、ある。本微粒子は、電気的に絶縁性が高く、しか更に、電子を放出して「物質の第４の状態」であも熱放散性がよく、エポキシ固体絶縁材に混入さる「プラズマ」となる。「アーク」は、一般的にせることで、電力機器のコンパクト化に大きく貢「プラズマ現象」の電気事業における呼称といえる。

献し得る優れものである。また、「アークプラズ「アーク」と「プラズマ」の区別が難しいため、マ」は、基材表面の洗浄化にも適しており、原子「アークプラズマ」と合成して使用する場合が多い。

炉解体で生じた放射性廃棄物の表面層を薄く除染

この「アークプラズマ」には「大気圧熱プラズ

することも可能である。さらには、基材表面を凹マ 」 や、「低気圧高周波プラズマ」など各種の凸に粗面化し、その表面に溶射膜を密着させるこ「アークプラズマ」があるが、この内、「熱プラズとで、基材に対する密着強度を従来の３〜４倍にマ」の特徴としては、「雷」に見られるように、そ向上させることにも成功しており、「アークプラズの超高温性、高エネルギー性、高輝度性などが挙マ」の応用範囲はますます拡大している。

げられ、電流を制御することで、ms（ミリ秒）級

この様な「アークプラズマ」応用の発展時期にの高制御性も可能である。これらの特徴を有効に

本レビューが発刊されることは、電気事業のみな活用して、溶接・切断・溶射などの加工や、金属らず、一般社会への貢献という意味からも、誠にの還元・精錬などの冶金、化学工業、大規模照明

喜ばしい次第である。今後とも、電力輸送を担うや、超微細なナノテクノロジーなど様々な分野に送配電系統における絶縁機材の性能向上から原子応用が図られている。

力発電所廃止措置という広範囲にまたがる高付加

十年ほど前の COP3 京都大会以来、地球温暖化対策を含めた環境対策が世界規模で社会問題化し、価値を持つ技術革新にますます貢献することが期待される。

環境改善技術の進展が顕著となっている。その一翼として、「アークプラズマ」による廃棄物の処理や減容化が注目されている。特に、土地の狭い日

中央大学

理工学部

教授

稲葉

次紀

電中研レビュー No.54 ● 1

電中研「アークプラズマに関する研究」のあゆみ
西暦（元号）

当 研 究 所 の 状 況

国

内

外

の

状

況

1980 年代・プラズマキュポラ、タンディッシュ加熱など冶金分野への応用研究が内外で活発化

1982（S58）

・不燃性雑固体廃棄物を対象としたプラズマ溶融処理の電力共通研究終了

1984（S59） ・アークプラズマの高温物性のプログラム開発に着手
1985（S60）

・フラーレンの発見

・アークプラズマの電界 - 電流特性の解析プログラムの ・旧日本原子力研究所、JPDR（わが国初の発電用原子炉）
1986（S61）
開発に着手
の解体着手
・新日本製鐵（株）（広畑）でタンディッシュ加熱にプラズ
マトーチが採用

1987（S62）
・プラズマトーチの長寿命化を目指し、電極の損耗現象に関する研究開始
1988（S63）
・プラズマトーチの大容量化を目指し、新日本製鐵（株）との共同研究開始（～ H2）
1989（H 元）・交流アークプラズマの研究開始

・（株）神戸製鋼所（加古川）で交流プラズマトーチをタン
ディッシュ加熱へ適用

・プラズマ溶融炉（１号）の設置
1990（H2） ・低レベル放射性雑固体廃棄物の溶融処理の研究開始
・第 1 回 EPRI-CRIEPI 合同国際シンポジウムの開催
1991（H3） ・アークプラズマからの放射に関する研究に着手
・日本原燃（株）六ヶ所低レベル放射性廃棄物貯蔵セン
ターの操業開始（均質固化体の最終処分）

1992（H4）
1993（H5）・100 ｋ W 級プラズマ溶融処理設備の設置
・第 2 回 EPRI-CRIEPI 合同国際シンポジウムの開催

・東京電力
（株）
、川崎製鉄
（株）
、川崎重工
（株）、千葉市
が都市ごみ焼却灰のプラズマ溶融の実証試験を開始

1994（H6）・松山市南クリーンセンター、都市ごみ焼却灰のプラズ
マ溶融炉が稼働開始
・ナノコンポジットの研究が活発化

1996（H8）・アークプラズマから被加熱物への伝熱機構の解明に関 ・イナータム社（仏）がアスベスト廃棄物のプラズマ溶融する研究開始処理を商業化1997（H9） ・TRU 廃棄物のプラズマ溶融処理技術の研究開始
1998（H10）・プラズマ加熱を用いた低レベル放射性雑固体廃棄物の溶融処理に関する総合報告書を発刊
・日本原子力発電（株）、東海発電所を停止
・アスベスト廃棄物の無害化・再資源化の研究開始

・原子力安全委員会、「主な原子力施設におけるクリア
・解体廃棄物の処理・再利用に向けたプラズマ溶融技術
ランスレベルについて」を策定の研究開始
1999（H11）・ダイオキシンが大きな社会問題となる。
・減圧アークによる乾式表面除染技術の研究開始
・PCB 廃液の移動式プラズマ処理装置（カナダ、ラブカ・アークプラズマによる材料創製の研究開始
ナル）
の実証試験
2000（H12）・超微粒子創製用プラズマ実験装置の設置

・日本原子力発電（株）、東海発電所廃止措置開始
・六ヶ所低レベル貯蔵センター２号埋設施設（固体状廃棄体）受入開始

2001（H13）・減圧アーク除染実験装置の設置

・都市ゴミ焼却灰のプラズマ溶融処理施設数が増加（2001-2003 年度に国内で 16 施設が稼働開始）

2002（H14）・スラグのリサイクル技術の研究開始
・回転式溶融スラグ骨材化装置の設置

2003（H15）・Cs 捕捉率推定手法に関する総合報告書を発刊

・中部電力（株）がプラズマ加熱を組み込んだ医療廃棄物処理設備の実証試験を終了
・新型転換炉「ふげん」運転終了

2004（H16）・配管用減圧アーク除染実験装置の設置
2005（H17）・日本原子力発電（株）、敦賀発電所のプラズマ溶融炉（雑固体減容処理設備）の運用開始
・クリアランス制度法制化
・アスベストが大きな社会問題となる。

2008（H20）

・中部電力
（株）
、浜岡原子力発電所 1 号機、2 号機の廃止措置を表明2009（H21）・廃止措置で発生する放射性廃棄物を対象とした研究開始
2010（H22）・100kW 級プラズマ溶融処理設備の更新・増強

2

はじめに
常務理事

電気加熱は、①局所加熱ができる、②急速加熱

新田明人

低い圧力で発生させたアークを用いる乾式表面除染技術を開発した。

ができる、③かなり自由

また、黒鉛減速炭酸ガス冷却型炉である東海に加熱雰囲気を選べる、発電所の廃止措置が進む中、2008 年には軽水炉④高温加熱が安定にできである浜岡原子力発電所 1 号機、2 号機の廃止

る、⑤所要電力の制御と措置が発表された。このように何れ実施される管理が容易である、⑥オことになる廃止措置では、これまで研究の対象

ン・オフが容易である、としてきた運転中の廃棄物とは異なった組成の⑦加熱対象物を汚染しな廃棄物の発生が予想されている。したがって、

い、また、⑧快適な作業環境を維持しやすい、

当研究所では、新たな視点から、このような廃などの優れた特長を有している。これらの特長

止措置時の廃棄物処理へプラズマ溶融技術を適をうまく活かせば、燃焼加熱を電気加熱に置き用するに当たり、その高温による溶融の利点を換えることによって、1 次エネルギー換算で比最大限引き出せるように検討していくこととし

較して加熱のエネルギー効率が改善されているている。これにより、引き続き、エネルギー供事例もある。電気加熱の一種であるアークプラ

給を支える原子力発電に貢献していく所存であズマ加熱では、これらの電気加熱の特長の中で、る。

特に、超高温での加熱・制御を安定に行える点

一方、当研究所でのアークプラズマを用いたに最大の特長がある。この特長を活かせば、様々新材料の創製に関しては、次世代の電力機器用

な廃棄物処理への適用による環境負荷低減、付絶縁材料として、熱伝導率が高いセラミックス

加価値の高い新材料創製による技術革新、エネ粉の合成に成功し、その機能・性能の評価を終

ルギー効率の向上による低炭素社会の実現など

え、現在、防災性や環境性に優れた全固体変圧に貢献できるものと期待される。

器の開発など新たな研究展開を図っている。

当研究所は、原子力発電所の運転や定期点検

以上のような研究の節目にあたり、原子力分に伴って発生する金属や無機物などの低レベル

野の廃棄物処理のみならず次世代電力機器の開放射性雑固体廃棄物の溶融・減容処理へアーク

発にいささかでも貢献できることを願いながら、

プラズマ加熱技術を適用することにより、大幅

当研究所が 20 年以上に亘り推進してきたアーク

な減容による処分コストの低減が可能になるこ

プラズマに関する応用開発研究や基礎基盤研究とを明らかにし、電気事業における本技術の実の成果をレビューとして取り纏めた。関係各位

用化に貢献した。また、アークプラズマ加熱技のご参考になれば幸いである。

術を用いて、原子力発電所の廃止措置や老朽化

最後に、今後も、アークプラズマ加熱技術のした火力発電所の改修などで発生するアスベス

有する優れた特長を活かし、社会や電気事業へ

ト廃棄物を溶融することで無害化・再資源化で貢献できるよう努力を重ねて参りますので、弊きることを実証した。さらに、原子力施設など所へのご支援・ご鞭撻の程よろしくお願い申しから発生する金属廃棄物を対象に、大気圧より上げます。
電中研レビュー No.54 ● 3

第１章

第１章

アークプラズマに関わる
当研究所の取り組みと現状

1-1

アークプラズマに関わる当研究所の取り組み ……… 6

1-2

アークプラズマ応用技術の現状 ……………………… 7

1-2-1

アークプラズマとその発生方法

1-2-2

アークプラズマ応用技術の発展

1-2-3

アークプラズマ応用技術の特長

第１章
1-1 アークプラズマに関わる当研究所の取り組み

化・再資源化を実証した。この成果は３章にまとめた。
これらの研究開発では、超高温を容易に発生できるという特長を活かし、廃棄物を全て溶融している。
これに対し、加熱対象を部分的に溶融する応用として、当研究所が蓄積してきたアークプラズマに関わる技術
体系は図 1-1 の通りで、技術の実用化のための課題の解

放射性の金属廃棄物の乾式表面除染技術と熱伝導率の高決などを通して、社会や電気事業へ貢献することを目的

いセラミックスの超微粒子を創製する技術を開発した。

とした応用研究、応用研究に先立ち共通的な課題を先取

アークが電極と接する電極点は、特にエネルギー密度がりして進めてきた基礎研究、さらに、研究を深化拡大し高く、さらに、減圧下では陰極上の電極点が、金属より成果の質を向上するため不可欠な基盤研究に分類できる。

酸化皮膜に形成されやすいというユニークな特長を有し

また、研究の年度展開は図 1-2 の通りである。

ている。この特長を活かして、金属の表面だけを溶融除応用研究では、低レベル放射性廃棄物の処分コストの去する乾式表面除染技術を確立した。この成果は４章に低減を目指し、プラズマ加熱技術がその溶融・減容処理まとめた。また、セラミックの合成では、超微粒子の合へ適応できることを示した。さらに、技術の水平展開を成やミクロンサイズのセラミックス表面に超微粒子を付図り超ウラン元素を含む放射性廃棄物へ処理対象を拡大

着させたナノ構造複合粒子の創製に成功し、これを充填できることを示した。これらの成果を２章にまとめた。

したエポキシ樹脂の熱的・電気的特性も明らかにした。

次に、溶融技術を活用して、アスベスト廃棄物の無害

ナノ構造複合粒子の創製では、原材料の表面のみを溶融

実用化／現場支援

応用研究

廃棄物処理

プラズマ加熱技術の向上

・放射性雑固体廃棄物の減容・アスベスト廃棄物の無害化・再資源化
・乾式表面除染技術

安定化技術
基礎研究

直流/交流
・タングステン電極の損耗現象
・被加熱物への伝熱現象
・アークプラズマの不安定現象
・黒鉛トーチの電極損耗現象

再利用・
資源化技術

・高融点廃棄物・高温場の熱分解・スラグの有効利用
・溶融スラグの直接骨材化

基盤研究

溶湯内反応解析・蒸発速度評価

・AℓN超微粒子の創製
・AℓN複合ナノ構造粒子の創製

コスト低減技術
プラズマの効率的な発生・制御技術

・・核種閉じ込め性・核種挙動
・物理形態の変換
・化学形態の変換

減容技術

材料創製への展開

プラズマシミュレーション
・電界－電流特性
・電磁流体解析・高温気体の熱力学・輸送特性
・高温気体の放射吸収係数
・電流零点アークモデル

冷却制御技術・凝縮粒子の成長現象

ミキシング・
加熱技術
・プラズマ内の粒子挙動・注入法の最適化
・粉体加熱現象

プラズマ診断技術
・プラズマ内粒子挙動
・プラズマの温度および流速の計測
・電子密度および原子密度の計測
・プラズマ切断時の被切断面の温度計測

図1-1 当研究所のアークプラズマ応用研究の技術体系

6

第１章

～1985

～1990

～ 1995～ 2000～ 2005～ 2010

低レベル放射性雑固体
廃棄物の溶融処理
TRU・廃棄物の溶融処理
アスベスト廃棄物の無害化・再資源化
スラグのリサイクル

応用研究

乾式表面除染技術
AℓN超微粒子・ナノ構造複合粒子の
材料創製

基礎研究
プラズマの効率的な発生・制御技術の開発

図1-2

当研究所のアークプラズマ研究の展開

蒸発させている。本成果については、５章にまとめた。
これらの応用研究に先立ち、あるいは、並行して、アークプラズマの効率的な発生・制御技術の開発に関わる基礎研究を推進した。これらの成果は６章にまとめた。

1-2 アークプラズマ応用技術の現状
1-2-1

3m

アークプラズマとその発生方法（a）フリーアーク⑴

アークプラズマとはアーク放電は、金属の切断や溶接、スクラップ鉄の溶

プラズマ
トーチ

るつぼ

融など、高温の必要な金属・冶金の分野において古くから産業的に利用されている。また、アーク放電は輝度が高いため、既に 19 世紀にはアーク灯が街路灯として用

溶湯

いられ、現在では、自動車のヘッドランプにも用いられ

アークプラズマ

ている。

20cm

アークプラズマは、アーク放電で発生させたプラズマであるが、本レビューでは、アーク放電をノズルやガス流で拘束し、熱ピンチ効果によって一層の高温と高い指向性をもったものをアークプラズマと限定的に定義して（b）プラズマトーチから噴出するアークプラズマ

図1-3

ガス流による拘束のないアークプラズマ（フリーアーク）と拘束されたアークプラズマいる。アーク放電には、自身が作る磁場による電磁力や浮力が作用する。このため、ノズルやガス流による拘束

による拘束のないアークプラズマ（フリーアーク）とガがない場合には、これらの力によりアーク放電は移動しス流に拘束されたアークプラズマの写真を示す。また、複雑な形状となる。これに対し、ノズルやガス流で拘束

数 10Pa ～数 kPa の減圧下で発生させたアーク放電（以したアークプラズマは、真っ直ぐに延び、加熱など工学

下、減圧アーク）を用いた乾式除染技術に関する研究成的応用において取り扱いが容易である。図 1-3 にガス流

果についても紹介する。

電中研レビュー No.54 ● 7

第１章⑵

アークプラズマの発生方法

1-2-2

アークプラズマ応用技術の発展

アークプラズマをノズルやガス流で拘束する装置をプ
ラズマトーチと呼ぶ。プラズマトーチは、運転形態にプラズマトーチを産業規模での加熱に利用したものでよって、非移行形と移行形に分類できる。非移行形は、最も古いと思われるものは、黒鉛電極の代替として用い電流をプラズマトーチの電極とノズル間に流し、高温のたスクラップ鉄の溶解（1）、あるいはアセチレンの合プラズマガス流を利用する運転形態であり、移行形は、

成（2）であろう。文献（1）によれば、黒鉛電極とスクラッ

プラズマトーチ内の電極と被加熱物の間に通電する運転

プ鉄の接触を繰り返しながらアークを発生させ溶融する形態である。また、プラズマトーチは、電極材料とそのアーク炉に比べて、アークプラズマの高い指向性によっ

形状によっても分類される。円柱状のタングステン系のて、電圧と電流が安定するため入力エネルギーを容易に合金や黒鉛を電極とするものをロッド形、中空の銅を電制御できること、電極の損耗が少ないため品質の高い製

極とするものをホロー形と呼んでいる。ロッド形では、品ができることなどの利点が指摘されている。その後、電極の先端に電極点が形成され、ホロー形では電極の内1980 年代に入り、超高温を活かして、金属・冶金の分面に電極点が形成される点に違いがある。なお、黒鉛電

野での産業応用に関する研究開発が多数実施された（2）。

極のトーチでは、電極の内部に穴が設けられ、そこから

これらの研究開発の中から、プロセスの技術的・経済的

プラズマガスを噴出しているものもある。また、ホローな成立性の評価を経て成功裡な商業運転へと発展した事形の場合では、円筒形の電極の内面に接するアーク（電例がある。さらに、1990 年代に入ってからは、環境問極点）を磁場やガス流によって駆動し、電極内面を均一

題への関心の高まりとともに、廃棄物処理の分野での産に損耗させることによって、電極の寿命を延ばす工夫が業応用が拡大してきた。我が国においては、連続鋳造プされている。さらに、電極やノズルの冷却が必要であり、ロセスにおける溶融鉄の温度制御や都市ごみ焼却灰の溶

これはエネルギーの損失となる。特に、非移行形の場合、融処理など（3）へ応用されている。

ノズルにも電極点を形成するため、ノズルの冷却損失もまた、アーク放電の照明への応用では、アーク灯が大きくなる。しかし、溶融炉などに用いる場合には、炉1800 年代後半に街路灯に利用されて以降、1900 年代中底に電極を設ける必要がないため、設備が簡素化できる。

頃には水銀灯が開発されている。その後、メタルハライ

また、電流経路がプラズマトーチの内部にあるため、外ドランプ、高圧ナトリウムランプなどの HID（High In-部からの擾乱を受けにくい安定なアークプラズマを発生

tensity Discharge）ランプが開発され普及している。HIDできる。

ランプでは、発光管の管壁負荷（発光管の内表面積あたプラズマトーチは、直流を用いるものと交流を用いる

りのランプの入力電力）が 3W/cm2 以上に達している。

ものがある。直流を用いる場合には、電源に整流装置がその後、単体のアークランプで大きな光束を発生させ必要であるが、アークプラズマを安定に発生させやすい。

るために電極や発光管を強制冷却するなどの改良を加え、交流を用いる場合には、電流が零となるところでアーク

従来と比べ輝度や光出力が格段に大きい大容量・高輝度

プラズマを消弧させないための工夫が必要である。例えアークランプが市販された。その連続光出力は一般の光ば、電流零点での電流の時間変化率を大きくする電源装

源 や 工 業 用 レ ー ザ ー に 比 べ て 10 ～ 100 倍 程 度 高 い置が開発されている。当研究所は、電流零点にパルスを120kW で、電気から光への変換効率は約 40％が達成さ

重畳することにより、安定に交流のアークプラズマを発

れ て い る。 こ の と き の 放 射 照 度 は 2kW/cm2 に 達 し、生する技術を開発した。交流プラズマトーチの利点とし15mm × 100mm 以上の領域を、数秒以上連続的に照射て、例えば、複数のプラズマトーチを用いることにより、する能力を有している。

炉底電極を省略することが可能となり、既存の溶融炉へ取り付けることが容易になることが挙げられる。

8

第１章

1-2-3

アークプラズマ応用技術の特長するため、燃焼時のエネルギーの発生が不安定になる。
これに対し、電気加熱は、加熱エネルギーを電力で供

アークプラズマ加熱技術の産業応用への事例から、以給するため、加熱エネルギーが場で進行する化学反応の下に示すようなアークプラズマ加熱技術が有する特長と、影響を受けにくい。この特長によって、加熱対象物の物

それらによってもたらされるプロセス上の利点をまとめ

理・化学的性質に左右されにくい安定な加熱が達成できることができる。

る。また、加熱場の雰囲気を酸化性、不活性、あるいは①超高温を容易に発生できる。

還元性とプロセスの要求に応じて自由に選択できる。

燃焼加熱で達成できる温度は、3,000K 程度までである。これに対し、アークプラズマを用いれば、5,000K④排ガスが少ない。
この特長は、以下のプロセス上の利点につながる。

を超える超高温を容易に発生させることができる。この・ 排ガス処理設備をコンパクトにできる。

ため、以下のプロセス上の利点が得られる。

・ 加熱の場の流速が小さいため、ダストのような粉体や・ 被加熱物への伝熱を促進でき速い処理速度を達成できる、言い換えれば、プラントを小型化できる。
・ 融点の高い物質も加熱対象となり得る。
・ 吸熱量の大きな化学反応や活性化エネルギーの大きな化学反応を促進することができる。
②エネルギー密度が高い。
アークプラズマ加熱では、加熱対象物への熱流束が非金属加工で発生する切り粉のような微細なものも処理できる。
⑤加熱エネルギーの管理と制御が容易である。
この特長によって、加熱処理の状況や廃棄物の性状に応じた最適な加熱条件の設定などの運転管理が容易になる。
⑥クリーンな加熱ができる。

常に高い。例えば、金属の切断用のプラズマトーチでは、この特長によって、不純物の濃度を抑制する必要があ

アークプラズマの中心軸上の熱流束は、300A の電流でる材料開発、金属の精錬のように材料製造の最終工程に50kW/cm にも達する

近いところへも適用できる。

2。このため、局所的な領域に（4）

大きなエネルギーを与えることができる。しかし、加熱

一方、アーク放電の照明への利用では、高輝度、太陽が局所的になるために、炉全体を効率よく加熱する場合

光と色温度が近い、などの特長がある。近年では、放電には、プラズマトーチを旋回する、あるいは、炉を回転管に封入する発光物質に工夫がなされ、商業施設や舞台する、複数本のプラズマトーチを用いるなどの工夫が必などの照明用のランプだけでなく、光化学反応などに利要になる。

用する紫外線ランプ、赤外域の波長を利用した加熱用ラアークプラズマ加熱も電気加熱の一種であり、その一ンプなども普及している。

般的な特長を以降に示す。
③加熱エネルギーが、加熱の場で進行する化学反応に影響されにくい。
燃焼加熱のように化学反応を利用する場合では、加熱は反応熱によって供給される。したがって、反応熱を供給する化学反応を阻害する要因があれば、加熱エネル
ギーを安定に供給することが難しくなる。一例として、
塩化ビニルのようにハロゲンを含む有機材料の燃焼処理が挙げられる。塩素などハロゲン系の元素は燃焼を阻害

参考文献（1） R. J. Mcculough: Plasmarc furnace, a new concept inmelting metals, J. Metals, vol. 14, p907（1962）（2） UIE Plasma Processes WG: Arc plasma processes - A
maturing technology in industry -, UIE（1988）（3）（社）日本鉄鋼協会 熱プラズマプロセシング研究部会：
熱プラズマ材料プロセシングの基礎と応用、信山社サ
イテック（1996）（4）（社）日本溶接協会：プラズマ切断の基礎と実際、廣済堂産報出版、p16（1983）

電中研レビュー No.54 ● 9

第２章

第２章

放射性廃棄物の減容処理への応用

2-1

低レベル放射性廃棄物の減容処理への応用 ……… 12

2-1-1

低レベル放射性雑固体廃棄物の発生状況

2-1-2

アークプラズマ溶融技術の適用性評価の視点

2-1-3

溶融固化体の物性

2-1-4

溶融時の核種挙動

2-1-5

Cs のスラグ層への捕捉率の推定手法

2-1-6

研究成果の電気事業への貢献

2-2

TRU 廃棄物処理への応用 …………………………… 18

2-2-1

TRU 廃棄物の現状

2-2-2

耐火系るつぼを用いた逐次溶融法の提案

2-2-3

溶融時の核種挙動

2-1 低レベル放射性廃棄物の減容処理
への応用

2-1-2

アークプラズマ溶融技術の適用性評価の視点

第２章

アークプラズマ加熱は、廃棄物の物理・化学的性質に本研究を開始した 1990 年頃では、液体廃棄物を固型左右されずに超高温を容易に発生できる。当研究所は、化処理した廃棄体の第１次埋設処分事業が許可されたとこの特長に着目し、低レベル放射性雑固体廃棄物の一括ころであり、関連法規制などの整備が行われ、廃棄体の処理へのアークプラズマ溶融技術の適用できることを明

技術基準などが定められていた（22）｡ この技術基準を参らかにした（1）～（12）。さらに、最終処分前の放射能量評

考に、低レベル放射性雑固体廃棄物を模擬した試料を溶価に重要なセシウム（Cs）が、溶融固化体に捕捉され融する実験を通し、雑固体廃棄物の一括処理へのアークる割合を推定する手法を確立した（13）～（15）。また、これ

プラズマ溶融技術の適用性を評価するため、次のようにらの処理におけるアークの安定性に関する研究を推進し適用性を評価する基準を設定した。

た

。

（16）
（17）

⑴

2-1-1

低レベル放射性雑固体廃棄物の発生状況

溶融固化体の物性作製した溶融固化体が最終処分に適することを評価するために、以下の物性に対し評価基準を設定した ｡
原子力発電所から固体状で発生する低レベル放射性廃①機械的強度

棄物には、液体廃棄物を固型化処理したもの、発電所の第１次埋設処分では、200ℓドラム缶に固型化された運転や定期点検に伴って発生する金属、保温材などの雑廃棄体は、処分場で鉄筋コンクリートのピット内に積み

固体廃棄物などがある。最近では雑固体廃棄物の溶融固重ねられた後、モルタルで空隙を埋め覆土される。埋設化設備も順調に稼働しており、雑固体廃棄物を溶融固化

時には自重などで破損しないだけの強度が廃棄体に要求した廃棄体も含まれる。低レベル放射性固体廃棄物の年される。溶融固化体は、比重の違いから下部が金属層、間発生量は、2002 年度以降は５～６万本前後で推移し、上部がスラグ層の２層構造となり、このうちの脆いスラ

（18）
（19）

2007 年度の累積保管量は約 60 万本に達している

グ層について一軸圧縮強度を明らかにした。評価の基準

また、低レベル放射性雑固体廃棄物の種類別発生割合

は、第１次埋設処分に用いられているセメント均質固化

の調査結果

（20）
（21）

。

によれば、1992 年度末で、金属類が体の一軸圧縮強度（20 ～ 50MPa 程度）と同等以上であ最も多く、体積割合で 48%、重量割合では 70% 以上をることとした。

占めている。次いで体積割合では、塩化ビニル・ゴム類②均質性の難燃物、保温材の不燃物、フィルタ類が多い。これら

廃棄物を 200ℓドラム缶に直接もしくは圧縮減容しての種類以外に、工事などに伴うコンクリートや、可燃物収納しモルタルを充填する固型化方法に比べ、溶融固化を焼却処理した後の焼却灰などが発生している。

体を 200ℓドラム缶に収納しモルタルを充填する固型化

雑固体廃棄物の特徴としては、その種類が多岐に亘っ

方法は、比重や核種の分布が均一になりやすいという特ていること、また、厳密な分別が難しいこと、融点の高長を持つ。このため、廃棄体に含まれる放射能量の評価

い廃棄物も含まれていることが挙げられる。分別が難しが容易になる。つまり、廃棄体に含まれる放射能量の確い理由として、気体フィルタやケーブル類のように、廃認には、計測の比較的容易な Co-60（コバルト）と Cs-

棄物そのものが金属、不燃物あるいは可・難燃物の複数

137 の放射能量を実測し、他の核種については予め定めの種類から構成されている場合や、金属部品などが養生た適切な係数を乗じて求めるスケーリングファクタ

用のシートで包まれてドラム缶に収納されている場合が（SF）法（23） などが適用される。この際、比重や Co とあることが挙げられる。また、融点の高い廃棄物の例と

Cs の濃度の分布が均一であれば、計測結果の誤差評価

しては、焼却炉の除塵設備で用いられている濾材（セラなどが容易になる。均質性の評価基準は、高周波誘導加ミックフィルタ（C/F）エレメント）や土砂などが挙げ

熱（24）や誘導加熱など（25）（26）による報告を参考にして、られる。

溶融固化体の金属層とスラグ層の各々について、比重と12

模擬核種の濃度の変動係数（標準偏差を平均値で除した

セメント均質固化体の値③核種閉じ込め性
最終処分場では、廃棄体はモルタルを通過した環境水に接する。廃棄体から環境水への核種の溶出率は、処分場の設計などに重要である。ここでは、溶融固化体の脱イオン水中での模擬核種の溶出率を、高レベル放射性廃

400
300
200
100
0

B
C
溶融試料の種類

D

溶融試料の種類
A：炭素鋼、コンクリート
B：炭素鋼、飛灰C：炭素鋼、コンクリート、セラミックフィルターエレメント
D：炭素鋼、飛灰、木液のガラス固化体の結果（27）と比較した。また、処分場の環境水を模擬した溶出液での溶出率も取得し、核種閉溶融時の雰囲気ガス：空気

じ込め性を評価した。

図2-1-1⑵

A

スラグ層の一軸圧縮強度

溶融時の核種挙動
溶融処理では廃棄物を融点以上に加熱するため、飽和

2-1-3

溶融固化体の物性

蒸気圧の高い元素は揮発しやすい。溶融時の核種挙動を明らかにしておくことは、処理時の放射線防護と廃棄体⑴

スラグ層の一軸圧縮強度に含まれる放射能量の確認の観点から重要である。後者

スラグ層の一軸圧縮強度は、JISR1608 に準拠し計測の観点については、SF 法が雑固体廃棄物の埋設処分にした。試験片の大きさは 5mm × 5mm × 15mm（高さ）

おいても適用される場合、飽和蒸気圧の高い Cs が溶融である。図 2-1-1 に溶融試料の種類を変えた場合のスラ固化体に捕捉される割合を明らかにしてくことが重要でグ層の一軸圧縮強度を示す。いずれの試料でも、スラグある。これは、Cs の溶融固化体への捕捉率が 100% に層の圧縮強度は、ばらつきがあるものの第１次埋設処分

満たない場合には捕捉率を考慮して Cs をキー核種とすに用いられているセメント均質固化体の圧縮強度（20る他の難測定核種の放射能量を補正する必要が生じるた～ 50MPa）と比較して高い値である。また、図には示めである。

していないが、第１次埋設処分に用いられているセメン
ト均質固化体の技術基準（22）である 1.5MPa と比較して⑶

低レベル放射性雑固体廃棄物の模擬方法も十分高い値である。なお、ばらつきは、作製した試験

低レベル放射性雑固体廃棄物の発生状況から、これを模擬する試料として、炭素鋼などの金属、コンクリート、

片の圧縮面の平行度が加工上ばらついたことなどが原因と考えられる。

保温材、飛灰、土砂などの不燃物、木材やポリエチレンなどの可燃物を選んだ。また、放射性核種を模擬する元
素には、第１次埋設処分の申請書記載核種を参考に

、

（23）

⑵

均質性
炭素鋼、飛灰、木片を空気比 2 で一括溶融して得られCo、 ニ ッ ケ ル（Ni）、 レ ニ ウ ム（Re）、 ニ オ ブ（Nb）、た溶融固化体中のスラグ層と金属層のそれぞれについて、セリウム（Ce）、ストロンチウム（Sr）、Cs の非放射性

模擬核種の濃度と比重の分布を図 2-1-2 に示す。分析用の 7 元素を選んだ。Re と Ce 以外の元素は、申請書記の試料は、それぞれの層の中心軸上の上下２箇所と、円載核種の非放射性同位元素である。Re と Ce は、それ周方向上の２箇所から採取した。なお、空気比とは、可ぞれ、テクネシウム（Tc）と a 核種の代替として用い燃物を完全燃焼させるために必要な理論的な空気量に対た。これらの模擬試料を模擬核種と共に、当研究所のし、炉内へ注入している空気量の比を表す。すなわち、100kW 級プラズマ溶融処理設備を用いて溶融し、上述

空気比２の条件では、完全燃焼に必要な空気量の２倍のの溶融固化体の物性や溶融時の核種挙動から、アークプ

量の空気を炉内へ注入した条件である。図に示した結果

ラズマ溶融技術の適用性を評価した。

では、金属層の比重、金属層中の模擬核種（Co）の変動係数は、それぞれ、2.8%、1.6％である。また、スラグの比重とスラグ層中の模擬核種（Cs）の変動係数は、

電中研レビュー No.54 ● 13

第２章

一軸圧縮強度 (MPa)値）が 10% より小さいこととした。

0.5
Cs
0

2
1

1 2 3 4
サンプリング箇所

0

0.4

0.2

8

Ni

0.3
Co

6

0.1
0

Reの溶出率のm-2･day-1)
(g･cm

Sr

比重

0.5

比重 (g/cm3)

3

Nb

模擬核種の濃度 (wt%)

4
比重 (g/cm3)

第２章

模擬核種の濃度 (wt%)

比重

1.0

0

100 200 300 400
溶出期間 (day)1 2 3 4
サンプリング箇所

4

溶融試料：炭素鋼●：検出限界以下

図2-1-3

サプリング箇所：1・・・中心軸上の上部
2・・・中心軸上の下部
3・・・中心軸と最外層の中間 4・・・最外層

図2-1-2鉄の腐食速度

1×10-4

1×10-5(2) 金属層(1) スラグ層

1×10-3

溶融固化体の金属層とスラグ層の比重と各層中の模擬核種の濃度の分布

脱イオン水に浸漬した金属層からのReの溶出率の経時変化

以 上 か ら、 金 属 層 か ら の 模 擬 核 種 の 溶 出 率 は、
-4

10 g･cm-2･day-1 未満で、母層の主要な構成元素であるそれぞれ、0.9%、3.4％である。

鉄の腐食速度より小さいことを明らかにした。

上述以外の溶融試料についても、SF 法を適用する際に重要な比重、Co と Cs の濃度変動係数は、ばらつき②スラグ層の核種閉じ込め性の指標とした 10% 以下であり、均質な溶融固化体が作得られた溶融固化体のスラグ層に捕捉された模擬核種製できると判断した。均質な溶融固化体が作製できるた

は、Sr、Nb、Cs、Ce であった。スラグ層から試験片をめ、廃棄体の放射能濃度や放射能量の確認が容易になる。

採取し、MCC-1P 法（静的溶出試験法）に準拠し、これらの模擬核種やスラグの主要構成元素に着目して溶出試⑶

核種閉じ込め性験を実施した。脱イオン水中での溶出試験の結果、脱イ①金属層の核種閉じ込め性

オン水中で検出された模擬核種は Sr のみで、その溶出得られた溶融固化体の金属層に捕捉された模擬核種は、

率 は 10-8g･cm-2･day-1 未 満 で あ っ た。 検 出 限 界 以 下 でCo、Ni、Re であった。金属層から試験片を切り出し、あった他の核種を含め、検出下限値を用いて求めた溶出MCC-1P 法（静的溶出試験法）に準拠し、これらの模擬率は 10-7g･cm-2･day-1 未満であった。

核種の溶出試験を実施した。その結果、溶出溶液に検出された模擬核種は Ni と Re で、Co は検出下限以下であった。また、Re の溶出率は、Ni や Co の場合に比べ
-4

-2

-1

て 高 く 10 g･cm ･day 未 満 で、Ni や Co の 溶 出 率 は
-5

-2

-1

（A）溶出液がスラグ層の核種閉じ込め性に及ぼす影響
高レベル放射性ガラス廃棄物の溶出に関する研究において、ガラスを構成する酸化物や珪酸塩のモル分率と水10 g･cm ･day 未満であった。Re の溶出率が他の元素和反応の自由エネルギーの積を求めその総和が小さい程、に比べて若干高い理由は、Re 以外の金属は、その水酸

ガラスの溶出率が大きくなることが報告されている（29）。

化物が水に溶けにくいため沈殿物を形成しやすいのに対そこで、スラグ層の主要な構成成分の中で水和反応の自し、Re は水中の溶存酸素に酸化され可溶性の過レニウ

由エネルギーの大きな SiO2 に着目し、スラグ層の SiO2ム酸が生成されたためと推測している。Re の溶出率の（二酸化ケイ素）の含有量に対し Sr の溶出率をプロット

溶出期間に対する変化を図 2-1-3 に示す。図には、空気して図 2-1-4 に示す。溶融試料の組成の影響を受けスラ飽和水中での定常状態での鉄の腐食速度も示した。この

グ層中の SiO2 の含有量の低下とともに、Sr の溶出率は

値は、pH が４～ 10 の範囲ではほぼ一定で、（1.0 ～ 2.5）増加した。また、処分場の環境水を模擬したモルタル平

-4

-2

-1

× 10 g･cm ･day である（28）。図に示した Re の溶出率

衡水中での溶出率は、脱イオン水中の場合と比較して小は、溶出期間が 28 日以上で、ばらつきがあるもののこさい。これは、モルタル平衡水では、脱イオン水に比べの値より若干小さい値である。難溶性の水酸化物を形成て Si などの元素が溶出試験の開始時点で既に溶け込んする Re 以外の金属の溶出率は、沈殿物の形成のためにでいるため、脱イオン水に比べ短時間で Si の濃度が飽

鉄の腐食速度よりさらに小さくなったと判断できる。

和し、母層の溶解を制限したと考えられる。この結果は、

14

1×10-8

溶融試料
灰コンクリートセラミックフィルタ
エレメントとコンクリート

金属やアルカリ土類金属が、水に含まれる水素イオンとの電荷交換により選択的に溶け出す過程が報告されている（32）。そこで塩基性の酸化物が多いほど母層の溶解が進みやすいと考え、得られたスラグの主要な構成成分

1×10-9（SiO2：15 ～ 51wt%、Aℓ2O3：2 ～ 26wt%、CaO：0 ～14wt%、FeO：0 ～ 56wt%、MgO：0 ～ 40wt%）から、

2×10-10

0

10

20

30

40

50

60

スラグ中のSiO2の含有量 （wt%）
白抜きは脱イオン水に、黒塗りのプロットはモルタル平衡水に浸漬した結果

図2-1-4スラグ層のSiO2の含有量とSrの浸出率

いくつかの塩基度を定義した。スラグ層からの溶出試験
結果とこれらの塩基度との相関性を評価した結果、これ
らの５つの酸化物のモル分率を用いた塩基度で溶出率が予測できることが明らかになった。結果を図 2-1-5 に示す。図ではスラグの網目構造を形成する Si の溶出率について示した。図から、塩基度が高いほど溶出率は大き脱イオン水を用いた溶出試験を行えば、溶出率を過小評くなることが分かる。これは、塩基度の高いスラグほど価しないことを示している。

イオン結合性が高く、誘電率の大きな水によってその結合が切断されやすくなるためと考える。

（B）スラグ層の核種閉じ込め性の高レベルガラス固化体との比較
低レベル放射性雑固体廃棄物の組成が広範囲に亘って次に、プラズマ溶融で得られたスラグ層からの Si の溶出率を高レベル放射性廃棄物のガラス固化体のそれと比較し表 2-1-1 に示す。表の注に示したように、溶出試いることや、炉内の酸素濃度などの溶融処理条件により、スラグ層は、ガラス質から岩石質まで幅広い性状を呈すを確定できれば、廃棄物の種類が変動した場合でも溶出率を推定でき核種閉じ込め性を評価できる。一方、スラグ層中の核種は、スラグの網目構造を構成する Si などの原子や O などと結合して、網目構造の中に閉じ込め

Siの溶出率 NLSi (g･cm-2)

る。このようなスラグ層に対し、溶出率を決定する変数

10-6

られている。このため、スラグ層からの核種の溶出は、溶出期間：28日

10-7
y
x
10-8
0.0

スラグ層中を拡散して溶出するような機構ではなく、母スラグ層を構成する酸化物は、網目構造を構成する酸

図2-1-5性酸化物と、それを切断する塩基性酸化物に分類できる。

相互作用が強いほど酸性を、弱いほど塩基性を示す（30）。
酸性・塩基性酸化物を含むスラグの性質（正確にはスラ
グ中の酸素イオンの活量）を便宜的に表す指標として、塩基度が用いられる。工業的には塩基度として CaO/
SiO2 の重量比がよく用いられている。しかし、これ以外にも、それぞれの酸化物の重量比の総和の比やモル分率の総和の比、などいくつかの定義がある（31）。

1.0
=

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

(CaOmol% ) + (FeOmol% ) + (MgOmol% )(SiO 2 mol%) + (Al2 O 3mol% )x：雑固体廃棄物の塩基度の範囲
y：プラズマ溶融スラグの塩基度の範囲（FeOが溶融時に多量に生成すると仮定した）れる。

素イオンの相互作用の強さによって判断することができ、

0.5

塩基度 B

層の溶解と共に溶出する機構に支配されていると考えら

酸性・塩基性の違いは、スラグを構成する陽イオンと酸

log(NLSi)= -7.15+0.20×B

表2-1-1

Siの溶出率の塩基度への依存性

プラズマ溶融スラグと高レベルガラス固化体のSiの溶出率の比較

固化体の種類
プラズマ溶融スラグ
PNL76-68
高レベル （アメリカで開発）
ガラス
ABS39
（スェーデンで開発）

溶出率（g･cm-2）

溶出条件
期間
（日）

温度
（℃）
10

SA/V*a（cm-1）
100

91

10*b

100

10*c

100*d

2×10-7
3×10-6
1×10-8*a： （試験片の表面積）／（溶出液の容積）*b： 活性化エネルギーを15kcal/mol(33)として90℃の結果(34)を外挿*c： 活性化エネルギー(27)を用いて90℃の結果(35)を外挿*d： SA/Vと溶出量の関係(34)から推定

電中研レビュー No.54 ● 15

第２章

Srの溶出率 NLSr (g･cm-2･day-1)

スラグが水に接した場合、ガラスに含まれるアルカリ

溶出期間:364日
溶出温度:10℃

準生成自由エネルギ
酸化物の標準ギー
ΔG （ｋJ/mol-O2)

験条件の違いを考慮した。図 2-1-5 から、低レベル放射性雑固体廃棄物の溶融時に FeO が多量に生成されるこス ラ グ 層 か ら の 溶 出 率 は、91 日 の 溶 出 期 間 で 2 ×
10-7g･cm-2 となる。このことからスラグは、ガラス固化体と比較して遜色の無い核種閉じ込め性を有していると判断できる。

NiO
CoO

-200
-400
-600
-800
-1000
-1200

0

500

1000 1500 2000
温度 T (℃)

以上から、スラグ層の溶出については、脱イオン水を
図2-1-7

用いた試験を実施すれば、過小評価しないことが分かっ

酸化物の標準生成自由エネルギーた。また、スラグ層は、高レベルのガラス固化体と比較して遜色のない核種閉じ込め性を有していることが分捕捉されやすい。このため、Co、Ni と Re は金属層へ、かった。

Sr、Nb と Ce はスラグ層へ捕捉されたと考える。また、Cs については、酸化物の標準生成自由エネルギーは、

2-1-4

溶融時の核種挙動

900℃付近より高温側で鉄に比べて大きい。しかし、Csの沸点が 678℃と低いために金属層では安定に存在でき

図 2-1-6 に、炭素鋼、飛灰と木片を一括溶融処理したな い と 考 え ら れ る。 さ ら に、Cs の 酸 化 物 は、350 ～場合の核種挙動の結果を示す。Co と Ni は安定に金属層400℃で分解するため高温では不安定である。しかし、へ、Sr、Nb と Ce は安定にスラグ層へ捕捉された。また、SiO2-Na2O ガラスにおいて、Na2O のモル分率が低い場

飽和蒸気圧が高い Cs と Re については、それらの一部

合に Na が SiO4 の無秩序な３次元の網目構造の中に捕がダストへ捕捉された。ただし、Re は、実験に用いた

捉されているという機構（36）と同様の機構によりスラグ

酸化物の形態では、その沸点が低いため揮発しやすいも層に捕捉されたと考えられる。

のの、溶融時に金属へ還元されやすく、金属の沸点は次に、SF 法（p12 参照）のキー核種である Cs の捕捉

3,000℃以上と高いため、比較的安定に金属層へ捕捉さ率に対し、溶融試料や溶融時の炉内のガスの種類の影響れやすい。

を調べた。その結果、炉内が空気や不活性なガスなら不金属層へ捕捉されるか、スラグ層へ捕捉されるかを判

燃性廃棄物の種類を変えても、50％以上がスラグ層に捕断する目安として、図 2-1-7 に示す酸化物の標準生成自捉された。しかし、図 2-1-8 示すように、炉内を連続的

由エネルギーがある。すなわち、溶湯の主要な構成要素

な還元性の雰囲気とすると Cs の捕捉率は低下した。なである鉄に比べ、酸化物の標準生成自由エネルギーの小さな元素は、酸化されやすくスラグ層へ捕捉されやすい。

金属層

100
80

スラグ層

ダスト

60
40
20
0

Co

Ni

Sr

Nb Cs Ce Re

模擬核種の種類
炭素鋼10kg、飛灰3kg、木片0.44kgを空気比2で溶融処理した。
捕捉率の結果は、捕捉率の合計が80～120％であったので100％になるように規格化した。

図2-1-616

模擬核種の溶融時の挙動

木片を投入した条件
スラグ層へのCsの捕捉率 (%)

逆に、標準生成自由エネルギーの大きな元素は金属層へ捕捉率 (%)

第２章とを想定すると塩基度の最大値は 1.6 と推定されるため、

Cs2O

0

木片を投入しなかった条件
100
ND

ND*

1.9

50

0

ND

ND*

2.1

1.0
0.5
空気比

0.2

鉄、飛灰、木を空気比をパラメータとして溶融し
た条件

3.4

No.1

No.2

No.1：鉄と灰をCOガスを含む雰囲気で溶融した条件
No.2：鉄と灰を空気雰囲気で溶融した条件

図中の数字は排ガス中のCO濃度(vol%)を表す
ND：排ガス中にCOが検出されなかった（検出下限：0.1%）。
＊：実験時には排ガス中の酸素濃度が徐々に低下したことから、実験前にチャンバー内に存在した空気が、木やその熱分解生成物の燃焼に消費されたため、COが検出されなかった。

図2-1-8

Csのスラグ層への捕捉率

同式の右辺の第１項がスラグ表面からの Cs の揮発によ燃物を処理している状態になり、CO、H2、すすなどがる Cs 濃度の減少を、第２項が廃棄物の溶融による Cs

発生し還元性の雰囲気になる。逆に空気比が大きい場合濃度の増加を表している。

には酸化性の雰囲気となる。

AΔwdN= −k · s · N +· (N 0 − N )
Vs
Ws
dt

以上のように Cs の挙動の観点から、炉内が定常的に還元性の雰囲気とならない溶融条件を設定する必要があ

N はスラグ中の Cs 濃度、t は時刻、k は Cs の蒸発速度ることを明らかにした。

2-1-5
⑴

（2-1-1）

定数、As は Cs が蒸発するスラグの表面積（気中と接している面積）、Vs はスラグの体積、Dw は廃棄物の溶融

Cs のスラグ層への捕捉率の推定手法

速度、Ws はスラグ重量、N0 は廃棄物中の Cs 濃度である。

廃棄物の溶融が完了した時点での Cs の捕捉率 Ne（%）

Cs 捕捉率を推定するモデル
Cs は、廃棄体の放射能評価に用いられる SF 法（p12をより簡便に求める方法として、（2-1-2）式を用いるこ参照）のキー核種で、廃棄体に一定割合以上捕捉されるともできる。この導出にあたっては、以下を仮定してい必要がある。しかし、前節に示したように、沸点が低い

る。

ためその一部が溶融処理時に揮発する。そこで、廃棄物・ 溶融が進み溶融したスラグが溶融炉の全域を覆っていの組成や処理時間などが変わった場合にでも Cs の捕捉る（As が溶融炉の断面積 A と等しくなる）。

率を適切に予測するため、Cs の捕捉率を推定する手法

・ 廃棄物の溶融速度は一定とする（Dw が一定）。

を確立した。

・ スラグ表面から Cs が揮発する速度と廃棄物の溶融に

Cs の捕捉率を推定するために構築した溶融処理時のよって Cs がスラグに流入する速度がバランスするよ

Cs の挙動モデルを図 2-1-9 に示す。本モデルは、溶融

うに、スラグ中の Cs 濃度が決定される（dN/dt=0）。

時にスラグ表面から Cs が揮発しスラグ中の Cs 濃度が減少することと（同図①）、同時に、廃棄物の溶融にNe = 1 / 1 +よって廃棄物中の Cs がスラグへ流入しスラグ中の Cs

k·A
·100
Δw

（2-1-2）ρs濃度が増加すること（同図②）を示している。スラグ表r s はスラグの密度である。

面からの Cs の揮発は、廃棄物が完全に溶融した後のス
ラグ中の Cs 濃度の経時変化を計測することによって、スラグの単位体積あたりの表面積とスラグ中の Cs 濃度⑵

Cs の蒸発速度定数に比例すること、すなわち、１次の反応速度式で表せる①スラグ組成の影響ことを明らかにした。このモデルに基づき、溶融時のCs の蒸発速度定数は、溶融する廃棄物の組成が変動

Cs 濃度の経時変化は、（2-1-1）式で表すことができる。

した場合、次式で定義した塩基度 Ki’ で、図 2-1-10 に示すように一義的に表せることを明らかにした。

Ki ' = X CaO +
①

iMgO
iCaO

X SiO2 + 2 ·

スラグ層
金属層
未溶融の
廃棄物

溶融処理時のCsの挙動のモデル

iSiO2
i Al2O3

X Al2O3 + 2 ·iSiO2
iFe2O 3

· X Fe2O3（2-1-3）②①溶融したスラグ層表面からCsが揮発する。
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2-1-9i
X MgO + FeO X FeO
iCaO

XRmOn は酸化物のモル分率を表す。また、iRmOn は酸化物の結合のイオン度を表し、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mg2+、Aℓ3+、
Si2+ の そ れ ぞ れ に 対 し、78、65、57、75、63、51 の 値を用いた（37）。

電中研レビュー No.54 ● 17

第２章

お、空気比が小さい場合には、酸素が不足した状態で可②プラズマの電極点近傍の高温領域の影響
プラズマ溶融では、電極点近傍の高温領域が Cs の蒸の変化などを考慮して、Cs 捕捉率を推定する手法を確立した。

るつぼの内径を変えて溶融スラグの表面積を変えて Cs

2-1-6

研究成果の電気事業への貢献の蒸発速度定数を明らかにした。その結果、溶融スラグの表面積を大きくすると電極点近傍の高温領域の影響度

上述の研究を開始した頃は、低レベル放射性雑固体廃

合いは急激に小さくなり、Cs 蒸発速度定数も小さくなっ

棄物の処理方法として高周波溶融法の研究開発が先行した。実機では、るつぼ断面積がさらに大きいので、電極ていた。同時に、電気事業として、技術の選択肢を増す

点近傍の高温領域の影響がさらに小さくなり、Cs 蒸発

ために他の技術が模索されていた。そのような状況下で、速度定数は、図 2-1-10 に示した結果より小さい値にな

プラズマ溶融法が低レベル放射性雑固体廃棄物の処理へると考えられる。蒸発速度定数が大きいほど、Cs の捕適用できる可能性を示した当研究所の研究成果は、電気捉率は低下するので、図 2-1-10 の結果を用いれば、Cs事業におけるプラズマ溶融技術の実用化進展やその後のの捕捉率は、実機の場合でも過大に評価しないと考えら

技術基準の策定などへ貢献した（38）～（40）。さらに、高周れる。

波溶融法における技術基準の策定などにも役立っている（41）。

③酸化鉄の価数の影響
炉内に酸素が存在する雰囲気で鉄を含む廃棄物を溶融

2-2

TRU 廃棄物処理への応用

2-2-1

TRU 廃棄物の現状すると酸化鉄が生成される。この時、酸化鉄の価数によって、（2-1-3）式で定義したスラグの塩基度 Ki’ が変化する。すなわち、Fe であれば蒸発速度定数が小さ
3+

くなり、Fe2+ であれば蒸発速度定数が大きくなる。そ原子力発電所の使用済み燃料の再処理工程では、半減こで、炭素鋼と種々の組成の不燃性廃棄物模擬試料を溶期の長い TRU（transuranic）核種を含む廃棄物が発生融し、スラグ中の Fe ／ Fe の組成比を調べた。そのする。これらから高レベルの廃棄物を除いたものを結果、この値は 0.2 以上であり、また、スラグの塩基度

TRU 核種を含む放射性廃棄物（TRU 廃棄物）と呼ぶ。

が小さいほど大きくなった。この結果から、スラグ中のTRU 核種とは、原子番号がウランより大きい（超ウラ酸化鉄の組成として、Fe3+ ／ Fe2+ を 0.2 とすれば、Cs

２３９２４１ン）元素を指し、特に、 ２３７
９３ Np、 ９４ Pu、 ９５ Am のの蒸発速度定数を小さく見積もらず、捕捉率を過大に評

相対的な毒性が強い（42）。また、TRU 廃棄物の特徴とし価しないことが明らかになった。

て、以下が指摘されている（43）～（45）。

3+2+①高レベルの廃棄物に比較して発生量が多いことに加え、
以上のように、（2-1-1）式、または、簡易的に（2-1-2）

その種類が、廃液、雑固体、金属、可燃物、不燃物、式を用い、実機と実験炉との相違や溶融時のスラグ組成

燃料棒の被覆管に相当するハル、燃料集合体の端部に

k×10-6 (m/s)

相当するエンドピースなど多岐にわたっている。

Cs蒸発速度定数

第２章

発速度定数に影響を及ぼすことが考えられる。そこで、②廃棄物に含まれる放射能濃度が、ハル・エンドピース
40のように比較的高いものから、核燃料サイクル機構の溶融スラグ表面積：415cm2

30

再処理工程から発生している雑固体廃棄物のようにか

20

なり低いものまで範囲が広い。

100：直線回帰した値
0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

スラグの塩基度

Ki’

2.4

TRU 廃棄物は、核種閉じ込め性の向上と処分場の確保の両面から、圧縮、破砕や溶融などによる減容処理をして処分することが適切である。このうち溶融法は、高い減容率が達成できる。しかし、年間に約 260 t 発生す

図2-1-1018

スラグの塩基度Ki’とCsの蒸発速度定数ると推定されているハル・エンドピースの主な成分であるジルカロイは、その融点が高く、化学的活性も強いた

2-2-2

耐火系るつぼを用いた逐次溶融法の提案

め、溶融自体が困難であること、また加熱に伴う放射性課題がある。

共晶材を添加したり（ジルコニウムは約 20wt% の鉄やニッケルと共晶し融点が 1,000 ～ 1,200℃程度まで低

これらの課題に対し、アークプラズマによる加熱処理

くなる）、長時間加熱したりすることにより、ジルカロ

は、高温を容易に発生でき、また高融点材料の溶融に対イの溶融は促進され、溶融固化体の均質性は高まると考する適度なエネルギー密度を有することから、ジルカロ

えられるが、一方でダストの発生や揮発成分の蒸発も促

イ廃材の有望な方法の一つであると考えられる。しかし進され、るつぼ材の溶け込みも増えることから、何らか

ハル・エンドピースを模擬したジルカロイ廃材のアークの形で少量ずつ短時間加熱することが溶融システム最適

プラズマによる溶融は、海外で実験的に行われた例（46）化の一手段として考えられる。

があるが、国内の実情と異なるため、その適用性を詳細

このため、図 2-2-1 に示すように、ジルカロイ廃材をに検討することは困難である。また TRU 核種は非放射少量投入し、新たに投入された部分だけを短時間加熱し、性の同位体が存在しないため、溶融時の核種挙動の検討

その部分の溶融が完了した時点で次の投入を行い、同様例が少ない。

な加熱を繰り返す溶融法（耐火系るつぼを用いた逐次溶当研究所は、溶融条件の最適化に関連した加熱条件と融 SMRC：Successive Melting with Refractory Cruci-

溶融状態の関係の解明、および、溶融時の核種挙動の推ble）を試みた。金属材料を製造するような場合は、る定を目的とした研究を実施した。その研究成果として、ま

つぼ材料の溶融対象への微量な溶け込みを抑制するためず、融点の高いジルカロイを、エネルギー効率が高くダに水冷銅るつぼを用いることが望ましい。しかし廃棄物ストの発生量も抑制できるプラズマ溶融方法（逐次溶融の溶融固化体を作製する場合は、減容比の低下や核種挙法）を提案した。さらに、TRU 核種を模擬する元素

動への影響がなければ、溶融対象への少量のるつぼ成分

をその熱力学特性から選定し、プラズマ溶融時には TRUの混入は問題がない。非水冷の耐火物系るつぼを用いる

核種はスラグ層へ捕捉されることを明らかにしたことには、むしろ、①万が一の水漏れの危険性を避ける

（47）

。

（48）

プラズマトーチ
アークプラズマ

溶湯

固化体

るつぼ
炉底電極

（a）全量一括溶融の流れ（一度にすべてを溶湯化する。）

固化体（b）逐次溶融の流れ（少しずつ投入し、溶融は表面だけで行い、加熱中に下から徐々に固化させていく。）

図2-2-1

溶融方法の比較

電中研レビュー No.54 ● 19第２章

核種の蒸発の可能性が圧縮法に比較して高いことなどの

ない電力で短時間に溶融が完了するため、ダスト発生量

つぼへの熱伝達が少なく加熱効率が上昇する、③場合にも 1/100 以下と大幅に低減することができた。特にジル

よっては、るつぼごと廃棄体とすることも可能である、カロイ廃材のみを溶融した場合、排ガス経路、チャンなどのメリットがある。

バー内面ともに、計測限界以下のダスト発生量となった。

また、非水冷のるつぼを用いた全量一括溶融の場合、るつぼ内に高温の溶湯を比較的長時間保持する必要があ

2-2-3

溶融時の核種挙動るため、損傷を避けるために、るつぼの材質や形状に制約が生じるが、SMRC を用いた場合、るつぼの損傷をTRU 核種には非放射性の同位元素が存在しないため、低減できるため、るつぼの材質や形状の選択肢が拡がり、核種挙動の推定に重要な元素の熱力学的特性に着目し、同時にるつぼ寿命も長くなると考えられる。

非放射性の模擬核種を選定した。次に、TRU 廃棄物を

図 2-2-2 に、SMRC により作製した溶融固化体を示す。

模擬した⑴ジルカロイ廃材とステンレス鋼、および⑵金僅かな空隙が見られるものの、ほぼ全量一括溶融時と同属と不燃性の廃棄物（炭素鋼と飛灰）を、模擬核種と共様の溶融固化体が得られている。本例では、共晶材なしに溶融し溶融時の核種挙動を解明した。以下にその概要で、合計 2kg のジルカロイ廃材を溶融している。

をまとめる。

SMRC によって 500g のジルカロイ廃材を溶融するために必要な加熱エネルギーと、その際のダスト発生量を、⑴

模擬核種の選定

全量一括溶融の場合と比較して図 2-2-3 に示す。図に示

溶融時の核種挙動に影響を与える熱力学的な特性としすように加熱エネルギーを 1/9 に低減できた。また、少て、核種の飽和蒸気圧と酸化物の標準生成自由エネル
ギーに着目した。これは、飽和蒸気圧の高い核種ほど溶
融時に揮発しやすくダストへ捕捉されやすいこと、また、
雑固体廃棄物を溶融すると金属と酸化物の溶湯が形成され、酸化物の標準生成自由エネルギーの小さい核種ほど酸化されやすくスラグ層へ捕捉されやすいこと、が理由である。さらに、化学的な性質にも着目し、TRU 核種
やウラン（U）と周期表で同属になるランタノイド系の10ｃｍ

元素の中から模擬核種を選定した。TRU 核種（Np、Pu、

図2-2-2 逐次溶融で作製した溶融体断面（ジルカロイ廃材 2kg、41MJ）

Am）や U について、飽和蒸気圧（49）と酸化物の標準生
成自由エネルギー（50）を調査した結果を表 2-2-1 に示す。
表に示すように、TRU 核種や U のこれらの熱力学特性を挟むように、ユーロピウム（Eu）、ツリウム（Tm）、（La）の 5 種類の元素を選定した。

100

120
100

80

80

60

60
40
20

ダスト発生量
加熱エネルギー

図2-2-3402000
全量一括溶融20エ ル ビ ウ ム（Er）、 プ ラ セ オ ジ ウ ム（Pr）、 ラ ン タ ン

溶融試料：ジルカロイ廃材：500g
共晶材の添加：なし
加熱雰囲気：Ar

ダスト発生量 (A.U.)

溶融に必要な加熱エネルギー (MJ)

第２章

ことができる、②るつぼ温度を高く設定できるため、る

逐次溶融

全量一括溶融および逐次溶融での加熱エネルギーとダスト発生量の比較

表2-2-1
熱力学特性

模擬核種とTRU核種の熱力学特性の比較
比較結果

核種挙動への影響

飽和蒸気圧 (Eu,Tm)>Am≒
Er>Pr>Pu>La>U

飽和蒸気圧の高い元素ほどダストへ捕捉されやすい。

酸化物の標 (例えばFe, Siなど)>Np>
準生成自由 U≒Eu>Am≒(La, Pr)>
エネルギー Pu≒(Er, Tm)

金属層やスラグ層の主要な構成元
素（Fe、Siなど）と比較し、酸化物の標準生成自由エネルギーの小さな元素は、スラグ層へ捕捉されやすい。

注 ： TRU 核種と U に を付けた。

⑵プラズマ溶融時の核種挙動な構成元素（Fe や Si など）に比べて小さいためである。
TRU 核種と U の酸化物の標準生成自由エネルギーも、30kW のアークプラズマ加熱により、黒鉛系のるつぼを金属層やスラグ層の主要な構成元素に比べて小さいこと用いて溶融した。なお、溶融には ､ 加熱効率が高くダスから、TRU 核種と U はスラグ層に安定に捕捉されるとトの発生量が少ない逐次溶融法を採用した。

判断できる。

①ジルカロイ廃材とステンレス鋼を溶融した時の核種挙動

以上の結果から、ハル・エンドピース、または金属おダストへの捕捉率の実験結果を、図 2-2-4 に示す。図

よび不燃性の TRU 廃棄物をアークプラズマで溶融しては、ステンレス鋼や模擬核種を投入する際に用いた銅細も、Pu、Np、Am の TRU 核種および U はダストへ捕線に由来する Ni、Mn や Cu についても結果を示した。

捉されにくく、溶融固化体に安定に捕捉されることが明

また、U、Pu、Am の飽和蒸気圧も示した。図に示した

らかになった。核種挙動の観点から、これらの廃棄物のように、ダストへの捕捉率は、元素の飽和蒸気圧で整理

溶融処理へアークプラズマ加熱を適用できると考えられできる。このことから、U、Pu と Am は、ダストへはる。特に、金属および不燃性の廃棄物を溶融処理すると、捕捉されず溶融固化体へ捕捉されやすいと判断できる。

金属層を除染できる可能性がある。

また、Np の沸点は La より高いことから、Np もダストへは捕捉されず溶融固化体へ捕捉されやすいと判断で

参考文献

きる。

（1） 天川正士、足立和郎、安井晋示：プラズマ加熱を用いた低レベル放射性雑固体廃棄物の一括溶融処理技術、
電力中央研究所総合報告、W12（1998）（2） 天川正士、足立和郎、安井晋示：低レベル放射性廃棄物のプラズマ溶融技術の開発（その１）－排ガスに含まれるダストの性状と集塵装置の選定－、電力中央研
究所研究報告、W92012（1993）（3） 安井晋示、天川正士、足立和郎：低レベル放射性廃棄物のプラズマ溶融技術の開発（その２）－可燃物の熱分 解 ガ ス 生 成 特 性 －、 電 力 中 央 研 究 所 研 究 報 告、
W92022（1993）（4） 足立和郎、天川正士、安井晋示：低レベル放射性廃棄物のプラズマ溶融技術の開発（その３）－溶融固化体の諸特性－、電力中央研究所研究報告、W92043（1993）（5） 安井晋示、天川正士、足立和郎：低レベル放射性廃棄物のプラズマ溶融技術の開発（その４）－ C/F エレメ
ント、ステンレス、アルミニウムのプラズマ溶融特性－、
電力中央研究所研究報告、W94018（1995）（6） 足立和郎、天川正士、安井晋示 : 低レベル放射性廃棄物のプラズマ溶融技術の開発（その５）－鉄と木片の溶融体の均質性－、電力中央研究所研究報告、W94041（1995）（7） 安井晋示、天川正士、足立和郎 : 低レベル放射性廃棄物のプラズマ溶融技術の開発（その６）－加熱雰囲気の影響－、電力中央研究所研究報告、W94017（1995）（8） 天川正士、足立和郎、安井晋示：低レベル放射性廃棄物のプラズマ溶融技術の開発（その７）－空気雰囲気で作製した溶融固化体のモルタル平衡水中での浸出率－、
電力中央研究所研究報告、W95005（1995）（9） 天川正士、足立和郎、安井晋示：低レベル放射性廃棄物のプラズマ溶融技術の開発（その 8）－鉄と灰と木を一括溶融処理した溶融固化体の特性－、電力中央研
究所研究報告、W95019（1996）②金属と不燃性廃棄物を溶融した時の核種挙動
模擬核種の金属層、スラグ層、ダストへの捕捉率は、それぞれ 0.2% 未満、79.1 〜 98.8%､0.7% 未満であった。
金属層とダストへの移行はほとんどなく、模擬核種の大部分はスラグ層に捕捉されている。これは、模擬核種の酸化物の標準自由エネルギーが金属層やスラグ層の主要ダストに検出された模擬核種の重量ダストへの捕捉率＝
溶融した模擬核種の重量
投入間隔
5分
4分
3分

×100

チャンバー内面に付着するダストの重量の推定誤差を加味したダストへの捕捉率

ダストへの捕捉率 (%)

150

100
沸点
U(4,402K) > Np (4,150K) > La(3,727K)

50

Pr Cr
La

0

Eu

Cu Er

Ni

Tm
Mn

U

Pu

10-3 10-2

10-1

100

Am

101

102

103

104

105

106

1,800Kにおける元素の飽和蒸気圧 (Pa)

図2-2-4

逐次溶融法の投入間隔を代えた場合の元素のダストへの捕捉率

電中研レビュー No.54 ● 21

第２章

TRU 廃棄物を模擬した試料を模擬核種と共に、20 ～（10）安井晋示、天川正士、足立和郎：低レベル放射性廃棄（26）隅谷尚一、天野治、菊池恂、堀内進、千野耕一：放射物のプラズマ溶融技術の開発（その 9）－可燃物の炉性廃棄物のセメントガラス固化技術、火力原子力発電、第２章

内燃焼処理方法の検討－、電力中央研究所研究報告、
W95032（1996）（11）安井晋示、天川正士、足立和郎：低レベル放射性廃棄物のプラズマ溶融技術の開発（その 10）－廃棄物の組成が Cs の蒸発挙動に与える影響－、電力中央研究所
研究報告、W96015（1997）（12）天川正士、安井晋示：低レベル放射性雑固体廃棄物のプラズマ溶融固化体の核種閉じ込め性－スラグ組成の影響－、電力中央研究所研究報告、W00004（2000）（13）安井晋示、天川正士：低レベル放射性雑固体廃棄物のプ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）（14）安井晋示、天川正士：低レベル放射性雑固体廃棄物のプラズマ溶融時のセシウム蒸発挙動、電力中央研究所
研究報告、W98016（1999）（15）安井晋示、天川正士：低レベル放射性雑固体廃棄物のプラズマ溶融時のセシウム蒸発挙動（その 2）－セシ
ウムを捕捉するための溶融条件－、電力中央研究所研
究報告、W00009（2001-3）（16）足立和郎、天川正士、安井晋示、古川静枝：ゴムを含む雑固体廃棄物のプラズマ溶融処理－アークプラズマの電圧に及ぼす可 ･ 難燃物の影響－、電力中央研究所
研究報告、W97034（1998）（17）足立和郎、天川正士：不燃性粉体の注入による安定化
アルゴンアークの電圧変化とその機構、電力中央研究
所研究報告、W99036（2000）（18）経済産業省 原子力安全・保安院 原子力安全技術基
盤課：平成 19 年度原子力施設における放射性廃棄物の管理状況及び放射線業務従事者の線量管理状況について、（2008 年 6 月）
（19）（独）原子力安全基盤機構：原子力施設運転管理年報
平成 18 年度版（平成 17 年度実績）（20）松村勝秀、平井輝幸、北島英明、林勝、金川裕、谷口俊夫、岡本道明：原子力発電所雑固体廃棄物の廃棄体
作 成 技 術 と 課 題、 放 射 性 廃 棄 物 研 究、vol. 2、p153（1996）（21）菅井研自、小堆忠雄、林勝、松村勝秀、泉田龍男：型式設定方式による固体状廃棄物固化技術の研究（1）固体状廃棄物の組成と特徴、原子力学会 1997 年秋の大会、
J46（1997）（22）火力原子力発電技術協会：やさしい原子力 Ⅳ . 放射性廃棄物の処理 ･ 処分、火力原子力発電、vol. 40、p107（1989）（23）鈴木祐、赤川吉寛、大野弘雄：低レベル放射性廃棄物の輸送および廃棄体確認技術、火力原子力発電、vol.
44、p57（1993）（24）小畑政道、手嶌孝弥、倉橋隆文、金川裕、林勝、刈込敏、赤川吉寛：高周波誘導加熱方式による溶融体の核
種挙動、日本原子力学会 1996 年秋の大会、L30（1996）（25）中村寿、金沢勝雄、佐藤孝幸、山手一記、藤木和男：放射性金属の溶融基礎試験、デコミッショニング技報、
No.9、p41（1993）

22

vol. 40、p447（1989）（27）横山速一：高レベル廃棄物固化体の浸出性（その 8）－浸出性に及ぼす浸出層の影響（動的試験条件）－、
電力中央研究所研究報告、T86049（1988）（28）H.H. ユーリック他：腐食反応とその制御（第 3 版）、産業図書（1994）（29）C. M. Jantzen and M. J. Plodinec : Non-Crystalline
solids, vol. 67, p207（1984）（30）大 谷 正 康： 鉄 冶 金 熱 力 学、 日 刊 工 業 新 聞 社、p142（1986）（31）日本金属学会編：講座・現代の金属学 精練編 1 鉄鋼精練、p33（1991）（32）A. Barkatt et al. :Mechanisms of defense waste glassdissolution, Nuclear Technology, vol. 73, p140（1986）（33）佐々木憲明：高レベル放射性廃棄物ガラス固化体の化
学的耐久性、セラミックス、vol. 18、p592（1983）（34）L. R. Pederson, C. Q. Buckwalter, G. L. McVay and B.
L. Riddle: Glass surface arear to solution volume ratio
and its implications to accelerated testing, Symposium
on Scientific Basis for Nuclear Waste Management（6th）Boston, 47（1983）（35）塚田毅志、横山速一：高レベル廃棄物固化体の浸出性（その 6）－浸出性に及ぼす固化体表面層の影響（脱塩水中の静的試験）－、電力中央研究所研究報告、285054（1986）（36）作花済夫、境野照雄、高橋克明著：「ガラスハンドブッ
ク」、p905、朝倉書店（1991）（37）ベ・ ハ・ ハ ン 他： 鋳 造 石 の 製 造 技 術、 日 ソ 通 信 社（1974）（38）日本原子力発電株式会社：敦賀発電所原子炉設置変更
許可申請書（１号及び２号原子炉施設の変更） 本文及び添付書類（1997 年８月）
（39）（財）原子力安全技術センター：平成９年度放射性廃棄物処理処分対策調査研究 調査報告書 雑固体廃棄物の確認方法に関する調査研究（1998 年）（40）原子力安全基盤機構：平成 15 年度放射性廃棄物処分安
全技術調査等報告書（2004）（41）原子力安全基盤機構：日本原子力発電（株）東海発電
所 の 充 填 固 化 体 に 係 る 廃 棄 体 確 認 方 法 に つ い て、
JNES-SS-0613（2006）（42）大江俊昭、満木泰郎、田中博、河西基：高レベル放射性廃棄物地層処分時の人工バリアの予備的検討、電力中央研究所研究報告、T88002（1988）（43）辻野毅：燃料リサイクルにおける TRU に関する研究、第 20 回記念原子力安全性研究成果報告会要旨集（日本
原子力研究所）、p6（1992）（44）原子力委員会放射性廃棄物対策専門部会：TRU 核種を含む放射性廃棄物の処理処分について、原子力資料、vol. 249、p1（1991）（45）森山昇：TRU 廃棄物の処理処分、保健物理、vol. 23、
p343（1988）（46）R. D. Peters and W. A. Ross: Plasma Melting of NonIrradiated Fuel Assembly Hardware: Initial Testingand Evaluation, Radioactive Waste Management and（49）J. L. Margrave ed. : The characterization of hightemperature vapors, John Wiley & Sons, Inc., p.478（47）足立和郎、古川静枝、天川正士：アークプラズマによるジ
ルカロイ廃材の溶融、電力中央研究所研究報告、W97029（1998）（48）天川正士、足立和郎：TRU 廃棄物のプラズマ溶融時における核種挙動、電力中央研究所研究報告、W98010（1999）（1967）（50）Outokumpu Research Oy：Chemical reaction andequilibrium software with extensive thermochemical
database ver.3.0（1997）

電中研レビュー No.54 ● 23第２章

the Nuclear Fuel Cycle, Vol. 11（4），pp.333-345,（1989）

アスベストの無害化と再資源化への応用

3-1

アスベスト廃棄物の法規制 ………………………… 26

3-2

アスベスト廃棄物の無害化 ………………………… 26

3-3

アスベスト廃棄物の溶融スラグの再資源化 ……… 28

第３章

第３章

3-1

アスベスト廃棄物の法規制

3-2

老朽化した火力発電所の改修工事や原子力発電所の廃アスベスト廃棄物の無害化

当研究所は、1998 年度に、アスベスト廃棄物に加えて、

第３章

止措置などでは、アスベストを含む保温材が発生する可アスベスト除去作業時に発生する金属やコンクリートな能性がある。保温材のような飛散性アスベスト廃棄物のどを一括溶融でき、かつ大幅な減容比も得られるアーク処分については、1992 年７月に施行された廃掃法（廃プラズマ加熱を用いて、アスベスト廃棄物を溶融無害化

棄物の処理および清掃に関する法律）の改正で、二重梱し、さらに、下層路盤材として再利用できることを確認

包または固型化し管理型最終処分場で処分すること、ました（2）（3）。また、溶融状態にあるスラグから、直接、

たは、高温溶融処理し安定型最終処分場で埋立処分する骨材を製造する技術開発を進めた（4）。

ことが定められた。この時点では、中間処理としては高温による溶融のみが認められていた。また、溶融炉の要
求温度が概ね 1,500℃以上で、アスベストの中で最も融点の高いクリソタイル⑴

実験方法
アスベストを含む保温材として表 3-1 に示す６種類をの有害な繊維構造を消滅さ選定した。市販の保温材にはアスベストが含まれていな（1）。その後、アスベストがいため、当時、入手可能であったクリソタイルを混入し大きな社会問題となり、廃掃法が改正された。すなわち、試料とした。クリソタイルは融点、比熱ともアスベスト

2006 年 10 月には、アスベスト廃棄物の基準が厳格化の中で最も高いため、溶融しにくいと考えた。また、ア（アスベストの含有量が 1％を超えるものから 0.1％を超スベストが規制される前の保温材に含まれたアスベストえるものへ改正）され、これとほぼ同時の同年８月には、の使用実績から、重量割合で 5 ～ 10% を混入した。そ高温の溶融などによる高度技術による無害化処理の確保の他に当時市販されていた石綿クロスおよび石綿スレーを促進・誘導するため、特例制度（無害化処理認定制

トも選定した。さらに、建築廃材などの混在を想定して、度）が創設された。この制度は、国が個々の施設の安全

炭素鋼やコンクリートを加えた試験も行った。また、表性を確認して、廃棄物処理施設の設置許可及び処理業の中でスチール缶と記載したケースでは、アスベスト試料

許可なしに、高度な技術を用いて無害化する処理を行うを十数個のスチール缶に分けて封入し炉内へ間欠投入し者を個々に国が認定するものである。しかし、この制度た。試料番号 g の条件では、溶融試料の全量を予め炉が発足し２年が経過した 2008 年度末では、認定を受け内に装荷した。

（注 1）せることを前提としていた

溶融実験を行う際には、空気を炉内へ注入し（1m3N/た事例はない。

h）、炉内圧力が微負圧一定となるように排ガス吸引量を制御することで、プラズマ炉からアスベストが飛散し（注 1）：アスベストは、繊維状の天然の鉱石で 6 種類ある。この中で、保温材としては、クロシドライト（融点：1,193℃、比熱：0.84
kJ/（kg・K））、アモサイト（融点：1,399℃、比熱：0.81 kJ/（kg・K））とクリソタイル（融点：1,521℃、比熱：1.1kJ/（kg・K））が用いられていた。

表3-1
試料 炭素鋼 スチール缶 コンクリート
[kg]
[kg]
番号 [kg]26

ないよう安全に配慮した。
クリソタイルの無害化を評価する方法として、スラグの SEM（走査型電子顕微鏡）写真による繊維構造の消失の観察と、X 線回折分析による結晶構造の消失から確

溶融試料
アスベスト
種類

[kg]

a

-

1.00

-

3.14

水練り保温材+クリソタイル（10％）

b

-

2.81

-

3.00

パーライト保温材+クリソタイル（5％）

c

-

3.28

-

3.04

ケイ酸カルシウム保温材+クリソタイル（10％）

d

-

1.70

-

3.00

石綿クロス

e

-

0.85

-

2.94

石綿スレート

f

-

1.31

-

3.00

クリソタイル

g

10.1

-

1.50

1.50

ケイ酸カルシウム保温材+クリソタイル（10％）

認した。また、スラグを再利用するための化学的安定性を「環境庁告示 46 号」に準拠した溶出試験により評価した。
(a) 水練り保温材⑵

実験結果
まず、アスベストの繊維構造と結晶構造が、アークプ

ラズマ溶融により消失することを確認した。アークプラ
ズマで溶融した各試料について、図 3-1 に溶融前後の(b) パーライト保温材

第３章

SEM 写真と、溶融後のスラグの外観を示す。SEM 写真
による観察から繊維構造が完全に消失していることが確認された。スラグの外観として、水練り保温材およびパーライト保温材を溶融した場合のスラグはガラス状となり、それ以外は結晶質の岩石状となった。スラグがガ(c) ケイ酸カルシウム保温材

ラス質になるか結晶質になるかは化学組成に依存する。
水練り保温材およびパーライト保温材はシリカ（SiO2）の濃度が高くて塩基度が低いため、ガラス質のスラグとなった。一方、ケイ酸カルシウム保温材および石綿ス(d) 石綿クロス

レートはカルシア（CaO）の濃度が高く、石綿クロスおよびクリソタイルはマグネシア（MgO）の濃度が高い。
また、一括溶融試験では、溶融固化体の酸化鉄の濃度が高い。これらは塩基度が高いため、結晶質のスラグになった。

(e) 石綿スレート

次に、スラグの X 線回折分析結果から、いずれの試料を溶融したスラグでもクリソタイル特有のピークが検出されないことを確認した。一例として水練り保温材の結果を図 3-2 に示す。この溶融固化体は、スチール缶に由来する金属層の上部に、保温材に由来するスラグ層が(f) クリソタイル形成された２層構造となっている。スラグ層について、内部、金属との界面、るつぼとの界面、上面の４箇所か
ら分析用の試料を採取した。図 3-2 にはこれらの結果を

50μm

図3-1

溶融試料のSEM写真とスラグの外観およびSEM写真示している。
さらに、環境庁告示 46 号に準拠したスラグの溶出試

クリソタイル（Mg3Si2O5(OH)4）のピーク

験では、すべてのスラグについて規定されている重金属
ず、一般廃棄物の溶融固化物に係わる目標基準を満足した。以上から、溶融で得られたスラグの化学的安定性を

内部
試料

強度 (CPS)類（5）は表 3-2 に示すようにすべて溶出液中で検出され金属層との界面スラグ

るつぼとの界面上面確認した。
最後に、アスベスト保温材などの溶融前後の比重から、溶融による減容比を求めたところ、約５% ～ 40% とな

10

20

40

50

60

70

2θ

り、大きな減容比が得られた。
以上から、アスベストは、その組成や溶融条件によら

30

図 3-2

X 線回折結果（試料：水練り保温材）

電中研レビュー No.54 ● 27

表3-2
項目

スラグの溶出試験結果

表3-3

溶出基準（mg/ℓ） 溶出試験結果*1 検出限界値（mg/ℓ）

カドミウム

0.01以下ND

5×10-4路盤材試験結果
道路用路盤材料の規定値

項目

表層・基層

上層

下層

溶融
スラグ

鉛

0.01以下ND

5×10-3

表乾比重(g/cm3)

≧2.45

－

－

2.62

六価クロム

0.05以下ND

5×10-2

吸水率

(%)

≦3.0

－

－

0.06

砒素

0.01以下ND

2×10-3

≦30

≦50

≦50

35.9

総水銀

0.0005以下

ND

5×10-4

すり減り減量 (%)
(%)
安定性

－

≦20

≦20

0.0

0.01以下ND

2×10-3

(%)

－

≧80

≧20

12.8

セレン

修正CBR

注）溶出試験の方法は、環境庁告示46号に定める方法とした。
*1：全ての溶出試験で、重金属類は溶出液中から検出されなかった。

第３章ず、プラズマ溶融処理することによりアスベストとしての特質が消滅し、化学的に安定なスラグとなることを明

表乾比重：骨材が吸収できる水分を全て吸収し、かつ、表面が湿潤していない状態での骨材の比重。
吸 水 率：表乾比重と絶乾比重の差の絶乾比重に対する割合。
絶乾比重：骨材が含水していない状態での比重。
すり減り減量：摩耗による耐久性を確認する試験。ロサンゼルス試験機と呼ばれる鋼製円筒容器内に、鋼球と骨材を入れて回転させ、回転の前後での骨材の質量の減少量を回転前の質量で除して求められる。
安 定 性：骨材の凍結融解に対する耐久性を評価する試験。
修正CBR：締め固められた時の支持力を評価する試験。

らかにした。
下層路盤材のように、比較的大きな塊状で利用する場

3-3 アスベスト廃棄物の溶融スラグの再資源化

合と異なり、スラグを骨材として利用するには、何度も粉砕・摩砕して粒度調整を行う必要があり、時間とコストがかかる。そこで、溶湯を冷却された回転漏斗に出湯

アスベスト廃棄物は、比重が小さく特別管理廃棄物でし、溶融スラグを斜面上に分散・滑落させることで、あるため最終処分場まで運搬して埋め立て処分するには、20mm アンダーの球状の骨材を直接製造する研究を実施

運搬費も処分費も非常に高い。そのため、アスベスト廃した。

棄物の溶融スラグの再資源化は経済的にも成立する余地

図 3-3 に回転式溶融スラグ骨材化装置を示す。100kWが十分にある。一方スラグは、路盤材やコンクリート用級プラズマ溶融処理実験設備に合わせ、数十秒間出湯し骨材などとしての需要が期待されている。

たスラグ（出湯速度 30g/s 相当）を骨材にする規模で、クリソタイル含有水練り保温材を溶融したスラグは一番強度の低いガラス質であるものの、JIS に準拠したそ

回転漏斗、骨材回収機構、冷却機構、分散機構などから構成される。

の ス ラ グ の 路 盤 材 試 験 は、 表 3-3 に 示 す よ う に 修 正

プラズマ溶融処理実験設備で加熱溶融した珪酸カルシ

CBR 以外を満足した。修正 CBR は、比較的入手が容易

ウム系保温材を骨材化する実験では、アークを消弧後、な砕石ダストを 30% 以上混合することで下層路盤材料手動制御でるつぼを傾動させて、溶融スラグを骨材化装の規定値を全て満足することを確認している。

置に出湯した。炉内に設置した骨材化装置は、出湯直前

溶融スラグ

骨材化条件
（溶融スラグが滑落する時間）
斜面との衝突により分散させる
漏斗上を滑落させることで冷却
固化させる（溶融スラグが冷却固化する時間）

回転漏斗

球状の骨材が得られる【骨材化手法の仕組み】

図3-3

28

考慮した溶融スラグの現象
・円周方向および斜面方向の溶融スラグの運動方程式
・溶融スラグの伝熱方程式

回収容器【モデルの原理】

溶融スラグ直接骨材化手法および骨材化条件を計算するモデルの概要

に所定の循環冷却水流量と回転速度に設定して運転し、当研究所が進めてきた無害化に関する研究成果は、必要に応じて空気吹き付けや水噴射を行った。図 3-4 に

1,500℃以上の溶融法として、NEDO が実施した「アス得られた球状のスラグを示す。図に示すように比較的球

ベスト含有建材等安全回収・処理等技術開発」の中で、状に近いスラグを得ることができた。

最新の技術動向として紹介されている（6）。

現在は、出湯方法や分散機構を改善することで、骨材

参考文献

組成変動時の対応とその際の骨材の品質確保、連続運転（1） 廃石綿等処理マニュアル、特別管理廃棄物シリーズⅡ：
厚生省生活衛生局水道環境部 作業廃棄物対策室監修、（財）廃棄物研究財団編、化学工業日報社（1993）（2） 安井晋示、天川正士：アスベスト廃棄物のプラズマ溶
融無害化・再資源化技術、第 15 回電熱大会予稿集、
p49（2000）（3） 安井晋示、天川正士、山崎克男、門井英一：再利用化に向けたアスベスト廃棄物のプラズマ溶融処理技術、電気学会論文誌、Vol.120-A、p335（2000）（4） 池田弘一、天川正士、安井晋示：プラズマ溶融によるスラグ再資源化技術の開発－アスベスト廃棄物のスラ
グ直接骨材化手法の提案と基礎的検討－、電力中央研
究所研究報告、W03005（2004）（5） 通達文書「生衛発第 508 号」、厚生省生活衛生局水道環
境部、（平成 10 年 3 月）
（6） 山下勝、今西信之：アスベスト対策の現状と NEDO における対策技術の最新動向、資源環境対策、Vol. 44、
No. 3、pp. 30-35（2008）

時の信頼性検証、骨材生成に最適なプロセスの確立などの課題を克服することで、最終的には処分場の延命や循環型社会の構築に貢献していきたい。

回転式溶融スラグ骨材化装置の運転条件
回転速度 ：3 rps
背面冷却水：50ℓ/min
噴霧冷却水：なし

図3-4

作製した骨材の一例

電中研レビュー No.54 ● 29

第３章の回収率向上を検討している。引き続き、溶融スラグの

第４章

4-1

プラズマを用いた除染技術とその特長 …………… 32

4-2

酸化皮膜の除去と推奨処理条件 …………………… 33

4-2-1

適用可能な酸化皮膜種類

4-2-2

減圧アークの推奨処理条件

4-3

Co-60 含有腐食生成物皮膜に対する除染性能 …… 34

4-3-1

配管形状小試験片を用いた場合における評価

4-3-2

Co の汚染形態に対する依存性

第４章

放射性廃棄物乾式
表面除染技術への応用

4-1 プラズマを用いた除染技術とその
特長

除染
物理的方法

化学的方法

原子力施設などで行われる除染は、様々な目的や対象があり、これらに合わせ多くの種類がある（1）。このうち、移行形アーク法

プラズマジェット法

非平衡プラズマ法

表
面
溶
融
法

R
F
プ
ラ
ズ
マ
法

主な既存の技術は、化学除染液を使用するものと、ブラスト処理によるものがある。比較的新しい除染技術として、レーザーを用いた方法（2）（3）やプラズマを用いた方-法（4）（5）がある。
原子力発電所の冷却水系統に化学除染液を循環させ行
う系統除染は、数週間に及ぶ大規模な除染工程であるが、その効果も大きい。しかし、除染工程によって発生する

一部研究に着手されている

二次放射性廃棄物として化学除染液が発生するという課題が指摘されてきていた。この様な中で、炭酸ガスと水

第４章

図4-1

プラズマを用いた表面除染技術の分類に分解できる CORD 法（6）などのように二次廃棄物を低減した除染方法も開発されており、浜岡原子力発電所などに適用されている（1）。一方、ブラスト除染に関しては、

アークプラズマを指す。図 4-2 ⒜に減圧アークの写真を

美浜発電所における蒸気発生器への適用例がある示す。その内部に輝度が高い陰極点が観察できる。また、。

（1）

ブラスト除染に対する二次廃棄物低減対策としては、耐図 4-2 ⒝に減圧アーク除染原理の模式図を示す。表面に摩耗性に優れたブラスト材を用い、除染後に付着物を除

酸化皮膜を持つ金属基板を陰極とすると、酸化皮膜を選

去後、再利用したり、氷、ドライアイスといったブラス

択的に溶融 ･ 蒸発させ、熱的に効率良く除去する特長をト材を用いた除染方法が開発されたりしている。こ

持つことが古くから知られている（9）。陰極点が酸化皮

れらの除染技術に関しては、その技術の向上は目覚まし膜を求めて動く現象が起こる理由は、酸化皮膜に覆われいている箇所からは電子が効率良く放出されるため、陰極

（1）

（7）

が、依然として二次廃棄物の低減が課題になって点がここを探し動き回るからと推定されている（9）。一方、いる。
プラズマを用いた除染技術は、化学除染液やブラスト

酸化皮膜で覆われた陰極からの電子の放出のメカニズム

材が必要ないため潜在的に二次廃棄物を低減できる、熱に関しては様々なものがあり（10）、また、仕事関数の厳的な作用により除染を行うため比較的処理対象の性状を密な測定が困難であることなどからその詳細は不明であ選ばない、発生方法が多様であるので除染原理としてると考えられる。また、酸化皮膜を除去するのが得意な

様々な種類がある、といった特長がある。図 4-1 に種々減圧アークであるが、酸化皮膜が除去された後の金属基のプラズマを用いた除染の分類を示す。高温で熱的

板上に対しても形成し得る。このため、母材金属中に存に除染する方式のものは、処理速度が速い反面、対象物

在するコバルト（Co）も、その母材金属と共に溶融 ･への熱負荷などが大きく、例えば、表面組織の変化や凹

蒸発、除去することができる。ただし、電子放出のメカ

凸などの影響が現れると予想される。一方、プラズマ中

ニズムは、酸化皮膜で覆われた金属基板を陰極としていのラジカルを利用するような方法は、プラズマの重粒子

る場合と酸化皮膜が除去された金属基板を陰極としてい（中性の分子や原子、イオン）の温度が相対的に低く、る場合とで異なっていると考えられる（10）。

（8）

処理速度が遅いが、対象物への熱負荷が少ない。
減圧アークは、図 4-1 における気中アーク法の一種で、減圧下で処理対象を陰極（逆極）とした直流の移行形

32

本章では、減圧アークが、原子力発電所の高温・高圧の冷却水環境下で形成される放射性腐食生成物皮膜の乾式表面除染技術へ適用できることを示す。

減圧
アーク

10ｍｍ

陽極

処理対象(陰極)

陰極点(a) 減圧アークの写真（アーク電流：60A、チャンバー内の圧力：20（Pa）、ガス種：Ar）※陽極内の輝点は陰極点の反射である。

減圧アーク
酸化皮膜

放射性核種

放射性ダスト

陰極点

母材金属

熱流束
(2) 着火(3) 酸化皮膜の蒸発(4) 陰極点の移動(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(8) 母材金属内の放射性核種の除去（1） 処理前(5) 酸化皮膜の除去

第４章(b) 減圧アークの除染原理の模式図

図4-2

4-2

減圧アークとそれを用いた除染技術の原理

酸化皮膜の除去と推奨処理条件

板、非放射性 Co 付き熱酸化皮膜試験片を併用した。
はじめに、減圧アークを腐食生成物皮膜に適用しこの

4-2-1

適用可能な酸化皮膜種類除去を試みた。
実験後の試験片の写真例、SEM 写真例を処理条件と供試試料は、Co-60 を含む腐食生成物皮膜試験片とし共に図 4-3 に示す。図に示すように除去後の試験片の表

た。この他に、実験の目的に合わせ、黒皮付き炭素鋼鋼

面には、何れも腐食生成物特有の黒色が消失しており、

5μm

50μm

(a) 減圧アーク処理前

50μm(b) 減圧アーク処理後（処理条件：ガス種：Ar、圧力：40（Pa）、電流：60（A））

図4-3

減圧アークの適用前後の試験片の写真およびSEM画像

電中研レビュー No.54 ● 33

表4-1

酸化皮膜の除去を確認した模擬放射性廃棄物試験片
平板 10×20mm～100mm角
配管 φ39×100mm～φ114×200mm

形 状
母材の金属材質

SUS304、SUS316L、SUS430
インコネル 600、S50C、SS400

酸化皮膜の種類（組成、膜厚）Co－60含有腐食生成物皮膜（Fe2O3、FeCr2O4など、1～2μm）
熱酸化皮膜（FeCr2O4など、1～2μm）、黒皮（Fe3O4、7μm）

り高い Co 除去率を達成できた。ガスと Co との化学反応による除染効果は確認できなかった。

4-3 Co-60 含有腐食生成物皮膜に対する除染性能4-3-1

配管形状小試験片を用いた場合における評価

金属光沢が観察された。SEM 写真において、試験片表面の様相を除去前後で比較すると、除去後には試験片表
面の数ミクロンオーダーの結晶粒界が消失している。そ放射性廃棄物には、配管形状の廃棄物も多く発生する。

の他の X 線回折法、オージェ電子分光分析などの表面

例えば、軽水炉の解体廃棄物では、金属廃棄物のうち約分析結果を併せ、腐食生成物が除去されたことが確認で２割が配管形状であり、このうち 100A（f 114）以上のきた。

内径のものが９割以上を占める。特に内径が小さい配管

当研究所において、酸化皮膜除去の実績がある試験片

第４章を表 4-1 にまとめる。

の場合、陽極の掃引などと共に、除染時に発生するダス
トが既に処理済みの表面に付着する再汚染などの懸念が
ある。

4-2-2

減圧アークの推奨処理条件

そこで、Co-60 を含む腐食生成物をその内面に持つ配管形状試験片（内径 f 39 × 100mm）を選択し、これを減圧アークの処理条件としては、減圧アークのガス種

用いて Co-60 に対する除染性能を評価した（13）。この時類などがある。これらは、処理速度などに影響を及ぼす。

の処理条件は、表 4-2 にまとめた推奨処理条件を参照しこれらのパラメータに対して、実験的に見出した推奨処た。陽極は、配管内面を広く処理できる様、掃引した。

理条件を表 4-2 に示す。例えば、Co 除去率の減

図 4-4 に減圧アーク繰返し処理時における Co 除去率

圧アークのガス種に対する依存性としては、腐食生成物の向上の様相を示す。図内の括弧付きの番号は、図 4-2

皮膜を除去した時点で比較すると、圧力 50Pa 程度では、⒝中の番号に対応する。腐食生成物皮膜除去時におけるいずれのガスの場合も大差なかった。しかし、その後、

Co 除去率は 60% 程度であった。この理由は、処理前の減圧アークの繰返し処理により母材金属表面に残留した試験片の母材金属表層内に試験片全体の約 30% の Co がCo を除去する際には、H2 が最も処理速度（ここでは、含まれていることと、酸化皮膜除去時に酸化皮膜内の単位クーロン量当たりの Co 除去率）が速く、Ar はほ

Co の一部が母材金属内に移行し残留するためである（14）。

ぼ同程度であった。単位クーロン量あたりの母材金属のすなわち、酸化皮膜内の Co-60 に対する割合としては、蒸発量を高くできたガス種が同じクーロン量に対してよ85％程度が除去でき、15％程度が母材金属内に移行した

（11）
（12）

こととなる。この後、減圧アークの繰返し処理により
表4-2
項目

推奨
条件

減圧アークの推奨処理条件

成することができた。
備

考

ガス種

Ar

Arに加え、エンタルピーが高いなどの特長を持つH2、Coとの化学反応による除染効果が期待されるCOと
CF4/O2混合ガスを選択した。H2が最も処理速度が速
く、Arはほぼ同程度である。ただし、不活性であるた
め、工学的にはArの方が使い易い。

電流

60A

除染性能は40～60Aの範囲では電流に依存しない。
処理量はほぼクーロン量に比例するので、電流値が大きい方が処理時間を短くできる。

電極−試験
片距離

1～
短い方が、減圧アークの陰極点が極端に分散せず、20mm 集中した処理領域が得られる。

雰囲気ガス
の圧力

50Pa

34

Co 除去率は向上し、最終的に Co 除去率 90％以上を達

低圧の方が陰極点がよく動き回り、処理速度が速い。

配管の形状としては、この f 39 × 100mm に加え、非放射性 Co を含む熱酸化皮膜をその内面に付与した f
114 × 200mm の試験片によっても Co 除去率を評価し、約 90% の除去率を確認した。処理過程では、一度除染された箇所が別の箇所の処理時に再汚染されている可能性があるが、再汚染された Co も含めて除去でき、最終的に約 90% の除去率を達成できたことが確認できた。
また、この時に要した電荷量は、Co-60 含有腐食生成(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
100

φ

60

(5)酸化皮膜の除去

40(3)酸化皮膜の蒸発→(4)陰極点の移動

39

100

Co-60除去率 (%）8020(1)処理前→(2)着火
0

0

2

4
6
8
電荷量(×104 C）

10

12(a) Co-60除去率(b) 配管形状試験片（a）図の（ ）の数字は、図4-2（b）中の番号に対応している。
（ガス種：Ar、アーク電流：60A、ギャップ長：2mm、圧力：約50Pa）

第４章

図4-4

Co-60含有腐食生成物皮膜付き配管に対する減圧アークの除染性能物皮膜試験片に対して、単位面積あたり 310A・s/cm2であった。これは 1 ～ 2cm 角の平板形状の小試験片の100

場合の 400A・s/cm2 に比較して、同等もしくは小さく

80
Co除去率(%)

なる方向であった。これらの結果から、本除染技術の大型廃棄物への適用に際して、処理に必要とする電荷量は、
小試験片に対して必要な電荷量から予測できると考えら
れる。

60

40
雰囲気ガス：Ar
圧力：約50Pa
アーク電流：60A
ギャップ長：2mm
処理時間：3秒

20

4-3-2

Co の汚染形態に対する依存性0

例えば、腐食生成物皮膜などの場合のように、Co がる場合では、放射性核種による処理対象の汚染の状況は顕著に異なっている。そこで、これらの相違を想定し、

20

40

60

80

100

酸化皮膜内でCoが分布している
表面からの深さ(%)

酸化皮膜内に深く分布している場合と、定期点検などで使用する工具などのようにその表面のみが汚染されてい

0

図4-5

減圧アーク除染性能の酸化皮膜内のCo分布深さに対する依存性（酸化被膜の厚みは1〜2μm）

Co の汚染形態が除染性能に及ぼす影響を調べた（12）。
この結果、図 4-5 に示す様に、酸化皮膜内で Co が分布している深さが母材金属との境界付近まで深く分布し参考文献ている汚染形態であると、酸化皮膜除去時の母材金属表（1） 社団法人 日本原子力学会 編、原子炉水化学ハンドブッ
ク、コロナ社、（2000）（2） 上原実、伊藤俊行、豊田正三郎、岩崎行雄、原邦男、
宮尾英彦：B205 パルスレーザーによる表面除染、日本機械学会第 7 回動力・エネルギー技術シンポジウム講
演論文集、p341（2000）（3） 小川竜一郎、福井康太、谷本健一：レーザー除染技術の開発、サイクル機構技報、vol. 15、No. 6、p59（2002）（4） 中澤修、田代清、須藤収、｢ 真空アーク放電による除層への Co の移行が顕著になることがわかった。ただし、この様な場合でも、図 4-4 に前述した様に、母材金属表層内の Co を除去できることから、最終的に処理可能であると判断できる。

電中研レビュー No.54 ● 35

染技術の開発 ｣、日本原子力学会 ｢2000 年秋の大会 ｣、（10）武田進：気体放電の基礎、東京電機大学出版局、（1990）

J5（2000）（11）古川静枝、足立和郎、藤原和俊、天川正士、神戸弘巳：（5） M.Suzuki, H.F.Windarto, T.Matsumoto, K.Sakagishi,‘Microwave plasma decontamination of radioactive
material operated at atmospheric pressure’，15 th

第４章

International Symposium on Plasma Chemistry, II-623（2001）（6） 山内章義、高木敏夫、佐藤義雄、加藤裕明、藤田剛：
浜岡原子力発電所 1 号機における原子炉再循環系シス
テム化学除染 [I] －除染方法と適用結果－、日本原子力学会「1994 年秋の大会」、Q52（1994）（7） 谷本健一、照沼誠一：核燃料サイクル施設のデコミッ
ショニング技術に関する研究開発、デコミッショニン
グ技報、vol. 18、No. 11、p37（1994）（8） 足立和郎、天川正士、古川静枝、藤原和俊、神戸弘巳：
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査、電力中央研究所調査報告、W00030（2001）（9） 安藤弘平、長谷川光雄：溶接アーク現象 増補版、株式会社 産報、（1962）36

プラズマを用いた放射性廃棄物の表面除染技術の開発－減圧アークを用いた非放射性腐食生成物の除去に関する基礎検討－、電力中央研究所研究報告、W01004（2001）（12）古川静枝、神戸弘巳、天川正士、足立和郎：プラズマを用いた放射性廃棄物の表面除染技術の開発（その 7）－減圧アーク乾式表面除染技術における除染能力の総合評価－、電力中央研究所研究報告、H08001（2007）（13）古川静枝、神戸弘巳、天川正士、足立和郎：プラズマを用いた放射性廃棄物の表面除染技術の開発（その 6）－減圧アーク除染技術の配管形状廃棄物への影響－、
電力中央研究所研究報告、H05012（2006）（14）神戸弘巳、藤原和俊、足立和郎、古川静枝：プラズマを用いた放射性廃棄物の表面除染技術の開発（その 3）－減圧アークによる放射性腐食生成物の除染性能－、
電力中央研究所研究報告、T02026（2003）

第５章

5-1

電気事業における超微粒子の利用 ………………… 38

5-2

AℓN 超微粒子の合成 ………………………………… 38

5-2-1

AℓN の高純度化方策

5-2-2

原材料 Aℓ粒子の注入条件

5-3

AℓN 球状ナノ構造複合粒子の合成 ………………… 39

5-3-1

複合粒子の円形度

5-3-2

ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の体積比

5-3-3

ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の粒径比

5-4AℓN 複合粒子を充填したエポキシ樹脂の熱伝導率と絶縁破壊強度 ……………………………………… 41

5-4-1

複合粒子を充填したエポキシ樹脂

5-4-2

全固体変圧器用絶縁材料への適用性

第５章

超微粒子やナノ構造
複合粒子など材料創製への応用

5-1 電気事業における超微粒子の利用

5-2-1

AℓN の高純度化方策

電気事業においては、より一層のコスト低減が求めら

ま ず、Aℓ と 反 応 ガ ス（ 窒 素（N2） と ア ン モ ニ ア

れており、機器の更なる高効率化や寿命延伸などによる（NH3）の混合ガス）から AℓN を合成するプロセスに関設備およびメンテナンスコストの低減が望まれている。

して化学平衡計算を行い生成条件について解析した。そまた、発電・送配電の全般において環境適合性が求めらの結果、Aℓから AℓN への転換率を高くするには AℓN

れており、このようなニーズに対応していくために種々の生成温度と未反応の Aℓが凝縮する温度の間で Aℓとの新材料を利用してくことが不可欠である。材料の製造

N を反応させる必要があり 1,800 ～ 2,000℃の温度領域法のうちアークプラズマを用いる方法は、電気事業におに反応ガスを吹き込むことが必要であることが分かった。

いてこれまでも溶射による耐食・耐磨耗コーティングや次 に、 図 5-1 に 示 す 実 験 装 置 に お い て、 圧 力 30 ～遮熱コーティングなどに用いられてきたが、近年、実験

50kPa のチャンバー内に発生させたプラズマに反応ガス

室規模では、将来、電気事業への適用が期待される高付（トーチガス、回収筒内の反応 ･ 急冷ガス）と原材料

加価値の材料の創製にも用いられるようになってきていAℓ粒子を吹き込み AℓN 超微粒子の生成実験を行った。

る。その中でも超微粒子はサイズが 100nm 以下と小さ

トーチガス種および回収筒内の反応 ･ 急冷ガス種のく、その比表面積が大きいなどの特徴を持つため、発電

AℓN 生成特性への影響を調べた。その結果、図 5-2 にプラントにおける反応吸収剤や触媒などへの利用示すように、トーチガスを N2、反応 ･ 急冷ガスを NH3

や、

（1）

温度、圧力、振動、ガスなどを感知する各種センサーへの適用（2） が検討されている。また、最近では、電力

プラズマ
トーチ(陰極)ケーブルやエナメル線の絶縁材料への適用も検討され始

トーチガス。これらの超微粒子の実機器への適用の際

（3）

アーク
プラズマ

の課題として、製造コストの低減（1）、超微粒子の大量創製技術の開発などが挙げられる。

陰極
プラズマトーチ先端部 断面図

陽極

一方、当研究所では、電力流通設備の中の変電所に着

排気
真空
ポンプ

目し、絶縁油や地球温暖化係数の高い SF6 ガスに代え生成粉回収場所
反応・急冷ガス

フィルタて固体絶縁を全面的に活用した全固体変電所を提案して

回収筒
回収タンク

いる（4）。また、この変電所の中の主要機器である変圧回収タンクへ（エタノール入り）

回収筒先端部 断面図器に注目し、変圧器の固体絶縁材料として、熱伝導率の
図5-1

高い窒化アルミニウム（AℓN）の粒子を充填したエポ
キシ樹脂について検討を進めてきた。この AℓN 粒

子を超微粒子として利用することを考え、超微粒子の低100

コストかつ大量の創製が期待できるアークプラズマ法を80使用し、AℓN 超微粒子などの合成を試みた（7）～（9）。また、合成した AℓN 粒子をエポキシ樹脂に充填してその熱伝導率および絶縁破壊強度の評価を行った（10）。

トーチガス

5-2 AℓN 超微粒子の合成
本節では、移行形アークプラズマを用いた AℓN 生成
特性について検討し、高純度 AℓN 超微粒子を得る条件
を明らかにするとともに、原材料 Aℓ粒子の大量蒸発が期待できるプラズマへの注入条件を選定した。

・アーク電流：140A
・プラズマ長：75mm
・トーチガス流量：20 ℓ/min
・原材料Aℓ粉：20μm，0.5g/min
・反応･急冷ガス流量：20 ℓ/min
・陽極・回収筒間距離：75mm6040
反応･急冷ガス20

38

粉体制御プラズマ基礎実験装置

（5）
（6）

AℓN純度［%wt.］

第５章

めている

Aℓ粉＋トーチガス

チャンバー

0

・プロット点：2～4個の平均値
・エラーバー：最大値～最小値

0

20

40

60

80 100ガス中のNH3濃度［%Vol.］（混合ガス：N2）○：トーチガスをN2とし、反応・急冷ガス中のNH3濃度を変えた。
△：反応・急冷ガスをN2とし、トーチガス中のNH3濃度を変えた。

図5-2

生成粒子中AℓN純度のトーチガス種および反応･急冷ガス種依存性

とすることにより、AℓN 純度 90%wt. の超微粒子が得ら分な溶融・蒸発が得られた条件として、注入位置 C、注れた。なお、このときの超微粒子の平均粒径は 30nm 程

入角度 0 度、搬送ガス流量 1 ～ 15ℓ/min を選定した。
選定したこの条件で Aℓ粒子注入実験を行った結果、度であった。
また、エタノールが AℓN とは反応せずに Aℓと反応

Aℓ蒸発による Aℓ原子の輝線（波長 396nm）の観測領することを利用して、上記の超微粒子を高純度化させる

域が、数値解析で求めた Aℓ粒子の蒸発領域（図 5-3 の検討を行った。回収筒の下流側にエタノール入りタンク

グレーの領域）とほぼ一致し、また生成粉はその平均粒を設置し、それを通過した粉をフィルタで回収すること

径が 100nm 以下であった。このことから Aℓ粒子の蒸によって、AℓN 純度が 99%wt. 以上と高い超微粒子が得発・凝縮により生成されたと推定できる。さらに Aℓ注られた。

入量を 10 倍程度に増加させた場合も生成粉の平均粒径が 100nm 以下であったため、上記で選定した注入条件

5-2-2

原材料 Aℓ粒子の注入条件

は Aℓ注入量増加時にも妥当と考えられた。

原材料の Aℓ粒子のプラズマ場への適切な注入条件を

5-3 AℓN 球状ナノ構造複合粒子の合成

明らかにするために、数値解析による Aℓ粒子注入条件の選定を試みた。図 5-3 において代表的な注入位置 A

5-1 節で述べたように、当研究所では、環境性や防災～ D を選択し、Aℓ粒子の注入角度と搬送ガス流量を変性の観点から全固体変圧器の開発研究を推進している。

え、プラズマの電磁流体方程式および Aℓ粒子の運動とこの絶縁材料にはエポキシ樹脂よりも高い熱伝導率、エAℓ粒子への伝熱を解析することにより Aℓ粒子の蒸発

ポキシ樹脂と同等の絶縁破壊強度が必要である。熱伝導挙動を求めた。この結果、アークプラズマ内における十性に優れた AℓN の異種サイズの球状粒子を混合しエポ
このためには、球状のミクロンオーダーの粒子の表面に半径方向の距離r(mm)100nm 以下の超微粒子が付着した複合粒子（AℓN 球状

陰極
温度(K)
17,0000

15,000軸方向の距離x(mm)13,000
10

ノズル

A

5

B

10

15

注入角度
0度

20

注入管

C
C

Θ：注入角度

θ
20

蒸発完了
30
温度(K)
11,000ナノ構造複合粒子；以下、複合粒子と記す）を利用することが考えられるが、より簡易な合成プロセスの開発が望まれている。また、その合成プロセスでは、複合粒子の形状、ミクロンオーダーの粒子と超微粒子との体積比
および粒径比などの粒子寸法条件を制御する必要がある（11）。これらの課題を解決するためには、当研究所が超微粒子の大量合成ツールとして着目している移行形
アークプラズマを利用し、プラズマ中の原材料粒子の蒸

D
1,000

発挙動および原材料蒸気の凝縮挙動を制御する合成法が3,000

有望と考えられる。

5,000

本節では、絶縁材料用充填材として適切な粒子寸法条

7,000
温度(K)

件を明らかにするための第１段階として、移行形アーク
プラズマを用いて複合粒子の合成を試み、その複合粒子

9,000
40
A～Dは、Aℓ粒子を注入した位置を示す。注入角度（A：-90度、B：45、0、-45度、C：0、-45度、D：45度）や搬送ガス流量（1～30ℓ/min）をパラメータとし、Aℓ粒子の蒸発挙動を解析した。
Cから注入角度0度、搬送ガス流量1～15ℓ/minで注入する場合に、Aℓ粒子を効率的に蒸発させることができた。この条件で、粒子が沸点に達する領域を濃いグレーで示した。

の円形度、ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の体積比
および粒径比を制御する操作条件を明らかにする。なお、
円形度は、２次元の粒子の写真から求めた面積 S と周囲の長さ L から 4 p S/L2 で定義される。円であればこの値は１で最大となり、円から歪んだ形になるほど周囲長が

図5-3

Aℓ粒子の蒸発挙動の数値解析結果大きくなるので小さい値になる。

電中研レビュー No.54 ● 39第５章

キシ樹脂に高充填することによりその実現が期待できる。

前掲の図 5-1 と類似の実験装置を用いて、減圧下チャ
ンバー内の窒素プラズマに原材料として AℓN 破砕粒子に超微粒子が付着した複合粒子が得られることが分かった。

を注入し、プラズマ中の滞留時間およびプラズマ下流部の反応・急冷ガスの流量を変化させて、以下の結果を

5-3-2

ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の体
積比

得た。

5-3-1

複合粒子の円形度

プラズマ中の原材料粒子の滞留時間を 2 ～ 5ms とすることにより、ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の体

図 5-4 に、 原 材 料 粒 子 お よ び 合 成 し た 複 合 粒 子 の積比を 8：2 から 5：5 程度まで制御できた（図 5-6 の○SEM 写真を示す。また、図 5-5 に、複合粒子の円形度

印）。また、プラズマ中の粒子の直径の減少を考慮したに及ぼす原材料粒子のプラズマ中の滞留時間の影響を示

蒸発挙動計算を行った結果、実験結果と概略一致し（図す。これらの図から、円形度が 0.75 程度の原材料粒子

5-6 の破線）、プラズマ温度、原材料粒子の直径およびをプラズマ中に 2ms 以上滞留させることにより、そのプラズマ中の滞留時間を用いて、ミクロンオーダーの粒

円形度を 0.9 程度まで向上でき、ほぼ円形の粒子の表面子と超微粒子の体積比を予測できることが明らかに
なった。

5-3-3

ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の粒径比[円形度：0.82]5μm(a) 原材料粒子

図5-4

粒子の走査型電子顕微鏡（SEM）写真

反応・急冷ガス流量を 5 ～ 20ℓ/min と変化させることにより、ミクロンオーダーの粒子と超微粒子の粒径比を30：1 から 250：1 程度まで制御できた。

・AℓN供給速度：2.1g/min
・プラズマ長：25～75 mm
・プラズマガス：N2、5～20 ℓ/min
・反応・急冷ガス：NH3、20 ℓ/min

・AℓN供給速度：2.1g/min
・アーク電流：140A
・プラズマ長：25～75mm
・プラズマガス：N2、5～20ℓ/min
・反応・急冷ガス：NH3、20ℓ/min

3

1.0
SEM画像から求めた粒子の円形度5μm(b) 複合粒子100
プラズマ温度
Ｔ＝3200K

0.9

0.8

0.7

・プロット点：40～80個の平均値
・エラーバー：１σの範囲

0.6

0.5

0

1

2

3

4

5

6

複合粒子中のミクロンオーダーの粒子が占める割合 [%vol.]第５章

プラズマ中に原材料粒子を 2 ～ 5ms 程度滞留させ、[円形度：0.70]80
Ｔ＝3500K604020

プラズマ中の粒子の滞留時間 tp [ms]*＊プラズマ中の粒子の速度を次のように仮定して求めた。

0

プラズマガス流量： 5 ℓ/min・・・速度：10m/s（実測値）
プラズマガス流量：10 ℓ/min・・・速度：20m/s
プラズマガス流量：20 ℓ/min・・・速度：40m/s

図5-5

40

プラズマ中の原材料粒子の滞留時間が合成粒子の円形度に及ぼす影響

Ｔ＝3800K

実験結果：○（40～80個の平均値）
計算結果：
実験結果：○（40～80個の平均値）
・粒子を球形と仮定して
－－－－－
計算結果：
計算
・温度Ｔは実測値から求めた径方向の平均温度
・超微粒子の回収率：
10％

0

1

2

3

4

5

6

プラズマ中の粒子の滞留時間 tp [ms]図5-6

複合粒子中のミクロンオーダーの粒子が占める割合

5-4 AℓN 複合粒子を充填したエポキシ
樹脂の熱伝導率と絶縁破壊強度

5-4-1

複合粒子を充填したエポキシ樹脂

複合粒子をエポキシ樹脂に充填した結果、図 5-7 に示合成した AℓN 複合粒子をエポキシ樹脂に充填し、そすように、ミクロン粒子どうしの間にナノ粒子が分散しれの全固体変圧器用絶縁材料への適用性を明らかにするている様子が観察された。これにより、エポキシ樹脂にために、その熱伝導率および交流絶縁破壊強度を評価し40vol.％まで充填でき、同形状を持つ市販の球状化粒子

た。

に比べて高充填化できた。

熱伝導率を高くするために AℓN 純度が 99% 以上と高5-4-2

く、絶縁破壊強度を高くするためにミクロン粒子の円形

全固体変圧器用絶縁材料への適用性

度が 0.9 程度と高い複合粒子を合成し、その複合粒子をエポキシ樹脂に充填し、その熱伝導率および交流絶縁破

全固体変圧器用絶縁材料に必要とされる熱伝導率と交壊強度をそれぞれ常温で計測し、以下の結果を得た。

流絶縁破壊強度の計算結果（図 5-8 の実線）に、常温における熱伝導率および交流絶縁破壊強度から推定した高温での値を併せて示す。複合粒子および破砕粒子は全固ミクロン粒子の表面

エポキシ樹脂ミクロン粒子の表面

この四角領域の一例が右のTEM写真

拡大

ナノ粒子
拡大

ミクロン粒子ナノ粒子

エポキシ樹脂100nm

ミクロン粒子(a) 模式図

図5-7(b) TEM写真（充填率：40vol.%）AℓN複合粒子を充填したエポキシ樹脂のTEM（透過型電子顕微鏡）写真

プロット点（×，▲，■，●）は135℃における推定値

3

熱伝導率 （W/m/K）

実線の右上領域*aが全固体変圧器の設計可能領域2

10

エポキシ樹脂に充填したAℓN粒子
×無（エポキシ樹脂単体）▲

破砕粒子（市販品）■

球状粒子（市販品）

●

複合粒子

注
*ｃ

*ｂ

注*a： 275/66kV、300MVAの全固体変圧器を設計できる領域の計算結果（文献(6)）
エラーバー：3σ*b

0
20
40
60
80
0.5mm厚さ試料の交流絶縁破壊強度（kV/mm）

図5-8

ナノ粒子

*b： 破砕粒子を充填したエポキシ樹脂の交流
絶縁破壊強度の温度依存性を基にして、常温における値から推定した値*c： 文献(6)のデータ

全固体変圧器用絶縁材料に必要とされる熱伝導率と交流絶縁破壊強度の関係

電中研レビュー No.54 ● 41

第５章

500nm

体変圧器設計可能領域に含まれており、さらに破砕粒子に比べて複合粒子は、より高い設計裕度を確保できることが明らかになった。

参考文献（1） 伊藤茂男：超微粒子の利用と粉体の機能化に関する調査、電力中央研究所調査報告、W94039（1995）（2） 先端材料事典編集委員会：先端材料事典、産業調査会、
pp.158-166（1995）（3） 電気学会 ナノコンポジット材料の誘電・絶縁応用技術
調査専門委員会：ポリマーナノコンポジット材料の誘電・絶縁技術応用、電気学会技術報告 1051 号（2006）（4） 渋谷正豊、岡本達希、葛間泰邦、合田豊、岩田幹正、
門裕之、堀康彦、土田秀一、金神雅樹、高橋紹大、武田敏尚、田中慎一、古川静枝、水谷嘉伸、鈴木寛：全
固体変電所の提案、電力中央研究所調査報告、W00047（2001）（5） 水谷嘉伸、岩田幹正、堀康彦、岡本達希：全固体変圧器の要素技術の開発―絶縁材料と巻線構造の熱特性―、
電力中央研究所研究報告、W01024（2002）（6） 水谷嘉伸、岩田幹正、堀康彦、岡本達希：全固体変圧第５章
42

器の要素技術の開発（その２）―AℓN 微粒子を充填したエポキシ樹脂の初期絶縁破壊強度と機械強度―、電力中央研究所研究報告、W02024（2003）（7） 岩田幹正、足立和郎、古川静枝、天川正士：移行形
アークプラズマを用いた高純度窒化アルミニウム超微粒子の生成特性、電力中央研究所研究報告、W02012（2003）（8） 古川静枝、岩田幹正、足立和郎、天川正士：移行形
アークプラズマを用いた窒化アルミニウム超微粒子の合成―原材料アルミニウム粒子の注入条件―、電力中央研究所研究報告、W02022（2003）（9） 岩田幹正、古川静枝、天川正士、足立和郎：移行形
アークプラズマを用いた窒化アルミニウム球状複合粒子の新しい合成法、電力中央研究所研究報告、W03031（2004）（10）岩田幹正、古川静枝、水谷嘉伸、足立和郎、天川正士：
全固体変圧器の要素技術の開発（その４）―AℓN 球状
ナノ構造複合粒子を充填したエポキシ樹脂の熱伝導率と絶縁破壊強度―、電力中央研究所研究報告、H05008（2006）（11）K. Sawai: The technical trend of epoxy molding
compounds for surface mount device, SEMI Technology
Symp., pp.473-483（1989）

第６章

応用技術の展開を支える
基礎・基盤的研究成果

第６章

6-1

アークプラズマの数値解析 ………………………… 44

6-1-1

アークプラズマの物性

6-1-2

アークプラズマの数値解析技術

6-2

アークプラズマの発生・制御技術 ………………… 49

6-2-1

直流プラズマトーチにおける発生・制御技術

6-2-2

交流プラズマトーチにおける発生・制御技術

6-3

アークプラズマの計測診断技術 …………………… 60

6-3-1 輝線スペクトルの自己吸収を考慮した温度計測技術
6-3-2

プラズマの流速計測技術

6-1

アークプラズマの数値解析

増加していくと、4,000K、8,000K、16,000K 付近に極大が出現する。これらの極大は、それぞれ、AℓO の解離、

本節では、アークプラズマの数値解析に必要な物性のAℓ原子の電離、O 原子の電離に対応している。

計算結果と、アークプラズマから被加熱物への伝熱現象
を数値解析によって解明した成果をまとめる。

⑵

輸送特性
輸送特性の一例として、鉄蒸気が混入したアルゴンの6-1-1

アークプラズマの物性

導電率を図 6-1-2 に示す（3）（4）。同図から、15,000K 以下の温度領域では、わずかな鉄蒸気の混入により導電率がアークプラズマの電磁流体解析には、アークプラズマ

著しく増加すること、それ以上の温度領域では、鉄蒸気の比熱、エンタルピーなどの熱力学特性、粘性率、導電の混入により導電率が低下することが分かる。これは、率、熱伝導率などの輸送特性、さらにアークプラズマか

次のように説明できる。すなわち、導電率は電子密度に

らの放射特性など、アークプラズマの物性が必要になる。

比例し、電子が衝突する粒子の密度と衝突断面積との積

ここで、熱力学特性とは、物質を巨視的に捉えた物理量の総和にほぼ反比例する。15,000K 以下の温度領域では、で、質量密度、エンタルピー、比熱などを指す。また、鉄の電離エネルギー（7.90eV）がアルゴンの電離エネル

輸送特性とは、分子衝突によってある物理量が運ばれる

ギー（15.755eV）に比べて小さいため、鉄の混入により現象を総称したものである。質量、運動量、エネルギー、

電子密度が著しく増加するため導電率が増加する。一方、電荷が、粒子の衝突によって移動する場合、それぞれの

15,000K 以上の温度領域では、大きなクーロン衝突断面物理量の移動のしやすさを、拡散係数、粘性率、熱伝導積を持つ Fe2+ が出現するため導電率は低下する。

率、導電率で表す。

当研究所は、上述のアルミナが混入したアルゴンガ

局所的な熱平衡状態にあるアークプラズマを対象として、これらの物性を求めた研究成果の概要を以下に示す。

ス、鉄蒸気が混入したアルゴンガス（3）（4）の他に、

（1）
（2）

鉄、銅、アルミニウムが混入した空気（5）について、熱力学特性や輸送特性を計算するプログラムを開発して

⑴

熱力学特性

いる。

熱力学特性の一例として、アルミナの混入したアルゴンの比熱を図 6-1-1 に示す（1）（2）。計算は、圧力 105Pa、⑶

放射特性
大気圧以上の気体において、数 A 以上の電流によっ～ 100％として計算している。純粋なアルゴンの場合て 生 成 さ れ る ア ー ク プ ラ ズ マ は、 温 度 が 10,000 ～（アルミナ混入率０％）には、14,000K 付近に比熱の極大が存在する。これは、この温度領域でアルゴン原子の電離が進行するためである。一方、アルミナの混入率が

100
50

104

0~1
5
10
50
100

100
104

1
10
10

3

1
0
5,000

図6-1-1

44

10

100

0
図中の数字は、Aℓ2O3の混入率（%）を表す。
圧力：105Pa
10,00015,000
温度 T(K)

20,000アルミナの混入したアルゴンの比熱

導電率 σ (S･m-1)

10

比熱Cp (J・kg-1・K-1)

第６章

温度 4,000 ～ 20,000K の範囲で、アルミナの混入率を 0

5
1
10

3

0.1
0.01
0
102
0

10,000

圧力：105Pa
数字は鉄蒸気混入率を表わす(%)。
20,00030,000

温度 T(K)

図6-1-2鉄蒸気が混入したアルゴンの導電率

30,000K に達し、強い光が放射される。この放射光は、輝度、アークプラズマの半径、および電流との関係を解主としてアークプラズマ中の電子が関与しており、アー析的検討から導出した。この関係から、放射輝度はアー

クプラズマを構成する元素に固有の波長を示す線スペク

クプラズマの半径に反比例し、アークプラズマの電界とトルや、広い波長範囲で連続的な強度分布をもつ連続ス

半径が一定の場合の放射輝度は電流の２乗に比例するこ

ペクトルからなる。

と が 示 唆 さ れ た。 そ こ で、 水 冷 し た 石 英 管（ 内 径

一般に、原子やイオン、分子の周りに束縛されている

15mm）内に、電流が直流 20 ～ 60A、電極間隔が 15 ～電子には、安定に存在できる離散的なエネルギー準位が44mm の範囲でアルゴンのアークプラズマを発生させ、存在する。線スペクトルは、安定なエネルギー準位から放射輝度はガス流量や電極間隔にはほとんど依存せず、より高いエネルギー準位へ励起された電子が、安定なエ

電流の２乗に比例することを確認した。この結果から、

ネルギー準位へ再び遷移する際に、これらの準位のエネ

適用範囲を考慮すれば、アークプラズマの放射輝度は便ルギー差に応じた波長の光を放射することによって発生

宜上、電流および半径から予測できることがわかった。

する。一方、アークプラズマ中の自由電子が、原子やイ②自己吸収を考慮した分光放射輝度計算プログラムの開発

オンなどと衝突しエネルギーを失う場合や、自由電子が局所熱平衡状態が成立するアークプラズマにおいて、イオンと再結合する場合には、自由電子が持つエネル

幅広い温度域や圧力域で計算できる分光放射輝度計算プ

ギーが一意に決まらないので、放出されるエネルギーは

ログラムを開発した。このプログラムでは、アークプラ

連続的なものとなり、波長に対し連続的な分布を持つ光

ズマの線スペクトル放射、再結合放射、および制動放射が放射される。

の放射機構ならびに光学的厚さ（粒子による光の吸収）

アークプラズマから放射される光のスペクトル分布やを考慮した三次元でのシミュレーションが可能である。

その強度が放射特性と呼ばれる。放射特性は、アークプ

図 6-1-3 に計算結果の一例を示す。アークプラズマの直ラズマの（電子）温度や（電子）密度などの非接触な計径を 1cm とし、高圧高温のアルゴンのアークプラズマ

測診断に利用されている。また、放射輝度（アークプラ

について、圧力、および温度の空間分布の依存性を考察

ズマの放射エネルギーの出力密度）、放射効率（エネル

した結果、アークプラズマによる光の吸収を考慮しない

ギー変換効率）、分光分布（放射エネルギーの波長分布）場合の放射輝度は、考慮する場合と比べて最大で約 10に代表される光源の特性評価に重要である。

倍も過大評価することが示された。

当研究所では、アークプラズマからの放射光がアーク
電線の故障電流を想定した 50kA 級アークの温度（6）
（６

1011

章３節）などの特性を解明している。また、アークプラ

1010

耐摩耗性、耐食性、耐熱性を向上させることを目指した研究（7）を推進した。これらの研究の中で、分光放射輝度を計算するプログラムを開発している（8）。
ここでは、アークプラズマの放射輝度などの放射特性に与える電流などの影響を基礎的な実験を通して解明した研究成果（9）と、開発した分光放射輝度を計算するプ
ログラムを用いた解析結果の一例を紹介する。
①電流などがアークプラズマの放射輝度に与える影響

垂直放射輝度［W/(m2･sr)］ズマからの放射光を利用し、金属表面の非晶質化によるアーク直径1cmφ
10MPa

109
1MPa
108
107
0.1MPa106
放射輝度の極大値の変化105
104

実線：吸収考慮/破線：吸収無視

10,000局所熱平衡状態が成立するアークプラズマの放射光を20,00030,000温度[K]連続スペクトルとみなし、アークプラズマの半径で規格化した電界－電流特性を用いて、アークプラズマの放射

図6-1-3アルゴンのアークプラズマの放射輝度

電中研レビュー No.54 ● 45

第６章

プラズマ自身に吸収されるプロセスを考慮して、基幹送

6-1-2

アークプラズマの数値解析技術

アークプラズマの数値解析では、流体解析に加え電荷の保存則を解き、電荷の移動として電流を、さらに、マアークプラズマを用いた廃棄物の溶融処理などにおいクセル方程式により電流を規定する電界や電位が求めらて、アークプラズマから被加熱物への伝熱に関する知見れる。また、電流が作る磁界から、磁場とアークプラズ

は、溶融処理工程の加熱シーケンスの確立や、高効率・マの相互作用なども考慮できる。

安定な加熱といった観点から重要である。アークプラズ

さらに、アークプラズマの数値解析では、着目する現マから被加熱物への伝熱に影響を及ぼす因子としては、象に応じて保存則を分離・追加して解くことも行われて

熱伝導率などのアークプラズマの物性を始め、ガス流量いる。例えば、アークプラズマの周辺や電極領域などでなどのプラズマトーチの運転条件、また溶湯が形成されは、電子と重粒子（分子、原子、イオン）の温度が異る場合は溶湯蒸気の混入状況、溶湯の形状やアークプラ

なっている。このような場合には、電子と重粒子についズマを構成している元素と溶湯との化学反応などが挙げて、それぞれのエネルギー保存則を解くことが報告されられる。このため、当研究所では、これらの影響因子がている（13）（14）。また、アークプラズマに注入された粒子

及ぼす影響に関して、電磁流体解析技術を用い解明してとアークプラズマの相互作用を解析的に検討する場合なきた。

ど、化学種の生成や消滅に着目する場合には、アークプ

本節では、電磁流体解析の概要を纏めた後、当研究所が行ってきた数値解析のうち、陽極点現象に関する研究

ラズマを構成している化学種の保存則を解くことが報告されている（15）。

成果とアークプラズマから被加熱物への伝熱現象に関し
⑵

て述べる。

陽極点現象の数値解析
大気圧の熱プラズマの陽極点には、２つの異なった形⑴

アークプラズマの数値解析手法（電磁流体解析）

態があることが知られている（16）。すなわち、拡散モー流体解析では、質量、運動量、エネルギーの各保存則

ドと呼ばれるベル形に拡がった形態および収縮モードとを解くことによって、場の圧力、速度、温度を決定する。

呼ばれる収縮した形態である。アルゴン（Ar）中でのこれらの保存則は一般形では次式のように表され

電流 50A のアークプラズマの拡散モードと収縮モード

るの一例を図 6-1-4 に示す。プラズマガスの流量以外は全。

（10）～（12）第６章∂（ρφ）＋div（ρuφ）＝div（Γgradφ）＋S∂tて同一の条件である。同図⒜に示す拡散モードは、陽極（6 -1-1）に向かうガス流の影響を強く受けた場合に存在する。陽極へ向かうガス流は、プラズマトーチのように陰極周囲

t：時間、r ：密度、f ：単位体積当たりのある物理量に流すガスなどによって生じる。同図⒝に示す収縮モー（質量、運動量、エネルギー）、u：速度場、G ：輸送係数、

ドは、熱的な効果とアークプラズマの電流による自己磁S：生成項、である。ただし、輸送特性と生成項は、着目している物理量によって決まる。例えば、エネルギー

場のピンチ力によって誘起される形態である。すなわち、に着目した場合、f は温度（エンタルピー）、G は熱伝導率、S は単位体積当たりの発熱量になる。

プラズマトーチ

プラズマトーチ

この式の物理的な意味は、ある微小な領域内で着目している物理量 f の時間変化（左辺第１項）は、物理量 f

水冷銅
陽極

26mm

の領域の境界を通した出入り（左辺第２項と右辺第１

水冷銅
陽極

26mm

項）とその領域内部での発生（右辺第２項）に等しいというものである。左辺の第２項は対流項で、物理量 f が
流れ場によって運び出される量を表している。また、右辺の第１項は拡散項で、物理量 f の勾配によって領域に移動してくる量を表している。

46(a) 拡散モード（プラズマガス流量：5ℓ/min）(b) 収縮モード（プラズマガス流量：0ℓ/min）

電流：50A、プラズマトーチ下面と陽極間の距離：26mm
プラズマガス：Ar、 チャンバー内ガス：Ar

図6-1-4

拡散モードと収縮モードの一例

陽極の近くのアークプラズマの周辺は陽極によって冷やる。これは、器壁安定化装置の下部においてアークプラ

されるため、アークプラズマの断面積は、陽極に近づく

ズマに流れ込む冷たいガスの流量が増加するためである。

ほど小さくなる。このため、電流の流線は陽極から離れプラズマガス流量が 0.2g/s の場合の流れ場を図 6-1-6 にるにしたがって広がり、自己磁場と電流によってコラム示す。同図から、器壁安定化装置から吹き出し陽極に衝の外側から中心方向へ作用するピンチ力は、陽極から遠突し外側へ吹き出すガスの流れと、器壁安定化装置の下ざかるにつれて弱くなる。この結果、コラム内部の軸方部で、計算領域の外側から流入しアークプラズマに流れ

向への圧力勾配が発生し、陽極ジェットが観察される。

込むガスの流れが観察できる。

器壁安定化装置の出口から陽極までの 200A のアークプ

次に収縮モードでの計算結果を示す。まず、プラズマラズマを対象として、プラズマガス流量を変え、これらガス流量を 0.001 ～ 0.05g/s の範囲で変えた場合の電子

２つのモードを解析した（17）。

温度の等温線を実験結果（18） とともに図 6-1-7 に示す。

拡散モードの解析結果として、プラズマガス流量を

文献（18）では、プラズマガス流量が計測されていないが、0.2、0.6、1.0g/s と 変 え た 場 合 の 電 子 温 度 12,000K と今回の計算結果は、プラズマガス流量が 0.02g/s 以下で7,000K の等温線を図 6-1-5 に示す。同図から、器壁安定

良い一致を示している。次に、図 6-1-8 に、プラズマガ化装置の出口の下の領域では、プラズマガス流量が増加

ス流量が 0.01g/s の場合の流線を示す。同図から、器壁するにつれアークプラズマの高温部分が下方に伸びるこ

安定化装置の出口から吹き出すプラズマの流れと陽極とが分かる。これは、対流の寄与が大きくなるためである。一方、周辺の領域では、プラズマガス流量の増加と器壁安定化装置

ともに等温線は中心へ向かって移動していることが分か

0.6

1.0

軸方向の距離 x (mm)

器壁安定化装置

軸方向の距離 x (mm)プラズマガス流量 (g/s)
0.2

8

10

12

文献(18)の実験結果
12,000K

10,000K（図中の単位：103K）

半径方向の距離 r (mm)

0.001

0.01

0.02

0.05

第６章

プラズマガスの質量流量(g/s)

半径方向の距離 r (mm)

図6-1-7
図6-1-5収縮モードの電子温度の等温線

プラズマガス流量を変えた場合の電子温度の等温線（図中の単位：10-3g/s）

1 2 3

0

器壁安定化装置

456軸方向の距離 x (mm)

軸方向の距離 x (mm)（単位: 10-2g/s）

半径方向の距離 r (mm)

図6-1-6

プラズマガス流量が0.2g/sの場合の流線器壁安定化装置

-1
2

4

6

8

10

12

14

半径方向の距離 r (mm)

図6-1-8

プラズマガス流量が0.01g/sの時の流線

電中研レビュー No.54 ● 47

ジェットが衝突し、その結果、淀み層が器壁安定化装置

る熱輸送としてアークプラズマから陽極への電子のエンの下約 0.4 ～ 1mm の範囲に存在すること、器壁安定化

タルピー輸送および電子のコンデンセーション、および装置の下面に沿って外側への流れが存在すること、さら熱伝導の合計３種の伝熱機構を考慮した（24）。

に、陽極ジェットの発生により陽極前面では外側の境界

図 6-1-9 に⑴ Ar プラズマ、⑵ N2 プラズマの温度分からプラズマへ向かう流れが存在することが分かる。拡布を示す。5,000 ～ 13,000K の範囲の等温線を比較する

散モードの流れ場（図 6-1-6）と様相が全く異なってと、Ar プラズマの方が太く、N2 プラズマの方が細い。

いる。

また、中心部における 13,000K を超えると等温線は N2以上のように、拡散モードと収縮モードについて、陽が太い。
また、図 6-1-9 の温度分布の計算結果を基に得た水冷極点現象を解析できるツールを開発した。

銅陽極への伝熱量の計算結果を、実験結果（25）と比較し、⑶

固体陽極への伝熱現象の数値解析

図 6-1-10 ⑴、⑵に示す。また、同図⑶は、水冷銅陽極

アークプラズマの物性値が、伝熱機構や伝熱に及ぼす影響を解明したへの伝熱に強く影響するプラズマの物性を明らかにする

。

（19）

陽極は、溶湯からの蒸気の影響を受けないように固体

水冷銅への伝熱量（kW）

10

水冷銅陽極とした。ガス種は、プラズマ溶融処理において用いられる代表的なガスであり、また、互いに特長的な物性値を持つアルゴン（Ar）および窒素（N2）とした。
対象とするアークプラズマは２次元円筒座標で扱った。

8

熱伝導率 定圧比熱
N2

6

2

（1）
実験
結果

方向の運動量、エネルギー、電荷の各保存則を解いた。
を考慮した。

図 6-1-10

移行形アークプラズマから固体水冷銅陽極への伝熱機構としては、放射は小さいため考慮せず、荷電粒子によ

第６章
～
～

0

2

軸方向位置（mm）

4

（2）
計算
結果

ノズル
B

図中の数字は温度を示す。
単位×103K

200A
5mm

6
17
8
10
20

5

9

13

5

9
17

13

水冷銅陽極
（1）Ar プラズマ11,000D
文献（20）の計算値
13,00015,000（2）N2 プラズマ17,000

図 6-1-9 （1）Ar、（2）N2 プラズマの温度分布計算結果

48

Ar

Ar

N2

Ar

(C)

N2

N2

Ar

水冷銅陽極への伝熱量に関する（1）実験結果と（2）計算結果との比較および（3）計算に用いた熱伝導率比熱を N2 プラズマの物性とした
計算結果

ガス 10ℓ/min

0

陰極
アーク電流
ギャップ長

Ar

(B)

（3）
計算結果
（数値実験）A

2

N2（条件：アーク電流２００A、ギャップ長５mm、プラズマガス流量１０ℓ/分）

アークプラズマ（22）および銅（23）の物性値は温度依存性

半径（mm）
64(A)

0

域を考慮した（20）（21）。支配方程式として、質量、軸・径

8

N2

▲

(A)

Ar

Ar

他

Ar

●

(B)

N2

4

また、水冷銅陽極に隣接した微小体積を以ってシース領(C)C

性値に置き換えて伝熱量を計算した結果である。すなわ

40(a) Xcu=10-5 %ち、（A）では熱伝導率のみを、（B）では定圧比熱のみを、（C）熱伝導率と定圧比熱の双方を N2 プラズマの物性値30

軸方向位置 x (mm)とし、導電率などの他の物性値は Ar プラズマとした。
このような手法は、実験では実施することができないた
め、数値解析の長所を活かしたアプローチである。図6-1-10 ⑴⑵から、今回解析した水冷銅陽極への伝熱量は、

20(b) Xcu=10-1 %
40
陰極

温度

温度

19,000K

19,000K

15,000K

15,000K

11,000K

11,000K

7,000K

7,000K201010

定量的には N2 プラズマの場合に差異が見られるものの、

30

軸方向位置 x (mm)

ため、Ar プラズマの物性値の一部を N2 プラズマの物

定性的には実験結果と同様の傾向を示している。また、
0

同図⑵⑶から、（C）の熱伝導率と定圧比熱の双方を N2

10プラズマの物性値とした場合の水冷銅陽極への伝熱量の計算結果が、N2 プラズマの値に近いことが分かる。こ

図6-1-11の理由は、これらの物性値を N2 プラズマの値とするこ0
半径 r (mm)100

それぞれの銅蒸気濃度下におけるアーク
プラズマの等温線の数値解析結果とで、Ar プラズマの場合に比べて、水冷銅陽極との境
界における温度が比較的高く、かつ熱伝導率も高くなる

気濃度はそれぞれ銅の溶湯陽極と水冷銅陽極を形成したためである。

場合において分光計測により測定した結果（26）を用いた。

以上より結論を纏める。アークプラズマから水冷銅陽

銅蒸気の混入に伴う導電率の上昇の結果、固体水冷銅陽極への伝熱機構は、熱伝導機構による寄与が高い。また、極の場合に比較して中心軸周りの温度が低くなった。さ

水冷銅陽極への伝熱に影響を及ぼしている支配的な物性

ら に、5,000K か ら 10,000K へ の 温 度 領 域 に お い て は、は熱伝導率と定圧比熱の両者であった。N2 を用いた場

窒素プラズマの熱伝導率がプラズマの温度に強く依存す合、窒素分子の解離反応に伴う熱伝導率と定圧比熱の値

るため、温度のわずかな低下が熱伝導率の顕著な低下をが共に高いことが効率良い伝熱を実現させている。これ引き起こした。熱伝導率の低下は、陽極への伝熱量をさより、アークプラズマの被加熱物への伝熱量増大には、らに低下させる。

熱伝導率と定圧比熱が共に高いガスの選択が有効である。

以上より、アークプラズマから溶湯陽極への伝熱量に⑷

溶湯陽極への伝熱現象の数値解析

ズマの温度の低下をもたらし、最終的に熱伝導率の低下

本節では、陽極を溶湯陽極とし、溶湯からプラズマにをもたらすことが明らかとなった。したがって、金属蒸混入する銅蒸気が伝熱量に及ぼす影響を数値解析手法に気のアークプラズマへの混入は、この被加熱物への加熱より評価した結果

効率の低下を引き起こすことが明らかとなった。これらに関して述べる。

（26）-1

N2 プラズマの導電率は、銅蒸気濃度が 10 % 未満のは、プラズマから被加熱物への伝熱現象の解明の一助と領域で、なおかつ温度が 7,000K 以下でのみ銅蒸気濃度なるだけではなく、実際の処理時における有効な知見でに依存する。一方、熱伝導率や比熱といった他の物性値ある。

は、ほとんど変わらない。そこで、銅蒸気の混入に（27）

よる導電率の影響を数値解析手法により調べた。

6-2

アークプラズマの発生・制御技術

6-2-1

直流プラズマトーチにおける発生・制御技術

窒素プラズマの導電率は、文献（4）（28）（29）から求めた。
数値解析では、導電率の値のみをこれらの銅蒸気濃度の値に対応した値を入力し温度場などを計算した。
図 6-1-11 に銅蒸気が混入した場合のプラズマの温度
-1

-5

⑴

直流プラズマトーチにおける電極損耗現象

分布の計算結果を示す。銅蒸気濃度は 10 %、10 % で

アークプラズマ加熱技術は、その優れた特長から、金全領域に一定濃度で分布しているとした。これらの銅蒸属の溶解や精練、廃棄物の減容、有害物質の熱分解・溶電中研レビュー No.54 ● 49

第６章

関して、銅蒸気の混入に起因する導電率の上昇は、プラ融による無害化などへの応用が展開している。これらのめには、プラズマトーチの大容量化が重要である。ロッ応用技術の実用化やその高度化にあたっては、プラズマド形プラズマトーチでは、アークプラズマの電圧はアー

トーチの長寿命化と大容量化、運転コストの低減などを

クプラズマの長さでほぼ決定される。このため、電圧で克服する必要がある。このため、当研究所は、まず、タ

出力を大きくするためには、アークプラズマを長くする

ングステン（W）系の合金を陰極とする直流のプラズマ必要がある。しかし、アークプラズマを長くすると、放トーチについて、電極寿命を決定する電極損耗量に及ぼ

射エネルギーが大きくなり耐火物の寿命が短くなること、す添加材の種類の影響などを解明した。次に、新日アークプラズマが不安定になりやすいこと、また、炉の本製鐵株式会社（以下、新日鉄）との共同研究により、大きさの制約を受けること、などが懸念されるため現実

新日鉄が開発したプラズマトーチと当研究所の大容量電的ではない。このため、ロッド形プラズマトーチの大容力短絡試験設備を用いて、世界トップレベルの 10kA 級

量化のためには、大電流化が重要になる。

（30）のアークプラズマの発生に成功した。さらに、プラ（31）

当研究所は、1988 年度から 1990 年度にかけて、世界

ズマガスをアルゴン（Ar）から安価な窒素（N2）に変トップレベルの 10kA 級プラズマトーチの開発を目指し、えると、電極損耗量は増加するものの、運転コストを低

新日鉄と共同研究を実施し、図 6-2-1 に示すリング形の減できることを明らかにした（32）。

タ ン グ ス テ ン を 陰 極 に 使 用 し た プ ラ ズ マ ト ー チ が、10kA 級の大電流に対し必要な陰極面積を有し、その時①タングステン電極のアークプラズマによる損耗に発生する熱応力に耐えることを明らかにした（31）。

W 電極へ添加する材料の種類が、電極の損耗に及ぼプラズマトーチの電極材料には、電極損耗の実験結果

す影響を、実験用のプラズマトーチを用い明らかにしを踏まえ、La2O3、または、ThO2 を添加した２種類のた。 添 加 材 と し て は、 当 時 研 究 が 行 わ れ て いW 陰極を準備した。実験では、0.1 ～ 11kA の直流電流て比較的入手の容易な酸化ランタン（La2O3）、を、60 ～ 300 秒間通電しアークプラズマを発生させ、酸 化 セ リ ウ ム（CeO2）、 酸 化 ト リ ウ ム（ThO2）、 酸 化

こ れ を 反 復 し た。 そ の 結 果、La2O3 陰 極 の 場 合 に はイットリウム（Y2O3）を選んだ。アークプラズマを 10

5.1kA で積算 34 分、11.4kA で積算３分のアークプラズ

時間以上発生させた結果、La2O3 を添加した電極は、そ

マを、ThO2 陰極の場合には 5.7kA で積算 10 分のアーの損耗量と直径の減少量が少ないことから、電極材料とクプラズマを安定に発生できた。この結果から、陰極はして有望であることが分かった。

10kA 級のアークプラズマの発生中に生じる定常的な熱

（30）

（33）
（34）

第６章

次に、プラズマトーチの運転条件として、電極損耗量

応力や、陰極の温度分布が平衡に達する時間に比べ短いの電流依存性やプラズマガス中の酸素濃度の影響を実験

時間での 5kA 程度の電流の昇降により発生する過渡的的に調査した。その結果、単位通過電気量あたりの損耗

な熱応力に耐えると判断した。

量（損耗率）は、電流の増加とともに急激に増加した。

また、実験時には通電が終了する毎に、陰極の型を取

これは、電極の冷却能力は冷却構造や冷却水の流量など

る こ と に よ り 陰 極 の 損 耗 量 を 計 測 し た。 そ の 結 果、で決定されるため電流に関わらずほぼ一定と考えられる

La2O3 を添加したタングステン陰極の損耗率は、電流が、アークプラズマから電極への入力エネルギーは電流6kA で（2 ～ 3）× 10-6（g/（A・s））、10kA で 21 × 10-6の増加により増加するためと考えられる。プラズマトー（g/（A・s））と、アーク電流の増加に対し急増した。損

チの電極損耗量を低減し、その寿命を延ばすためには、

耗率の電流依存性は、小電流域で得られた結果と定性的電極の冷却が重要な要素となる。また、プラズマガス中に同じ傾向である。

に酸素がわずかでも存在すると、電極は酸化反応によりさらに、実験時には望遠接写が可能な光学計測系を構著しく損耗する。電極周辺に酸素が混入しない構造にす築し、約 10m ほど離れた２か所の地点から陰極点の状ることが重要である。

況を高速度ビデオ（400 コマ / 秒）などで観察した。その結果、陰極点は、電流 3kA 以下では１か所に安定に、②加熱用プラズマトーチの大電流化
大規模な産業加熱へアークプラズマ加熱を応用するた

50

3kA を超えると 2 ～ 4 箇所に分散して形成された。その状況を図 6-2-2 に示す。また、これらの画像から、陰アルゴンガス

1m

：銅

10mm

12mmφ
パイロット電極115mmφ

冷却水

リング形電極

図6-2-1

プラズマトーチとその電極形状

は、通常プラズマガスとして Ar が用いられる。運転コ⒜

リング形陰極点

ストを低減するため、Ar に代えて安価な窒素（N2）に陰極点
アークプラズマすることが考えられる。しかし、この場合には、電極の損耗量が増加することが懸念される。そこで、プラズマ
ガスを Ar から N2 に代えた場合の電極損耗現象を実験

電流2.2kA

的に明らかにし、電極の損耗に伴うコストとガスのコス
３ヶ所に
分裂した
陰極点

トを比較評価した（32）。
実 験 で は、La2O3 を 添 加 し た W を 陰 極 と し、 直 流
400A の移行形のアークプラズマを積算で 100 時間まで安定に発生させ、電極損耗現象に関し以下を明らかに

電流4.4kA

した。
４ヶ所に
分裂した
陰極点

まず、Ar に代え N2 を使用した場合、電極損耗量は、25 ～ 50 倍に増加する。これは、アークプラズマから電極に伝わる熱が増加し、損耗を防ぐ添加材 La2O3 が図⒞

図6-2-2

陰極材料：La2O3-W

電流7.8kA

高速度ビデオで観察したプラズマトーチ陰極
におけるアークの発生状況

6-2-3 に示すように電極の先端で減少するためと考えられる。ここで、電極の冷却の効果を確認するため、電極の直径を 6mm から 7mm へと２割ほど太くすると（断面積で 1.4 倍）、電極損耗量を 0.3 ～ 0.6 倍に低減できた。

極点の面積はアーク電流に比例して増加し、陰極点での電極の冷却能力は、電極の寿命に重要な因子であること

平均電流密度は 6 ～ 9kA/cm の範囲にあった。

が明らかになった。

2

以上のように、大容量プラズマトーチの設計に資する
データを取得することができた。

次に、Ar と N2 を用いた場合について運転コストの比較を行った。運転コストには、ガス、電極と電力を考慮した。その結果、N2 を用いれば約２割のコストダウ③プラズマトーチの運転コストの低減ンが可能であることが明らかになった。

タングステン系の合金を陰極とするプラズマトーチで

電中研レビュー No.54 ● 51

第６章⒝

電極（陰極）（1） Arガスの場合先端の0.2mm程度の領域で添加物（白い点）が減少している。

プラズマトーチ

ノズル

ガス
廃棄物中の粉塵

アークプラズマ（2） N2ガスの場合
Arガスの場合に比べ添加物（白い点）が著しく減少している。

廃棄物
溶湯（陽極）

図6-2-3

電極先端部断面の組織の電子顕微鏡による
拡大写真
１．

⑵

溶融処理時のアークプラズマの安定性

プラズマの冷却による導電性の低下

粉塵

導電率

200μm

塊

プラズマの温度が低下し、導電率が低下
温度①アークプラズマの安定性を損なうメカニズム
２．

プラズマによる加熱に比較して、ガス流量（排ガス量）

プラズマの組成の変化による導電性の変化が少ないという特長がある。しかし、低レベル放射性雑プラズマの組成が変化し、導電率の温度依存性が変化

導電率

移行形アークプラズマによる加熱は、非移行形アーク温度

固体廃棄物などの廃棄物の処理では、保温材などの不燃物を金属と同時に処理する必要があるため、プラズマ溶

３．

アーク経路の変化

融炉に不燃物などが投入されたとき、アークプラズマが不安定になり、消弧したり、加熱パワーが変化したりすることがある。このため、廃棄物が投入されたときの蛇行、陽極点移動

４．

溶湯の導電性の低下

アークプラズマの変化について理解しておくことは重要である。

スラグ→抵抗増

アーク電圧は、アークプラズマを形成している電極間

第６章の電圧であり、加熱対象が一方の電極となる移行形アークプラズマにおいては、プラズマトーチの電極と加熱対

図6-2-4

廃棄物投入時のアーク電圧の変化の機構

象間の電圧である。アーク電圧は、アークプラズマの安定性や加熱能力と密接に関わる重要なパラメータであり、抵抗を増加させるとは限らない。しかし、廃棄物がアー

計測が容易である。このため、アーク電圧は、アークプ

クプラズマに接したときにアークプラズマ内で起こる現ラズマの安定性の指標となり得る。

象は、上記のように単純には説明できないが、大筋では、移行形アークプラズマで廃棄物を溶融中にアーク電圧が変化する機構は、概ね図 6-2-4 に示すとおり、４つで
ある

。

（35）

このように理解しておいて差し支えない。
次に、「２. プラズマの組成の変化による導電性の変化」について述べる。投入された廃棄物は、アークプラ

まず、「１. プラズマの冷却による導電性の低下」につズマから熱を奪いながら、急速に溶融・気化する。このいて述べる。6-1-1 項で述べたように、アークプラズマ

とき、ガス化した廃棄物は、アークプラズマの内部に混の導電率は温度に強く依存する。廃棄物の投入により、入し、アークプラズマの組成を変化させる。この結果、アークプラズマが冷却されるとアークプラズマの導電率

アークプラズマを構成する高温気体の輸送特性が変化し、は急速に低下し、アーク電圧は上昇する。正確にはアーアーク電圧も変化する。ただし、廃棄物投入に伴うガス

クプラズマは、周囲条件により形態や性質が変化するた

組成の変化が、アーク電圧を上昇させる方向に作用する

め、局所的な導電率の低下が常にアークプラズマ全体ののか、あるいは低下させる方向に作用するのかは、廃棄52

物の成分により異なることに注意が必要である。一般的

本来、アーク電圧に電極内の抵抗分に相当する電圧は含には、金属を多く含む廃棄物の場合、金属蒸気が混入す

まれていない。また、通常の電極系ではこの抵抗は十分ることになり、6-1-1 項に示したように、アークプラズに小さいので無視できる。しかし、廃棄物溶融炉では、マの導電性を向上させ、電圧を低下させる方向に作用し、一方の電極となるスラグの抵抗が無視できない程度に大後述のように、可燃物を多く含む場合、解離エネルギー

きくなることがあり、この場合、電極間電圧は真のアーの高い多原子分子の混入に伴う温度低下により、導電性

ク電圧とは言えない。しかし、この抵抗はスラグの組成、が低下し電圧を上昇させる方向に作用する。

温度、体積などにより時々刻々変化し、その値を特定す

次の「３. アーク経路の変化」とは、特に低ガス流量ることは困難であるため、筆者らは、便宜的に、スラグで金属に比較して導電性の低いスラグを加熱している場の電圧降下を含む電極間電圧をアーク電圧と呼んでいる。

合に起こりやすい現象で、炉内への廃棄物の投入に伴い、当然ながら、スラグの抵抗分が増えるとアーク電圧も上

加熱対象表面の陽極点が移動し、アークプラズマが斜め昇する。

になったり蛇行したりすることを指す。実質的にアーク②可燃物や不燃物投入時のアーク電圧に生じる現象

が長くなるため、電圧は上昇する。陽極点は急激に移動投入する廃棄物の種類により、アーク電圧の上昇の様する場合があり、アークプラズマの消弧に至りやすいた

相が異なる例として、図 6-2-5 に⒜不燃物としてケイ酸め注意が必要である。

カルシウム系保温材、⒝可燃物としてゴム手袋を炉内に最後に「４. 溶湯の導電性の低下」について述べる。
不燃物
投入
バケット

落下

400

電圧上昇

第６章

電圧 [V]

500
300
200
100
0

0.15sec
-0.5

02

⒜

0.5

31

時間 [sec]

1.5

不燃物投入時のるつぼ内状況と電圧波形の例（ケイ酸カルシウム系保温材 200g）

可燃物

電圧 [V]

500
400

電圧上昇

落下

300
200
100
0

4.8sec-10⒝2

時間 [sec]

46

8

可燃物投入時のるつぼ内状況と電圧波形の例（ゴム 2.5g）

図6-2-5

廃棄物投入時の電圧波形例

電中研レビュー No.54 ● 53

プラズマトーチ

①

②

ゴム塊

プラズマ
溶湯

投入前

③

④

落下１秒後

投入

⑤

３秒後

⑥

⑦

５秒後

４秒後

⑧

６秒後

図6-2-6

７秒後

ゴム塊投入時の炉内の様相投入したときの電圧波形を、それぞれ示す（36）。同図⒜するため、表 6-2-1 に示すようにプラズマ炉の運転条件の場合、投入直後に急峻な電圧上昇が見られ、その後はを変えて電圧上昇を調べた。まず、炉内へ注入する空気

緩やかな上昇が見られる。これは、主に前述の機構 1、量を増加させると、すすの濃度が低下し、さらに、るつ4 が対応しているものと考えられる。一方、同図⒝

ぼからすすの排出が促進されることがビデオで観察されの場合、廃棄物が溶湯に落下してから、約４秒後から急た。この結果から炉内の分解生成物の濃度が低下するた

激な電圧上昇が見られ、短時間に電圧上昇が収まっていめ、電圧上昇は抑制される。また、一般的にプラズマガる。また、わずか 2.5g の廃棄物で大きな電圧上昇をもス流量を増加させるとアーク電圧は上昇する。これに加たらしていることが分かる。図 6-2-6 は、図 6-2-5 ⒝のえ、アークプラズマの流速が増し周辺の雰囲気をアーク

電圧波形に対応する炉内の様相である。電圧上昇に対応

プラズマ内に巻き込む効果が強くなり（38）、分解生成物

する投入から４～５秒後に、炉内に熱分解生成物（すを内部に取り込みやすくなることにより、アーク電圧がす）が大量に発生していることが分かる。このことから、上昇すると考えられる。さらに、アーク電流を増加させ

図 6-2-5 ⒝の電圧上昇の主要因が、熱分解生成物のプラ

るとアークプラズマの保有熱量の増加により、分解生成

ズマへの混入によるものと考えられる。炉内での可燃物物の混入による温度低下が抑制される効果、あるいは電の熱分解の様相は、可燃物の種類により異なる。ゴムや流の増加に伴ってアークプラズマの粘性が高まり分解生

プラスチックスは急速に熱分解が進むため、少量でも電成物のプラズマ内への混入が抑制される効果により、圧を上昇させる効果が高いが、熱分解しにくい木片の場

アーク電圧の上昇が抑制されたと推定される。

（37）

第６章

合、熱分解が比較的ゆっくりと進行するため、電圧への影響が小さい。

実用炉では、アーク電流は、炉の処理能力などで決定されるものと想定される。しかし、プラズマガス流量はプラズマトーチの仕様の範囲内なら、また、炉内へ注入③運転パラメータが可難燃物の投入時のアーク電圧に及する空気量は排ガス処理装置の処理能力の範囲内なら制

ぼす影響

御しやすい運転条件であるので、これらを制御すること

電圧上昇を抑制し安定な加熱を継続できる方策を検討

は、可難燃物を処理する際にはアーク電圧の上昇を抑制

表6-2-154可難燃物投入時のアーク電圧上昇とプラズマ炉運転条件の関係

プラズマ炉の運転条件増加させた時のアーク電圧の増減

原因

炉内の分解生成物の濃度が低下するため。

炉内注入空気量

電圧上昇が低減

プラズマガス流量

電圧上昇が増加

アークプラズマ内への分解生成物の混入量が増加するため。

アーク電流

電圧上昇が低減

アークプラズマの保有熱量が増加し、分解生成物による冷却が低減するため。

する有効な方法と考えられる。
⑵

6-2-2

交流プラズマトーチにおける発生・制御技術

電極損耗現象と電極設計手法
交流トーチの電極損耗については、2,000 ～ 8,000A の大電流領域における検討（44）～（46） が行なわれているも⑴

交流プラズマの特長および課題のの、これらは実験的検討に終始している。このため、

6-2-1 項では直流プラズマに関する特性を述べた。こ

電極損耗現象を解明し、さらに、プロセスで要求されるの直流プラズマは主に導電性物質を加熱する際に利用さ電流などの運転条件に応じ、電極損耗を低減できる設計れる。直流プラズマを用いて非導電性物質のみを加熱す手法を開発した。

る場合は、非移行形プラズマを利用するかもしくは複数①電極損耗現象本のプラズマトーチ間に発生させた移行形プラズマを利

電極損耗の低減化方策を明らかにするためには、電極用することが考えられる。しかし、非移行形プラズマで材料および電極形状をパラメータとすることが考えられは加熱効率が低い、移行形プラズマではトーチ内電極

る。電極材料については、直流トーチにおいて電極損耗（陽極）の損耗が著しい、という課題がある。

が少ないと報告されているタングステン合金を選定し、一方、複数本のプラズマトーチ間に発生させた移行形の交流プラズマを利用する場合、それらのトーチ内電極

電極の直径や長さなどの形状をパラメータとして検討を行った（47）（48）。

の損耗量は直流プラズマトーチの陽極の損耗量より少な

50Hz の移行形交流プラズマを大気中で１～３時間連い。このため、交流プラズマは非導電性物質を加熱する

続で発生させ、アーク電流および電極サイズをパラメー際に利用されることが多い。例えば、廃棄物の焼却施設

タとした場合のトーチ電極の損耗量を図 6-2-7 に示す。

から排出される焼却飛灰の溶融・無害化、ガラス屑

いずれの電極サイズの場合も、アーク電流の増加とともに利用されている。また、プラに損耗量は増加した。また、電極径が 8mm や 10mm のズマにガス（メタン、エチレン）を吹き込みカーボンブ

場合は 450 ～ 550A で損耗量は急増したが、電極径がラックのナノ粒子を合成している例

13mm の場合は 550A でも損耗量の急増は見られなかっ（39）の溶融・リサイクル

（40）

もある。

（41）

た。実プロセスを考慮すると、損耗量が急増しない範囲用できる交流プラズマには、直流プラズマ利用時に必要を把握する必要がある。以下、今回の実験条件においてな炉底電極は不要となる。このため、大幅な改造を行わ損耗量が急増しない範囲（5mg/h 以下）について、電ずに既存プロセスに取り付けやすく、現行加熱技術の代

極先端温度に着目し考察する。

替技術として利用される場合もある。例えば、製鋼プロ

冷却水によるトーチ電極からの抜熱量（実測値）など

セスの一つのレードルまたはタンディッシュという装置

を用いて電極における熱バランスを計算した。また、そに複数本のトーチを取り付け、そのトーチ間に形成された交流プラズマを用いて溶鋼加熱を行っている（42）（43）。

15の課題がある。
①交流プラズマトーチ内の電極が損耗し易い
直流プラズマトーチ内の陽極に比べれば損耗量が少な
いものの、陰極に比べれば損耗量が多い。
②直流プラズマに比べてプラズマが不安定になり易い

電極損耗量 Ew [mg/h]

しかし、この交流プラズマを利用する際には次の二つ

10d [mm]
Sc [mm2]

L［mm］

○

８
（５０）

１２

△

１０
（７９）

１２

□

１３
（１３３）

１１

トーチ電極：La2O3-W
プラズマガス：アルゴン10 ℓ/min
プロット点：2～4回の平均値

5

交流プラズマの電流は正極性と負極性が交互に流れるので、その切り替わる瞬間は電流が零になる。この時点でプラズマの導電性が低くなり不安定になりやすい。

0

0

100

200

300

400

500

600

アーク電流 Iac ［Arms]

本項では、これらの課題を解決するための具体的な方策について述べる。

図6-2-7

電極損耗量のアーク電流依存性

電中研レビュー No.54 ● 55

第６章

また、上記のように複数本のトーチ間で発生させて利15

電極損耗量 Ew [mg/h]

平均電極降下電圧 Vdrop = (Qdrop / Iac) [V]

Iac [A] D[mm] L[mm]
8
12
○
10
12
△ 100～
550
13
11□● 200 6～10 11～31

トーチ電極：La2O3-W
プラズマガス：アルゴン10 ℓ/min
プロット点：2～4回の平均値

10

5

10
d [mm]
Sc [mm2]

8△

6

L [mm]

８
（５０）
１０
（７９）
１３
（１３３）

○

□

１２
１２
１１

4
2
0
2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

電極先端解析温度 T t [K]融点
01,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000

図6-2-9平均電極降下電圧の電極先端温度依存性

電極先端解析温度 T t [K]

図6-2-8

電極損耗量の電極先端温度依存性
(a)

START

れらの結果と実験後の電極先端のアーク痕跡面積を用い
所望の損耗量 Ewを設定

電流 I を設定て電極内部の定常熱伝導解析を行い、電極先端温度を計算した。この電極先端解析温度と電極損耗量との関係を(b)が低いほど損耗量が低く抑えられている。また、損耗量

平均電極降下電圧 Vdrop

Vdropの急増しない範囲を上述の 5mg/h 以下と仮定すれば、その範囲に抑えるためには電極先端解析温度を 3,000K

Tt (opt)
電極サイズを仮設定

程度以下（融点：3,660K）に低減すればよいことが分かる。なお、電極損耗現象が電極蒸発現象であると仮電極への入熱量 Qin を計算

Qin＝ Qdrop ＋ QradA ＋QRI2＝ Vdrop・I ＋（ Vcol・I ）・α・β＋R・I ２

アークコラムの電圧（アーク長×電界）アークコラムパワーから放射パワーへの変換効率

定して、タングステンの蒸発速度から電極損耗量を試算

第６章したところ、上記と同程度の 3,000K を超えるあたりか

電極内部を通過する熱量 Qの計算②電極設計手法

電極先端における入熱面積 Sinの計算

入熱面積とアーク電流の比例定数

電極先端温度 Tt を計算

極における熱バランスの計算結果から、平均電極降下電平均電極降下電圧と電極先端温度との関係と、前述の電S in ＝ γ・ I

電極温度

電極内部の熱伝導解析

まず、電極サイズ設計手法について述べる。上述の電端温度への依存性が図 6-2-9 のように求められる。この＝ Qin －ε・σ・ S r ・T 4
熱放散面積
ステファン・
ボルツマン定数

た（48）（50）。

圧（陰極降下電圧と陽極降下電圧の相加平均）の電極先

Q＝ Qin － QradE

電極の放射率

上述の結果から得られた知見を基にして、電極損耗量
さらに大電流領域 2,000A の電極サイズの設計を試み

電極の電気抵抗

アークから電極を見たときの立体角を考慮した変数

ら損耗量が急増した。

を低減できる適正な電極サイズを設計する手法を考案し、Tt (opt)

適切な電極先端温度 Tt (opt)

図 6-2-8 に示す。ばらつきはあるものの、電極先端温度

（49）

Ew

no

Tt ＝ Tt (opt)yes

最適な電極サイズの決定

END

極損耗量と電極先端温度との関係などを用いて電極サイズを設計する。そのフロー図を図 6-2-10 に示す。概略
次の通りである。まず、図中の右上⒜の電極損耗特性56

図6-2-10トーチ電極サイズの設計手法フロー図

（例えば、図 6-2-8）を用いて、所望の損耗量にするた15

めの適切な電極先端温度 Tt(opt) を選定する。次に、図中

I＝2,000A
Tt＝3,000Kの右上⒝の特性（例えば、図 6-2-9）を用いて、電極先
電極長 L ［mm］

端温度が Tt(opt) のときの平均電極降下電圧 Vdrop を算出する。また、あらかじめプロセスで必要なアーク電流値を設定しておき、また、電極サイズ（直径、長さなど）を仮に設定しておく。上記検討で得られた諸量を用いて電10Q ＝9.2～9.9kW

5

文献 (51) の電極サイズ

極への入熱量 Qin を求める。次に、電極先端から電極内部に入る熱量 Q（＝ Qin － QradE）を求めるために、電極

0

先端での出熱量として QradE を求める。ここで、QradE は、

Q ＝8.1～8.7kW

0

500

1000

電極断面積 Sc ［mm2］電極から放射によって失われる熱量である。熱量 Q の電極先端における入熱面積 Sin は、アーク電流値と比例

図6-2-11定数の積として求める。これらの結果を用いて電極内部

電極サイズの設計例の熱伝導解析を行い、このときの電極先端温度 Tt を計算する。この計算された電極先端温度 Tt と最初に選定計算を行った。なお、今回の計算の範囲では電極先端かした電極先端温度 Tt(opt) とが等しくなるまで、電極サイ

らの入熱量 Q は 8.1 ～ 8.7kW であり、前述の 8.5kW かズをパラメータとした計算を続ける。以上により、プロら最大 5％程度変化した。
以上のような解析を行い電極先端温度が 3,000K とな

セスで必要なアーク電流に対し、所望の電極損耗量以下

るように電極サイズ（電極長 L、電極断面積 SC の組みとする電極サイズを決定できる。

合わせ）を求めたものを図 6-2-11 に実線で示す。このの電極サイズの設計を試みた。ここでは所望の損耗量を

実線上の電極サイズを「最適な電極サイズ」と呼ぶこと5mg/h とするが、この電極寿命は約 1,000 時間であり実にする。この図の実線より下の部分の電極サイズ領域が、用レベルと考えられる。仮の電極サイズとして電極径を

電極損耗の低減化という観点からは「安全領域」と考え

23mmf および電極長を 6mm とし、電極先端は平坦状られる。また、文献（51） での Q の実測値は前述の通りと設定した。この仮の設定値は、文献（51）でアーク電流

9.7kW であるので、先程と同様に電極径および電極長のが 2,000A の場合に用いられている電極サイズである。

変化による熱量 Q の変化（9.2 ～ 9.9kW）も考慮に入れこれらの諸量などを用いて、電極先端から電極内部に入て、電極先端温度が 3,000K となるように電極サイズをる熱量 Q は 8.5kW と算出された。なお、この熱量 Q は求めたものを図 6-2-11 に破線で示す。この破線は実線

電極内部を通過して冷却水により抜熱される。この冷却よりも下方にあるので前述の安全領域が狭くなっている

水による電極からの抜熱量は実測することができ文ことが分かる。なお、比較のために文献（51）の電極サイ

献（51） の 結 果 は 9.7kW 程 度 で あ り、 今 回 の 算 出 結 果

ズを同図中に◆印で示す。この◆印は同図の実線および8.5kW とは１割程度の差異が認められるものの、概略同破線よりも下方にあるので文献（51）の電極サイズは安全レベルの値と考えられる。これらの値を用いて、電極内領域にあると考えられる。文献（51）では損耗量は明記さ

部の熱伝導解析を行い、このときの電極先端温度 Tt をれていないが、陰極として用いたときと同程度の損耗量

計算し、この温度と今回選定した 3,000K とが等しくなと記述されているので、損耗量はかなり小さいと考えらるまで、電極サイズをパラメータとした計算を続けた。

れ、◆印が今回求めた安全領域に存在することが理解で

なお、パラメータである電極径（電極断面積）および電きる。

極長の範囲はそれぞれ 15 ～ 35mmf （177 ～ 962mm ）2および 5 ～ 15mm とした。ここで、電極径および電極⑶

長を変化させると、前述の諸熱量が変化するため電極先①電流零点における不安定現象

端からの入熱量 Q も変化するが、このことも考慮して電流零点におけるプラズマの安定化技術
電流零点において交流プラズマを安定化させる方策と

電中研レビュー No.54 ● 57

第６章

次に、この考案した手法を用いて、大電流領域 2,000A

して、電流零点における電流の時間変化率を大きくして、の安定性に及ぼす影響について検討するとともに、その電流零点直前のプラズマの導電性を高く維持しつつ、電際のパルス重畳法の適用効果を明らかにした（54）。

流零点直後に電極間に急峻な過渡回復電圧を発生させて雰囲気温度を制御できるチャンバー中でプラズマトー

プラズマの再発弧を容易にすることが考えられる。これ

チと対向電極の間に電流 100 ～ 500A（実効値）、周波まで実規模のプロセスで使われている具体的な安定化方

数 50Hz の移行形のアルゴンプラズマを発生させた場合

策は、交流電流を整流して一旦直流に変換し、これをサの、電流零点近傍のアーク電流・電圧波形の一例を図

イリスタ制御により矩形波交流電流に変換するものであ

6-2-13 に示す。ここで、電流が零値から増えて図中のる。この場合、確かにプラズマは安定化するが高価○印で再発弧して電流が急増しアーク電圧が急に低下すな整流器などを用いるため設備費が高い。また、この場

るときの電圧を「再発弧電圧 vb」とした。アーク電流の合の電源構成（例えば、交流電源の電源電圧など）につ増大とともに再発弧電圧 vb が減少し、低い電源電圧でいては特に最適化検討を行っておらず、オーバースペッ

も安定に交流プラズマを発生できた。

（46）

クな部分があれば、さらにコスト高になる。
そこで、交流プラズマの簡易な安定化方策としてパル
ス重畳法

（52）

また、アーク電流を 500A 一定とし、雰囲気温度が異なる場合の交流プラズマの安定性を図 6-2-14 に示す。

を提案し、その有効性を明らかにした。こルス電流を重畳し、電流零点付近だけの電流の時間変化率を高くする方法である。また、運転開始時の炉内は、

電流の方法は、図 6-2-12 に示すように、電流零点だけにパ

常温（300K）であるが、運転時間の経過に伴い炉内はプラズマからの発生熱により 1,300K 程度（53） の高温雰

2.5A

囲気になる。このような場合のプラズマ安定化方策の最プラズマの安定性に及ぼす雰囲気温度の影響の解明が必

電源電圧

電圧

適化（例えば、設定電源電圧の最適化）を行うためには、10μs

要である。ここでは、実プロセスで利用されることが多い移行形プラズマを対象として、雰囲気温度がプラズマ

再発弧電圧 vb

100V
10μs

第６章

（アーク電流 500Arms，電源電圧 270Vrms，雰囲気温度 600K）①アーク電流図6-2-130アーク電流・電圧の波形例

時間500
プラズマを安定化させるための電源電圧波高値②パルス電流

400

0

時間

電圧［Ｖ］

270Vrms

300

○

安定

×

消弧

200Vrms

200③パルスを重畳したアーク電流0プラズマの状態

220Vrms時間

再発弧電圧 Vb

・アーク電流 500A・アルゴン10 ℓ/min
・電極間距離 40 mm・プロット点は 4～8回の平均値

100
200

400

600

800

1000 1200 1400

雰囲気温度 Tatm［K］

図6-2-1258

パルス重畳法の模式図

図6-2-14

移行形プラズマの安定性の雰囲気温度依存性

ここで、５分以上プラズマが継続した場合を安定とみな（1 ～ 2kW）を考慮してもプラズマ安定化に必要な電源し、この時間未満で消弧したものを不安定とみなした。

容量を低減できる。また、再発弧電圧、安定化に必要な不安定と評価したほとんどのケースは数～数十秒で消弧

電源電圧ともに雰囲気温度の影響はほとんど受けなかっした。雰囲気温度を 600K 程度まで上昇させるとプラズた。つまり、パルス重畳法を適用した場合、実プラズマ

マ安定化に必要な電源電圧が８割程度に低下するが、そ炉内相当の 1,300K 程度におけるプラズマ安定化に必要れ以上の雰囲気温度では変化せず、実プラズマ炉内相当

な電源電圧は、雰囲気温度が 300K の場合と同程度と推の 1,300K 程度でも同程度と推測される。このとき、再測される。このことから、実プロセスにパルス重畳法を

発弧電圧 vb も同様の傾向を示している。ここで、流れ適用すると、炉内温度が 300K 程度である運転開始時か始めているアーク電流 I とアーク電圧 V との積の時間積

ら、炉内温度が 1,300K 程度に高くなる運転定常期まで、分値と損失 N の時間積分値との差分がプラズマのアー

常に低い電源電圧における運転が可能であり操業を簡易

クコラムに注入され、アークコラムに蓄積されるエネルにできることが期待できる。

ギーが増加して、あるレベルに達すると再発弧が起きる

また、電流零点後再び電流が流れ始めてから再発弧がと考えられる。このため、電流が流れ始めてから再発弧発生するまでのアークコラムの蓄積エネルギー増分を求が発生するまでの電流・電圧実測値および Mayr アーク

めたところ、パルス重畳法を適用することにより、パルモデルを用いて、プラズマのアークコラムにおけるスなしに比べてアークコラムの蓄積エネルギー増分が減エネルギーバランスを求めた。その結果、雰囲気温度の少し、また雰囲気温度の影響は受けなかった。これは、上昇とともに蓄積エネルギーの増分 Q（再発弧に必要なパルス重畳により電流零点におけるアークコラムの温度

エネルギー）が減少することが明らかになった。これは、が高くアークコラムの蓄積エネルギーが高いためと考え

プラズマガスとして用いているアルゴンのエネルギー密られる。また、パルスを重畳すると、電流零点直前（～

度（単位体積当たりのエンタルピー）の温度依存特性に

5 m s 程度）まで、電子密度が高い値を維持しているこ起因すると考えられる。

とが分かった。

（55）

さらに、雰囲気温度の差がプラズマのアークコラムの蓄 積 エ ネ ル ギ ー に 与 え る 影 響 を 調 べ る た め、Ha －③材料創製への応用を想定した交流プラズマの安定性
交流プラズマは、上述のような高温の炉内で利用する近傍の電子密度はアークプラズマの安定性（消弧／再発

ことに加え、非導電性のセラミックス粉の溶融や加熱へ弧）に多大な影響を与える物理パラメータであるの応用も期待される。当研究所でも５章で述べたように、

。

（57）

その結果、雰囲気温度が 300K の場合に比べて 600K のアークプラズマの高温場での溶融蒸発などの熱的な現象

方が電子密度が若干高くなることが分かった。このことと蒸発した原子の凝縮の過程での化学反応を制御した材からも、雰囲気温度が高くなると、電流零点におけるプ

料創製に関わる研究開発を推進している。そこで、物性

ラズマのアークコラムの蓄積エネルギーが高くなること

値が既知のセラミックスであるアルミナ（平均粒径：15が推測される。

m m）を、70A の交流プラズマに 11 ～ 84g/min と比較的大きな注入速度で注入した時の安定性を調べた（58）。

②パルス重畳法の適用効果

その結果、アルミナを注入すると電流零点直前でアーク

パ ル ス 重 畳 法 を適用した場合（パルス電流： ５ ～プラズマのエネルギー密度が高くなること、さらに、15A）のプラズマの安定性について調べたところ、パルAℓ原子の電離により電子密度が高くなることにより、

ス重畳法を適用しない場合に比べて７～８割程度の低い

交流プラズマは、アルミナを注入しない場合より安定化

電源電圧で安定化できた。例えば、アーク電流が 500Aすることを明らかにした。

の場合、プラズマ安定化に必要な電源容量を 110kVA

以上のように、高温場での利用や材料創製などへの応から 90kVA へと 20kVA 低減できた。これらのことから、用においても、交流プラズマの安定性が確保できること

パルス重畳法を適用することによって、パルス電源容量を明らかにした。

電中研レビュー No.54 ● 59

第６章

を用いて電子密度を算出した。電流零点

Stark 幅法

（56）

6-3

アークプラズマの計測診断技術

こ の 手 法 を 50kA 級 超 大 電 流 ア ー ク に 適 用 し た 結果（60）～（62）についても述べる。

6-3-1

輝線スペクトルの自己吸収を考慮した温度
計測技術⑵

自己吸収を考慮したアークの温度計測技術および50kA 級アークジェットへの適用結果⑴

計測手法の原理図を図 6-3-1 に示す。「⒜自己吸収特アークプラズマの温度計測技術

性計算と見かけの温度の実測」と「⒝粒子組成の計算とアーク放電の温度計測手法の中で、比較的多く利用される方法として二線強度比法（59）が挙げられる。これは、電子密度の実測」を行うことにより、実温度と電極蒸気アークを分光観測して得られる原子などの異なる二本の混入率を同時計測する。つまり、自己吸収がある時の見輝線スペクトルの強度比から温度を計測する比較的簡易

かけの温度は、真の温度と金属蒸気混入率の関数となるな手法である。しかし、アークが光学的に厚い場合には、ので、二線強度比法で見かけの温度が得られれば、これ観測する輝線スペクトルに自己吸収が生じるので、このを与える真の温度と金属蒸気混入率の組合せ（⒜）が決現象を考慮する必要がある。例えば、数十 kA 級の超大まる。また、電子密度は真の温度と金属蒸気混入率の関

電流領域のアークを対象とする際には注意を払う必要が数となるため、電子密度が実測できればこれを与える真ある。超大電流であるため、アークの直径が太く、また、の温度と金属蒸気混入率の組合せ（⒝）が決まる。これ観測するスペクトル線の原子なども多く含んでいるため

らの両者を満たすところが、真の温度と金属蒸気混入率である。この自己吸収が無いと仮定して二線強度比法をとなる。

用いて計測された温度（以下、見かけの温度と記す）は次に、これを 50kA 級アークジェットに適用した結果

実際の温度とはかなり異なることが懸念される。本項でについて述べる。ここで、アークジェットとは、アーク

は、当研究所が開発した輝線スペクトルの自己吸収を考が点弧している電極表面から噴出する高速流の電磁流体慮したアークの温度計測技術である。アークジェットは、その周辺に存在する碍子装（60）を紹介するとともに、◎自己吸収特性の計算と見かけの温度の実測
自己吸収特性計算
温度 Tr

金属蒸気混入率 XＭ

第６章

12000
ある見かけの温度のときの金属蒸気混入率と温度との関係

11000

スペクトル線の見かけの強度（計算値）
二線強度比法（ａ）

10000

温度 Tr [Ｋ]

自己吸収を考慮した計算温度Tc（見かけの温度；計算値）
二線強度比法を用いた
見かけの温度Tcの実測

9000

温度 Tr と金属蒸気混入率 XM との関係

8000

◎粒子組成の計算と電子密度の実測
7000

（ｂ）
ある電子密度のときの金属蒸気混入率と温度との関係

6000
5000
10-3

粒子組成計算
温度 Tr

金属蒸気混入率 XＭ

アークの粒子組成計算
10-2

10-1

100

101

電子密度Ne（計算値）

102

電子密度Neの実測

金属蒸気混入率 XM [％]温度 Tr と金属蒸気混入率 XM との関係

図6-3-160

計測手法の原理図

置などの電力機器に熱的ストレスを与えるため、大電流

温度は 13,000 ～ 14,000K であり、電流の増大とともにアークジェットの温度、流速、挙動などの基礎特性を解低下し 50kA では 10,000 ～ 12,000K である。また、これ明することが望まれている。上述の計測手法を用いて、らの温度と見かけの温度との差は 3,000 ～ 5,000K であっ

電力流通設備で使用されている鉄、銅およびアルミニウ

た。また、アーク電流が 10kA では鉄蒸気混入率は１％ムの電極から噴出する 50kA 級アークジェット部（電極程度であり、電流の増大とともに急増し、50kA ではから 10cm の位置）の温度測定を行った。アークジェッ

50％程度となった。

トの温度および鉄電極蒸気混入率の測定結果を図 6-3-2

以上のように、大電流アーク放電にまで適用できる温および図 6-3-3 に示す。アーク電流が 10 ～ 20kA では

度と電極蒸気の混入率を測定できる技術を確立した。この測定結果を用いれば、碍子装置などへの熱的ストレス

電極： 鉄（40mmφ）
観測ポイント： 電極から0.1mの3mmφ円
露光時間： 0.5～1ms（発弧後 45msの電流波高値付近）
エラーバー： 測定条件における誤差を考慮した幅16000を推定するために必要なアークのエネルギー密度も推定
できる。

6-3-2

プラズマの流速計測技術

温度［K］

14000
12000

アークプラズマを加熱源として用いた高融点廃棄物の10000

溶融処理や、超微粒子などの材料の製造において、アー8000

クプラズマ中の廃棄物や材料の溶融・蒸発挙動を把握す
ることは重要である。溶融・蒸発挙動を検討する際に必6000

自己吸収の考慮無し（見かけの温度）

4000

■

2000

有り
□ （考案した手法を用いて求めた温度）

0
アーク電流［kA](実効値）

要となるパラメータとしては、アークプラズマの温度分
布の他、アークプラズマの流速と廃棄物や材料の飛行速度が挙げられる。
アークプラズマの流速や、注入された材料などの飛行速度の測定については、様々な手法が提案されているが、当研究所では、材料の蒸発挙動の観察も同時に行うこと

図6-3-2温度のアーク電流依存性が可能な高速度ビデオカメラを用いた流速測定法を確立

観測ポイント： 電極から0.1mの3mmφ円
露光時間： 0.5～1ms（発弧後45msの電流波高値付近）
エラーバー： 測定条件における誤差を考慮した幅画像を用いた流速分布の測定は、大きく、流れの可視化と画像からの流速の算出の２段階に分かれる。流れの可視化のためには、ガス流中にガス流への追従性の高い

102

鉄蒸気混入率 XFe［％］

微粒子をトレーサーとして注入し、レーザー光などの強力な光を照射して、微粒子の反射光を記録するというものが一般的である。検討を開始した当時、既に燃焼炎程

101

度までの温度のガス流の流速分布の画像を用いた測定法はほぼ確立されていた。このような方法をアークプラズ
マなどの熱プラズマの流速測定に適用するためには、ト100

レーサーが蒸発・拡散してしまう、熱プラズマ自身の強い発光を上回る光源が必要であるなど、課題が多かった。
そこで、高温度の熱プラズマに適した流速測定法として、

10-1
アーク電流［kA](実効値）

図6-3-3

鉄蒸気混入率のアーク電流依存性

トレーサーの蒸発を前提とし、その発光を狭帯域のバン
ドパスフィルターを装着した高速度 CCD カメラで撮影する方法を採用し、器壁安定化アークに注入したフライ

電中研レビュー No.54 ● 61

第６章

した。

が徐々に延びている様子が確認できる。この先端部を適アッシュ粒子の飛行挙動などを解明した（63）。
トレーサーは、大きく２種類を用いた。すなわち、フライアッシュ粒子などの固体微粒子と、水素などのガス

切な輝度値で定義し、その進展速度を求めることにより、プラズマの流速を推定できる。

である。前述の器壁安定化アーク中にこれらのトレー

気体をトレーサーとして用いる場合、いくつか注意す

サーを微量注入し、可視化を行った。トレーサーに求める点がある。その代表的なものが、拡散である。すなわ

られる要件としては、目印としての役割を果たすことにちトレーサーの物質移動には拡散と流れの両方が関与し加えて、測定場を乱さないことが必須である。このため、ているため、トレーサーの移動速度は、測定対象の流速極微量を単発的に注入する必要があり、固体粒子の注入にトレーサーの拡散速度が重畳されたものとなる。一般のために、単発型微量粉体供給装置を製作したに流れが速いほど、拡散の寄与は相対的に低下する。筆

。

（64）

この装置を用い、微量の微粒子として平均粒径 10

者らは、高温アルゴン中の水素の拡散係数の温度依存性

m mn のフライアッシュを単発的にプラズマガス中に注を用いて両者の寄与を比較し、今回の実験条件において入し、その発光を、狭帯域バンドパスフィルターを装着

は、拡散の影響をほぼ無視できることを確認した。

した高速度 CCD カメラで捉えた画像を図 6-3-4 に示す。

図 6-3-6 に同一条件下での微粒子を単発注入したとき得られた画像より、発光部分の重心などの移動速度を算の微粒子飛行速度と、水素を微量注入したときの発光の出することにより、微粒子の飛行速度を算出することが進展速度を示す。水素の発光の進展の方が速く、両者と可能となる。ただし、微粒子の飛行速度は周囲のプラズもプラズマガス流量の増加に、ほぼ比例して速度が増加

マ流の速度より低いため、微粒子をプラズマ流の流速測していることが分かる。

定のトレーサーとして用いる場合は速度差を仮定するな
どの注意が必要である。

陰極（z =0mm）

陽極（z =80mm）

一方、固体粒子の代わりに微量のガスを使用すること0μsができれば、プラズマ流に対する追従性が高いため、優280μs

れたトレーサーとなる可能性がある。このため、Ar

560μs

アークプラズマ流の中に微量の水素ガス（0.1cc/ 回）を注入し、その進展を観測した（65）。得られた画像を図

830μs

6-3-5 に示す。プラズマの流速に対し注入継続時間が長1110μs

図6-3-5

CathodeZ

Flow direction

Arc

Arプラズマに注入した水素の発光（強調のため着色）

Anode

100

t = 0.17ms

80

速度 ［m/s］

第６章

いため、発光が帯状に延びた形になっているが、先端部

t = 0.33ms
t = 0.50ms

VH (Hα)VP (Particles)
Iarc = 25A, Plasma gas: Ar
d = 80mm

60
40
20

t = 0.67ms

062

Arプラズマ中のフライアッシュ粒子からの発光（青い部分は強調のため着色）

20

30

40

50

60

プラズマガス流用 ［slm］

t = 0.83ms

図6-3-410

図6-3-6

プラズマガス流量と微粒子飛行速度および水素発光の進展速度の関係（sℓm は標準状態でのガス流量（ℓ/m）を表す。）

以上は、微量のトレーサーを用いた流速測定の検討であるが、実際に廃棄物や材料を熱プラズマ中で処理する
場合、大量の物質が注入され、その蒸気がプラズマ全体に拡がるため、注入した物質そのものを同様の手法で目印 と す る こ と は で き な い。 そ こ で、PIV（Particle
Image Velocimetry）の手法のうち、画像の濃淡の移動から流速分布を測定可能な、相互相関法を用い、多量の微粒子が注入されたときのアークプラズマの画像から、流速分布の測定を試みた（66）。この手法で算出したフライアッシュ粒子多量混入時の流速は他の方法で測定した場合と同程度である。
本手法を適用するためには、画像に濃淡、すなわちプラズマの発光のむらが必要であること、また、濃淡の移
動が物質移動によるものであると仮定できる必要がある
ため、常に適用できるものではないが、簡便に流速分布まで計測できるため、材料合成の際の材料注入条件の検討などに有用であり、筆者らは、第５章で述べた超微粒子、複合ナノ粒子の合成に際し、ツールとして活用した。
以上、当研究所におけるプラズマの流速計測技術の概要を述べた。熱プラズマは高温であるため、通常のガス流に用いられるトレーサーをそのまま適用することが困難であり、熱プラズマに適した流れの可視化手法を、計測場の制約や計測目的に応じ、取捨選択することが重要である。

（1） 岩田幹正、足立和郎、天川正士：セラミックス粉注入
時の移行形交流プラズマの安定性とその機構、電力中央研究所研究報告、W00025（2001）（2） 天川正士、岩田幹正、足立和郎：アルミナの混入したアルゴンの熱力学特性と輸送特性、電気学会論文誌 A、Vol. 122-A、pp. 288-294（2002）（3） K. Adachi, T. Amakawa and T. Inaba, Voltage
Transition of Low Current Argon Arcs by Mixing ofIron Powder, CRIEPI Report, EW91014（1991）（4） 天川正士、足立和郎、渋谷正豊、稲葉次紀：鉄蒸気が混 入 し た ア ル ゴ ン の 輸 送 特 性、 電 気 学 会 論 文 誌 Ａ、
Vol.113-A、pp. 321-329（1993）（5） 天川正士：金属蒸気の混入した高温空気の輸送特性、
電力中央研究所研究報告、W86009（1986）（6） 岩田幹正、田中慎一、池田弘一、合田豊：50kA 級長
ギャップ交流大電流アークにおけるアークジェット部の温度特性−分光計測時の機先スペクトルの自己吸収を考慮した温度測定手法の開発−、電力中央研究所研
究報告、W99027（2000）の高輝度アーク光生成手法の提案、電力中央研究所研
究報告、W98001（1998）（8） 池田弘一、天川正士、渋谷正豊：高圧高温アルゴン
ア ー ク の 放 射 輝 度 の 解 析、 電 気 学 会 論 文 誌 A、Vol.
120-A、No.4、pp. 414-419（2000）（9） 池田弘一、足立和郎、稲葉次紀：光加熱に向けたアー
ク の 放 射 特 性 の 検 討、 電 力 中 央 研 究 所 研 究 報 告、
W93034（1994）（10）例えば、数値流体力学編集委員会編、「非圧縮性流体解
析 数値流体力学シリーズ 1」、東京大学出版会（1995年）（11）S. V. Patankar,“Numerical Heat Transfer and Fuid
Flow”
，Taylor & Francis（1980）、水谷幸夫、香月正司、「コンピューターによる熱移動と流れの数値解析」、
森北出版株式会社（1988 年）（邦訳）（12）S. V. Patankar,“Heat and mass transfer in boundary
layers, 2nd ed.”，Hemisphere Publishing Corporation（1970）（13）K. C. Hsu and E. Pfender: Two-temperature modelingof the free-burning, high-intensity arc, J. Appl. Phys.,Vol. 54, No. 8, pp. 4359-4366（1983）（14）D. M. Chen, K. C. Hsu and E. Pfender: Twotemperature modeling of arc plasma, J. Chemistry
and Plasma Processing, Vol. 1, No. 3, pp. 295-314（1981）（15）渡辺隆行、田中康規：4. 熱プラズマによるナノ粒子の合 成、 プ ラ ズ マ 核 融 合 学 会 誌、Vol. 82、No. 8、pp.
484-487（2006）（16）N. A. Sanders: The effect of anode evaporation on the
behavior of a high intensity arc, MS Thesis,
University of Minnesota（1979）（17）T. Amakawa, J. Jenista, J. V. R. Heberlein and E.
Pfender: Anode boundary layer behavior in atransferred, high intensity arc, J. Phys. D: Appl. Phys.,vol. 31, p2826（1998）（18）K. Etemadi: Investigation of high-current arcs bycomputer-controlled plasma spectroscopy, Ph.D.
Thesis, University of Minnesota（1982）（19）古川静枝、天川正士、足立和郎：移行形アークプラズ
マから水冷銅陽極への伝熱量に関する数値解析、電気学会論文誌 A、Vol. 120-A、No. 6、pp701-707（2000）（20）P. Zhu, J. J. Lowke, R. Morrow, J. Haider: Prediction ofanode temperatures of free burning arcs, J. Phys. D:
Appl. Phys., vol. 28, p1369（1995）（21）R. Morrow, J. J. Lowke: A one-dimensional theory forthe electrode sheaths of electric arcs, J. Phys. D :Appl. Phys., vol. 26, p634（1993）（22）M. I. Boulos, P. Fauchais, E. Phender, “Thermal
Plasmas 1”，Plenum Publishing Corporation（1994）（23）日 本 機 会 学 会、
「 伝 熱 工 学 資 料 改 訂 第 4 版 」、 丸 善（1986）（24）H. A. Dinulescu, E Pfender: Analysis of the anodeboundary layer of high intensity arcs, J.Appl. Phys.

電中研レビュー No.54 ● 63

第６章

参考文献

（7） 池田弘一：金属表面の非晶質化条件の解析とそのためvol. 51, p3149（1980）

reactor for carbon black production, Proc. of 13th Int.

第６章

（25）古川静枝、足立和郎、天川正士：アークプラズマ加熱

Symposium of Plasma Chemistry, pp.1925-1930（1997）

における水冷銅への伝熱機構に関する実験的検討、電気学会論文誌 A、Vol.119-A、No.9、pp1209-1214（1999）（26）S. Furukawa, T. Amakawa and K. Adachi: Effects of
Copper Vapor on Heat Transfer from Atmospheric
Nitrogen Plasma to the Molten Metal Anode, Plasma
Chemistry and Plasma Processing, Vol.22, pp85-104（2002）（27）H. Abdelhakim, J. P. Dinguirard and S. Vacquie: The
influence of copper vapor on the transport coefficientsin a nitrogen arc plasma, J. Phys. D: Appl. Phys., vol.
13, p1427（1980）（28）J. M. Yos: Revised transport properties for hightemperature air and its cpmponents, AVCO
Corporation, Space System Division Report Z220,
Wilmingtom, MA 1（1967）（29）P. J. Shayler and M. T. C. Fang: The transport andthermodynamic properties of a copper-nitrogenmixture, J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 10, p1659（1977）（30）天川正士、足立和郎、渋谷正豊、稲葉次紀：プラズマ
トーチ用タングステン電極の損耗、電気中央研究所研
究報告、W88042（1989）（31）天川正士、足立和郎、安井晋示、渋谷正豊、廣津信義、
篠田強志、田島伸夫：加熱用プラズマトーチの大電流化、電気中央研究所研究報告、W90012（1991）（32）天川正士、足立和郎、渋谷正豊、稲葉次紀：プラズマ
トーチ用電極の損耗現象−窒素ガスとアルゴンガスによる違い−、電気中央研究所研究報告、W90037（1991）（33）松田福久、牛尾誠夫、熊谷達也：アーク放電電極の研
究 Ⅱ、溶接学会全国大会講演概要、No.37、66（1985）（34）田中和士：大出力プラズマトーチ用熱陰極材料の開発とその特性についての基礎的研究、大阪大学学位論文（1996）（35）足立和郎、天川正士、安井晋示：プラズマ溶融処理時のアーク電圧の上昇−ケイ酸カルシウム系保温材を投入した場合−、電力中央研究所研究報告、W95028（1996）（36）足立和郎、天川正士、安井晋示、古川静枝：ゴムを含む雑固体廃棄物のプラズマ溶融処理−アークプラズマの電圧に及ぼす可 ･ 難燃物の影響−、電力中央研究所
研究報告、W97034（1998）（37）足立和郎、天川正士：不燃性粉体の注入による安定化
アルゴンアークの電圧変化とその機構、電力中央研究
所研究報告、W99036（2000）（38）E. Pfender, J. Fincke and R. Spores: Entrainment ofcold gas into thermal plasma jets, Plasma Chemistry
and Plasma Processing, Vol.11, No.4, pp.529-543（1991）（39）H. Klein and H. J. Bebber：Thermal processing of flueand filter dusts by AC plasma technology, Proc. ofInt. Conf. of Recycling of Metalliferous Materials,
pp.125-131（1990）（40）UIE WG on plasma process：Plasma technology for abetter environment, pp.97-98, UIE（1992）（41）F. Fabry, G. Flamant, B. Ravary and L. Fulcheri：
Progress in the analysis of the 3-phase AC plasma（42）D. Neuschütz, K. H. Schubert and H. J. Bebber：
Metallurgical results from a 30T AC plasma ladle
furnace, Proc. of 6th Int. Iron and Steel Congress,
pp.543-550（1990）（43）H. Fujimoto, H. Tokunaga and H. Iritani：A HighPowered AC Plasma Torch for the Arc Heating of
Molten Steel in the Tundish, Plasma Chem. Plasma
Processing, Vol.14, No.3, pp.361-382（1994）（44）D. Neuschütz, H. Rossner, H. J. Bebber and J.
Hartwig：Development of 3-phase AC plasma
furnaces at Krupp, Iron and Steel Engineer, pp.27-33（1985）（45）D. Neuschütz, H. J. Bebber and K. Heinen：Heating
molten steel in an inert-gas atmosphere using 3-phase
AC plasma torches, Proc. of Japan – German Seminaron Fundamental Iron Steel Making, pp.151-66（1987）（46）H. J. Bebber：AC torches, Proc. of 1st Int. EPRI
Plasma Symposium（EPRI CMP Report No.90-9）Palo
Alto U.S.A., No.23（1990）（47）岩田幹正、安井晋示、渋谷正豊：交流プラズマトーチ
における電極の損耗現象−電極のサイズおよび先端面積の影響−、電力中央研究所研究報告、W91024（1992）（48） 岩田幹正、渋谷正豊：交流プラズマトーチにおける電極の損耗現象（その２）−アーク電流の影響−、電力中央研究所研究報告、W94037（1995）（49） H. Hackmann and H. J. Bebber：Electrode erosion inhigh power thermal arcs, Pure & Appl. Chem., Vol.64,
No.5, pp.653-656（1992）（50）岩田幹正、渋谷正豊：交流プラズマトーチ用タングス
テン電極の電極サイズ設計手法の検討、電気学会論文
誌 A、Vol. 118-A、No. 9、pp. 965-970（1998）（51）D. Neuschütz, A. Hauck and Y. Zhai：Effect of arc
polarity on heat transfer and electrode wear during
plasma-heating of steel melts, VDI Berichte Nr.,
pp.471-478（1995）（52）稲葉次紀：アークプラズマの利用、電中研レビュー
No.18、pp.50-54（1988）または、岩田幹正、安井晋示、
渋谷正豊：交流プラズマの安定化手法−パルス重畳法に 関 す る 基 礎 的 検 討、 電 力 中 央 研 究 所 研 究 報 告、
W92016（1993）（53）渋谷正豊、天川正士、足立和郎、安井晋示、岩田幹正、
山崎建利、木下勝雄、飯田久米男：不燃性廃棄物の溶融用プラズマ炉の開発−都市廃棄物の焼却灰溶融用100kW 級プラズマトーチの開発−、電力中央研究所研
究報告、W90038（1991）（54）岩田幹正、渋谷正豊：高温雰囲気場における移行形交流
プラズマの安定化、電力中央研究所研究報告、W97026（1998）（55）O. Mayr：Beitrage zur Theorie des statischen und
des dynamichen Lichtbogen, Archiv fur
Electrotechnik, Vol.37, pp.588-608（1943）（56）H. R. Greim：“Spectral Line Broadning by Plasmas”，
Academic Press, New York and London, pp.236-257

64

（1974）（57）Y. Yokomizu, T. Sakuta and Y. Kito：A novel
approach to AC air arc interruption phenomena
viewed from the electron density at current zero, J.
Phys. D: Appl. Phys., Vol.22, pp.129-135（1989）（58）岩田幹正、足立和郎、天川正士：セラミックス粉注入
時の移行形交流プラズマの安定性とその機構、電力中央研究所研究報告、W00025（2001）（59）例えば、宮地巌、鬼頭幸生、岡田勝男：電力アークにおける温度および電極蒸気密度分布のアークスペクト
ル線強度による決定、電気学会論文誌、Vol. 87、p235（1967）（60）岩田幹正、田中慎一、池田弘一、合田豊：50kA 級長
ギャップ交流大電流アークにおけるアークジェット部の温度特性−分光計測時の輝線スペクトルの自己吸収を考慮した温度測定手法の開発−、電力中央研究所研
究報告、W99027（2000）（61）岩田幹正、田中慎一、池田弘一、合田豊：50kA 級長
ギャップ交流大電流アークにおけるアークジェット部の温度特性（その２）−鉄電極から噴出するアーク

ジェット部の温度とエネルギー密度−、電力中央研究
所研究報告、W00026（2001）（62）岩田幹正、田中慎一、池田弘一、合田豊：50kA 級長
ギャップ交流大電流アークにおけるアークジェット部の温度特性（その３）−温度およびエネルギー密度の軸方向
分布−、電力中央研究所研究報告、W01010（2002）（63）足立和郎、天川正士、古川静枝、岩田幹正：不燃性粉
体の注入による安定化アルゴンアークの電圧変化とその機構、電力中央研究所研究報告、W99036（2000）（64）K. Adachi, M. Iwata and S. Furukawa: Observationsof hydrogen vapor propagation in wall stabilized
argon arcs using high-speed CCS cameras, 14th
International symposium on plasma chemistry, Czech
Rep.（1999）（65）足立和郎、岩田幹正：器壁安定化アルゴンアークに添加された水素の流速測定、電気学会論文誌 A、120、p.18（2000）（66）足立和郎：PIV によるアークプラズマ内金属蒸気の流速測定、平成 12 年電気学会全国大会、1-122（2000）

第６章
電中研レビュー No.54 ● 65第７章

まとめと今後の展望

第７章

まとめと今後の展望……………………………………… 68

まとめと今後の展望
電気加熱は、①局所的な加熱ができる、②急速な加熱

染レベルに比例した処理時間とすることができ、したができる、③加熱の場の雰囲気の選択範囲が広い、④高がって、スポット除染といった局所的で短時間の処理時

温加熱ができる、⑤エネルギーの制御と管理が容易であ間で済む除染対象であれば、適用の簡易さや二次廃棄物

る、⑥起動・停止が容易である、⑦クリーンな加熱がでの発生量などの観点から、減圧アーク除染技術の特長がき、また、快適な作業環境を維持しやすい、などの優れ生かせると考えるためである。このような本技術の特長

た特長を有している。このため、１次燃料に換算してもを活かせる適用先に対し、外部動向を踏まえながら実用

加熱効率が燃焼加熱に比べて改善される場合もある。さ化展開を図りたい。なお、スポット除染技術を考えた際らに、電気加熱でしか達成できない付加価値の高い応用における課題としては、スポット汚染箇所の検出方法、もある。アークプラズマ加熱は電気加熱の一種であり、除染を終了するタイミングの判断方法、といった工学的これらの優れた特長を有している。特に、超高温を容易なシステム作りが挙げられる。

に安定に発生できるという点が、他の電気加熱方式にない特長である。

また、材料創製の分野では、熱を通しやすく電気を通しにくいという魅力ある次世代の絶縁材料の開発に向け、本レビューでは、アークプラズマ加熱の優れた特長をエポキシ樹脂の成型性を向上するための粒子条件の解明、活かし、当研究所が推進している廃棄物処理、表面処理、

AℓN 複合粒子の大量合成技術の開発、AℓN 複合粒子を材料創製への応用に関する研究成果と、これらの応用研充填したエポキシ樹脂を絶縁材料とするモールド型変圧究を推進するために必要不可欠な基礎・基盤研究の成果

器の開発を推進する。

の現状を取りまとめた。

当研究所がアークプラズマに関する研究を立ち上げた第７章

以下に応用研究を中心に今後の展望を纏める。

1980 年代の初めでは、その大規模な応用技術は、海外

まず、廃棄物の溶融処理技術については、放射性廃棄において、金属・冶金分野を中心に研究開発が活発化し物の溶融・減容技術として電気事業で運転されているプ

始めていた。一方、国内でも製鉄会社を中心にタンディ

ラズマ炉や高周波誘導炉などの実用機の操業で明らかに

シュ加熱への応用が研究され、現在も連続製鉄プロセスなってきた課題や、原子力発電所の廃止措置に伴って発の中で利用されている。その後、環境問題への意識の高生する放射性廃棄物の課題などを広く調査し、当研究所

まりとともに、国内では、法規制の強化などの背景ものこれまでの知見を活用した新たな研究展開を図る。特あって、都市ゴミ焼却灰の溶融処理施設にアークプラズに、廃止措置ではこれまでの研究開発で対象としなかっ

マ方式が採用される事例が、2000 年代前半に急増した。

た廃棄物や放射性核種が発生すると想定されることから、国内の施設数は、世界的に見ても非常に多い。電気事業

溶融時の核種挙動の解明を中心に新たな研究を展開する。

に貢献した放射性廃棄物の溶融処理技術については、こ次に、実験室規模での基本技術を確立した減圧アークのような技術開発の流れに比べて数年ほど早く着手した除染技術については、具体的な適用先として、例えば、ことが大きなアドバンテージになっていると感じている。

放射性廃棄物のクリアランス検認時に検出された局所的

今後も、時期を逸せず課題を先取りし、アークプラズマ

な汚染個所（スポット汚染）に対するスポット除染が挙加熱技術に関わる研究開発を引き続き推進し、電気事業げられる。これは、減圧アーク除染では、原則として汚や社会へ貢献する成果を創造していきたい。

68

おわりに
理事

電力技術研究所長

藤波秀雄

アークプラズマは様々の処理・減容、無害化などへの応用も注目されな分野で応用利用されてている。例えば、我が国では都市ゴミ焼却灰のいるが、我が国では明治

減容施設へ数多くの導入実績があり、また、温11 年（1878 年 ） に ア ー

暖化ガスであるフロンの分解装置なども商品化

ク灯としてその高輝度性されている。

を利用した光源としての本レビューはアークプラズマの優れた特徴を応用が始めであり、また廃棄物処理、表面処理・加工、材料創製へ応用

同時に電気の利用としてした当研究所での研究成果を取りまとめたもの

も記念すべきその３月 25 日が電気記念日となっである。これらの成果は、アークプラズマの基ている。

礎的研究のもとでの発生・制御技術や計測診断

アークプラズマは高輝度性のほかに超高温場技術に支えられているもので、今後ますます重を比較的容易に作り出せる特徴も持ち合わせて要となる環境問題への対応など発展応用の可能いる。さらに局所的に高エネルギーを発生・制性が大きいと考えられる。紹介した内容はまだ御できる特徴もあり、金属の切断や溶接、ガス

まだ応用技術の原理実証あるいは初歩的段階のタービンなどの遮熱コーティングに代表されるものであるが、今後の本分野の発展や技術の確

溶射など古くから応用技術として定着している。

立に役立てていただければ幸いである。また、

ここ十数年を振り返れば、製鉄などの冶金プロ

産業分野における大規模な加熱において、アーセス中で溶融した金属の加熱・保温、さらには、

クプラズマの優れた特徴を活かした応用が展開

高融点の材料創製など様々な分野に応用が図ら

し、電化による低炭素社会の構築への一助となれてきた。最近では、特に環境問題や有害物質

れば幸いである。

への対応が社会問題化されている中で、廃棄物

電中研レビュー No.54 ● 69

執筆分担
巻頭言：中央大学理工学部教授
はじめに：常務理事

新田 明人

１章：天川

正士

２章：天川

正士、足立

３章：池田

弘一

４章：古川

静枝、足立

５章：岩田

幹正

６章：天川
池田
７章：天川

稲葉 次紀

和郎
和郎、藤原

和俊

正士、足立

和郎、岩田

幹正、

弘一、古川

静枝

正士

おわりに：理事

電力技術研究所長

藤波 秀雄

編集後記
電中研レビュー第 54 号「アークプラズマとその応用技術

足立 和郎（1986 年入所）
電力技術研究所 上席研究員
アークプラズマを用いた低レベル放射性廃棄物の溶融処理・乾式除染処理に関する研究に従事している。

−廃棄物処理と材料創製への応用−」をお届けいたします。
本号では、「巻頭言」を中央大学教授

天川 正士（1984 年入所）
電力技術研究所 上席研究員
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。
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に携わってきた。

池田 弘一（1991 年入所）
電力技術研究所 主任研究員
電力機器における大電流アーク現象や廃棄物の溶融無害化再資源化などのアー
クプラズマの応用技術に関する研究に従事してきた。最近は故障電流対策やアー
クプラズマを用いた放射性廃棄物の溶融処理の研究に取り組んでいる。
岩田 幹正（1990 年入所）
電力技術研究所 上席研究員
アークプラズマを用いたナノ粒子の創製およびその応用に関する研究に従事している。他に、交流プラズマトーチにおける電極損耗・プラズマ不安定現象、大電流アーク放電の基礎特性や遮断現象に関する研究にも携わっている。

稲葉次紀

様にご執筆いただきました。ご多忙中にもかかわらず快くご寄稿いただき、心からお礼申しあげます。
低炭素社会の実現が声高に叫ばれる中、二酸化炭
素をほとんど排出しない原子力発電の役割がますま
す重要になっています。同時に、エネルギーを有効に利用する技術や省エネルギー技術も重要です。これらの社会的な潮流に対し、超高温という他の加熱源にない優れた特長を有するアークプラズマが、少しでも寄与できれば幸甚です。
また、本レビューが、電力各社をはじめ関係諸機関の方々に少しでもお役に立てば幸いです。
本冊子についてのご意見をお待ちしております。

藤原 和俊（1994 年入所）
材料科学研究所 主任研究員
軽水炉水化学管理の高度化に向け、構造材料の腐食抑制、腐食生成物の除去お
よび蓄積低減に関する研究に従事している。ここ数年間は、流れ加速型腐食に及ぼす水化学因子の影響に関する研究に取り組んでいる。
古川 静枝（1996 年入所）
電力技術研究所 主任研究員
アークプラズマを用いた放射性廃棄物の乾式除染技術や溶融処理等の研究に従事している。

表紙絵：廃棄物の溶融・減容処理に用いた実験装置（2 章、3 章）と材料創製を行っている実験状況の写真（円内：5 章）
を配置しました。

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編集後記電中研レビュー第 54 号「アークプラズマとその応用技術−廃棄物処理と材料創製への適用−」をお届けいたします。
本号では、「巻頭言」を中央大学教授

稲葉次紀様にご執筆いただきました。

ご多忙中にもかかわらず快くご寄稿いただき、心からお礼申しあげます。
低炭素社会の実現が声高に叫ばれる中、二酸化炭素をほとんど排出しない
原子力発電の役割がますます重要になっています。同時に、エネルギーを有効に利用する技術や省エネルギー技術も重要です。これらの社会的な潮流に対し、超高温という他の加熱源にない優れた特長を有するアークプラズマが、少しでも寄与できれば幸甚です。
また、本レビューが、電力各社をはじめ関係諸機関の方々に少しでもお役に立てば幸いです。
本冊子についてのご意見をお待ちしております。

表紙絵：廃棄物の溶融・減容処理に用いた実験装置（2 章、3 章）と材料創製を行っている
実験状況の写真（円内：5 章）を配置しました。

電中研 レビュー

発行：（財）電力中央研究所

広報グループ