JP6918076B2 - 金属溶融方法および金属溶融システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、金属溶融方法および金属溶融システムに関する。

震災に見舞われた原子力発電所、廃止措置が行われる原子力施設、放射線医療施設では、放射性物質で汚染された金属または放射化された金属が大量に発生する。これらの金属は放射性廃棄物であり、長期間の保管と管理が必要である。しかし、放射性廃棄物の量は膨大であり、廃棄場所または保管場所の確保が難しい。そこで、放射性廃棄物の減容または再利用する技術が知られている。

特開２００３−３０７５９１号公報 特許第３８６１２８６号公報

放射性廃棄物の再利用先を確保するためには、鉄筋などの建築資材のような規格品とすることが望ましい。そのため、大量の金属を溶融可能であり、溶融中に金属中の成分を調整して品質管理を行うことができるアーク炉を用いることが好ましい。ここで、放射性廃棄物を再利用するためには、放射性廃棄物に含まれる放射性物質の濃度を低減させる必要がある。特に、アーク炉を用いて金属を溶融すると多量の金属ヒュームが発生するため、放射性廃棄物を溶融する場合には、金属ヒュームによる二次汚染を防ぐ必要がある。

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、放射性物質を含む金属廃棄物を溶融して再利用することができる金属溶融技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る金属溶融方法は、金属および放射性物質を含む対象物に含まれる第１種放射性核種の濃度を測定し、前記対象物の放射能情報を取得する放射能情報取得工程と、前記放射能情報が取得された前記対象物を炉で溶融する溶融工程と、前記溶融工程の後に、前記対象物の金属塊を鋳造する鋳造工程と、前記炉で溶融される前記対象物に含まれる前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下となるように、前記放射能情報に基づいて前記炉に投入する前記対象物の組み合わせである溶融単位を決定する投入対象物決定工程と、前記溶融以後の前記対象物に含まれ、かつ前記第１種放射性核種とは異なる第２種放射性核種の濃度を、前記第１種放射性核種の濃度に基づいて推定する評価工程と、前記対象物の前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下であるか否かを判定するクリアランス判定工程と、を含み、前記投入対象物決定工程にて、クリアランスレベルを満たす前記金属塊の発生量、または前記クリアランスレベルを満たさない前記金属塊の発生量を予測する。

本発明の実施形態により、放射性物質を含む金属廃棄物を溶融して再利用することができる金属溶融技術が提供される。

本実施形態の金属溶融システムを示す構成図。 本実施形態の金属溶融システムを示す構成図。 本実施形態の金属溶融システムを示すブロック図。 材料選別工程を示す概念図。 放射能情報取得工程を示す概念図。 炭素濃度低減のための投入対象物の決定工程を示す概念図。 セシウム濃度低減のための投入対象物の決定工程を示す概念図。 本実施形態の金属溶融方法を示すフローチャート。 変形例１の金属溶融方法を示すフローチャート。 変形例２の金属溶融方法を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら、金属溶融方法の実施形態について詳細に説明する。

図１の符号１は、本実施形態の金属溶融システムである。この金属溶融システム１は、放射性廃棄物を再利用可能な規格品として再生させるために用いられる。なお、規格品とは、金属中の成分が調整され、品質管理を行うことで所定の規格に適合された物品のことを示す。

本実施形態では、放射性廃棄物が再生処理の対象となる対象物２となっている。この対象物２は、震災に見舞われた原子力発電所、廃止措置が行われる原子力施設、放射線医療施設から発生する放射性物質（放射性核種）で汚染された物品である。

対象物２には、例えば、原子力発電所からの解体廃棄物、津波または地震などの災害により飛散した瓦礫、発電所構外から持ち込まれた消耗品が含まれる。また、対象物２には、放射性物質で汚染された炭素鋼、鋳鉄、合金鋼が含まれる。また、対象物２には、金属の廃棄物に加えて非金属または非鉄金属が含まれる。例えば、医療廃棄物、ＰＣＢ汚染物、アスベスト、アルミニウムなどが含まれる。即ち、対象物２には、高温により無害化処理が可能な有害廃棄物が含まれる。ここで、無害化処理とは、高温により害の原因となる物質を変質させることでその効果を失活させることを言う。

なお、対象物２は、放射性物質が付着した金属のみならず、金属の一部が放射化されて放射性物質となったものも含む。放射性物質として、放射性同位体であるセシウム、コバルト、ストロンチウム、ウランなどの物質を例示する。また、本実施形態の金属とは、放射性物質以外の金属であって、再利用可能なものを示す。

図１および図２に示すように、金属溶融システム１は、材料選別工程を実行する材料選別部３と、放射能情報取得工程を実行する放射能情報取得部４と、除染工程を実行する除染部５と、溶融工程を実行する溶融部６と、鋳造工程を実行する鋳造部７と、クリアランス判定工程を実行するクリアランス判定部８と、加工工程を実行する加工部９とを備える。さらに、金属溶融システム１は、管理コンピュータ１０（図３参照）を備える。

材料選別部３は、対象物２の汚染履歴、対象物２の形状、対象物２の材質などの対象物２の性質に基づいて対象物２を選別する。なお、汚染履歴には、対象物２が使用されてきた状況を示す履歴であって、放射性物質が付着した履歴、または放射化された履歴が含まれる。この材料選別部３は、磁力を用いて対象物２を選別する磁力選別機１１と、風力を用いて対象物２を選別する風力選別機１２と、対象物２の性質を分析する蛍光Ｘ線分析装置１３とを備える。

図４に示すように、材料選別工程にて、所定単位３１の対象物２が材料選別部３に持ち込まれる。また、対象物２の汚染履歴は、管理コンピュータ１０（図３参照）により管理されている。この汚染履歴に基づいて、材料選別工程にて対象物２の選別が行われる。ここで、対象物２は、汚染履歴単位３２ごとに選別される。

さらに、対象物２の形状および材質を示す設計情報は、管理コンピュータ１０により管理されている。この設計情報に基づいて、材料選別工程にて対象物２の選別が行われる。ここで、対象物２は、形状または材質ごとの選別単位３３ごとに選別される。このように、材料選別工程では、対象物２が所定の条件に基づいて選別される。

なお、対象物２が単一の形状および材質で構成されている場合には、その選別を省略しても良い。対象物２がそれぞれの形状および材質ごとに取り扱いが成されている場合には、その選別を省略しても良い。対象物２が汚染履歴ごとに管理および保管されている場合には、その選別を省略しても良い。さらに、予め選別された対象物２が金属溶融システム１に持ち込まれる場合には、材料選別工程の実行を省略しても良い。

なお、材料選別部３にて、再利用不可能な形状または材質の対象物２は、廃棄物１４として廃棄される。また、除染しても再利用不可能な汚染状態の対象物２は、廃棄物１５として廃棄される。

また、材料選別工程にて、対象物２の選別の状態を示す選別情報が取得される。そして、この選別情報と対象物２とを関連付けて管理コンピュータ１０（図３参照）に記録する選別情報記録工程が実行される。なお、選別情報には、対象物２の選別前に取得された汚染履歴が含まれていても良い。

本実施形態において、対象物２には、それぞれの対象物２を識別可能な対象物識別情報（対象物ＩＤ）が付与されている。管理コンピュータ１０（図３参照）で対象物２と他の情報とを関連付けて記録する場合には、対象物識別情報と他の情報とを関連付けて記録する。なお、対象物２に対象物識別情報を付与する場合には、対象物識別情報を記録したタグを対象物２に直接取り付けても良いし、このタグを対象物２が収容される容器に取り付けても良い。

図１および図２に示すように、放射能情報取得部４は、対象物２から放射される放射線を測定する放射能測定装置１６と、対象物２の重量を測定する重量測定装置１７とを備える。この放射能情報取得部４は、対象物２の除染方法を特定する指標となる放射能情報を取得する放射能情報取得工程を実行する。

放射能測定装置１６としては、例えば、対象物２から放射されるγ線を測定するγ線測定装置を例示する。なお、放射能情報取得部４は、γ線測定装置以外の放射能測定装置１６を備えても良い。例えば、放射能情報取得部４は、β線測定装置またはＧＭ管式サーベイメータを備えても良い。

本実施形態において、放射能情報の取得とは、対象物２の放射能量を示す情報を取得することを含む。また、対象物２が放射性物質で汚染されていることを示す情報を取得することのみならず、対象物２が放射性物質で汚染されていないことを示す情報を取得することも、放射能情報の取得に含む。本実施形態において、対象物２の放射能の測定には、対象物２に含まれる放射性核種の放射化学分析が含まれる。なお、放射性核種、汚染状況、汚染履歴、対象物２の形状、または対象物２の材質に応じて適している除染方法が異なる。

さらに、放射能情報の取得とは、対象物２の放射能を放射能測定装置１６により測定することのみならず、その他の態様でも良い。例えば、予め放射能測定装置１６を用いて測定された対象物２が長期間保管されており、その保管履歴を取得することで、対象物２の放射能量を示す情報を取得することを含む。つまり、対象物２の放射能が予め分かっている場合には、対象物２の放射能を放射能測定装置１６により測定することを省略しても良い。

図５に示すように、放射能情報取得工程では、材料選別工程で選別単位３３ごとに選別された対象物２の汚染履歴、形状、材質に応じて対象物２の放射能測定を行う。ここで、放射能測定装置１６の性能に応じて測定単位３４ごとに対象物２を選別した上で、規定の放射性物質の放射能濃度の測定と、重量測定を行っても良い。

例えば、γ線核種が主体である汚染履歴がある場合に、対象物２の形状によらずにバスケット型のγ線測定装置を用いて放射能測定を行っても良い。また、β核種が主体である汚染履歴がある場合、かつ表面汚染である汚染履歴の場合に、対象物２の形状が平板状であればトレイ型のβ線測定装置を用いて放射能測定を行う。さらに、対象物２の形状が平板状以外であれば、ＧＭ管式サーベイメータを用いて放射能測定を行う。

材料選別工程にて、対象物２の汚染履歴と形状と材質による選別を行い、その情報を対象物２ごとに関連付けて管理することで、放射能情報取得工程にて、対象物２の状態に合せて適切な放射能測定装置１６を用いて測定することができる。

また、放射能濃度測定結果と重量測定結果を含む放射能情報は、測定単位３４ごとに関連付けて管理コンピュータ１０（図３参照）に記録される。つまり、放射能情報取得工程を経た測定単位３４には、材料選別工程において関連付けられた形状および材質の情報と、放射能情報取得工程で関連付けられた放射能濃度および重量の情報とが含まれる。そして、放射能情報と対象物２とを関連付けて管理コンピュータ１０（図３参照）に記録する放射能情報記録工程が実行される。

なお、放射能情報取得工程にて放射能情報が取得された対象物２のうち、溶融工程でアーク炉２４に投入する対象物２を決定する投入対象物決定工程を実行する。ここで、アーク炉２４に投入する対象物２の種類、属性、投入量が決定される。この投入用の対象物２の決定は、管理コンピュータ１０（図３参照）に記録された設計情報、汚染履歴、選別情報、放射能情報に基づいて行われる。なお、設計情報、汚染履歴、選別情報、放射能情報に基づいて、作業者が投入用の対象物２の決定をしても良い。この投入対象物決定工程は、除染工程の前に実行しても良いし、溶融工程の前に実行しても良い。

図１および図２に示すように、除染部５は、放射能情報取得工程で取得された放射能情報に基づいて特定される除染方法で対象物２の除染を行う除染工程を実行する。本実施形態では、除染工程にて、機械除染、化学除染、溶融除染のうちの少なくともいずれか１つの除染を実行する。このようにすれば、放射能情報に基づいて最適な除染方法を特定することができる。なお、複数の除染方法を併用しても良い。また、除染方法の特定には、対象物の放射性物質の濃度が低くて除染の必要がない場合に除染を行わないことを特定する態様を含む。つまり、汚染の程度が低い対象物２は、除染工程を省略して溶融工程に進んでも良い。

この除染部５は、溶融除染に用いる電気炉としての高周波誘導炉１８と底注ぎ式の取鍋１９とを備える。さらに、除染部５は、機械除染に用いる機械除染装置２０と、化学除染に用いる化学除染装置２１とを備える。

機械除染装置２０は、例えば、鉄の研磨材などで構成される粒体を対象物２に吹き付けるショットブラストによる機械除染を行う。ショットブラストにより対象物２の表面を剥がして除染が行われる。なお、ドリルまたはその他の機器で対象物２を機械除染しても良い。このようにすれば、機械除染に適した性質の対象物２の除染を行うことができる。

化学除染装置２１は、例えば、除染液としてのギ酸を対象物２に浸漬（接触）させることで化学除染を行う。ギ酸により対象物２の表面を溶解して除染が行われる。このようにすれば、化学除染に適した性質の対象物２の除染を行うことができる。

高周波誘導炉１８は、対象物２を加熱して溶融し、放射性物質を分解または酸化させることで、ガスまたはスラグ２２に移行させる。ガスは溶融物から放出され、スラグ２２は溶融物の表面に浮く。これらガスまたはスラグ２２を溶融物から分離することで溶融除染を行う。

本実施形態の除染工程で用いている高周波誘導炉１８は、アーク炉２４と比較して穏やかな溶融が可能であり、金属ヒュームの発生が少ないという特徴がある。そのため、放射性物質を含んだ金属ヒュームによる二次汚染の可能性が少なく、対象物２に含まれる放射性物質を除去することができる。

なお、放射性物質を酸化させてスラグ２２に移行させた後に、その分離回収を容易とするためには、一定量のスラグ２２が存在する必要がある。このため、溶融除染を行うときに、例えば、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化鉄などのスラグ２２となる物質（造滓剤）を対象物２とともに高周波誘導炉１８へ投入して溶融する。このため、処理ごとに非放射性の造滓剤を投入すると、この造滓剤が放射性のスラグ２２となった二次廃棄物の量が増加してしまう。

そこで、本実施形態では、除染工程を複数回行う場合に、先の除染工程を行ったときに高周波誘導炉１８で発生したスラグ２２を回収し、次の除染工程を行うときに高周波誘導炉１８に投入する。つまり、除染工程で対象物２から放射性物質を移行させた後に分離回収したスラグ２２を、その後の除染工程で再利用する。非放射性の造滓剤に代えて除染工程で分離回収したスラグ２２を用いることで、二次廃棄物の量を減少させることができる。

本実施形態では、高周波誘導炉１８で対象物２を溶融除染した後に、底注ぎ式の取鍋１９へ溶湯を移す。そして、この底注ぎ式の取鍋１９で溶融金属とスラグ２２を比重分離して溶融金属のみを取鍋１９の底部から出湯する。そして、スラグ２２を分離回収し、このスラグ２２を高周波誘導炉１８へ再投入する。このようにすれば、溶融除染で発生するスラグ２２を再利用することができるので、二次廃棄物の発生量を抑えることができる。

さらに、電気炉を用いた溶融除染時に、例えば、医療廃棄物、ＰＣＢ汚染物、アスベスト、アルミニウムなどの廃棄物が加熱により無害化される。このようにすれば、有害廃棄物を高温にするだけで無害化することができる。そのため別途無害化処理を行う必要がない。

除染工程にて、電気炉を用いて対象物２に含まれる放射性物質を金属と分離する溶融除染を行うことで、溶融除染に適した対象物２の除染を行うことができる。また、除染部５で除染により発生した放射性廃棄物２３は廃棄される。

なお、除染工程では、複数の機械除染、複数の化学除染を組み合わせて用いても良い。さらに、除染工程では、機械除染と化学除染と溶融除染とを組み合わせて用いても良い。

溶融部６は、電気炉としてのアーク炉２４と取鍋２５とを備える。溶融部６は、除染工程で除染された対象物２をアーク炉２４で溶融する溶融工程を実行する。なお、アーク炉２４を用いて対象物２を溶融すると多量の金属ヒュームが発生する。本実施形態では、溶融工程前に除染工程が実行されている。このようにすれば、対象物２が除染された後に溶融されるので、溶融工程にて発生する金属ヒュームによる二次汚染を抑制することができる。

溶融工程にて、アーク炉２４を用いて対象物２を溶融する。さらに、溶融工程では、対象物２に含まれる特定の元素が目標の濃度となるように、アーク炉２４で溶融中に対象物２の成分調整を行う。

成分調整とは、例えば、炭素、ケイ素、マンガンなどの元素をこれらの合金鉄として添加することである。また、酸素を吹き込むことで所定の元素を低減させることである。また、リン、硫黄などの元素を酸化カルシウムの添加により低減させることである。

高周波誘導炉は原理上、大型化および耐火材を厚くすることが困難であるのに対して、アーク炉２４はこれらが容易である。そのため、アーク炉２４は、大量の金属の処理が可能である。また、アーク炉２４では、耐火材の浸食性が大きい酸素の吹き込み、または酸化カルシウムの添加による成分調整が可能となっている。このようにすれば、溶融工程にて対象物２の成分を適宜調整して、規格品として再利用化を図ることができる。

また、溶融工程では、材料選別工程で測定単位３４ごとに関連付けられた選別情報を用いて、成分調整が可能な範囲となるように、対象物２をそれぞれの測定単位３４ごとに選別し、適切な組み合わせにして溶融する。このようにすれば、溶融工程後の対象物がクリアランスを満たすように溶融工程前に調整することができる。

本実施形態では、アーク炉２４に投入前の対象物２に含まれる特定の元素の濃度が、成分調整が可能な値となるように、選別情報に基づいてアーク炉２４に投入する対象物２を決定する。この決定は、投入対象物決定工程で行われる。ここで、対象物２は溶融単位３５ごとに選別される。このようにすれば、アーク炉で特定の元素の成分調整な可能な濃度の値が予め設定されており、この値以下の濃度の特定の元素を含む対象物２をアーク炉２４に投入することで、アーク炉２４で適切に成分調整を行うことができる。

図６に示すように、例えば、炭素濃度に関する成分調整について、再利用可能な規格品を製造するためには、炭素濃度を０．６％以下とする必要がある。溶融工程において、現実的な処理時間で、この濃度まで炭素濃度を低減するためには、炭素濃度が概ね４％以下である必要がある。つまり、アーク炉２４にて炭素濃度を低減できる範囲の上限が４％程度である。そのため、対象物２の測定単位３４ごとの材質情報と重量情報とを用いて、１回の溶融工程でアーク炉２４に投入する対象物２の組み合わせ（溶融単位３５）における炭素濃度が４％以下となるように制限する必要がある。

本実施形態では、溶融工程にて、アーク炉２４で溶融される対象物２に含まれる放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下となるように、放射能情報に基づいてアーク炉２４に投入する対象物２を決定する。この決定は、投入対象物決定工程で行われる。ここで、対象物２は溶融単位３５ごとに選別される。このようにすれば、アーク炉２４で溶融中に発生する金属ヒュームによる二次汚染を抑制することができる。また、アーク炉２４で溶融後の対象物２をクリアランスレベルが満たされたものとすることができる。

アーク炉２４に投入する対象物２の組み合わせ（溶融単位３５）は、放射能情報取得工程で測定単位３４ごとに関連付けられた放射能情報を用いて決定される。例えば、除染工程により除染された対象物２の溶融単位３５における規定の放射性物質の放射能濃度から計算される値が、基準値以下となるように調整する。対象物２をそれぞれの測定単位３４を選別して適切な組み合わせとすることで、溶融工程で溶融される対象物２の放射能による影響を低減させることができる。

図７に示すように、例えば、規定の放射性物質をＣｓ−１３７とし、この放射能濃度から計算される値が放射能濃度を０．１で除算した値とし、基準値を１とする。そして、除染工程におけるＣｓ−１３７の除染係数が１００とする。例えば、除染係数が１００の除染を実施すると、除染後に放射性物質の濃度は１／１００となるようにする。ここで、除染後の溶融単位３５が基準値を満たすためには、溶融単位３５におけるＣｓ−１３７の放射能濃度が１０Ｂｑ／ｇである必要がある。このことから、測定単位３４ごとの放射能濃度情報と重量情報を用い、溶融単位３５におけるＣｓ−１３７の放射能濃度が１０Ｂｑ／ｇ以下となるように制限する必要がある。

なお、除染工程にて、機械除染および化学除染のうち少なくとも１つを行うとともに、溶融工程にて、溶融除染を行うようにしても良い。その場合には、溶融除染と成分調整とを、アーク炉２４を用いて行う。対象物２は、機械除染または化学除染で放射能濃度が低下した金属となっており、アーク炉２４に投入しても二次汚染は抑制される。また、アーク炉２４でさらに溶融対象の汚染レベルを低下させることが可能である。

図１および図２に示すように、溶融工程にて、アーク炉２４で発生した廃棄物２６は廃棄される。なお、溶融工程にて溶融除染を行う場合には、アーク炉２４で放射性廃棄物２６が発生し、これらも廃棄される。

鋳造部７は、アーク炉２４で溶融された対象物２を用いて連続鋳造を行う連続鋳造機２７を備える。鋳造部７は、連続鋳造機２７を用いて鋳造工程を実行する。例えば、連続鋳造機２７は、アーク炉２４で溶けた鉄が固まる過程で一定の形の金属塊２Ａを製作することができる。このようにすれば、対象物２を再利用品に加工することができる。

鋳造工程では、連続鋳造機２７以外を用いて鋳造を行っても良い。例えば、鋳銑機、インゴットケースなどに溶融した対象物２を流し込むことで鋳造を行い、金属塊２Ａを製造しても良い。

クリアランス判定部８は、クリアランス測定装置２８を備える。このクリアランス測定装置２８を用いて金属塊２Ａに含まれる放射性物質の濃度を測定し、放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下であるか否か、つまり、金属塊２Ａがクリアランスレベルを満たしているか否かを判定するクリアランス判定工程を実行する。

クリアランス判定工程では、鋳造工程で製造した金属塊２Ａに含まれる規定の放射性物質の放射能濃度を測定し、この放射能濃度から計算される値が基準値以下となることを確認する。このようにすれば、金属塊２Ａがクリアランスレベルを満たすか否かを判定することができる。本実施形態において、対象物２に含まれる放射性物質の濃度の測定には、対象物２に含まれる放射性核種の放射化学分析が含まれる。なお、クリアランスレベルを満たす金属塊２Ａは、加工部９に搬送される。一方、クリアランスレベルを満たさない金属塊２Ａは、廃棄物２９として廃棄される。

なお、クリアランスレベルを満たす金属塊２Ａの発生量、またはクリアランスレベルを満たさない金属塊２Ａの発生量は、前述の投入対象物決定工程で予測することができる。なお、実際の金属塊２Ａの発生量に基づいて、投入対象物決定工程で投入用の対象物２の決定に用いられるパラメータを変更しても良い。このパラメータの変更を繰り返すことで、投入用の対象物２の量に基づいて実際の金属塊２Ａの発生量を予測した場合の精度を向上させることができる。

本実施形態のクリアランス測定装置２８には、例えば、γ線測定装置、γ線スペクトル測定装置、放射化学分析用の装置などが含まれる。なお、測定対象とする放射性物質に応じてクリアランス測定装置２８の種類を適宜変更しても良い。

また、クリアランス判定工程にて判定が行われ、その判定結果を示す判定結果情報と金属塊２Ａ（対象物２）とを関連付けて管理コンピュータ１０（図３参照）に記録する判定結果情報記録工程が実行される。

本実施形態では、選別情報と放射能情報に基づいて、対象物２に含まれる第１種放射性核種とは異なる第２種放射性核種の濃度を推定する評価工程が実行される。第１種放射性核種は、測定が容易な易測定核種である。第２種放射性核種は、測定が困難な難測定核種である。易測定核種は、セシウムなどの測定が容易なγ線を出す核種である。γ線は透過力が強く、遮蔽物があっても測定が容易である。一方、難測定核種は、ウランなどの測定が困難なα線を出す核種と、ストロンチウムなどの測定が困難なβ線を出す核種である。α線およびβ線は透過力が弱く、遮蔽物があると測定が困難である。

第２種放射性核種の濃度は、第１種放射性核種の測定結果に基づいて推定され、評価することができる。例えば放射性核種組成比法または平均放射能濃度法で推定される。放射性核種組成比法では、第２種放射性核種の濃度と第１種放射性核種の濃度の間に相関性があると推定し、第１種放射性核種の測定結果から第２種放射性核種の濃度を推定する。平均放射能濃度法では、第２種放射性核種の濃度が第１種放射性核種の濃度に依らず概ね一定であると推定し、第２種放射性核種の濃度を推定する。

これらの情報を蓄積することで、対象物２の汚染履歴ごとの放射性核種組成比または平均放射能濃度を推定し、クリアランス判定工程にて、第１種放射性核種の測定結果に基づいて、第２種放射性核種の放射能濃度を推定して評価することができる。

例えば、ある汚染履歴について第１種放射性核種と第２種放射性核種の放射性核種組成比が判明している場合、放射能情報取得工程にて、ある汚染履歴の対象物２のγ線を測定することにより、第１種放射性核種の濃度を測定する。また、測定した第１種放射性核種の濃度から、既知の放射性核種組成比を用いて第２種放射性核種の濃度を推定する。その後にクリアランス判定工程にて対象物２のγ線を測定することで第１種放射性核種の濃度を測定するとともに、第２種放射性核種の濃度を分析する。さらに、放射能情報取得工程で測定または推定した第１種放射性核種および第２種放射性核種の濃度と、クリアランス判定工程で測定した第１種放射性核種および第２種放射性核種の濃度を比較することで、放射性核種の除染状況を推定でき、さらには除染後の放射性核種組成比を推定できる。ここで、除染後の放射性核種組成比を推定した後は、クリアランス判定時の第１種放射性核種の濃度を測定結果に対し、放射性核種組成比を用いることで、第２種放射性核種の濃度を評価することができる。

なお、評価工程は、選別情報記録工程および放射能情報記録工程よりも後に行われれば良い。好ましくは、本実施形態では、選別情報記録工程および放射能情報記録工程よりも後であって、クリアランス判定工程よりも前に実施されるように構成される。

材料選別工程にて、対象物２の汚染履歴に基づいて対象物２を選別する。そして、選別情報記録工程にて、選別情報を対象物２と関連付けて記録する。次に、放射能情報取得工程にて、対象物２に含まれる第１種放射性核種の濃度を測定する。そして、放射能情報記録工程にて、放射能情報を対象物２と関連付けて記録する。対象物２の処理を繰り返し、これらの情報を蓄積することで、ある汚染履歴の対象物２における放射性核種組成比または平均放射能濃度を推定する。放射性核種組成比または平均放射能濃度の推定した後は、評価工程にて、選別情報と放射能情報に基づいて対象物に含まれる第１種放射性核種とは異なる第２種放射性核種の濃度を評価する。

クリアランス判定工程では、第１種放射性核種だけでなく第２種放射性核種についても判定が必要な場合がある。その場合、評価工程をクリアランス判定工程前に実行していなければ、クリアランス判定工程において、第２種放射性核種の測定が必須である。

クリアランス判定工程で第２種放射性核種についても判定が必要な場合であって、クリアランス判定工程前に評価工程を行っている場合は、評価工程で評価された第２種放射性核種の濃度を用いることで、クリアランス判定工程における第２種放射性核種の測定を省略することができる。

なお、クリアランス判定工程は、鋳造工程の前の溶融工程で行っても良い。例えば、アーク炉２４から取り出した溶湯などのサンプリングした溶融物について、放射性物質の濃度を測定し、この濃度から計算される値が基準値以下であるか否かを判定しても良い。このようにすれば、アーク炉２４で溶融中の対象物２がクリアランスレベルを満たすか否かを判定することができる。

加工部９は、鋳造工程で製造した金属塊２Ａを圧延する圧延機３０を備える。加工部９は、金属塊２Ａを加工して加工品２Ｂを製造する加工工程を実行する。例えば、圧延、鍛造、切削などを行うことにより金属塊２Ａを加工する。なお、前述のクリアランス判定工程は、加工工程で製造した加工品２Ｂについて行っても良い。加工部９で加工された加工品２Ｂが再利用可能な規格品となっている。

本実施形態では、アーク炉２４を用いることで、大量の放射性廃棄物を効率的に再利用可能な規格品として再生させることができる。また、アーク炉２４を用いることで、溶融した金属に酸素または酸化カルシウムを添加して炭素、リン、硫黄の除去を行うことができる。また、アーク炉２４に対象物２を投入する前（溶融工程前）に、除染工程があるため、アーク炉２４を用いた場合でも二次汚染の可能性が低い。

また、除染工程で高周波誘導炉１８を用いて溶融除染を行うと、機械除染および化学除染と比較して、除染後の対象物２に含まれる放射能物質の濃度が均一となるため、測定が容易となる。

また、原子力発電所で重大事故が発生することにより放射性物質が原子炉外に放出された場合に、大量の廃棄物が発生する。例えば、法律で適切に処理することが義務付けられた廃棄物、およびセメント系充填剤による固化処理が困難な廃棄物が、放射性物質の付着により汚染される。このような廃棄物は、原子力発電所の構外への搬出が不可となる。そのため、構内で処理する必要がある。これらの廃棄物のうち、加熱により無害化処理が可能なものを溶融除染時に併せて処理することで、処理のための新たな設備を設ける必要がなくなる。

また、材料選別工程および放射能情報取得工程を経た測定単位３４の対象物２は、放射能濃度および重量の情報が関連付けられる。そのため、除染工程の除染効果を考慮して測定単位３４ごとの対象物２を選別し組み合わせることで、除染後に溶融工程で影響の小さい放射能濃度とすることができる。

また、材料選別工程および放射能情報取得工程を経た測定単位３４の対象物２は、材質および重量の情報が関連付けられる。そのため、溶融工程の成分調整可能な範囲の測定単位３４の対象物２を選別して組み合わせることで、溶融後の金属を任意の成分濃度とすることができる。

材料選別工程と放射能情報取得工程とクリアランス判定工程において、蓄積された選別情報と、除染工程の前後の放射性物質の濃度を示すデータから、クリアランス判定工程にて、易測定核種の測定結果から難測定核種の濃度を評価推定することができる。そのため、測定に時間または工数を要する難測定核種の測定を、易測定核種の測定により代替することができる。

図３に示すように、金属溶融システム１は、各工程を管理するための管理コンピュータ１０を備える。なお、管理コンピュータ１０を用いた各工程の管理とは、各工程に用いられる機器を操作する作業者に、管理コンピュータ１０から出力される情報が与えられ、この情報に基づいて作業者が機器を制御する態様を含む。なお、各工程に用いられる機器に管理コンピュータ１０が接続され、管理コンピュータ１０が機器を直接制御する態様であっても良い。

管理コンピュータ１０は、メイン制御部３６と情報入出力部３７と除染方法特定部３８と評価部３９と投入対象物決定部４０と管理データベース４１とを備える。これらは、メモリまたはＨＤＤに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで実現される。管理データベース４１は、設計情報記録部４２と汚染履歴記録部４３と選別情報記録部４４と放射能情報記録部４５と判定結果情報記録部４６とを備える。

メイン制御部３６は、管理コンピュータ１０を統括的に管理する。また、情報入出力部３７には、各工程に用いられる機器を操作する作業者が取得した情報が入力される。さらに、情報入出力部３７は、作業者に対して各工程を制御するための情報を出力する。なお、情報入出力部３７に入出力される情報には、設計情報、汚染履歴、選別情報、放射能情報、判定結果情報が含まれる。なお、情報入出力部３７は、通信部、キーボード、マウス、ディスプレイ、ディスプレイに表示される選択入力部、プリンタなどのデバイスを制御する機能を有する。

除染方法特定部３８は、情報入出力部３７に入力された各種情報に基づいて除染方法を特定する。また、評価部３９は、除染後の対象物２の放射性物質の濃度の評価を行う。また、投入対象物決定部４０は、溶融工程でアーク炉２４に投入する対象物２を決定する。

管理データベース４１は、各工程で用いる各種情報を記録する。なお、この管理データベース４１を備える管理コンピュータ１０は、材料選別部３の一部として機能する場合、放射能情報取得部４の一部として機能する場合、または、クリアランス判定部８の一部として機能する場合がある。

設計情報記録部４２は、対象物２の形状および材質を示す設計情報が記録される。設計情報は、対象物２が使用されていた所定施設の廃止措置前に用いられていたＣＡＤデータなどの設計図の情報を含む。

汚染履歴記録部４３は、対象物２の汚染履歴が記録される。この汚染履歴は、金属溶融システム１を用いた金属溶融方法を開始前に既に記録された情報であっても良い。

選別情報記録部４４は、材料選別工程にて取得された選別情報を対象物２と関連付けて記録する。このようにすれば、選別情報記録部４４に記録された情報に基づいて、溶融工程後の対象物２のクリアランスレベルと選別情報との関連性を検証することができる。

放射能情報記録部４５は、放射能情報取得工程にて取得された放射能情報と対象物２とを関連付けて記録する。判定結果情報記録部４６は、クリアランス判定工程にて行われた判定結果を示す判定結果情報と対象物２とを関連付けて記録する。このようにすれば、溶融工程前に取得した対象物２の放射能情報と溶融工程後に取得した対象物２のクリアランスレベルとの関連性を検証することができる。

次に、本実施形態の金属溶融システム１が実行する金属溶融方法について図８のフローチャートを用いて説明する。なお、前述した図１から図７を適宜参照する。

図８に示すように、まず、ステップＳ１１において、材料選別部３は、対象物２の汚染履歴、対象物２の形状、対象物２の材質などの対象物２の性質に基づいて対象物２を選別する材料選別工程を実行する。

次のステップＳ１２において、選別情報記録部４４は、材料選別工程にて取得された選別情報を対象物２と関連付けて記録する選別情報記録工程を実行する。

次のステップＳ１３において、放射能情報取得部４は、材料選別工程にて選別された対象物２の除染方法を特定する指標となる放射能情報を取得する放射能情報取得工程を実行する。

次のステップＳ１４において、放射能情報記録部４５は、放射能情報取得工程にて取得された放射能情報と対象物２とを関連付けて記録する放射能情報記録工程を実行する。

次のステップＳ１５において、投入対象物決定部４０は、放射能情報取得工程にて放射能情報が取得された対象物２のうち、溶融工程でアーク炉２４に投入する対象物２を決定する投入対象物決定工程を実行する。

次のステップＳ１６において、除染部５は、放射能情報取得工程で取得された放射能情報に基づいて特定される除染方法で対象物２の除染を行う除染工程を実行する。

次のステップＳ１７において、溶融部６は、投入対象物決定工程にて投入が決定された対象物２をアーク炉２４で溶融する溶融工程を実行する。

次のステップＳ１８において、鋳造部７は、溶融工程にてアーク炉２４で溶融された対象物２の鋳造を行い、金属塊２Ａを製作する鋳造工程を実行する。

次のステップＳ１９において、評価部３９は、金属塊２Ａである除染後の対象物２の放射性物質の濃度の評価を行う評価工程を実行する。

次のステップＳ２０において、クリアランス判定部８は、鋳造工程で鋳造された金属塊２Ａがクリアランスレベルを満たしているか否かを判定するクリアランス判定工程を実行する。

次のステップＳ２１において、判定結果情報記録部４６は、クリアランス判定工程にて行われた判定結果を示す判定結果情報と金属塊２Ａである対象物２とを関連付けて記録する判定結果情報記録工程を実行する。

次のステップＳ２２において、加工部９は、鋳造工程で鋳造された金属塊２Ａを加工して加工品２Ｂを製造する加工工程を実行する。そして、処理を終了する。

次に、変形例１の金属溶融システム１が実行する金属溶融方法について図９を用いて説明する。なお、変形例１の金属溶融方法は、ステップＳ１７ＡからステップＳ２１Ａのステップのみが、前述の金属溶融方法（図８参照）と異なり、他のステップは同様のステップである。

図９に示すように、変形例１では、ステップＳ１６にて除染工程を実行した後のステップＳ１７Ａにおいて、評価工程を実行する。次のステップＳ１８Ａにおいて、クリアランス判定工程を実行する。

次のステップＳ１９Ａにおいて、判定結果情報記録工程を実行する。次のステップＳ２０Ａにおいて、溶融工程を実行する。次のステップＳ２１Ａにおいて、鋳造工程を実行する。次のステップＳ２２において、加工工程を実行する。そして、処理を終了する。

変形例１では、溶融工程より前に、クリアランス判定工程を実行するので、除染が充分でない対象物２が誤ってアーク炉２４に投入されてしまうことを抑制することができる。そのため、溶融工程にて発生する金属ヒュームによる二次汚染を抑制することができる。

次に、変形例２の金属溶融システム１が実行する金属溶融方法について図１０を用いて説明する。なお、変形例２の金属溶融方法は、前述の金属溶融方法（図８参照）のステップＳ１６の除染工程が省略される。さらに、ステップＳ１７Ｂの溶融工程が、前述の金属溶融方法と異なり、他のステップは同様のステップである。

図９に示すように、変形例２では、ステップＳ１５にて投入対象物決定工程を実行した後のステップＳ１７Ｂにおいて、溶融工程を実行する。この溶融工程では、放射能情報取得工程で取得された放射能情報に基づいて特定される除染方法である溶融除染が実行される。この溶融除染では、アーク炉２４を用いて対象物２に含まれる放射性物質を金属と分離する。

変形例２では、溶融工程にて対象物２の溶融除染を行うことができる。つまり、溶融工程に除染工程が含まれているものと見なすことができる。

なお、本実施形態において、基準値を用いた任意の値の判定は、「任意の値が基準値以上か否か」の判定でも良いし、「任意の値が基準値を超えているか否か」の判定でも良い。或いは、「任意の値が基準値以下か否か」の判定でも良いし、「任意の値が基準値未満か否か」の判定でも良い。また、基準値が固定されるものでなく、変化するものであっても良い。従って、基準値の代わりに所定範囲の値を用い、任意の値が所定範囲に収まるか否かの判定を行っても良い。また、予め装置に生じる誤差を解析し、基準値を中心として誤差範囲を含めた所定範囲を判定に用いても良い。

なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。

本実施形態の管理コンピュータ１０は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、またはＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。この管理コンピュータ１０は、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

なお、本実施形態では、放射能情報取得工程が材料選別工程の後に実行されるが、放射能情報取得工程を材料選別工程の前に実行しても良い。

なお、溶融工程にて、電気炉であるアーク炉２４を用いて対象物２を加熱して有害廃棄物を無害化する溶融除染を行っても良い。

なお、管理コンピュータ１０が機械学習を行う人工知能（ＡＩ）を備えるコンピュータであっても良い。そして、管理コンピュータ１０が複数のパターンから特定のパターンを深層学習に基づいて抽出する深層学習部を備えても良い。そして、投入対象物決定工程における投入用の対象物２の決定と、実際の金属塊２Ａの発生量との関係性を管理コンピュータ１０に機械学習させるようにし、この機械学習に基づいて、次の投入用の対象物２の決定を行うようにしても良い。また、クリアランス判定工程における評価を人工知能に行わせても良い。

例えば、放射能測定装置１６は、対象物２の重量を測定する機能を備えていても良い。その場合には、放射能測定装置１６が重量測定装置１７の機能を実行することが可能であり、重量測定装置１７の構成を省略することが可能である。

以上説明した実施形態によれば、放射能情報が取得された対象物をアーク炉で溶融する溶融工程を備えることにより、放射性物質を含む金属廃棄物を溶融して再利用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…金属溶融システム、２…対象物、２Ａ…金属塊、２Ｂ…加工品、３…材料選別部、４…放射能情報取得部、５…除染部、６…溶融部、７…鋳造部、８…クリアランス判定部、９…加工部、１０…管理コンピュータ、１１…磁力選別機、１２…風力選別機、１３…蛍光Ｘ線分析装置、１４，１５…廃棄物、１６…放射能測定装置、１７…重量測定装置、１８…高周波誘導炉、１９…取鍋、２０…機械除染装置、２１…化学除染装置、２２…スラグ、２３…放射性廃棄物、２４…アーク炉、２５…取鍋、２６…廃棄物、２７…連続鋳造機、２８…クリアランス測定装置、２９…廃棄物、３０…圧延機、３１…所定単位、３２…汚染履歴単位、３３…選別単位、３４…測定単位、３５…溶融単位、３６…メイン制御部、３７…情報入出力部、３８…除染方法特定部、３９…評価部、４０…投入対象物決定部、４１…管理データベース、４２…設計情報記録部、４３…汚染履歴記録部、４４…選別情報記録部、４５…放射能情報記録部、４６…判定結果情報記録部。

Claims (15)

1. 金属および放射性物質を含む対象物に含まれる第１種放射性核種の濃度を測定し、前記対象物の放射能情報を取得する放射能情報取得工程と、
   前記放射能情報が取得された前記対象物を炉で溶融する溶融工程と、
   前記溶融工程の後に、前記対象物の金属塊を鋳造する鋳造工程と、
   前記炉で溶融される前記対象物に含まれる前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下となるように、前記放射能情報に基づいて前記炉に投入する前記対象物の組み合わせである溶融単位を決定する投入対象物決定工程と、
   前記溶融以後の前記対象物に含まれ、かつ前記第１種放射性核種とは異なる第２種放射性核種の濃度を、前記第１種放射性核種の濃度に基づいて推定する評価工程と、
   前記対象物の前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下であるか否かを判定するクリアランス判定工程と、
   を含み、
   前記投入対象物決定工程にて、クリアランスレベルを満たす前記金属塊の発生量、または前記クリアランスレベルを満たさない前記金属塊の発生量を予測する、
   金属溶融方法。
2. 金属および放射性物質を含む対象物に含まれる第１種放射性核種の濃度を測定し、前記対象物の放射能情報を取得する放射能情報取得工程と、
   前記放射能情報が取得された前記対象物を炉で溶融する溶融工程と、
   前記溶融工程の後に、前記対象物の金属塊を鋳造する鋳造工程と、
   前記炉で溶融される前記対象物に含まれる前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下となるように、前記放射能情報に基づいて前記炉に投入する前記対象物の組み合わせである溶融単位を決定する投入対象物決定工程と、
   前記溶融以後の前記対象物に含まれ、かつ前記第１種放射性核種とは異なる第２種放射性核種の濃度を、前記第１種放射性核種の濃度に基づいて推定する評価工程と、
   前記対象物の前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下であるか否かを判定するクリアランス判定工程と、
   前記投入対象物決定工程における前記炉に投入する前記対象物の決定と前記鋳造工程における前記金属塊の発生量との関係性をコンピュータに機械学習させる工程と、
   を含み、
   前記投入対象物決定工程にて、前記機械学習に基づいて前記炉に投入する前記対象物の決定を行う、
   金属溶融方法。
3. 前記放射能情報取得工程にて、前記対象物に含まれる前記第１種放射性核種の濃度を測定し、この測定に基づく前記放射能情報を前記対象物と関連付けて記録する放射能情報記録工程と、
   前記放射能情報に基づいて前記対象物に含まれる前記第２種放射性核種の濃度を前記第１種放射性核種の濃度に基づいて推定する評価工程と、
   前記クリアランス判定工程にて、前記対象物に含まれる前記第１種放射性核種の濃度を測定し、前記第１種放射性核種および前記第２種放射性核種に係る判定結果情報を前記対象物と関連付けて記録する判定結果情報記録工程と、
   を含む請求項１または請求項２に記載の金属溶融方法。
4. 前記評価工程では、既知の放射性核種組成比を用いて、前記第２種放射性核種の濃度を前記第１種放射性核種の濃度に基づいて推定する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属溶融方法。
5. 前記評価工程では、汚染履歴に対応する放射性核種組成比を用いて、前記第２種放射性核種の濃度を前記第１種放射性核種の濃度に基づいて推定する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属溶融方法。
6. 前記第１種放射性核種は、γ線を出す核種である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金属溶融方法。
7. 前記第２種放射性核種は、β線を出す核種である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の金属溶融方法。
8. 前記放射能情報に基づいて、機械除染、化学除染、溶融除染のうちの少なくともいずれか１つを特定し、この特定された除染方法で前記対象物を除染する除染工程を含む請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の金属溶融方法。
9. 前記除染工程にて、電気炉を用いて前記対象物に含まれる前記放射性物質を前記金属と分離する前記溶融除染を行う請求項８に記載の金属溶融方法。
10. 前記溶融工程にて、前記炉を用いて前記対象物に含まれる前記放射性物質を前記金属と分離する溶融除染を行う請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の金属溶融方法。
11. 前記溶融工程の前に、前記対象物を性質に基づいて選別する材料選別工程を含む請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の金属溶融方法。
12. 前記炉は、アーク炉である請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の金属溶融方法。
13. 金属および放射性物質を含む対象物を炉で溶融する溶融工程と、
    前記溶融工程の後に、前記対象物の金属塊を鋳造する鋳造工程と、
    前記炉に投入する前記対象物の組み合わせを決定する投入対象物決定工程と、
    前記対象物の前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下であるか否かを判定するクリアランス判定工程と、
    を含み、
    前記投入対象物決定工程にて、クリアランスレベルを満たす前記金属塊の発生量、または前記クリアランスレベルを満たさない前記金属塊の発生量を予測する、
    金属溶融方法。
14. 金属および放射性物質を含む対象物を炉で溶融する溶融工程と、
    前記溶融工程の後に、前記対象物の金属塊を鋳造する鋳造工程と、
    前記炉に投入する前記対象物の組み合わせを決定する投入対象物決定工程と、
    前記対象物の前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下であるか否かを判定するクリアランス判定工程と、
    前記投入対象物決定工程における前記炉に投入する前記対象物の決定と前記鋳造工程における前記金属塊の発生量との関係性をコンピュータに機械学習させる工程と、
    を含み、
    前記投入対象物決定工程にて、前記機械学習に基づいて前記炉に投入する前記対象物の決定を行う、
    金属溶融方法。
15. 金属および放射性物質を含む対象物に含まれる第１種放射性核種の濃度を測定し、前記対象物の放射能情報を取得する放射能情報取得部と、
    前記放射能情報が取得された前記対象物を炉で溶融する溶融部と、
    前記溶融部で溶融した後に、前記対象物の金属塊を鋳造する鋳造部と、
    前記炉で溶融される前記対象物に含まれる前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下となるように、前記放射能情報に基づいて前記炉に投入する前記対象物の組み合わせである溶融単位を決定する投入対象物決定部と、
    前記溶融以後の前記対象物に含まれ、かつ前記第１種放射性核種とは異なる第２種放射性核種の濃度を、前記第１種放射性核種の濃度に基づいて推定する評価部と、
    前記対象物の前記放射性物質の濃度から計算される値が基準値以下であるか否かを判定するクリアランス判定部と、
    を備え、
    前記投入対象物決定部は、クリアランスレベルを満たす前記金属塊の発生量、または前記クリアランスレベルを満たさない前記金属塊の発生量を予測する、
    金属溶融システム。

Images