JPS6016599B2 - ガラスに放射性物質を内包させる溶融法および該方法を実施する炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はガラスに放射性物質、特に原子燃料の再処理
から得られた放射性物質を内包させる方法、および該方
法を実施するガラス溶融炉に関するものである。

放射性廃棄物を液状にして不銭鋼製タンク内に貯蔵する
こと、および該液体を冷却して自然崩壊の熱を消散する
ことが知られている。

しかしこのような方法では、気状の放射性成分が漏洩し
、経験で知るように不銭鋼あるし、は耐食材料は予期に
反して腐食を起し、従って安全保管が必ずしも可能でな
いと同時に、底上水への高放射性液体の侵入は悲劇的な
結果を惹起するおそれがあるという不具合を含んでいる
。上記の見地から、放射性物質特に核燃料要素の再処理
から生れた固形廃村を十分な稀釈を行ったのちに保存す
るための数多くの提案がなされている。

しかしそれらの方法では、ガラスを除いた他のよく知ら
れた固形材料は放射作用を受けて、特に発生熱によって
崩壊し、この結果該方法では安全保管が不可能であると
いう不具合がある。操作に際して多数の溶融に関する問
題点の克服と高温度の制御とを行わなければならず、同
時に所望の安全性の保証と排出ガスを無くすことが通常
できないため、従来技術的に実施できる方法で遂行でき
なかった主なことはガラスへの内包である。しかし排出
ガスの量が多すぎると大気へ放射能を放出させ、また炉
の使用命数が短かすぎあるいは安全性が不充分であると
、放射性廃材の確実な除去を妨げる。従ってこの発明の
目的はガラスへの放射性物質の内包する新規の溶融方法
を提供することにあり、該方法によればもはや上記の諸
不具合を蒙ることなくその処理段階において、発生され
る排出ガスは極めて少量で無視できる程度であり、従っ
て炉の長期にわたる使用命数を期待でき、これによって
高度の操作安全性が保証され、かつガラスの燐酸塩もし
くは棚蓮酸塩の所望含有量を調節でき、さらに炉の構成
要素は遮蔽手段の後方で、なお遠隔制御方式によって運
転上の処理ができる。

さらにこの発明による方法を実施する炉は、経済的に建
造できるまとまりの良い構造のものでなければならず、
それらの炉はそれ自身に容易な監視性および観察性を具
備しなければならない。この発明の方法を実施する炉は
、禾熱なガラス工でも操作可能であると共に連続および
断続操作ができるものを提供するものである。この発明
によれば、上記の目的は次のようにして達成される。

即ち放射性成分がガラスの溶融あるいは溶融成形に好適
な混合物と共に水溶液もしくは泥鰍状で上方から炉内へ
導入され、ガラスおよび放射性成分（溶融体）を含む溶
融した物質がこの中を直接流れる電流によって熱せられ
、さらにこの物質が上方から下方へ垂直方向に流れる。
溶融物質への電力供Ｖ給はこの物質と接触した状態で電
極を通して実施されることが好適で、電極の使用命数を
増し、かつ電極の腐食を可成り減ずるために、電極附近
で炉槽の上方部分に僅かな対流を存在させることが好ま
しく、炉の中央部の上方部分において、炉の綾部および
電極附近よりも高いェネルギ濃度をもつような措置が探
られる。電極のこの低いェネルギ濃度により、電極の腐
食は電極に発生される熱が減少することによって減じ、
一方炉の中央部におけるェネルギ濃度は炉壁への材料の
凝固を生ぜしめずに、あるいは当該部位への腐食を増大
させずに、この区域での混合物の溶融に必要な高温を提
供する。上記に概説した方法を実施するこの発明による
ガラス溶融炉はセラミック材料（ねｃ）で造られ、これ
は専門家も全く驚くことに、これらのセラミック材料は
溶融した活性の強いガラス材料に対するばかりでなく、
混合物内に含まれた泥数あるいは水溶液にも十分な抵抗
性を示している。

さらにまたこれはニッケルを高度に含む耐食鋼を使用す
るのではなく、この目的に最も適したガラス炉に通常用
いられる普通のセラミック材料である。そのうえ好まし
くは、この炉は酸化錫あるいはモリブテン製の電極を具
え、混合物の汝積層（プランケット）の下方の炉の上方
部分が、ガラスが一層高い温度をもつ炉の少くとも１つ
の下方部分よりも広い横断面積をもつ。

電極区域に一層強い対流が起るのを防ぐために、炉は上
方電極附近の区域において広い横断面積をもち、これら
の電極は壁がんもしくは凹部内に又は突起の上方に配置
するのが好ましく、これらによって炉を通過する対流が
形成されるのを防ぐ。さらに炉の上方部分における大き
い横断面積は炉が不断続的に運転されるときに有利であ
り、これによって不連続的にバッチが供給される。

これによって溶融材料のレベルは、多量の装填混合物が
供給されてもはなはだしくは上昇せず、餅聯合量は炉に
配置された複数の圧力計によって測定され、その負荷状
態は炉の負荷に関して明確な情報を提供する。また炉の
不連続運転は、ガラス出口あるいは排出口に外側から押
込まれるようになっている封止れんがの形をした電極を
含むことによって有利に促進され、この電極は炉の内側
に配置された別の電極と電気的に接続され、これによっ
て封止れんが電極から内側電極に流れる電流は、その間
を材料が流れないときでも出口あるいは排出通路を確実
に開き（障害なく）続ける。

運転停止中の冷却の防止は、出口れんがの前方に外部的
に配置された放熱器の加熱要素によって増大され、後者
はもし運転に影響する摩耗が観察されれば交換できるよ
うになっている。炉の上方部内にある量の懸濁液あるい
は泥酸を含む混合物を十分に加熱するための、炉のこの
部分は付加的に上方炉加熱装置および加熱要素を破壊す
るおそれのある蒸気の侵入から加熱装直を保護するため
遮蔽体もしくは蓋を含む。以下図面に示すこの発明の実
施例を参照しつつこの発明を詳細に説明する。

第１図乃至第１０図はこの発明の炉体を構成するれんが
を示しているが、鋼梁、絶縁体および随意に設けられる
水冷却装置およびこれらのれんが内に埋込まれた電極は
省略してある。

酸化錫で造られた電極は第１図乃至第１０図による炉用
として用いられ、これらの電極は通常の方法で電極れん
が６，１０内に樫込まれている。この発明による炉室の
横断面形状は、第２図の最上方レベルから第３図の下方
レベルまで同一寸法の長方形のままとなっているが、第
３図に示す下方レベルには内装された中心れんがを含む
。

第４図に示す次の下方レベルにおいては、炉室の横断面
は可成り小さい面積の長方形に減小し、この長方形はさ
らに第５図に示す最終の作用レベルでは双頭ハンマ形態
に拡がっている。第６図から判るように、取出しは中心
位置で行う。電極６ａ，１０ａはそれぞれ第２図による
長方形の中狭の方の辺、あるいは第５図によるハンマ頭
の両端に配置され、この位置では低負荷用として電流を
通す広い横断面積が与えられている。

第１図乃至第１０図による炉は、高い酸化性の燐酸ガラ
スの再溶融用に使用されるから、電極における温度は腐
食作用を低く保つためにできる限り低く維持しなければ
ならない。燐酸ガラスの溶融温度は比較的低いから、こ
のような型式のガラスの比抵抗（固有抵抗）は極端に小
さいが、低電圧の比較的高い電流を考慮しなければなら
ない。

ェネルギの大部分、即ち混合気の溶融および含水の蒸発
用のェネルギは、ガラス溶融炉あるいはガラス溶融槽の
上方部分において消費され、この部分ではこのような炉
の下方部分よりも可成り低い温度が発生されるという事
実を考慮すれば、第１図乃至第１０図に示す炉槽は、第
４図あるいは第９図および第１０図それぞれに示された
比較的狭い通路で連結された一対の大きく分離された室
に分割されている。

この分割によって、上方と下方との室の間、あるいは上
方部分と下方部分との間の極端に高い温度差を生ずるこ
とが可能となる。

例えば上方室内では８００ｑｏから９０ぴ０の温度が維
持され、なお１つの電流レベルが電極に過負荷をかけな
い程度に維持されかつ調節される。このような場合、下
方部分は温度が１１０ぴ○から増加されるだけのヱネル
ギ量を供給され、これによってこの付加温度は上方部分
に要求されるェネルギのわずか１／３を構成する比較的
小量のェネルギで発生されるから、指示温度での下方部
分におけるガラスの増加された伝熱性の如何に拘らず、
電極における電流の大きさもほぼ同じ値である。この場
合用語「電流の大きさ」とは電流密度のことを謂う。溶
融されたガラスの排出は底部において行われ、ここにお
いてノズルは通常の反射加熱装置によって間接的に加熱
される。

溶融槽の上方部分に付加的に取付けられたれんが１３は
、この点においてブリッジを形成させる側方れんがに溶
融材料の固まりが発生するのを避けるため、側方（後方
）れんが１２，１５における、あるいはれんが１２，１
３，１５それぞれの間の通路内でのェネルギの集中を行
う機能をもつ。さらに伝熱横断面はこれによって減少さ
れるかり、一層多量のェネルギが電極でなく炉槽の中心
部に放出される。

このようにして、タンクの中心部におけるよりも電極に
おいて一層低いガラス温度を保つことができ、そのうえ
電極を穣向に取付けることにより、これらの電極は極端
に小さい対流のみが存在する構成要素内に装着される。

また、この構造によって錫／酸化錫を豊富に含んだガラ
スが、電極と極く接近して集中され、これによって酸化
錫電極の分解を大いに減ぜしめることができる。さらに
、第１図乃至第１０図によるこの炉は、タンク表面積と
タンク容積との間の高い比率が得られ、これによって一
方において大きい溶融表面が形成され、この表面に混合
物および放射性材料が泥数あるいは水溶液状態で供給さ
れ、これによって水の蒸発のための大きい表面積を提供
するが他方において炉タンクの容積を小さくでき、この
結果炉の構造がまとまりよくなり寸法が小型となり、従
って高温室の遮蔽および監視も可能になる。

さらに、第１１図乃至第１３図による炉の上方には図示
されていない上部構造物が設けられ、該構造物は真空に
よって混合物の溶融によって生ずるガスを吸込み排出す
る。

これらのガスは次いで許容公差を越えた環境汚損を避け
るために通常の方法で清浄化、猿過あるし、は吸収され
る。ガスのこのような処理は全電気操作式炉においての
み可能であり、その理由は、他の炉ではガス容積がもは
や経済的あるいは適正に処理し得ない程の排気ガス容量
が油あるいはガスの燃焼から生ずるからである。第１１
図乃至第１３図から判るように、放射性（廃棄）物質溶
融用炉あるいは含有物溶融用炉は、炉室が横断面は長方
形で長方形の寸法は上方から下方へ行くに従って減少し
ている。珪酸棚素ガラスの溶融に用いられる電極は、適
正で均等なェネルギ入力を提供するように、互に２重に
重ねられた高さに位置づけられかつ取付けられる。第１
１図乃至第１３図による炉において、ガラスは約１３０
０℃の温度で溶融され、放射性物質は大むね泥糠状態で
はあるが、泥数の濃度はかなり低いから、補助上方炉加
熱システムが炉に組込まれ、該システムにおいて炭化珪
素製の加熱要素２１がインコネルの蓋２２により、ある
いはボイラーまたは加熱チューブにより蒸気の侵入に対
して保護されている。第１１図乃至第１３図によれば、
排出口はガスの流れを急騰に停止しなければならない不
連続運転に便宜なように横方向に配置されている。

この特別な問題は円錐形の先端を具えた封止電極１８を
、この排出口れんが１９の１つの横方向の孔に押込むこ
とによって解決され、これによって該孔が電極をこれに
押当てることによって直ちに封止でき、一方この電極と
炉槽内の炉の中心に配置された電極２４との間の電流を
制御することによって、排出孔内の温度が前記電極１８
を引出すことによって孔を同時に開□させて一定温度値
に維持させることができる。このようにして、排出孔の
冷却がこの孔の閉鎖状態においても起らないように積極
的に防止され、封止電極１８を取囲む空所はガラス蒸気
の円滑な流出を提供するように炭化珪素放熱器要素によ
って付加加熱される。

上述のように、不連続な操作によって生ずるガラス溶解
レベルの姿直方向の変動を極滅しかつ制限するために、
および上述のように水溶液もしくは泥数それぞれから水
を蒸発させるための広い表面も提供するため、炉室の横
断面積は炉槽の下方部分におけるよりもその上方部分に
おいて可成り大きい。

この発明による炉の調整あるいは始動は、通常の電気加
熱式ガラス熔融炉において一般に行なわれるように、上
部に配置された加熱要素あるいは炉槽の底部に配置され
た別の加熱要素によって実施される。

勿論補助電極も使用することができ、これを用いること
によって、この炉は添加剤を用いて伝熱性にされたガラ
ス片を使うことにより、あるいは底に出来た薄いガラス
層を溶融するときに作動される。第１１図乃至第１３図
による炉は、モリブデン電極用の保護回路を具え、この
場合逆極あるいは対極は底部中央に取付けられた酸化錫
電極２４である。

この種の保護回路は既存の特許で知られている。ガラス
の排出時あるいは混合物または泥擬充填時の重量の変化
を正確に観測するために、排出量あるいは充填量の重量
もしくは重量の変化それぞれを明確に決定することがで
きるように炉に少くとも４個の圧力計を具える。

排出口に対する間隔を調節できる封止電極１８を含む横
向き排出口は、排出口を閉塞する（封止する）可能性を
提供するばかりでなく、排出口の関度を調節することに
よって排出速度を制御することもできる。これによって
、排出されるガラスの温度は炉に流れ入る電流によって
、さらに制御することができる。別の構造では、もし要
求されれば排出れんが１９を操作機の助けをかりて交換
し得るように、加熱要素２１を含む加熱室を引出すこと
によって排出孔、または排出口全体を露呈することもで
きる。セラミック製電極、垂直型電気融解炉、および鉱
物質の溶融用炉に電流を供給することに関しては、この
出願人の先行出願にみられる種々の構造を参照できる。

全般的に考察して、安全かつ容易な方法でまず第１にガ
ラスに高度の放射性廃村を内包させる溶融用の炉の上述
の２つの実施例は、そのような廃村を出来る限り長期間
安全に保存することが可能となるように、高度に放射性
廃材から固形材料をつくることを可能にするということ
ができる。

上記の説明では、混合物（フリツト）と放射性成分を含
む泥凝とを区別したが、もし十分な量のガラス発生成分
が含まれれば、完全な供給物はこのような泥鰍あるいは
水溶液から成る。別の実施例において、炉内への供給に
先だって普通型のガラス混合物と泥酸を混合することも
当然可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例の縦断正面図、第２図乃
至第６図はそれぞれ第１図の糠Ａ−Ｂ，Ｃ−Ｄ，Ｅ−Ｆ
，Ｇ一日，１一Ｊに沿ってとられた断面図、・第７図乃
至第１０図は第１図の線Ｋ−Ｌ，Ｍ−Ｎ，０一Ｐ，Ｑ−
Ｒそれぞれに沿ってとられた断面図、第１１図はこの発
明の第２実施例の縦断正面図、第１２図は第１１図のも
のにつき別の２つのレベルでとられた断面図、第１３図
は第１２図の線×ｍ−Ｘｍによる断面図である。 １……排出ノズル、２……排出れんが、３，４・・・・
・・底部、５・・・・・・障壁、６・・・・・・電極れ
んが、７……隅れんが、８……熱電対れんが、９・・・
・・・れんが、１０・・・・・・電極れんが、１１・・
・・・・隅れんが、１２・・・・・・熱電対れんが、１
３・・・…ブリッジ、１４，１５・・・・・・側壁、１
６・・・・・・熱電対チューブ、１８・・・・・・封止
電極、１９・・・・・・排出孔れんが、２１・・・・・
・加熱要素、２２・・・・・・カバー、２４…・・・電
極。 Ｆｉｇ．１（Ｓ‐Ｔ）Ｆｉジの‐Ｂ〕 庁９３（Ｃ‐ＯＪ Ｆｉｇ．ム【Ｅ‐ＦＩ Ｆ‘９．５（Ｇ−ＬＩ） Ｆｉｇ６（ｌ‐Ｊ） Ｆ‘９．７【Ｋ‐Ｌ） Ｆ‘９．８（Ｍ‐Ｎ） Ｆ‘９．１３皿肌） Ｆｉ９．９【０‐〇 Ｆｉｇ．１０（０‐Ｒ） Ｆｉｇ．１１（ＸＩ‐ＸＩ） Ｆｉｇ．１２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 放射性物質を水溶液もしくは泥漿状とし、これをガ
   ラスの溶融形成に適した混合物とともに上部から炉内へ
   供給し、ガラスおよび放射性物質の溶融物をそれに直接
   通電することにより加熱し、そこで単に垂直方向に上か
   ら下に物質流を生じさせる核燃料再使用からの放射性物
   質をガラスに内包させる方法。 ２ 供給工程が放射性物質からなる溶融形成物を混合物
   としてなす特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 溶融物への通電がこの溶融物と接触する電極により
   行われる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 電極近傍の炉槽の上部にのみ小さな対流が生じ、炉
   の縁部におけるよりも高いエネルギ濃度が炉の中央部の
   上方部分に生ずる特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５ セラミツク材料で構成された炉壁と、水溶液または
   泥漿状とした放射性物質および溶融形成物用混合物の混
   合物を上部から供給する部材と、確実に決定された量を
   炉内へ供給し、そして排出するために炉に設けられた複
   数の圧力ゲージと、酸化錫もしくはモリブテンで形成さ
   れ溶融物と接触するよう壁部に設けられた電極からなる
   混合物を加熱する手段とを具え、さらに炉室が混合物層
   下方の炉の上方部分において少くとも下方部分よりも広
   い断面頭を有し、流れが単に垂直方向に上から下に生ず
   る放射性物質を熔融ガラスに内包させる炉。 ６ 前記電極が炉の巾狭側において凹部内に、炉の大横
   断面積部に配置されている特許請求の範囲第５項記載の
   炉。 ７ 炉の中心部が電流通過の横断面積を小さくした断面
   縮小部を含む特許請求の範囲第６項記載の炉。 ８ 外側から押当てられる封止れんがの形態となつた電
   極を具えたガラス出口、および該出口あるいは排出れん
   がの前方の外方に配置された放熱器および加熱要素を有
   する特許請求の範囲第５項記載の炉。 ９ 前記排出れんがが置換可能である特許請求の範囲第
   ８項記載の炉。 １０ 上方の炉の加熱手段が蒸気の侵入から防禦されて
   いる特許請求の範囲第５項記載の炉。