JPH073474B2 - 放射性廃棄物の消滅処理方法 - Google Patents
放射性廃棄物の消滅処理方法Info
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- JPH073474B2 JPH073474B2 JP18639090A JP18639090A JPH073474B2 JP H073474 B2 JPH073474 B2 JP H073474B2 JP 18639090 A JP18639090 A JP 18639090A JP 18639090 A JP18639090 A JP 18639090A JP H073474 B2 JPH073474 B2 JP H073474B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Description
この発明は、長寿命の放射性核種を含む放射性廃棄物を
核変換により短寿命または安定な核種にすることによっ
て、放射性廃棄物の放射能を速やかに消滅処理する方法
に関するものである。
核変換により短寿命または安定な核種にすることによっ
て、放射性廃棄物の放射能を速やかに消滅処理する方法
に関するものである。
原子炉からの使用済核燃料の再処理によって発生する高
レベル放射性廃棄物の中には、ストロンチウム等の核分
裂生成物（FP）、原子炉内の核反応により生成したアク
チノイド（Np,Am,Cm等）、および未回収のウランおよび
プルトニウムといった長寿命の放射性核種が含まれてい
る。 現在のところかような高レベル放射性廃棄物の最終処分
方法としては、これをガラス固化体等に厳重に封じ込め
て保管し、崩壊によりその放射能が減少してくるのを待
つ方法が考えられている。しかし平均寿命の長い放射性
廃棄物のガラス固化体は、長年月に亘って安全管理しな
ければならず、保管量が増大するにつれて、保管場所の
選定、確保が困難になってくる。 一方、核変換を利用した長寿命放射性核種の消滅処理を
行って、短寿命または安定な核種に変換できれば、保管
期間の短縮や保管場所の減少が図られ、廃棄物処分に関
する安全性および経済性の面でメリットが大きい。 核変換を利用した消滅処理方法としては、中性子を放射
性核種に照射する方法が最も一般的なものとして考えら
れている。照射した中性子は原子核に吸収されて、短寿
命または安定な核種に変換されることになる。 かような中性子照射による消滅処理に利用できる中性子
としては、原子炉から得られる熱中性子等の低エネルギ
ー中性子が考えられている。
レベル放射性廃棄物の中には、ストロンチウム等の核分
裂生成物（FP）、原子炉内の核反応により生成したアク
チノイド（Np,Am,Cm等）、および未回収のウランおよび
プルトニウムといった長寿命の放射性核種が含まれてい
る。 現在のところかような高レベル放射性廃棄物の最終処分
方法としては、これをガラス固化体等に厳重に封じ込め
て保管し、崩壊によりその放射能が減少してくるのを待
つ方法が考えられている。しかし平均寿命の長い放射性
廃棄物のガラス固化体は、長年月に亘って安全管理しな
ければならず、保管量が増大するにつれて、保管場所の
選定、確保が困難になってくる。 一方、核変換を利用した長寿命放射性核種の消滅処理を
行って、短寿命または安定な核種に変換できれば、保管
期間の短縮や保管場所の減少が図られ、廃棄物処分に関
する安全性および経済性の面でメリットが大きい。 核変換を利用した消滅処理方法としては、中性子を放射
性核種に照射する方法が最も一般的なものとして考えら
れている。照射した中性子は原子核に吸収されて、短寿
命または安定な核種に変換されることになる。 かような中性子照射による消滅処理に利用できる中性子
としては、原子炉から得られる熱中性子等の低エネルギ
ー中性子が考えられている。
低エネルギー中性子の原子核による主な吸収過程は、放
射捕獲反応［（n,γ）反応］である。この反応は、例え
ば99Tcについての中性子の放射捕獲断面積を示す第５図
のグラフからわかるように鋭い共鳴を示す。かような共
鳴現象は、複合核の形成によって説明することができ、
共鳴準位の捕獲断面積のなかには大きな値をもつものが
あり、捕獲断面積が大きいほど捕獲反応は起こりやすく
なる。 しかしながら原子炉等から得られる中性子のエネルギー
は連続分布しており、原子核の共鳴準位エネルギーに一
致した特定のエネルギーの中性子束を効率よく得ること
は困難である。 そこでこの発明は、特定の共鳴準位のエネルギーを有し
ていない熱中性子によっても複合核共鳴反応を起こさせ
ることができ、これによって放射性核種の核変換、ひい
ては放射性廃棄物の消滅処理を効率よく行うことができ
る方法を提供することを目的としてなされたものであ
る。
射捕獲反応［（n,γ）反応］である。この反応は、例え
ば99Tcについての中性子の放射捕獲断面積を示す第５図
のグラフからわかるように鋭い共鳴を示す。かような共
鳴現象は、複合核の形成によって説明することができ、
共鳴準位の捕獲断面積のなかには大きな値をもつものが
あり、捕獲断面積が大きいほど捕獲反応は起こりやすく
なる。 しかしながら原子炉等から得られる中性子のエネルギー
は連続分布しており、原子核の共鳴準位エネルギーに一
致した特定のエネルギーの中性子束を効率よく得ること
は困難である。 そこでこの発明は、特定の共鳴準位のエネルギーを有し
ていない熱中性子によっても複合核共鳴反応を起こさせ
ることができ、これによって放射性核種の核変換、ひい
ては放射性廃棄物の消滅処理を効率よく行うことができ
る方法を提供することを目的としてなされたものであ
る。
本発明者等は、原子核に照射する中性子のエネルギーを
制御する代わりに、原子核を加速して中性子場に打ち込
むことにより複合核共鳴反応を起こすことを考えた。す
なわち、原子核を固定してこれに加速中性子を照射する
系で得られた中性子の共鳴準位エネルギーＥを、中性子
を固定して原子核を加速することによって得ようとする
と、複合核共鳴反応を起こすために必要な原子核の運動
エネルギーは（M/m）Ｅとなる。ここでＭは原子核の質
量であり、ｍは中性子の質量である。従って、中性子の
共鳴準位エネルギーの（M/m）倍の運動エネルギーを原
子核に与えてやれば、中性子のエネルギーを制御しなく
ても複合核共鳴反応を起こさせることができることにな
る。 この発明による放射性廃棄物の消滅処理方法は上記した
原理に基づいてなされたものであって、放射性廃棄物中
の放射性核種を核変換させて消滅処理する方法におい
て、磁場をかけた熱中性子場に、複合核共鳴準位エネル
ギーに相当するエネルギーに加速した処理すべき放射性
核種を打ち込むことによって、複合核共鳴反応を起こさ
せることを特徴とするものである。
制御する代わりに、原子核を加速して中性子場に打ち込
むことにより複合核共鳴反応を起こすことを考えた。す
なわち、原子核を固定してこれに加速中性子を照射する
系で得られた中性子の共鳴準位エネルギーＥを、中性子
を固定して原子核を加速することによって得ようとする
と、複合核共鳴反応を起こすために必要な原子核の運動
エネルギーは（M/m）Ｅとなる。ここでＭは原子核の質
量であり、ｍは中性子の質量である。従って、中性子の
共鳴準位エネルギーの（M/m）倍の運動エネルギーを原
子核に与えてやれば、中性子のエネルギーを制御しなく
ても複合核共鳴反応を起こさせることができることにな
る。 この発明による放射性廃棄物の消滅処理方法は上記した
原理に基づいてなされたものであって、放射性廃棄物中
の放射性核種を核変換させて消滅処理する方法におい
て、磁場をかけた熱中性子場に、複合核共鳴準位エネル
ギーに相当するエネルギーに加速した処理すべき放射性
核種を打ち込むことによって、複合核共鳴反応を起こさ
せることを特徴とするものである。
この発明によれば、複合核共鳴準位エネルギーに相当す
るエネルギーに加速した放射性核種を熱中性子場に打ち
込むことにより、熱中性子が共鳴準位エネルギーを有し
ていなくても、加速した核種と熱中性子との複合核共鳴
反応を起こさせることができ、これによって長寿命の放
射性核種を安定なあるいは短寿命の核種に効率よく変換
することができる。
るエネルギーに加速した放射性核種を熱中性子場に打ち
込むことにより、熱中性子が共鳴準位エネルギーを有し
ていなくても、加速した核種と熱中性子との複合核共鳴
反応を起こさせることができ、これによって長寿命の放
射性核種を安定なあるいは短寿命の核種に効率よく変換
することができる。
第１図はこの発明の方法を実施するための消滅処理装置
の一例を模式的に示すものであって、高速炉のごとき原
子炉の炉心１の周囲に重水のごとき減速材層２を介して
核反応容器３を配置し、これら炉心１および核反応容器
３は遮蔽体４により包囲され放射線遮蔽されている。炉
心１は冷却材循環装置のごとき冷却装置５を備えている
ことは勿論である。一方、核反応容器３は電源６と電気
的に接続された電磁石７により磁場がかけられていると
ともに、真空ポンプ８により排気されている。これによ
って核反応容器３内には炉心１から放出される熱中性子
によって熱中性子場が形成されるとともに、この熱中性
子場に打ち込まれた加速原子核を磁場によって蓄えられ
るようになっている。また加速器９は放射性核種を加速
して核反応容器３内に打ち込むためのものであり、加速
された原子核は導入管10から核反応容器３に導入され、
排出管11から排出される。 この消滅処理装置の動作を第２図および第３図を参照し
て説明する。先ず、高レベル廃液は化学分離されて消滅
処理の対象元素だけが取り出される。例えば99Tcや107P
dは単色固体であり、129Iは安定な化合物が適当である
と考えられる。これらの核種は例えばTcの場合、加速器
９のイオン源部に導入されて、加熱蒸発，電子線による
イオン化といった手順によってイオン化された後、加速
器９の加速部に送り込まれ、ここで所定のエネルギーに
加速され、導入管10から核反応容器３に導入される。導
入された加速核種は第２図に示すように核反応容器３内
の熱中性子場をらせん運動をしながら排出管11へと導か
れるが、この間に熱中性子と効率よく反応し、複合核共
鳴反応を起こす。かくして長寿命の放射性核種は安定な
あるいは短寿命の核種に核変換されたのち、排出管11か
ら排出される。未反応の放射性核種は化学分離等により
分離回収されて点線で示したように加速器９へ循環させ
て再度処理することができる。 この発明の消滅処理方法を99Tcの消滅処理に適用した場
合の計算結果を以下に示す。この場合の99Tcの核変換過
程は次のようになる：99 Tc（半減期2.1×105年） ↓中性子吸収100 Tc（半減期15.8秒） ↓β崩壊100 Ru（安定） なお、計算に使用したパラメータは以下の通りである。 原子炉で得られる熱中性子フラックス:1015cm-2sec-1 熱中性子温度:300゜Ｋ99 Tcの共鳴パラメータ： 重心系での中性子の共鳴エネルギー;5.6eV 中性子崩壊幅Γn;5.00meV 崩壊幅Γr;134.0meV 共鳴準位幅Γ;139.0meV 反応前の原子核のスピンI;4.5 複合核のスピンJ;4.0 上記のような熱中性子場における99Tcの加速エネルギー
と消滅速度との関係を第４図に示す。このグラフからわ
かるように、99Tcの消滅速度のピーク値は1.4×10-5sec
-1となる。 比較のために、原子核を固定して熱中性子捕獲反応を行
う場合を考えると、99Tcの熱中性子捕獲反応断面積は20
bであるから、消滅速度は 20×10-24＊1015＝２×10-8sec-1 となる。従って、共鳴準位エネルギーに加速した原子核
を用いたこの発明のほうが700倍速い消滅処理速度が得
られることになる。 これを半減期で言い換えると、99Tcは自然の半減期が2.
1×105年である。すなわち自然に放置しておけば2.1×1
05年かからなければ半分にならない。一方、1015cm-2se
c-1のフラックスを持つ熱中性子場に置くと1.1年で半分
になる。さらにこの発明のように99Tcを複合核共鳴エネ
ルギーに加速して上記の熱中性子場に打ち込むと、13.8
時間で半分となる。 上述のようにこの発明の方法により速い消滅処理速度が
得られるが、それによってもたらされる効果は次のよう
に言い表すことができる。すなわち99Tcの放射能の量を
1/1000にしようとする場合、1015cm-2sec-1のフラック
スを持つ熱中性子場にそのまま置くと11年かかるのに対
して、この発明の方法によれば5.75日で処理できること
になる。従って、実際に消滅処理装置を設計する場合に
は、装置の耐久性を考えればこのような速い消滅処理速
度は有利となる。
の一例を模式的に示すものであって、高速炉のごとき原
子炉の炉心１の周囲に重水のごとき減速材層２を介して
核反応容器３を配置し、これら炉心１および核反応容器
３は遮蔽体４により包囲され放射線遮蔽されている。炉
心１は冷却材循環装置のごとき冷却装置５を備えている
ことは勿論である。一方、核反応容器３は電源６と電気
的に接続された電磁石７により磁場がかけられていると
ともに、真空ポンプ８により排気されている。これによ
って核反応容器３内には炉心１から放出される熱中性子
によって熱中性子場が形成されるとともに、この熱中性
子場に打ち込まれた加速原子核を磁場によって蓄えられ
るようになっている。また加速器９は放射性核種を加速
して核反応容器３内に打ち込むためのものであり、加速
された原子核は導入管10から核反応容器３に導入され、
排出管11から排出される。 この消滅処理装置の動作を第２図および第３図を参照し
て説明する。先ず、高レベル廃液は化学分離されて消滅
処理の対象元素だけが取り出される。例えば99Tcや107P
dは単色固体であり、129Iは安定な化合物が適当である
と考えられる。これらの核種は例えばTcの場合、加速器
９のイオン源部に導入されて、加熱蒸発，電子線による
イオン化といった手順によってイオン化された後、加速
器９の加速部に送り込まれ、ここで所定のエネルギーに
加速され、導入管10から核反応容器３に導入される。導
入された加速核種は第２図に示すように核反応容器３内
の熱中性子場をらせん運動をしながら排出管11へと導か
れるが、この間に熱中性子と効率よく反応し、複合核共
鳴反応を起こす。かくして長寿命の放射性核種は安定な
あるいは短寿命の核種に核変換されたのち、排出管11か
ら排出される。未反応の放射性核種は化学分離等により
分離回収されて点線で示したように加速器９へ循環させ
て再度処理することができる。 この発明の消滅処理方法を99Tcの消滅処理に適用した場
合の計算結果を以下に示す。この場合の99Tcの核変換過
程は次のようになる：99 Tc（半減期2.1×105年） ↓中性子吸収100 Tc（半減期15.8秒） ↓β崩壊100 Ru（安定） なお、計算に使用したパラメータは以下の通りである。 原子炉で得られる熱中性子フラックス:1015cm-2sec-1 熱中性子温度:300゜Ｋ99 Tcの共鳴パラメータ： 重心系での中性子の共鳴エネルギー;5.6eV 中性子崩壊幅Γn;5.00meV 崩壊幅Γr;134.0meV 共鳴準位幅Γ;139.0meV 反応前の原子核のスピンI;4.5 複合核のスピンJ;4.0 上記のような熱中性子場における99Tcの加速エネルギー
と消滅速度との関係を第４図に示す。このグラフからわ
かるように、99Tcの消滅速度のピーク値は1.4×10-5sec
-1となる。 比較のために、原子核を固定して熱中性子捕獲反応を行
う場合を考えると、99Tcの熱中性子捕獲反応断面積は20
bであるから、消滅速度は 20×10-24＊1015＝２×10-8sec-1 となる。従って、共鳴準位エネルギーに加速した原子核
を用いたこの発明のほうが700倍速い消滅処理速度が得
られることになる。 これを半減期で言い換えると、99Tcは自然の半減期が2.
1×105年である。すなわち自然に放置しておけば2.1×1
05年かからなければ半分にならない。一方、1015cm-2se
c-1のフラックスを持つ熱中性子場に置くと1.1年で半分
になる。さらにこの発明のように99Tcを複合核共鳴エネ
ルギーに加速して上記の熱中性子場に打ち込むと、13.8
時間で半分となる。 上述のようにこの発明の方法により速い消滅処理速度が
得られるが、それによってもたらされる効果は次のよう
に言い表すことができる。すなわち99Tcの放射能の量を
1/1000にしようとする場合、1015cm-2sec-1のフラック
スを持つ熱中性子場にそのまま置くと11年かかるのに対
して、この発明の方法によれば5.75日で処理できること
になる。従って、実際に消滅処理装置を設計する場合に
は、装置の耐久性を考えればこのような速い消滅処理速
度は有利となる。
上述したところからわかるようにこの発明によれば、原
子核を複合核共鳴準位エネルギーに相当するエネルギー
に加速して熱中性子場に打ち込むことによって、原子炉
から得られる熱中性子等のように特定のエネルギーの中
性子を得ることが困難な中性子源を用いた場合でも、複
合核共鳴反応を起こさせることができ、これによって長
寿命の放射性核種を安定なあるいは短寿命の核種に効率
よく変換することができる。 その結果、放射性廃棄物の保管期間の短縮や保管場所の
減少が量られ、廃棄物処分に関する安全性および経済性
の面で非常に大きな効果を奏しうるものである。 さらにこの発明の利点は、複合核共鳴エネルギーはそれ
ぞれの原子核に固有のものであるので、加速した核種に
他の核種が混在していても、目的の核種だけを選択的に
速く消滅処理させることができる点である。その結果、
ターゲット調整としては化学分離だけを行えばよく、同
位体分離する必要がない。
子核を複合核共鳴準位エネルギーに相当するエネルギー
に加速して熱中性子場に打ち込むことによって、原子炉
から得られる熱中性子等のように特定のエネルギーの中
性子を得ることが困難な中性子源を用いた場合でも、複
合核共鳴反応を起こさせることができ、これによって長
寿命の放射性核種を安定なあるいは短寿命の核種に効率
よく変換することができる。 その結果、放射性廃棄物の保管期間の短縮や保管場所の
減少が量られ、廃棄物処分に関する安全性および経済性
の面で非常に大きな効果を奏しうるものである。 さらにこの発明の利点は、複合核共鳴エネルギーはそれ
ぞれの原子核に固有のものであるので、加速した核種に
他の核種が混在していても、目的の核種だけを選択的に
速く消滅処理させることができる点である。その結果、
ターゲット調整としては化学分離だけを行えばよく、同
位体分離する必要がない。
第１図はこの発明を実施するために好ましく使用できる
消滅処理装置の概念を示す説明図、第２図は第１図の装
置の動作を示す説明図、第３図は第２図の平面図、第４
図は99Tcにおける加速核種のエネルギーと消滅処理速度
との関係を示すグラフ、第５図は99Tcにおける中性子の
放射捕獲断面積を示すグラフである。 １……原子炉炉心、２……減速材層、 ３……核反応容器、４……遮蔽体、 ７……電磁石、９……加速器。
消滅処理装置の概念を示す説明図、第２図は第１図の装
置の動作を示す説明図、第３図は第２図の平面図、第４
図は99Tcにおける加速核種のエネルギーと消滅処理速度
との関係を示すグラフ、第５図は99Tcにおける中性子の
放射捕獲断面積を示すグラフである。 １……原子炉炉心、２……減速材層、 ３……核反応容器、４……遮蔽体、 ７……電磁石、９……加速器。
Claims (1)
- 【請求項１】放射性廃棄物中の放射性核種を核変換させ
て消滅処理する方法において、磁場をかけた熱中性子場
に、複合核共鳴準位エネルギーに相当するエネルギーに
加速した処理すべき放射性核種を打ち込むことによっ
て、複合核共鳴反応を起こさせることを特徴とする放射
性廃棄物の消滅処理方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18639090A JPH073474B2 (ja) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | 放射性廃棄物の消滅処理方法 |
| CA 2045809 CA2045809C (en) | 1990-07-13 | 1991-06-27 | Transmutation treatment of radioactive wastes |
| FR9108362A FR2665570B1 (fr) | 1990-07-13 | 1991-07-04 | Traitement par transmutation de dechets radioactifs. |
| GB9115002A GB2246467B (en) | 1990-07-13 | 1991-07-11 | Transmutation treatment of radioactive wastes |
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