JPH0216497A - 磁場を利用した放射性廃棄物固化用電気溶融炉および溶融方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈従来の技術〉 放射性物質の再処理工場から発生する高放射性廃棄物を
より安全に輸送・貯蔵及び処分するための固化形態とし
てガラス固化体がある。高放射性廃棄物とガラス原料（
以後両者を含めて単に原料と言う）を溶融炉内に供給す
ると、原料は溶融炉の溶融ガラス表面を覆うような状態
になり、溶融ガラスからの熱移動により、廃棄物中の水
分の蒸発、仮焼、ガラス化反応が連続的におこり、既に
存在する溶融ガラスと混ざり合って均質なガラスとなる
。溶融ガラスを高温に保持するために必要なエネルギー
は、溶融ガラス中に対向して配置した少なくとも一対の
電極間に電流を流し、その間に存在する′／Ｂ融ガラス
をジュール発熱させることにより供給される。

溶融されたガラスは連続的にまたは間歇的にキャニスタ
と呼ばれる金属容器に注入され、そのキャニスタは貯蔵
施設内で貯蔵され、最終的には深地層中に埋設する等の
方法により処分されることが計画されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 この種の溶融炉は、運転員の放射線被爆量低減のためセ
ルと呼ばれる放射線遮蔽を施された空間に配置され、遠
隔操作により運転、保守及び交換がなされるものである
から、可及的小型化、軽量化して、溶融炉が寿命に達し
た後の二次廃棄物量もできるだけ少なくしたいという要
請がある。ところが上述したように、原料は主として溶
融ガラス表面からの熱移動により加熱溶融されるので、
溶融炉の処理能力を増加させようとすると溶融ガラスの
上面の面積（以下溶融表面積という）を大きくする必要
があり、これに伴って溶融炉が大型化し、溶融炉が寿命
に達した後の二次廃棄物量も増加することになった。

また、高放射性廃棄物に含まれているＲｕ、Ｐｄ、Ｒｈ
等の白金族元素はガラスに難溶性で、比重が大きいため
、溶融炉の炉底に沈降堆積する。Ｐｄ、Ｒｈはガラス中
では還元されて電気の良導体である金属として存在し、
Ｒｕは金属又はＲｕＯ２結晶として存在するが、ＲｕＯ
２は酸化物ではあっても電子部品用の導電性ペースト等
に用いられているように電気の良導体である。このよう
な良導電性物質が高濃度に炉底に堆積すると、炉底近傍
のガラスの高温固有抵抗値は上部のガラスに比べて小さ
くなり（白金族元素を高濃度に含む炉底近傍のガラスを
、以後、炉底堆積物という）、電極間に流す電流が炉底
に集中して炉底の温度が異常に上昇し、逆に溶融が表面
のガラス温度が下がって原料溶融能力を低下させること
になった。

更にまた、？８融炉の底面をほぼ水平とするときには、
炉底に堆積した白金族元素はガラスをキャニスタに流下
してら流動せず、益々炉底に累積して遂には運転ができ
なくさせた。このような不都合をなくすには、炉底に３
０°〜７０°の勾配を設けることで炉底に取り付けたガ
ラス流出口から連続的又は間歇的にガラスを炉底堆積物
と共に抜き出し可能となし、炉底と電極との距離を一対
の電極間距離の約１／２以上とする必要があったが、し
かし、このようにすると溶融炉が深くなり、炉底近傍の
ガラスの温度低下を招いた。

本発明はガラス溶融炉の小型軽量化、ガラス溶融速度の
増大、炉底堆積物の堆積防止といった課題を解決するこ
とを、その目的としている。

く課題を解決するための手段〉 本発明の磁場を利用した放射性廃棄物固化用電気溶融炉
は、ガラス溶融炉に、該ガラス溶融炉内の溶融ガラスに
交流電流を通じる複数の電極と交番磁界を発生させる複
数のＦｊ＆極を取付け、これらの電流と磁界との相互作
用により該溶融ガラスに時間的に同じ向きの力を生じさ
せることによって、上記の目的を達成したものである。

磁極は、溶融炉の炉壁を貫通させて溶融ガラスと接触し
ても、或いは炉壁の内部に設置して溶融ガラスと接触し
なくもでき、磁極に交番磁界を発生させるための励磁巻
線は、常電導性を示す材料を使用しても、或いは超電導
性を示す材料を用いて超電導性を示す条件下で使用して
もよい、また磁極は、平坦な炉底を有する溶融炉ではそ
の平坦な炉底近傍に配設し、勾配を付した炉底を有する
溶融炉ではその勾配を付した炉底の近傍に補助電極と共
に配設される。

また、本発明の方法は、ガラス溶融炉に設けられた複数
の電極間で溶融ガラスに交流電流を通じると共に複数の
８１極間により交番磁界を発生させ、これらの電流と磁
界との相互作用により溶融ガラスに時間的に同じ向きの
力を生じさせて該溶融ガラスを流動せしめ、これによっ
て該溶融ガラスから溶融表面に存在する未溶融原料への
伝熱を促進することや、溶融炉炉底に沈降し易い物質の
炉底への沈降蓄積を抑制防止することが可能となる。

く作　用〉 加熱用の直接通電電流と磁場との相互作用によってフレ
ミングの左手の法則により溶融炉内の溶融ガラスの流動
を促進する力を生じさせる。

この力によって、溶融ガラスから溶融表面上の原料層へ
の伝熱量の増加、溶融能力の向上を図ること、炉底堆積
物の沈降堆積の抑制防止することが可能となる。

〈実施例〉 第１図は、電気溶融炉１の槽内に磁場をかけた場合の基
本構造を示しならのである。溶融炉１の向かい合う１組
の側壁には電極２．３が挿入され、電極２．３は変圧器
４の二次巻線側と電気的に接続することによって、溶融
ガラス８（図中、−点鎖線は溶融ガラス液面位置を示す
）に交流電流を通電し、この電流により溶融ガラス８を
発熱させる。また、溶融炉１の向かい合う他の１＃ｆｌ
の側壁には磁極５．６が挿入され、磁極ら、６は変圧器
４の一次巻線側と電気的に接続するａ補動磁巻線７によ
って上記溶融ガラス８中を流れる電流と交叉する交番磁
界を発生させる。磁界の磁束密度をＢ、流体中の電流密
度をＪとしたとき、流体の単位体積当たりに発生する電
磁力Ｆは、フレミングの左手の法則により下式で表すこ
とができる。

Ｆ＝ＪｘＢ 但し、Ｆ、Ｊ、及びＢはベクトル量とする。

通電電流と磁界は時間的にその大きさと方向が変化する
が、発生する力Ｆの方−Ｎま変化しない、このため一方
向の力が溶融ガラス８に生じ、溶融炉１内に強制的に対
流が引き起こされる。

本発明は、このように電流を通じた溶融ガラス８を磁界
中におき、溶融ガラス８自身に発生する力により溶融炉
１内の溶融ガラス８に対流の駆動力を生じさせるという
基本構想に立脚するものである。

磁極励磁用巻線７には常電導物質製のほか、超電導物質
を利用して、超電導性を示す条件で使用するようにして
もよい。

溶融炉１内における溶融ガラス８が電極２．３間に通じ
た電流により加熱されてたとき、第２図の矢印で示すよ
うな自然対流が生じる。溶融ガラス８で発生する熱は、
対流熱伝達及び輻射により溶融ガラス８から溶融表面に
存在する原料層９に移動し、主にこの熟ｆｆ１Ｑによっ
て溶融炉１に供給されるガラス原料９ａと放射性廃棄物
９ｂは溶融されることについては既に述べた通りである
。一般に溶融炉１を構成する耐火物は通常複層構造であ
るが、図示するを省略している。

磁極５．６は、第３図（ａ）に示すように、溶融炉１側
壁を貫通して溶融ガラス８と接触するように槽内に挿入
してもよいし、第３図（ｂ）に示すように、充分な透磁
率を有する耐火物で溶融炉１を楕成し、その耐火物の内
部に磁１ｉｆ１５．６を設置して、溶融ガラス８と接触
しないようにすることらできる。

第３図ｆａ）と第３図（ｂ）は、また、磁束Ｂと電流Ｊ
がほぼ直行するように配置されることを示し、第４図は
その縦断面を示している。この例では、磁束Ｂと電流Ｊ
の向きを決めるに当たって、第２図に示した溶融ガラス
８の対流の向きとほぼ一致するように、磁束Ｂと電流Ｊ
との相互作用によって溶融ガラス８に生じる力Ｆの向き
を下向きとしている。第５図は、この場合の、溶融ガラ
スの促進された対流を模式的に示している。対流の促進
により溶融ガラス８から原料層への熱伝達量が増加し、
全体としての熱の移動量Ｑ′は磁場をかけない場合の熱
の移動ＪｉＱに比べ、同じ伝熱面積では大きくなる。つ
まり同じ溶融表面積で比較すれば、前者は後者に比べ原
料の溶融速度が大きくなり、同じ溶融速度で比較すれば
溶融表面積がより小さくて済む、この故、直接通電溶融
炉に磁場をかけることで溶融炉の小型軽量化が達成でき
るのである。

以上は主に溶融ガラス８の対流促進によって溶融速度を
増大さぜるという見地から述べたが、つぎには炉底堆積
￥ｌＡ１０の沈降堆積の抑制という見地から説明する。

第６図は、平らな炉底部に炉底Ｈ１積物１０が堆積した
様子を示している。記述の如く炉底堆積物１０は溶融ガ
ラス８より比抵抗が小さいから、電＠５．６間に通電す
ると、その電流は、炉底堆積物１０が堆積していない場
合に比べて、より槽底部に集中する傾向を示す。

符号１１の凹状の矢印は、このことを意味したが底堆積
物１０を流れる代表的な電流線である。

第７図と第８図において、溶融炉１は平坦な炉底構造を
なし、磁極５．６は磁束が電流にほぼ直交し、かつ炉底
近傍の深さに磁束密度Ｂが最も高くなるように配置され
、電流密度Ｊと磁束密度Ｂの向きは電磁力Ｆが上向きに
なるように組み合わされている。第９図は、上記の上向
きの力により、炉底堆積物１０が上方に移動され、その
とき溶融ガラス８にも上向きの力が働いて上向きに移動
しようとするので、堆積物１０の上向きの移動はさらに
容易になることを示している。このようにして電流と磁
束との相互作用により炉底堆積物１０の炉底への沈降及
び堆積は抑制又は防止され、溶融ガラス８中には炉底堆
積物１０が含まれていても炉底堆積物１０の炉底への堆
積を抑制又は防止し、炉底堆積物１０への電流集中を生
じることなく、円滑に溶融炉１を運転することができる
。炉底を平坦にすれば、炉底に傾斜をつける構造に比べ
て、溶融炉１の構造がより単純になるだけでなく、炉の
深さをより浅くし、溶融炉１を小型軽量化することがで
きること、いうまでもない。

第１０図と第１１図の実施例は、炉底のガラス流出口に
向かって炉底に勾配をつけた実施例を示している。溶融
炉が深くなると、炉底近傍の溶融ガラス８の温度が低下
し易くなるから、炉底付近の溶融ガラス８を通電加熱す
るための一対の補助Ｚ　＠　２　ａ、３ａが炉底付近に
設けている。更にこの補助電極２ａ、３ａ間で通電する
電流とほぼ直行する磁束が得られるように磁極５．６が
配置されている。電流と磁束の向きは、炉底付近の溶融
ガラス８及び炉底堆積物１０に上向きの力が作用するよ
うに決められている。もし磁界がないとすると、溶融ガ
ラス８をガラス流出口１２のフリーズバルブ（図示せず
）により定期的に抜き出すまでの間に、炉底堆積物１０
が徐々に炉底に蓄積して補助ｉｌ：極２ａ、　３８間抵
抗を小とするから、炉底付近の溶融ガラス８を昇温する
のに電極２，３にはより電流を多く流す必要が生じ、ひ
いては電極２．３の侵食抑制のために電流のＴｈ極表面
密度を一定値以下にする目的から電極２．３を大型化し
て必要な表面積を確保せざるを得なくなる。しかし磁界
をかけると、炉底堆積物を上方に流動させるようにする
ことができ、補助電極２ａ、　３ａ間抵抗の低下は抑制
され、結果的に電極２．３の大型化を避けることができ
る。

また、勾配をつけた炉底に磁極５．６を配設したこの実
施例では、溶融炉１の炉底を平坦にした場合に比べると
、磁極５．６は小さくてよく、必要な磁束も少なくて済
むことになる。

〈発明の効果〉 本発明によれば、加熱用の直接通Ｔｈ電流と磁場との相
互作用によって溶融炉内の溶融ガラスに流動を促進する
力を生ぜしめるようにしたから、溶融ガラスから溶融表
面上の原料層への伝熱量が増加し、溶融能力を向上させ
ることができ、同じ溶融能力では溶融炉を小型、軽量化
して、溶融炉が寿命に達したときの二次廃棄物量を減ら
すことができる。また、上記した槽内流動の促進で、溶
融炉の炉底を平坦な１ｒＩ４造としながら、炉底堆′Ｆ
ｒ！物の炉底への沈降、堆積を抑制防止できるようにな
る。

更に炉底に勾配を有する溶融炉とした場合にあっては、
炉底堆積物の沈降、堆積を抑制防止することにより、炉
底近傍の溶融ガラスを直接通電加熱するだめの補助電極
の寸法を小さくすることができる。

その他、励磁巻線に超伝導物質を利用し、超伝導性を示
す条件で電流を通じれば、磁極に生じる磁束密度をより
大きくでき、溶融ガラスに生じる流動をより促進できる
し、その耐火物の内部に磁極を設置して、溶融ガラス８
と接触しないようにすると、溶融ガラス８との接触によ
る磁極５．６の腐蝕を減少できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる磁場を利用した放射性廃棄物固化
用電気溶融炉の基本構造を示した説明図、第２図は電極
間に通じた電流により加熱されてたときの主な流れの様
子を模式的に示した説明図、第３図（ａ）と第３図（ｂ
）はＦ！ｉ極の配役の仕方並びに磁界の磁束密度Ｂ、流
体中の電流密度Ｊ、流体の単位体積当たりに発生する電
磁力Ｆとの関係を示す説明図、第４図は第３図（ｂ）の
１１断面図、第５図は第４図の場合における溶融ガラス
の対流を模式的に示す説明図、第６図は炉底が平らな場
合の炉底Ｈ１積物と、その炉底堆積物を流れる代表的な
電流線を示す説明図、第７図と第８図は炉底堆積物を上
方に移動させる場合の磁界の磁束密度Ｂ、流体中の電流
密度Ｊ、流体の単位体積当たりに発生ずる電磁力Ｆとの
関係を示す説明図、第９図は第８図の場合における炉底
堆積物が上方に移動される状態を示す説明図、第１０図
と第１１図は炉底に設けたガラス流出口に向かって炉底
に勾配をつけなときの実施例のｖ１断面図と線断面図で
ある。 １・・・ガラス７ｇ融炉、２．３・・・電極、２ａ、３
ａ・・・補助電極、４・・・変圧器、５．６・・・磁極
、７・・・磁極励磁巻線、８・・・溶融ガラス、９・・
・原料層、９ａ・・・高放射性廃棄物、９ｂ・・・ガラ
ス原料、１０・・・炉底堆積物、１１・・・炉底堆積物
を流れる代表的な電流線、１２・・・ガラス流出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガラス溶融炉に、該ガラス溶融炉内の溶融ガラスに
   交流電流を通じる複数の電極と交番磁界を発生させる複
   数の磁極を取付け、これらの電流と磁界との相互作用に
   より該溶融ガラスに時間的に同じ向きの力を生じさせる
   ことを特徴とする磁場を利用した放射性廃棄物固化用電
   気溶融炉。 ２、磁極は溶融炉の炉壁を貫通させて溶融ガラスと接触
   するか又は炉壁の内部に設置して溶融ガラスと接触しな
   くした請求項１の磁場を利用した放射性廃棄物固化用電
   気溶融炉。３、磁極に交番磁界を発生させるための励磁
   巻線は常電導性を示す材料を使用するか又は超電導性を
   示す材料を用いて超電導性を示す条件下で使用する請求
   項１の磁場を利用した放射性廃棄物固化用電気溶融炉。 ４、溶融炉は平坦な炉底を有し、磁極はその平坦な炉底
   近傍に配設されている請求項１の磁場を利用した放射性
   廃棄物固化用電気溶融炉。 ５、溶融炉は勾配を付した炉底を有し、磁極はその勾配
   を付した炉底の近傍に補助電極と共に配設されている請
   求項１の磁場を利用した放射性廃棄物固化用電気溶融炉
   。 ６、ガラス溶融炉に設けられた複数の電極間で溶融ガラ
   スに交流電流を通じると共に複数の磁極間により交番磁
   界を発生させ、これらの電流と磁界との相互作用により
   溶融ガラスに時間的に同じ向きの力を生じさせて該溶融
   ガラスを流動せしめ、該溶融ガラスから溶融表面に存在
   する未溶融原料への伝熱を促進することを特徴とする磁
   場を利用した放射性廃棄物固化用電気溶融方法。 ７、ガラス溶融炉に設けられた複数の電極間で溶融ガラ
   スに交流電流を通じると共に複数の磁極間により交番磁
   界を発生させ、これらの電流と磁界との相互作用により
   溶融ガラスに時間的に同じ向きの力を生じさせて該溶融
   ガラスを流動せしめ、溶融炉炉底に沈降し易い物質の炉
   底への沈降蓄積を抑制防止することを特徴とする磁場を
   利用した放射性廃棄物固化用電気溶融方法。