JPH021768B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、再処理工場で発生する高放射性廃棄
物をガラス固化処理するための電気溶融炉に関す
るものである。

従来の技術 再処理工場で発生する高放射性廃棄物は、通常
液体でしかも極めて高い放射能を有しているの
で、長期間、人間環境から安全に隔離するため
に、該廃棄物とガラス原料を高温で溶融ガラスに
し、容器としてのキヤニスタに充填して固化処理
する技術が開発されている。

すなわち高放射性廃棄物は適切な前処理が施さ
れ、通常液体のまま、ガラス原料とともに、まず
電気溶融炉（以後メルタという）に供給される。
かくしてメルタ内で高放射性廃棄物は、ガラス原
料とともに高温の溶融ガラスとなる。この溶融ガ
ラスは連続的又は間歇的にキヤニスタと呼ばれる
金属製容器に充填される。ガラスが注入されたキ
ヤニスタは密封された貯蔵施設内に一時保管さ
れ、最終的に深地層内に埋入して永久処分される
予定である。

メルタに連続的に供給され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いう）
は、レンガ製の溶融槽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
ざりあい、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、溶融ガラス中に配置した対向する少な
くとも一対の電極間に電流を流し、その間に存在
する溶融ガラスをジユール発熱させることによ
り、供給される。

発明が解決しようとする問題点 運転員の被爆防止のため、メルタはセルとよば
れる空間に設置されて遠隔で運転、保守、交換が
なされる。このため、メルタはできる限り、小
型、軽量となるよう設計がなされ、従来の高放射
性廃棄物のガラス固化技術開発用のメルタでは、
溶融槽の内容量についても、可能な限り小さくな
るように設計されている。すなわち溶融槽の深さ
は前述の電極が配置可能な、最小限の深さとな
し、溶融槽の底面は、溶融槽の内容量が小さくな
るように、ほぼ水平に設計されている。

高放射性廃棄物には、Ru，Pd，Rh等の白金族
元素が含まれている。これらの元素はガラスに難
溶性で、比重が大きいので、溶融槽の炉底に沈降
し、堆積する。これらの白金族元素のうちPd，
Rhは、ガラス中では還元されて金属として存在
し、Ruは金属又はRuO₂結晶として存在する。

RuO₂は、酸化物ではあるが、電気の良導体で
あることが知られており、電子部品用の導電性ペ
ースト等にも用いられている物質であり、還元さ
れたPd，Rhの金属はもちろん電気の良導体であ
り、このような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る（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）。

炉底に白金族元素が堆積し、良導電性層が形成
されると、溶融槽の浅い従来設計のメルタでは、
電極間に流す電流が炉底に集中し、炉底の温度が
異常に上昇し、逆に溶融槽表面のガラス温度が下
がり、原料溶融能力が低下する。又、溶融槽の底
面がほぼ水平なので、炉底に堆積して白金族元素
は、ガラスをキヤニスタに流下しても流動せず、
ますます炉底に累積し、ついには運転が継続でき
なくなる。

白金族元素を含有する高放射性廃棄物を、ジユ
ール加熱方式のメルタで安定して、ガラス溶融す
るためには、メルタは次の２つの機能を備えてい
ることが必要であると考えられる。

ａ 白金族元素は、ガラスに難溶性で、且つ、通
常のガラス融液の比重が2.5程度であるのに対
し、比重は10程度もしくはそれ以上もあるの
で、ガラス溶融中をすみやかに沈降し、炉底に
堆積する。白金族元素を高濃度に含むガラス、
即ち炉底堆積物は、その上部のガラスより低い
高温固有電気抵抗値を有しているので、高放射
性廃棄物のガラス溶融を開始すると、短時間で
炉底に良導電性層が形成される。

従つて、高放射性廃棄物ガラス固化用メルタ
には、炉底にある程度の良導電性層が存在して
も、支障なく運転が継続できること、即ち電極
間電流が選択的に炉底に集中することのないよ
うな構造にする必要がある。

ｂ 前項で、炉底にある程度の良導電性層が存在
しても、運転が継続できるような電極配置のメ
ルタデザインにする必要のあることを述べた
が、キヤニスタにガラスを注入しても炉底堆積
物のみが、溶融槽内に残存、累積してゆくと、
当然電極間通電加熱に支障をきたすようにな
る。

従つて、炉底堆積物が定期的に又は不定期的
に流出口から流出して除去できるような勾配を
もつた炉底のメルタデザインにする必要があ
る。

ところで溶融槽の炉底形状に関する類似特許に
＜特開昭57−196726号＞＜特開昭57−19727号＞
がある。両特許は、通常の商用ガラス溶融炉の炉
底形状に関するものであり、固定の生地がえを容
易にし、又鉛ガラスを溶融する際に発生する金属
鉛による炉底耐火物の侵食防止を目的として、３
〜45度の勾配のロート状底部を設けるというもの
である。このように、両特許は、炉の生産性及び
寿命延長に関するものであり、また電極配置につ
いて記載もない。白金族元素による電気的弊害を
防止するという本発明の目的とは明らかに異な
り、又金属鉛に比べて白金族元素を高濃度に含む
ガラスは、高温でも極めて粘く、流動し難い性質
を有しており、実炉の1/4スケールのメルタによ
るＲ＆Ｄで、30度以下の勾配では、ほとんど流動
性を示さず、本ガラスを流動させるためには45度
程度の勾配が望ましいことが、初まて明らかにな
り、本発明に反映させたものである。

前述の如く、本発明の目的は、白金族元素によ
る電気的弊害を防止することにあり、白金族元素
の除去法と、炉底への電流の集中を防止するため
の電極配置の両方が相俟つて効果があるものであ
り、単に生地がえの容易性及び金属鉛の除去のし
易さに着目して、発明された前記の２つの発明と
は、基本的に異なるものである。

＜検討方針＞ 炉底に良導電性層が存在しても、当該層と電極
との距離を大きくすれば原理的に、当該層への電
流の集中を防止できる。この考えに基づき、炉底
への電流の集中を防止するために必要な電極配置
を数値モデル及び物理モデルを用いて求めた（以
後モデルによるＲ＆Ｄという）。

次に炉底堆積物の流動性については前述のよう
に、ガラスマトリツクス中に白金族元素が混在し
ている物質なので、通常の高温粘性測定装置等で
その粘性を評価することは困難である。

それ故、炉底に堆積物を抜き出すためめのフリ
ーズバルブを設置し、当該フリーズバルブ周囲の
耐火物に勾配を設けて、堆積物をガラスの抜き出
し流れとともに、フリーズバルブに向かつて流動
せしめて除去するとい方針をたて、この方針に基
づき実炉の1/4縮尺のメルタを作成し、実際に運
転を行い、流動せしめるに要する必要最小限の勾
配の大きさを求めて流動性を評価した（以後流動
性に関するＲ＆Ｄという）。

モデルによるＲ＆Ｄと流動性に関するＲ＆Ｄか
ら得られた成果に基づき、最終的に実炉の1/2縮
尺のメルタをを作成、運転し、両Ｒ＆Ｄの成果の
妥当性を評価した。

＜検討結果＞ 数値モデルで、第３図ａの１段電極について、
電極間距離l₂を一定とし、電極下端と炉底までの
距離l₁をパラメータにして、炉底に良導電性層が
存在する場合の電位解析を行つた。その結果を第
４図〜第８図に示す。第４図はl₁の小さい従来設
計のメルタで、第４図〜第８図は、l₁を段階的に
大きくしたメルタで、第８図の場合には、電極下
端と炉底上面との距離l₁がl₂の1/2である。従来設
計のメルタでは電流が強く炉底に集中し電極下端
付近に、強い発熱部が見られる（第４図ａの白い
斑点）。そしてl₁を大きくしてゆくにつれて、電
流の炉底への集中傾向が小さくなり、第８図のケ
ースで、電流の集中が減少していることが判る。
第４図と第８図のケースについて、更にガラスの
流れ解析を行い、良導電性層が存在する場合とし
ない場合の温度分布を求めた。その結果を第９図
〜第１２図に示す。第９図と第１０図は第４図の
メルタで、良導電性層が存在する場合としない場
合であり、第１１図と第１２図は、同じく第８図
のメルタにおける温度及び流れ分布図である。こ
れらの図より、従来設計のメルタでは、良導電性
層が存在しない場合には、上方が高温の温度分布
を示すが、存在する場合には高温が炉底に移つて
極めて異常な温度分布を示す。これに対し第８図
のメルタでは、良導電性層の存在の有無にかかわ
らず、温度分布はそれ程変わりがない。

以上より、l₁がl₂の1/2以上になるようにすれ
ば、良導電性層の有無にかかわらず炉底への電流
の集中が防止できると云える。

それ故、電極下端と炉底までの距離l₁は電極間
距離の1/2以上とする必要がある。

米国のPNL〔R.A.Browns et al，
“Immobilization of High−Level Defence
Wastein ａ Slurry−Fed Electric Glass
Melfer”（1980）〕、西独のKfK〔S.Weisenburger，
“Nuclear Waste Vitrificatin in ａ Ceramic
−libed Electric Glass Melfer”〕では、運転の
柔軟性を増すために第３図ｂのような電極を上、
下に配置した、所謂２段電極の配置が検討されて
いる。

これは上下段に供給する電力配分を変えること
により、炉内の温度分布を調節しようという考え
方に基づくものである。

炉底に良導電性層が存在する場合の、２段電極
の有効性を、同じく電位解析を行うことにより確
認した。その結果、２段電極を用いた場合でも、
下段電極と炉底とが近すぎる場合、炉底に良導電
性層が存在すると、炉底への電流の集中が防止で
きないことが判つた。

次に、炉底堆積物の流動性に関するＲ＆Ｄの結
果について述べる。米国のWest Valley〔C.C.
Chapman，“Design preferences for ａ slurry
−fed ceramic melfer suitable for vitrifying
West Valley waste”，Nuclear Waste
Management，Advances in Ceramics，
Volume8，P.149−160〕のレポートで、高放射
性廃液ガラス固化技術開発用メルタで、模擬廃棄
液に含まれるNi等が還元されてメタル又は硫化
物の形態で炉底に沈降し、これを流動させるため
には、炉底の勾配を20度程度にするのが望ましい
という報告がある。白金族元素は前述の如くガラ
ス中ではメタルでも存在するが、Ruについては
RuO₂の結晶として存在するので、これが堆積す
ると非常に粘く、流動し難いことが予想される。
一方メルタの小型、軽量化のためには、炉底勾配
が小さい方が望ましい。これらの点を勘案し、ま
ず30度の炉底勾配を有する1/4縮尺のメルタ（以
後超小型メルタという）を作製し、この勾配上に
おけるる堆積物の流動性を評価した。

白金族元素を含むガラスカレツトを、超小型メ
ルタに供給し、炉底に取りつけたフリーズバルブ
から、ガラスを流下し、この操作をくりかえし
て、流下ガラス中に含まれる白金族元素の濃度を
調べた。又、試験終了後にガラスを保有した状態
で炉温を降下させて、メルタを切断し、各部の状
態を観察した。

その結果、流下ガラス中に含まれる白金族元素
の濃度は供給ガラスカレツトの10〜20％程度で、
供給、流下をくり返すたびに炉内に白金族元素が
累積してゆくことが判つた。試験中に定期的に溶
融槽の深さ方向の温度分布を測定したが、この結
果からも、供給、流下をくり返すたびに、段々と
炉底近傍の温度が上昇し、通常ガラスの最高温度
部は電極レベル近傍で、約1200℃であるのに対
し、最終的には炉底の温度が1300℃以上に到つ
た。

このことからも、炉内に段々と白金族元素が累
積していつたことが判る。又、試験後のメルタの
切断観察結果からも、炉底には厚く炉底堆積物が
堆積し30度の勾配上を円滑には流動しなかつたこ
とを確認した。

30度の勾配では、炉底堆積物は十分な流動性を
示さないことが確認できた。それ故、ひき続き45
度の炉底勾配を有する超小型メルタを作製し、同
様の試験を行つた。

その結果、流下ガラス中の白金族元素を分析し
てみると、その濃度は70〜80％で、溶融中に揮発
した分を加算すると、ほぼ全量の白金族元素が除
去できた。又本超小型メルタの電極配置は、モデ
ルによるＲ＆Ｄの成果に基づき決定したが、ガラ
スカレツトの供給と流下をくりかえしても、溶融
槽のガラスの深さ方向の温度分布は、当初と変わ
りなく、炉内の白金族元素の堆積状態は累積しな
かつたと考えられる。

即ち白金族元素は炉内に累積することなく、45
度の勾配上をフリーズバルブに向かつて流動し、
ガラスを流下するたびに炉外に流出したものと考
えられる。

実際、試験後のメルタの切断観察結果からも、
45度の勾配上には薄い堆積物が存在するのみで、
堆積物は45度の勾配上を流動し、停滞しなかつた
ことが確認できた。

以上のモデルによるＲ＆Ｄと流動性に関するＲ
＆Ｄの成果をふまえて、実炉の1/2縮尺のメルタ
（以後小型メルタという）の設計を行つた。

この小型メルタは超小型メルタと同様炉底中央
に堆積物抜きだし用のフリーズバルブを有し、フ
リーズバルブ周囲の耐火物は、フリーズバルブに
向かつて、電極の通電方向と直角方向には45度、
通電方向には57.5度の勾配をつけた。

又、炉底と電極下端との垂直距離を、炉底にあ
る程度の堆積物がたまることを想定し電極間距離
の1/2より若干大きめにした。

このような設計方針で小型メルタを作製し、前
記超小型メルタと同様の要領で試験を実施した。

その結果、白金族元素を含有するガラスカレツ
トの溶融及びフリーズバルブからの流下をくり返
しても、溶融槽のガラスの深さ方向の温度分布、
及び電極間抵抗は変わらず、電流の炉底への集中
が防止できたことを確認した。又流下したガラス
には高濃度の白金族元素が含有されており、炉底
堆積物が45度及び57.5度の勾配上を流動し停滞し
なかつたことを再確認できた。試験後のガラスの
切断観察結果からも、同様のことが確認できた。

これらのＲ＆Ｄの結果から、高放射性廃棄物を
ガラス固化するためのメルタのデザインに関して
次のような知見が得られた。

問題点を解決するための手段 炉底と電極との距離が小さいと、白金族元素を
高濃度に含む良導電性層が炉底に形成され、電極
間電流が炉底に集中し、メルタの運転に支障をき
たす。これを防止するためには、電極下端と炉底
上面との距離を電極間距離の1/2以上にすれば良
い。即ち電極下端と炉底との距離を電極間距離の
１／２と、堆積層厚の和以上にすれば良い。堆積層
厚は廃棄物の種類、堆積物の抜きだし方法及び頻
度等によつて当然異なることが予想されるが、50
〜100mm程度を想定しておけば良いと思われる。

白金族元素を高濃度に含む炉底堆積物を除去す
るためには、炉底にフリーズバルブを設け、炉底
耐火物はフリーズバルブに向かつて、水平に対し
て堆積物を流動させるのに必要な勾配をつけてお
き、フリーズバルブから定期的、もしくは不定期
的にガラスを抜きだすことが必要である。

堆積物を流動させるのに、必要な勾配の大きさ
は、当然廃棄物の種類等により異なるが、30度で
は十分でなく、かと云つて60度より大きいと、溶
融槽が深くなるので小型、軽量化の目的に反し、
又炉底の温度が低くなりすぎるなどの問題が発生
するおそれがあり、30〜60度、望ましくは、45〜
60度が適切であると考えられる。

このように本発明は白金族元素が炉底に堆積し
ても、電流が炉底に集中すること、又堆積した白
金族元素を、定期的もしくは不定期的に炉底のガ
ラス流出口からガラスを抜きだすことにより、除
去できる好適なメルタデザインを提供するもので
ある。

実施例 第１図は本発明に係るメルタの溶融槽を側面か
ら見た図である。第２図は第１図に示した溶融槽
のＡ−Ａ線を通る紙面に垂直な平面で切断して得
られる断面を上部から見た断面図である。図面に
おいて、１は溶融槽の側壁を形成する耐火物であ
り、通常溶融ガラスに優れた耐侵食性を有する電
鋳レンガを用いる。２は溶融槽底部のガラス流出
口に取りつけた金属製フリーズバルブ６の周囲に
設置した炉底耐火物、１と同じく、通常は電鋳レ
ンガを用いる。この炉底耐火物２はフリーズバル
ブ６に向かつて水平に対して30〜60度、図面では
45度の勾配を有している。フリーズバルブ６はガ
ラスを流出させたり流出を停止したりする目的で
設置したもので、金属筒に電気を流す等して加熱
を行う。３ａ，３ｂは溶融ガラス温度を原料溶融
に適した温度に保持するために必要なエネルギー
を供給するための、対向する一対の電極であり、
電極下端と炉底までの距離l₁が電極間距離l₂の1/2
以上になるような高さに配置してある。

４はフリーズバルブ上部のガラス温度を調節す
るための補助電極で、どちらかの主電極との間で
通電を行う。１０は溶融槽上部空間を形成するた
めの溶融槽上部耐火物で、１１はメルタの保温性
を良好にするための断熱耐火物である。１２は金
属製のケーシングで、放射性物質がメルタ外へ漏
洩することを防止する目的で設置する。５はメル
タの起動時の熱上げ用抵抗発熱体である。７は高
放射性廃棄物とガラス原料をメルタに供給するた
めの原料供給ノズルであり、１３は原料溶融の際
に発生する、オフガスをオフガス処理装置へ導く
ためのオフガス管である。

運転開始時には、まず一対の電極３ａ，３ｂが
かくれる程度まで、ガラスカレツトを供給し、そ
の後に抵抗発熱体５に電力を供給し、溶融槽の上
部空間の温度を徐々に上げる。この温度が1000℃
程度まで上がると、溶融槽のガラスカレツトの表
面付近が溶融する。ガラスは低温では電気の絶縁
体であるが、温度が上がり溶融状態になると電気
を通すようになる。この性質を利用して、電極間
に電圧を印可し、ガラスに電流を流して、ガラス
自体を発熱せしめる（直接通電という）。この直
接通電電力を徐々に増加し、溶融槽に供給した全
てのカレツトを溶融槽状態にする。

この状態になると、抵抗発熱体による加熱なし
て、ガラス温度を保持できるようになるので、抵
抗発熱体による加熱を停止する。そして、直接通
電により、ガラス温度が原料溶融に適した温度に
なるように、電力調整を行う。それと同時に補助
電極４と主電極３ａ又は３ｂの間に電流を流し、
フリーズバルブ６の上部のガラス温度を調節す
る。それが完了した時点で高放射性廃棄物とガラ
ス原料を原料供給ノズル７から供給する。

キヤニスタへのガラスの注入方式には２種類あ
り、ひとつはガラスを連続的にオーバーフローさ
せる方式と他の方式は炉底又は適当な位置にフリ
ーズバルブを設け、定期的にガラスを流下させる
方式がある。

ただし白金族元素除去用フリーズバルブ６を前
記のキヤニスタ注入用フリーズバルブとして用い
ても、差しつかえない。説明の簡略化のため第１
図および第２図の実施例では、フリーズバルブ６
で定期的的なキヤニスタへの注入を実施するもの
とした。他のケースでは状況に応じて、フリーズ
バルブ６を用いて、白金族元素を除去することが
必要となる。

原料の供給を継続し、ガラスレベルがキヤニス
ター注入に適切なレベルになると（第１図のハイ
ガラスレベル８がこれに相当する）、フリーズバ
ルブ６を加熱し、ガラスをキヤニスタに注入す
る。キヤニスタに所定量のガラスが注入された
ら、フリーズバルブ６の加熱を停止する。そうす
ると、フリーズバルブ内を通過するガラス温度が
下がり、ついには固まつてしまい、流下が停止す
る。緊急を要する場合には、フリーズバルブに空
気、水等を吹きつけて止めることもある。ガラス
の注入が完了すると、溶融槽のガラスレベルは、
ロウガラスレベル９まで降下する。

その後、原料の供給によりガラスレベルが再び
ハイガラスレベル８に達するとガラスの流下が行
われる。

本実施例のように、白金族元素除去用フリーズ
バルブ６で、キヤニスタへの注入を実施すると、
注入毎に白金族元素が除去されることになる。

他の注入方式、例えばメルタの炉底以外の個所
にフリーズバルブを設ける場合、又はオーバーフ
ロー方式を採用した場合には、前述のようにメル
タの状況に応じて、フリーズバルブ６を用いて、
白金族元素を炉底から除去することが必要とな
る。いずれの場合も、白金族元素による電気的弊
害を防止し、メルタの運転が支障なく実施でき
る。

また炉底堆積物はフリーズバルブ６に代わる適
当な手段により上方から吸引する方式であつても
よい。

発明の効果 本発明は溶融槽の底部にガラスの流出口を有す
る溶融炉において、流出口の周囲の炉底が流出口
に向かい、水平面に対して30〜60度の勾配を有し
ており、且つ、流出口の炉内側開口部と、ガラス
溶融を行うのに必要な電力の大部分を供給するた
めの少なくとも一対の電極の下端その距離を、上
記電極間距離の1/2以上とすることにより、白金
族元素の除去と、炉底への電流の集中を防止し得
て、これにより高放射性廃棄物ガラス固化用電気
溶融炉の実用化が可能となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電気溶融炉の縦断側面図
であり、第２図は第１図のＡ−Ａ線での横断平面
図である。第３図は電気溶融炉の電極配置を示す
図面で、第３図ａは１段電極を示し、第３図ｂは
２段電極を示す。第４図乃至第８図は１段電極に
ついて、電極間距離を一定にしてl₁をパラメータ
にして炉底に良導電性層が存在する場合の電位解
析の結果を示し、夫々の図においてａは電力密度
分布（発熱分布）を示し、ｂは電流密度を示す。
第９図乃至第１２図は第４図乃至第８図と対応す
るガラスの流れ解析の結果を示し、夫々の図にお
いて、ａは温度分布を示し、ｂは流れ分布を示
す。尚、第４図〜第１２図のａ中における各色彩
領域と温度との関係は、白色が最も温度が高く、
以下、黄色、山吹色、橙色、柿色、赤色、桃色、
紫色、薄茶色、茶色、焦茶色、の順に温度が順次
低くなることを表している。 １…溶融槽側壁耐火物、２…溶融槽底部耐火
物、３ａ，３ｂ…電極、４…補助電極、５…抵抗
発熱体、６…フリーズバルブ、７…原料供給ノズ
ル、８…ハイガラスレベル、９…ロウガラスレベ
ル、１０…溶融槽上部耐火物、１１…断熱耐火
物、１２…金属ケーシング、１３…オフガス管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶融槽の底部にガラスの流出口を有する白金
   族元素を含むガラスの溶融炉において、その流出
   口の周囲の炉底が流出口に向かい、水平面に対し
   て30〜60度の勾配を有しており、且つ、流出口の
   炉内側開口部と、ガラス溶融を行うのに必要な電
   力の大部分を供給するための少なくとも一対の電
   極の下端との距離が、電極間距離の1/2以上であ
   ることを特徴とする高放射性廃棄物ガラス固化用
   電気溶融炉。