JPH08194094A - 高レベル放射性廃液からの発熱元素の分離方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高レベル放射性廃液にギ酸を添加して脱硝する
ことによりＣｓ、Ｓｒの発熱元素を廃液中に残留させ、
その他の元素を沈殿させることからなる発熱元素の分離
方法において、特にＳｒの分離率の低下を防止して、Ｃ
ｓ、Ｓｒの発熱元素を効率よく分離することができる方
法を提供する。 【構成】高レベル放射性廃液にギ酸を添加してｐＨ５に
調整することによって、高レベル放射性廃液中のＣｓ，
Ｓｒの発熱元素以外の元素の大部分を沈殿せしめて発熱
元素を高濃度に含有する脱硝廃液を得る脱硝工程、およ
び前記脱硝工程で得られた脱硝廃液中にアンモニアを添
加してｐＨ７．５〜９に調整することによって、脱硝廃
液中に残留している発熱元素以外の元素を沈殿除去する
ｐＨ調整工程からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、使用済核燃料の再処理
過程で発生する高レベル放射性廃液（以下“高レベル廃
液”と略記する）をガラス固化などにより固化処理する
に際して、特にその含有量が問題となるＣｓとＳｒ（本
明細書においてはこれらを総称して“発熱元素”と称す
る）を高レベル廃液から予め効率よく分離除去する方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所等から発生する使用済核燃
料には、核分裂性物質であるプルトニウムやウランが含
まれている。これらを再利用するために使用済核燃料を
再処理してプルトニウムやウランを分離回収することが
行われており、この過程で核分裂生成物等を含む硝酸水
溶液である高レベル廃液が生じる。この高レベル廃液は
放射性物質の崩壊に起因する発熱量（崩壊熱）と放射能
レベルが高く、放射性物質の寿命も長いため、格別の注
意を払いながら安全に管理した後、最終的に人間の生活
圏から隔離する必要がある。現在、高レベル廃液は水溶
液の状態で保管されているが、一部はより安定なガラス
等の形態の固化体とされて貯蔵されている。高レベル廃
液のかような固化体は冷却のために数十年間貯蔵した
後、地下数百ｍ下の深い地層中に処分することにより、
人間の生活圏から長期間にわたり安全に隔離することが
できる。

【０００３】一般に、ガラスは長期間高温に保持される
と結晶化して特性が変わる性質があるので、貯蔵中はガ
ラス固化体は管理目標温度を超えないように空冷され
る。冷却能力は貯蔵施設の強制冷却または自然冷却等の
冷却方式、あるいは貯蔵施設の冷却能力の設計に依存す
る。従って、その冷却能力に応じてガラス固化体の最高
温度が目標管理温度を超えないようにガラス固化体中の
廃棄物含有率の上限を制限する必要がある。現在製造さ
れているガラス固化体の最高温度管理目標値としては６
００℃程度の例がある。

【０００４】上記のようにして貯蔵した後、ガラス固化
体はさらに地層に処分されるが、熱応力、地下水流れの
熱的対流、周辺材料の変質等、処分場への熱的な影響を
最小に制限しなければならない。

【０００５】高レベル廃液の放射能および発熱量の多く
は、核分裂生成物であるセシウム（Ｃｓ）およびストロ
ンチウム（Ｓｒ）の放射性同位元素およびこれらの娘核
種に起因する。例えば、燃焼度４５，０００ＭＷｄ／ｔ
Ｕで原子炉から取り出し後の経過年数が４年に相当する
使用済核燃料の再処理で発生する高レベル廃液を例にと
ると、ＣｓとＳｒおよびこれらの放射平衡にあるＢａと
Ｙの発熱量が全発熱量に占める割合は６５％程度であ
る。この割合は、原子炉取り出し後３０年経過すると９
０％近くになる。

【０００６】そのため、高レベル廃液からＣｓとＳｒを
予め分離除去して、ＣｓとＳｒを含有しない高レベル廃
液を固化処理すれば、固化体の発熱量を低減でき、その
結果、固化体中の廃棄物含有率を増加できるため廃棄物
発生量を低減し減容化を図ることができる。

【０００７】高レベル廃液からＣｓとＳｒを分離する技
術としては、例えば、高レベル廃液にギ酸を添加して脱
硝する方法が本願と同一出願人により提案されている
［日本原子力学会「１９９３年春の年会」要旨集、Ｈ４
０（１９９３年３月１０日発行）］。即ち、高レベル廃
液をギ酸脱硝すると廃液のｐＨが上昇し、脱硝後の廃液
のｐＨが６〜７．５の中性領域になるようにギ酸添加量
を調整することによって、図３のグラフにみられるよう
に、Ｃｓ、Ｓｒ以外の大半の元素（例えばＭｏ，Ｚｒ，
Ｆｅ，Ｙ）は沈殿し、ＣｓとＳｒは廃液中に残留するた
め、沈殿を分離除去することによりＣｓ、Ｓｒからなる
発熱元素と、それ以外の元素とを粗分離することができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら実際の高
レベル廃液は、数十種類の元素が含有されており、その
含有量も種々変化して複雑な組成を有するため、ギ酸を
添加して脱硝するに際しては脱硝後の廃液のｐＨを所定
の値の中性領域に厳密に調整することが難しい。特に、
脱硝後の廃液ｐＨが所定範囲の中性領域を超えてｐＨ＝
８〜９のアルカリ側になった場合には、図４のグラフに
示すように、ＦｅやＹは完全に沈殿しており、Ｃｓは未
だ９０％以上が廃液中に残留しているのに対して、Ｓｒ
は約１０％程度しか廃液中に残留せず、約９０％は沈殿
してしまうため、Ｓｒの分離率が低下してしまうという
問題があった。

【０００９】そこで本発明は、高レベル廃液のギ酸脱硝
に際して、特にＳｒの分離率の低下を防止して、Ｃｓ、
Ｓｒの発熱元素を効率よく分離することができる高レベ
ル廃液からの発熱元素の分離方法を提供することを目的
としてなされたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明による高
レベル廃液から発熱元素を分離する方法は、硝酸水溶液
である高レベル放射性廃液にギ酸を添加してｐＨ５に調
整することによって、高レベル放射性廃液中のＣｓとＳ
ｒからなる発熱元素以外の元素の大部分を沈殿せしめて
発熱元素を高濃度に含有する脱硝廃液を得る脱硝工程、
および前記脱硝工程で得られた脱硝廃液中にアンモニア
を添加してｐＨ７．５〜９に調整することによって、脱
硝廃液中に残留している発熱元素以外の元素を沈殿除去
するｐＨ調整工程からなることを特徴とするものであ
る。

【００１１】脱硝工程で生成する沈殿は濾過等により脱
硝廃液から除去して、沈殿を含まない脱硝廃液をｐＨ調
整工程で使用してもよく、あるいは、沈殿を除去するこ
となく、沈殿を含んだままの脱硝廃液をｐＨ調整工程で
使用することもできる。

【００１２】

【作用】本発明によれば、最初の脱硝工程では、Ｓｒが
沈殿する恐れのない比較的低いｐＨ、すなわちｐＨ５と
なる程度までギ酸を添加する。かような低いｐＨでは、
発熱元素以外の元素は完全に沈殿しきれないが、この条
件で沈殿する元素、あるいはこの条件で沈殿する量をと
りあえず沈殿させればよい。

【００１３】次のｐＨ調整工程では、アンモニアを添加
して脱硝廃液をｐＨ７．５〜９に調整することによっ
て、脱硝工程で沈殿しきれなかった発熱元素以外の元素
をほぼ完全に沈殿させることができ、このとき脱硝廃液
中のＳｒの大部分は沈殿せずにＣｓとともに廃液中に残
留させることができる。

【００１４】このようにしてｐＨ調整工程で生成した沈
殿を分離除去することにより、高レベル廃液中の発熱元
素をそれ以外の元素から効果的に分離することができ
る。

【００１５】

【実施例】以下に図１に示す実施例のフローシートを参
照して本発明を詳述する。本発明において処理対象物と
なる硝酸水溶液である高レベル廃液は、使用済核燃料の
硝酸溶解液から溶媒抽出によってウランおよびプルトニ
ウムを核分裂生成物から分離する共除染サイクルから排
出される抽出廃液であり、抽出残渣、核分裂生成物、ア
クチノイド、アルカリ塩、腐食生成物等が含まれてい
る。かような高レベル廃液の硝酸濃度は通常約２．５Ｎ
程度である。

【００１６】本発明においては、この高レベル廃液に含
まれる発熱元素であるＣｓおよびＳｒの放射性同位元素
を分離除去するため、先ず、高レベル廃液にギ酸を添加
して廃液のｐＨを５に調整する脱硝工程を施す。ｐＨ５
程度では、発熱元素以外の元素は完全に沈殿するものも
あり、十分に沈殿せずに高レベル廃液中に残留している
ものもある。本発明においては、脱硝工程で沈殿せずに
廃液中に残留した元素は、引き続くｐＨ調整工程で沈殿
させることができるため問題はない。脱硝工程で発熱元
素以外の元素が完全には沈殿しないような低いｐＨであ
るｐＨ５を採用する最大の理由は、発熱元素以外の元素
が完全に沈殿するようなｐＨ８程度のアルカリ領域にし
た場合にはＳｒも沈殿してしまう危険があり（図４参
照）、かような危険を避けるためである。

【００１７】ギ酸の添加量は、高レベル廃液のｐＨが５
となるのに必要な量を添加すればよいが、一般的な目安
としてはギ酸と高レベル廃液中の硝酸とのモル比（［Ｈ
ＣＯＯＨ］／［ＨＮＯ₃ ］）が約１．７程度となるよう
にする。

【００１８】脱硝工程を実施するに際しては、高レベル
廃液の沸騰温度より低い９０〜９５℃程度に加熱しなが
らギ酸を添加して高レベル廃液のｐＨを５に調整した
後、常温に１０〜１５時間放置して放冷することによっ
て脱硝反応が終了する。脱硝後の高レベル廃液を濾過す
ることにより沈殿物を分離除去し、濾液として脱硝廃液
を得る。

【００１９】脱硝廃液を分析して高レベル廃液中の元素
の脱硝廃液への残留比（［脱硝廃液中の元素濃度］／
［脱硝前の高レベル廃液中の元素濃度］）を調べた結
果、図２のグラフのｐＨ５の箇所に示すように、Ｃｓと
Ｓｒの発熱元素は約９０％以上が廃液中に残留している
のに対して、その他の元素、例えばＦｅは完全に沈殿
し、Ｙは約５０％が沈殿し残りは廃液中に残留している
ことになる。なお高レベル廃液中には、Ｃｓと同族のア
ルカリ金属元素であるＮａや、Ｓｒと同族のアルカリ土
類金属であるＢａも含有しているが、これらはＣｓやＳ
ｒと同様にその大部分は脱硝廃液中に残留することにな
る。

【００２０】脱硝工程で得られた発熱元素を高濃度に含
有する脱硝廃液は、次いでアンモニアを添加して脱硝廃
液のｐＨを７．５〜９に調整する。ｐＨ調整に際して
は、ｐＨが安定するまで十分時間をかける。

【００２１】このｐＨ調整工程においては、脱硝工程で
十分に沈殿しきれなかった発熱元素以外の元素を実質的
に全て沈殿させる。生成した沈殿を濾過分離した後の脱
硝廃液のｐＨと廃液中の元素の残留比の関係を図２に示
す。このグラフでｐＨ５のデータは脱硝後の廃液中の各
元素の残留比であり、その他のデータはｐＨ調整処理後
の廃液中の各元素の残留比である。このグラフからわか
るように、脱硝廃液中に残留していた発熱元素以外の元
素、例えばＦｅやＹはアンモニアの添加によりｐＨ７．
５以上とすることによってほぼ完全に沈殿した。一方、
アンモニア添加によりｐＨ９．５とすると、発熱元素の
Ｓｒも沈殿する傾向がある。そのためｐＨ調整工程では
ｐＨ７．５〜９の範囲にする必要がある。なおｐＨ調整
処理後の脱硝廃液中にも、ＣｓおよびＳｒの発熱元素と
共にＮａとＢａが残留する。

【００２２】脱硝廃液にアンモニアを添加するｐＨ調整
操作を大気雰囲気で行う場合には、ｐＨの高いアルカリ
領域の脱硝廃液中のＳｒと、大気中の炭酸ガスとが反応
してＳｒＣＯ₃ を形成し沈殿する傾向がみられる。その
ため、炭酸ガスを除去したグローブボックス内でｐＨ調
整操作を行うことが望ましい。さらに同様な理由から、
添加するアンモニアも予め脱炭酸処理を施すことが望ま
しい。

【００２３】上述した脱硝工程およびｐＨ調整工程を施
すことによって、高レベル廃液中のＣｓおよびＳｒの発
熱元素を、その他の元素から効率よく分離することがで
きる。なお、図１のフローシートに示した本発明の実施
例においては、脱硝工程で生成する沈殿を濾過して除去
した後の脱硝廃液をｐＨ調整工程で使用しているが、脱
硝工程で生成する沈殿を濾過することなく、沈殿を含ん
だままの脱硝廃液をｐＨ調整工程で使用しても差支えな
い。

【００２４】ｐＨ調整処理後の脱硝廃液中のＣｓとＳｒ
の放射性同位元素、例えば ¹³⁷Ｃｓや⁹⁰Ｓｒの半減期は
約３０年であり、高レベル廃液に含まれる他のアクチノ
イド元素等の長寿命核種の半減期に比べて短いので、分
離されてたＣｓとＳｒを所要期間貯蔵することにより放
射能レベルを低下させて低レベル廃棄物とすることがで
きる。一方、脱硝工程およびｐＨ調整工程で分離された
発熱元素以外の元素の沈殿物は、ＣｓとＳｒを含まない
ためこれをガラス固化すれば、ガラス固化体の発熱量を
減少させることができる。

【００２５】実施例 脱硝工程： 模擬高レベル廃液（硝酸濃度２．５Ｎ）１０
０ｍｌをセパラブルフラスコに入れ、全還流条件で９５
℃に加熱した後、ギ酸を供給速度０．４ｍｌ／分で供給
した。ギ酸供給量は、高レベル廃液中の硝酸濃度とのモ
ル比（［ＨＣＯＯＨ］／［ＨＮＯ₃ ］）で１．７とし
た。ギ酸供給終了後、反応液を６時間保持し、１５時間
室温で冷却した後のｐＨを測定した結果、ｐＨ５．０５
を示した。生成した沈殿を孔径０．４５μｍの膜フィル
タで濾別し、濾液として脱硝廃液を得た。この脱硝廃液
中の元素濃度をＩＣＰ発光分光分析装置（「ICPS-1000T
R」、島津製作所製）および原子吸光分析装置（「Z-810
0」、日立製作所製）を用いて測定し、各元素の残留比
（［脱硝廃液中の元素濃度］／［脱硝前の高レベル廃液
中の元素濃度］）を算出した結果を表１に示す。

【００２６】ｐＨ調整工程：脱硝工程で得られた脱硝廃
液に、１Ｎアンモニアを添加して種々のｐＨとなるよう
に調整した。添加する際の温度は室温とし、廃液のｐＨ
が安定するまで撹拌した。安定後のｐＨは７．４６；
７．８０；８．３４；９．００；９．５８であった。生
成した沈殿を孔径０．４５μｍの膜フィルタで濾別し、
濾液としてｐＨ調整後の脱硝廃液を得た。この脱硝廃液
中の元素濃度を上記と同様の装置を用いて測定し、各元
素の残留比を算出した結果を表１に併せて示す。

【００２７】

【００２８】表１からわかるように、脱硝工程において
は、Ｃｓの１００％、Ｓｒの９３％が廃液中に残留し、
その他Ｎａ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｎｉもその殆どが沈殿せずに
廃液中に残留する。また、Ｙ，Ｌａ等の３ａ族元素や、
Ｃｄ，Ｓｎ等もかなりの量が廃液中に残留している。し
かしながら、この脱硝廃液にさらにアンモニアを添加し
てｐＨ調整工程を施すことによって、３ａ族元素はｐＨ
７．５程度でその大部分が沈殿し、さらにＭｎ，Ｎｉ，
Ｃｄ，Ｓｎ等もｐＨ８．５程度でその大部分が沈殿する
ため、脱硝廃液から除去することができる。一方、ｐＨ
調整工程を施した後も、Ｃｓ，Ｓｒの発熱元素はＮａ，
Ｂａと共にその大部分が脱硝廃液中に残留する。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明からわかるように本発明によ
れば、高レベル廃液から発熱量の多くを占めるＣｓとＳ
ｒを効率よく分離し、ＣｓとＳｒを含まない沈殿物を残
渣として生じさせるものである。この沈殿物をガラス固
化あるいはアスファルト固化すれば、固化体の発熱量を
減少させることができる。従って、固化体中の廃棄物含
有率を増加させても、貯蔵中の固化体の温度を、結晶化
防止のための上限値以上にならないように抑制すること
ができる。さらに、固化体の廃棄物含有率を増加させる
ことにより、ＣｓとＳｒを分離しないで作る固化体の量
より減少できる。

【００３０】さらに固化体を深い地層に処分する場合、
固化体１本当たりの発熱量が小さくできるので、個々の
固化体の間隔を狭くでき、処分場における固化体の設置
密度を高くできるので、結果的に処分場を小さくするこ
とができる。また、固化体中の廃棄物含有率を増加させ
ることにより、固化体の量を低減できることも考え合わ
せると、処分場の大きさはさらに一層小さくできる。

【００３１】一方、高レベル廃液から分離されたＣｓや
Ｓｒの放射性同位元素、例えば ¹³⁷Ｃｓや⁹⁰Ｓｒの半減
期は約３０年であり、高レベル廃液に含まれる他のアク
チノイド元素等の長寿命核種の半減期に比べて短いの
で、所要期間貯蔵することにより放射能レベルを低下さ
せて低レベル廃棄物とすることができる。低レベル廃棄
物は深い地層へ処分する必要がないので、処分費用は高
くなくコストの低減が図れる。あるいはまた、分離した
ＣｓとＳｒは必要に応じて放射線源または熱源として有
効利用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を示すフローシート。

【図２】ｐＨ５での脱硝工程後の脱硝廃液の元素残留
比、およびｐＨ調整工程後の脱硝廃液のｐＨと元素残留
比の関係を示すグラフ。

【図３】ギ酸脱硝後の脱硝廃液のｐＨと元素残留比の関
係を示すグラフ。

【図４】ギ酸脱硝後の脱硝廃液のｐＨと元素残留比の関
係を示す別なグラフ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 硝酸水溶液である高レベル放射性廃液に
   ギ酸を添加してｐＨ５に調整することによって、高レベ
   ル放射性廃液中のＣｓおよびＳｒからなる発熱元素以外
   の元素の大部分を沈殿せしめて発熱元素を高濃度に含有
   する脱硝廃液を得る脱硝工程、および前記脱硝工程で得
   られた脱硝廃液中にアンモニアを添加してｐＨ７．５〜
   ９に調整することによって、脱硝廃液中に残留している
   発熱元素以外の元素を沈殿除去するｐＨ調整工程からな
   ることを特徴とする高レベル放射性廃液から発熱元素を
   分離する方法。
2. 【請求項２】 脱硝工程で生成する沈殿を除去した後の
   脱硝廃液をｐＨ調整工程で使用する請求項１記載の方
   法。
3. 【請求項３】 脱硝工程で生成する沈殿を除去すること
   なく、沈殿を含む脱硝廃液をｐＨ調整工程で使用する請
   求項１記載の方法