JPH09112873A

JPH09112873A - マイクロ波溶融装置

Info

Publication number: JPH09112873A
Application number: JP26285195A
Authority: JP
Inventors: Tadanori Tsukamoto; 忠則塚本; Takefumi Narukawa; 武文成川; Nobuo Tanaka; 伸雄田中; Fumitake Sato; 文武佐藤; Kazuhisa Henmi; 和久逸見; Hiroyuki Asano; 啓行浅野; Izuru Naito; 出内藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-10-11
Filing date: 1995-10-11
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】加熱効率が悪く、炉設計に際して種々の制約
があり、被溶融物の状態変化に応じてインピーダンスを
調整する必要がある。【解決手段】ジャイロトロンを用いてマイクロ波を発
生するマイクロ波発生器５、このマイクロ波発生器で発
生したマイクロ波を伝送する導波管６、導波管の端部に
設けられて伝送されたマイクロ波を照射する照射器１
４、この照射器に対向して設けられ、照射器から照射さ
れたマイクロ波を集束させて被溶融物４に照射する反射
鏡アンテナ１５、およびマイクロ波を閉じ込めて被溶融
物を加熱、溶融するための溶融炉８を備えたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００ｌ】

【発明の属する技術分野】この発明は、ジャイロトロン
で発生した大電力のマイクロ波を、放射能汚染されたコ
ンクリート片、ごみ焼却炉から出てくる焼却灰などの被
溶融物に照射することにより、その被溶融物を加熱、溶
融するマイクロ波溶融装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】西暦２０１０年以降において、現在稼働
中の原子力発電所施設の中にその寿命を迎えるものが多
く出てくる。また、原子力発電所の立地難は今後とも解
消される見通しがなく、増加の一途にある電力需要を満
たすためには原子力発電所を同一場所に再建設できるこ
とが望ましい。そのためには、必ず原子力発電所施設の
解体が伴い、その解体の際の放射線被爆を可能な限り減
少するために、事前に放射性物質を撤去することが必須
条件となる。

【０００３】一般に、原子力発電所施設（１１０万ｋＷ
ｅ級）の廃炉措置において、発生するコンクリート廃棄
物量の占める割合は、以下の表１に示すように、いずれ
の試算においても９１．７％〜９３．２％と９０％を越
えているが、このコンクリート廃棄物の中で多量の放射
能を含む放射性廃棄物となる部分の割合は、いずれの試
算においても０．２１％〜０．６５％と１％にも満たな
いものである。その他の非放射性コンクリート廃棄物は
フラッシング後再利用するが、放射性コンクリート廃棄
物は減容、固化した後に深地層処分する方針がとられて
いる。

【０００４】

【表１】

【０００５】一方、産業廃棄物は産業構造の変化、経済
活動の発展に伴って増大する傾向にある。近年の地球環
境問題に対する認識の高まりにより、再資源化率は向上
の兆しを見せているが、依然として焼却処理、直接投棄
が廃棄物処分の主流を占めている。これまでわが国の廃
棄物処理は、焼却により減容化し、安定化した後に埋立
処分する方針がとられてきた。また、一般廃棄物は処分
量の逼迫に対応するための新たな処分場の確保が難し
く、その延命策として更なる減容化と無害化が課題とな
っている。

【０００６】ここで、コンクリートおよび焼却灰などの
主成分は二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）であり、その融点は１
４１４℃である。一般に融点の高い物体（１０００〜２
５００℃）の溶融には電気炉が用いられている。ここ
で、コンクリート片や焼却灰などの溶融には、直接抵抗
加熱または誘導加熱による炉は適さないので、輻射によ
る間接抵抗加熱（抵抗炉）が多く用いられている。この
場合、抵抗炉の使用温度は発熱体（ニクロム線、鉄クロ
ム線、モリブデン線、タングステン線等）の許容温度上
昇から決まる。

【０００７】このような抵抗炉の構成を図２に示す。図
において、１は構造物、２は耐火材料で構成された炉
壁、３は発熱体、４はコンクリート片や焼却灰などの被
溶融物である。

【０００８】次に動作について説明する。この抵抗炉は
図示のように、構造物１の中に耐火材料による炉壁２を
構成し、その炉壁２に沿って発熱体３を配置している。
この発熱体３が配置された炉壁２内の空間にコンクリー
ト片や焼却灰などの被溶融物４を投入して発熱体３に通
電すると発熱体３は熱を発生する。この発生熱が放射さ
れて被溶融物４を外部から加熱し溶融させる。このよう
にして溶融した被溶融物４は減容化され、その後固化さ
れて処分される。

【０００９】一方、図３は従来のマイクロ波溶融装置を
示す概念図である。図において、４は被溶融物、５はマ
グネトロンによるマイクロ波発生器、６は導波管、７は
アイソレータ、８は共振器タイプの溶融炉、９はマッチ
ング・スタブ、１０はスクリュウフィーダ、１１は排気
管であり、従来のマイクロ波溶融装置はこれらによって
構成されている。

【００１０】次に動作について説明する。なお、マイク
ロ波発生器５に用いられるマグネトロンとしては、例え
ばその発振周波数が９１５ＭＨｚ、出力が２５ｋＷのも
のが用いられる。マイクロ波発生器５にて発生したマイ
クロ波は、導波管６によってアイソレータ７、マッチン
グ・スタブ９などを経由して溶融炉８に導かれる。一
方、被溶融物４はスクリュウフィーダ１０によって所定
量ずつ溶融炉８内に投入される。ここで、溶融炉８は共
振器タイプで、炉そのものが共振器の役割を果たしてい
るものであり、電界強度の強いところに被溶融物４を置
くことにより、それを溶融することができる。この被溶
融物４の溶融時に発生する水蒸気や他のガス類は排気管
１１より外部に排気される。

【００１１】なお、アイソレータ７は反射波を吸収して
マイクロ波発生器５を保護する役割を果たしている。ま
た、被溶融物４の状態変化（固体→液体）に伴ってイン
ピーダンスが大幅に変化（炉内電界分布も変化）するの
で、インピーダンス・マッチングをとるためにマッチン
グ・スタブ９が設けられている。

【００１２】なお、このような従来のマイクロ波溶融装
置に関連のある技術が記載されている文献としては、例
えば特公昭６９−６０８８０号公報などがある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】放射能汚染されたコン
クリート片やごみ焼却炉から出てくる焼却灰等の被溶融
物を溶融する従来の溶融炉はそれぞれ以上のように構成
されているので、以下に述べるような課題があった。

【００１４】すなわち、抵抗炉では物量にも依存する
が、発熱体３からの放射熱で被溶融物４をその表面より
加熱するものであるため、被溶融物を融点まで温度を上
昇させるのに長い時間がかかって加熱効率が悪く、特に
コンクリート片や焼却灰のように熱伝達の悪い物質を加
熱・溶融する場合には、さらに加熱効率が悪くなるとい
う課題があった。

【００１５】一方、従来のマイクロ波溶融装置では、マ
イクロ波が誘電体の内部に浸透して被溶融物４の内部を
直接加熱する利点を有するが、共振器タイプであるた
め、炉の長さをλ／２の整数倍（λはマイクロ波の波
長）にする必要があり、炉の設計に際して炉壁材料の選
択や被溶融物の設置位置などに種々の制約が生じるばか
りか、被溶融物４の状態変化に応じてインピーダンスを
調整するためのマッチング・スタブ９が必要になるなど
の課題があった。

【００１６】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、ジャイロトロンの発生する大電力
マイクロ波を集束して被溶融物に照射することにより、
電力密度の高いマイクロ波で被溶融物を誘電加熱するこ
とができる、加熱効率の高いマイクロ波溶融装置を得る
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
るマイクロ波溶融装置は、ジャイロトロンを用いたマイ
クロ波発生器で大電力のマイクロ波を発生させ、そのマ
イクロ波を導波管で溶融炉内に伝送して、当該導波管の
端部に設けられた照射器より照射し、照射されたマイク
ロ波をこの照射器に対向させて配置された反射鏡アンテ
ナで集束させて溶融炉内の被溶融物に照射し、それを加
熱して溶融させるものである。

【００１８】請求項２記載の発明に係るマイクロ波溶融
装置は、反射鏡アンテナとして、ビーム状に集束された
マイクロ波の焦点の位置を、２次元もしくは３次元的に
移動可能なビーム集束型反射鏡アンテナを用いたもので
ある。

【００１９】請求項３記載の発明に係るマイクロ波溶融
装置は、被溶融物の状態変化に伴うインピーダンス不整
合によって生ずる反射波を溶融炉側に戻すための反射器
を設けたものである。

【００２０】請求項４記載の発明に係るマイクロ波溶融
装置は、反射鏡アンテナとして、被溶融物にビーム状に
集束されないビーム強度の弱いマイクロ波を照射するも
のを用いたものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１によるマ
イクロ波溶融装置を示す概念図である。図において、４
はコンクリート片や焼却灰などの、溶融されて減容・固
化された後に処分される被溶融物である。５は被溶融物
４を誘電加熱するためのマイクロ波を発生させるマイク
ロ波発生器であるが、ジャイロトロンを用いて大電力の
マイクロ波を発生させている点で、図３に同一符号を付
して示した従来のマイクロ波発生器とは異なっている。
６はこのマイクロ波発生器５に接続され、マイクロ波発
生器５の発生した大電力マイクロ波を伝送する導波管で
ある。８はこの導波管５で伝送されてきたマイクロ波を
閉じ込め、外部と断熱して被溶融物４を加熱し、溶融さ
せるための溶融炉であるが、ここでは図３に示した従来
のマイクロ波溶融装置とは異なり、共振器タイプではな
く電界集束タイプの溶融炉が用いられている。１１は被
溶融物４の溶融時に溶融炉８内に発生する水蒸気や他の
ガス類を外部に排気する排気管であり、１２は被溶融物
４を溶融炉８内に投入するための投入口、１３は被溶融
物４が溶融し、ガラス状に固化して減容されたものを溶
融炉８の外部に取り出すための取出口である。

【００２２】また、１４は導波管６の先端部に設けら
れ、マイクロ波発生器５から導波管６を介して伝送され
た大電力のマイクロ波を照射する照射器である。１５は
この照射器１４に対向して設置され、照射器１４から照
射された大電力マイクロ波をビーム状に鋭く集束させて
被溶融物４に照射するビーム集束型反射鏡アンテナ（反
射鏡アンテナ）であり、１６はこのビーム集束型反射鏡
アンテナ１５を駆動して、集束されたマイクロ波ビーム
の焦点の位置を２次元もしくは３次元的に移動させるた
めのアンテナ駆動部である。なお、このビーム集束型反
射鏡アンテナ１５は、ＴＥ0nモードを伝送する円形導波
管と、この円形導波管の管軸を焦線とする放物筒鏡と、
この放物筒鏡の対称面内で、円形導波管の開口より内側
に向く管軸とのなす角θが次の式（１）で与えられる軸
を鏡軸とする回転放物面鏡とを備えている。また、アン
テナ駆動部１６はこの回転放物面鏡をその鏡軸のまわり
に回転させる機構と、回転放物面鏡をその鏡軸に沿って
平行移動させる機構とを備えている。

【００２３】 θ＝ｓｉｎ^-1（ｋ_cn／ｋ）ｋ_cn＝χ’0n／ａ、ｋ＝２π／λ₀ ・・・・・・（１）ただし、χ’0n：Ｊ’0 (χ) ＝０の第ｎ根ａ：導波管半径 λ₀ ：自由空間波長

【００２４】１７はビーム集束型反射鏡アンテナ１５に
よってビーム状に集束されて被溶融物４に照射された大
電力マイクロ波の、被溶融物４の状態変化に伴うインピ
ーダンス不整合によって生ずる反射波を溶融炉８側に戻
すための反射器である。１８はマイクロ波発生器５に用
いられているジャイロトロンを発振動作させるための電
源を供給するジャイロトロン電源であり、１９はマイク
ロ波の発振によって発熱したジャイロトロンを冷却する
ジャイロトロン冷却器である。なお、被溶融物４の投入
口１２、取出口１３、アンテナ駆動装置１６、ジャイロ
トロン電源１８、ジャイロトロン冷却装置１９などは、
別の場所に設置されており、図示を省略した遠隔制御装
置によって遠隔制御されている。

【００２５】次に動作について説明する。このように構
成されたマイクロ波溶融装置を用いて被溶融物４を溶融
する場合には、まず、低レベルの放射性廃棄物（コンク
リート片）またはごみ焼却灰などの被溶融物４をベルト
コンベアで投入口１２より溶融炉８内に投入する。次
に、ジャイロトロン電源１８より電源を供給してマイク
ロ波発生器５のジャイロトロンを発振させ、発生した大
電力のマイクロ波を導波管６にて溶融炉８内に導き、照
射器１４よりそれを対向配置されたビーム集束型反射鏡
アンテナ１５に照射する。次に、アンテナ駆動部１６を
作動させてそのビーム集束型反射鏡アンテナ１５を制御
し、当該ビーム集束型反射鏡アンテナ１５を回転および
平行移動させる。これによって、大電力マイクロ波を溶
融炉８内の所定の範囲にビーム状に鋭く集束させて照射
し、さらにはその集束したマイクロ波のビームを走査さ
せることにより、溶融炉８内に投入された被溶融物４を
その誘電損にて内部より発熱させて溶融させる。この被
溶融物４の溶融時には水蒸気やその他のガス類が発生す
るので、それらを排気管１１に接続された排気装置（図
示省略）で処理する。溶融炉８内のコンクリート片や焼
却灰などが溶融して一定時間経過した後、ガラス状に固
化した固化物を取出口１３より溶融炉８の外に取り出し
て処分する。なお、これにより被溶融物４は、ガラス状
に固化すること、および水分やガス成分が気化すること
などによってその容積は約１／７程度に減少する。

【００２６】次に、マイクロ波の発生源として、従来の
マグネトロンとこの発明のジャイロトロンを用いた場合
の、単位体積当たりの発生熱量について比較説明する。
ここで、マイクロ波を誘電体であるコンクリートや焼却
灰などの被照射体４に照射した場合、その誘電体内部に
おける単位体積あたりの発生熱量Ｐは次の式（２）で表
される。

【００２７】Ｐ＝５／９×ε_r ×ｔａｎδ×ｆ×Ｅ² ×１０^-10 （Ｗ／ｍ³ ）・・・・・・・（２）ここで、ε_r ：物質の比誘電率ｔａｎδ：物質の誘電正接ｆ：マイクロ波の周波数（Ｈｚ）Ｅ：電界強度（Ｖ／ｍ）

【００２８】上記式（２）より、マイクロ波の周波数、
物質の比誘電率および誘電正接、電界強度等の値が大き
いほど、単位体積あたりの発生熱量Ｐが大きくなること
がわかる。

【００２９】これをマイクロ波の発生源として、先に説
明した９１５ＭＨｚ、２５ｋＷのマグネトロンと、２８
ＧＨｚ、１０ｋＷのジャイロトロンを使用する場合につ
いて比較すると以下のようになる。ここで、コンクリー
トの比誘電率ε_r と誘電正接ｔａｎδは３〜３０ＧＨｚ
ではほぼ一定（なお、典型的な値としてε_r ＝４、ｔａ
ｎδ＝０．０５程度。ただし、ｔａｎδは温度上昇によ
り急激に増大するとの報告もある）である。また、導波
管６内で放電が発生せず、マイクロ波を溶融炉８まで伝
送できる電界強度については、キルパトリック（ｋｉｌ
ｐａｔｒｉｃｋ）放電限界で考えれば、９１５ＭＨｚで
の上限値は２７５ｋＶ／ｍであり、２８ＧＨｚでの上限
値は１３５０ｋＶ／ｍとなる。

【００３０】今、比誘電率ε_r と誘電正接ｔａｎδが一
定として、９１５ＭＨｚと２８ＧＨｚにおける発生熱量
Ｐ１、Ｐ２を比較検討するに、上記（２）式からこれら
両発生熱量の比Ｐ２／Ｐ１は、Ｐ２／Ｐ１＝（ｆ２／ｆ１）×（Ｅ２／Ｅ１）² ＝（２８／０．９１５）×（１３５０／２７５）² ＝７３７となる。実際には、前述のように誘電正接ｔａｎδが温
度上昇とともに急激に増大するので、そのような場合、
この発熱量の比はさらに大きくなることが想定される。

【００３１】したがって、マイクロ波発生器５として、
発振周波数が２８ＧＨｚのジャイロトロンを使用する場
合は、発振周波数が９１５ＭＨｚのマグネトロンを使用
する場合に比べて、単位体積当たりの発生熱量は７３７
倍以上になる。また、マイクロ波加熱は、電気炉などの
ような外部からの加熱ではなく、被溶融物４の内部から
の加熱であるため、均一加熱、急速加熱ができる特性を
有しており、加熱効率の高いマイクロ波溶融装置を提供
することができる。

【００３２】なお、この実施の形態１によるマイクロ波
溶融装置では、溶融炉８に電界集束タイプの炉を用いて
いるが、この溶融炉８においても被溶融物４の状態変化
（固体→液体）に伴って、インピーダンス不整合が発生
して反射波が増加することが考えられる。すなわち、マ
イクロ波を被溶融物４に照射すると、被溶融物４は内部
から加熱されて、その温度が１０００℃以上になると電
気抵抗率が下がりはじめ、１４００℃程度においては数
Ωｃｍになる。一方、導波管５のインピーダンスは通常
４００Ω程度であり、このインピーダンス不整合によっ
てマイクロ波の反射波が増大することが想定される。こ
の実施の形態１における溶融炉８では、ジャイロトロン
の動作を安定にするためには照射器１４と導波管６との
間に反射器１７を配置している。この反射器１７は被溶
融物４の状態変化に伴うインピーダンス不整合によって
発生した、ＴＥ0nモード以外のモードの反射波を再度溶
融炉８側へ戻して、それを被溶融物４の溶融のために活
用できるようにしている。

【００３３】このように、溶融炉８を電界集束タイプの
炉としたため、共振器タイプの炉のようにマイクロ波の
波長に依存する炉長や、被溶融物４の設置場所などに関
する炉設計についての制約もなくなり、その上、被溶融
物４から反射してくる反射波を反射器１７によって溶融
炉８側に戻すことにより、ジャイロトロンの発生した大
電力マイクロ波のエネルギーを被溶融物４の溶融に有効
に活用することが可能となる。

【００３４】実施の形態２．なお、上記実施の形態１で
は、照射器１４から照射されたマイクロ波をビーム集束
型反射鏡アンテナ１５でビーム状に鋭く集束させて被溶
融物４に照射する場合について説明したが、発振器の出
力が１桁大きくなった場合には集束度をゆるめたブロー
ドなビームでも所定の電力密度を得ることができる。す
なわち、マイクロ波発生器５に、例えば出力が１００ｋ
Ｗを越えるような大出力のジャイロトロンを使用した場
合には、ビーム集束型反射鏡アンテナ１５にてマイクロ
波をビーム状に鋭く集束させずに、ブロードなビームを
被溶融物４に照射し、この場合、被溶融物に対するビー
ムの照射範囲が広いため実施の形態１の場合よりも溶融
効率が良くなる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、大電力のマイクロ波をジャイロトロンを用いたマ
イクロ波発生器で発生させ、そのマイクロ波を導波管で
溶融炉内に伝送してその端部に設けられた照射器より照
射し、照射されたマイクロ波をこの照射器に対向させて
配置された反射鏡アンテナで集束させて溶融炉内の被溶
融物に照射するように構成したので、マイクロ波加熱
（照射したマイクロ波が被溶融物の内部に浸透し、誘電
損失によって被溶融物に吸収されて熱に変換されること
を利用した加熱）を行うことが可能となって、電気炉な
どのような外部からの加熱ではなく、被溶融物をその内
部から加熱することができるため、被溶融物の均一加
熱、急速加熱が可能となって、加熱効率の高いマイクロ
波溶融装置が得られるばかりか、被溶融物の状態変化に
応じてインピーダンスを調整する必要がなくなり、共振
器タイプの溶融炉のように、マイクロ波の波長に依存す
る炉長や、被溶融物の設置場所などに関する炉設計につ
いての制約もなくなる効果がある。

【００３６】請求項２記載の発明によれば、反射鏡アン
テナとして、ビーム状に集束されたマイクロ波の焦点を
２次元もしくは３次元的に移動させることができるビー
ム集束型反射鏡アンテナを用いるように構成したので、
溶融炉内のどこにでもビーム状に鋭く集束させたマイク
ロ波を照射することができ、さらにそのマイクロ波ビー
ムを走査させることも可能となり、溶融炉内に投入され
た被溶融物を効率的に発熱させて溶融させることができ
る効果がある。

【００３７】請求項３記載の発明によれば、反射器を設
けて、被溶融物の状態変化に伴うインピーダンス不整合
によって被溶融物から反射してくる反射波を溶融炉側に
戻すように構成したので、ジャイロトロンの保護もでき
かつジャイロトロンの発生した大電力マイクロ波のエネ
ルギーを被溶融物の溶融に有効に活用することができる
効果がある。

【００３８】請求項４記載の発明によれば、反射鏡アン
テナとして、被溶融物にブロードなビームを照射できる
ように構成したので、大出力のジャイロトロンを用いて
マイクロ波を発生している場合、被溶融物に広範囲に照
射できるので、より効率的に被溶融物を溶融することが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１によるマイクロ波溶
融装置を示す概念図である。

【図２】従来の抵抗炉による溶融装置を示す概念図で
ある。

【図３】従来のマイクロ波溶融装置を示す概念図であ
る。

【符号の説明】

４被溶融物、５マイクロ波発生器、６導波管、８
溶融炉、１４照射器、１５ビーム集束型反射鏡ア
ンテナ（反射鏡アンテナ）、１７反射器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｂ 6/64 Ｈ０５Ｂ 6/64 Ｈ (72)発明者佐藤文武東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者逸見和久東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者浅野啓行東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者内藤出東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ジャイロトロンを用いてマイクロ波を発
生させるマイクロ波発生器と、このマイクロ波発生器に
接続され、前記マイクロ波発生器で発生したマイクロ波
を伝送する導波管と、この導波管の端部に設けられ、前
記マイクロ波発生器から前記導波管を介して伝送された
前記マイクロ波を照射する照射器と、この照射器に対向
して設けられ、前記照射器から照射されたマイクロ波を
集束させて被溶融物に照射する反射鏡アンテナと、前記
マイクロ波を閉じ込めて前記被溶融物を加熱、溶融する
ための溶融炉とを備えたマイクロ波溶融装置。
【請求項２】反射鏡アンテナが、当該反射鏡アンテナ
によってビーム状に集束されたマイクロ波の焦点の位置
を、２次元もしくは３次元的に移動可能なビーム集束型
反射鏡アンテナであることを特徴とする請求項１記載の
マイクロ波溶融装置。
【請求項３】被溶融物に照射されたマイクロ波の、当
該被溶融物の状態変化に伴うインピーダンスの不整合に
よって発生する反射波を、溶融炉側に戻すための反射器
を設けたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波溶
融装置。
【請求項４】反射鏡アンテナが、ブロードなビーム
を、被溶融物に広範囲に照射することを特徴とする請求
項１記載のマイクロ波溶融装置。