東海フォーラム-ガラス固化開発

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1 第 11 回東海フォーラム ガラス固化技術開発の現状 平成 28 年 2 月 24 日国立研究開発法人日本原子力研究開発機構核燃料サイクル工学研究所再処理技術開発センターガラス固化技術開発部 永井崇之 ガラス固化技術開発施設 (TVF : Tokai Vitrification Facility)

2 報告内容 はじめに 燃料に含まれる元素 使用済核燃料の再処理プロセス ガラス固化技術の開発経緯 ガラス固化技術が選ばれた理由 固化したガラスの物性 固化体の製造方法とTVF溶融炉 TVFの設計 建設 開発運転 ガラス固化に関する研究開発の状況 ガラス固化技術の向上を目指して 白金族化合物の溶融炉内堆積状況 高温粘度測定からガラス流動を解析 構造解析からガラス組成を検討 粒子を排出し易い溶融炉構造の検討 まとめ ガラス中に溶解できる廃液成分の量 溶融ガラス中の粒子沈降挙動を評価 ルテニウム化合物の生成反応を調査 迅速な濃度分析技術を開発 技術開発の現状と展開 1

3 (はじめに) 燃料に含まれる元素 94Sr 235U 中性子 236U 140Xe 92Kr 235U 236U 141Ba 235U 236U 発熱 蒸気で発電 10 出典 原子力コンセンサス2013 電気事業連合会 一部改編 H Li He 主な核分裂生成物 FP Be Na Mg K Ca Sc Rb Sr Y Ti Cr Mn Fe Co C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te Cs Ba Ln* Hf Fr V B Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po I Xe At Rn Ra An* 1 核 1 分 裂 で の 0.1 生 成 率 Ln* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu An* Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 生成物の質量数 ウラン235の核分裂反応による生成物 出典 一部改編 2

4 (はじめに) 使用済燃料の再処理プロセス 出典 原子力コンセンサス2013 電気事業連合会 一部改編 核分裂生成物 FP 腐食生成物 計算値 分析値 Cr Fe Ni Kr Rb Sr Y Zr Mo Ru Pd Cd Sn Te Xe Ba Ce Nd Sm Gd Nb Tc Rh Ag In Sb I Cs La Pr Pm Eu 高レベル放射性廃液に含まれる元素の割合 例 3

5 (経緯) ガラス固化技術が選ばれた理由 例 固化マトリックス(原料)及び評価結果 DOE/TIC 11611, 固化マトリックス(原料)候補 0 20 評価点 100点満点 ホウケイ酸ガラス シンロック 人工鉱物 セラミックス 高シリカガラス 高温高圧プレスコンクリート 被覆粒子 ガラス-鉛マトリックス 候補となる固化マトリックス(原料)を評価 点数が高いホウケイ酸ガラスを採用 世界的にも実用化されている 4

6 (経緯) 固化体の製造方法とTVF溶融炉 TVFのガラス溶融炉 廃液供給式直接通電型セラミックメルタ ガラスカートリッジ ガラス原料 縦断面 ガラス溶融炉内の状態 廃液の状態変化 高レベル放射性廃液 乾燥 100 TVFガラス溶融炉の形状 底部 四角すい ①主電極間通電 ②補助電極間通電 ③主電極 ノズル間通電 ガラス流下 硝酸塩 分解 800 酸化物 ガラス化 1200 ガラス固化体 5

7 (経緯) 固化したガラスの物性 酸素 酸素 O) ケイ素 ケイ素 Si ホウ素 ホウ素 B ナトリウム ナトリウム Na) アクチニド アクチニド U等 他の廃棄物元素 他の廃棄物元素 固化体組成 例 高さ103cm 直径43cm ガラス固化体 酸化物 含有率 [wt%] ガ ラ ス 原 料 成 分 シリカ SiO2 酸化ホウ素 B2O3 アルミナ Al2O3 酸化リチウム Li2O 酸化カルシウム CaO 酸化亜鉛 ZnO 小計 廃 液 成 分 酸化ナトリウム Na2O 五酸化リン P2O5 腐食生成物 核分裂生成物 FP アクチニド酸化物 小計 合計 ホウケイ酸ガラス構造 イメージ (高レベル放射性廃棄物処分懇談会 第14回 資料を改編) ガラス物性値 例 密 度 2.74 g/cm3 熱膨張係数 / 熱 伝 導 率 1.02 W/m/ 100 比 熱 0.92 kj/kg/ 100 液 相 温 度 885 電気伝導度 4.8 Ωcm 1150 高 温 粘 度 4 Pas 1150 浸 出 率 g/cm2/d 6

8 (経緯) TVFの設計 建設 開発運転 K施設(日本原燃) 青森県六ヶ所村 TVF(JAEA) 茨城県東海村 昭和46年 1971 昭和50年 1975 昭和53年 1978 昭和55年 1980 昭和63年 1988 平成 7年 1995 平成28年 2016 文献調査等 小型溶融炉での試験 工学規模/モックアップ溶融炉試験 TVF設計開始 TVF建設開始 TVFホット試験 開発運転開始 TVF運転再開 ハザード低減に向けて 高レベル放射性廃液 約400m3保管中 約20年で 約630本 のガラス固化体を製造 技術開発 TVF開発運転 ガラス固化技術を日本原燃へ移転 安定な廃棄体 ガラス固化体 の製造を実証 日本原燃 ガラス固化施設 K施設 に反映 7

9 (研究開発) ガラス固化技術の向上を目指して 期待されるガラス固化技術の改善点 現状 炉底部に堆積した白金族化合物を除去するため 定期的に運転を停止 期待 白金族化合物の沈降 堆積を軽減できれば プラントの稼働率が向上 現状 原料組成を見直すことで 高レベル放射性廃液成分の割合を高められる 期待 多くの廃液を安全に溶融できれば ガラス固化体の製造本数は削減 改善策を次期TVFガラス溶融炉へ反映し 廃液処理期間の短縮を図る ガラス固化技術に関する研究開発 目的 炉底部に堆積した白金族化合物の除去対応を軽減する方策を確立 内容 白金族化合物の生成過程の解明 粒子の沈降挙動の把握及びモデル化 粒子を排出し易い溶融炉構造の選定 など 目的 廃液割合を高められるガラス原料組成や製造方法を確立 内容 構造解析から廃液割合を高められるガラス組成の選定 など 8

10 (研究開発) ガラス中に溶解できる廃液成分の量 固化体中の高レベル放射性廃液成分の割合 ガラス中に溶解できない廃液成分が ガラス固化体 の浸出性能を低下させないことを考慮 白金族化合物は ガラス中に溶けずに析出 固化体の浸出性能に影響しない 確認済 高レベル放射性廃液成分 の溶解度 例 廃液成分 酸化物 溶解度 (wt%) 標準組成 (wt%) 工程試薬 P2O Fe2O Cr2O NiO ZrO MoO RuO2 < PdO < Rh2O3 <0.05? 0.14 CeO Gd2O 希土類 腐食 生成物 析出した白金族化合物 核分裂 生成物 FP 白金族元素 6元素 Ru Rh Pd ルテニウム ロジウム パラジウム Os Ir Pt オスミウム イリジウム 白金 含まれていない 9

11 (研究開発) 白金族化合物の溶融炉内堆積状況 模擬溶融炉試験時の観察結果 白金族化合物の特徴 運転への影響 溶融ガラス は粒子が分散 密度が高い RuO2:7g/cm3,ガラス:2.5 g/cm3 ガラス溶融炉の底部へ沈降 堆積 溶融炉底部の 堆積ガラス は針状粒子 が絡みあっている 電気伝導度が高い ガラス中を流れる電流が減り 加熱性能が低下 溶融ガラスの状況 堆積ガラスの状況 定期的な白金族化合物の除去が必要 10

12 (研究開発) 溶融ガラス中の粒子沈降挙動を評価 目的 炉底部に堆積する粒子の沈降挙動を把握 実験例 粒子を含むガラスを溶融した状態 で保持すると 時間とともに粒子が沈降し 方法 溶けた模擬ガラスを長時間保持し 断面 温度が高いほど沈降が速い 観察から粒子の沈降速度式を算出 保持時間を長くすると 1,100 保持 成果 実験式から 炉底部に沈降する白金族化 粒子を 合物の粒子サイズは μmと推定 含まない 部分 沈降界面高さ [mm] 60 粒子を 含む部分 Φ300μm粒子 Φ200μm粒子 Φ150μm粒子 Φ30μm粒子 実験結果 時間 1,440時間 2,880時間 温度を上げると 2,880時間保持 沈降経過時間 [h] ,000 1,100 11

13 (研究開発) 高温粘度測定からガラス流動を解析 目的 溶けたガラスの粘度を測定し 溶融炉 内のガラス流動を解明 1000 試料を 挟んで 回転 ガラス温度 白金族酸化物濃度 6wt% 10 ひずみ 方法 測定したガラス粘度等を基に 流動現 象をモデル化し 炉内のガラス流動を推定 測定例 降伏応力以上で流動性が変化 9wt% 20wt% 1 43Pa Pa 降伏応力 加熱炉 試料 加熱炉 9Pa 固定 計測部拡大 高温レオメータの外観 10 応力 (Pa) 解析例 透明ガラス中へ粘度が高い模擬ガラ スを流動させた現象を モデル解析で再現 透明ガラス 模擬ガラス 平面-斜面境界 平面-斜面境界 12

14 (研究開発) ルテニウム化合物の生成反応を調査 目的 堆積物に含まれる酸化ルテニウム(RuO2)針状結晶が生成する過程を解明 方法 廃液から生成する化合物の調査から着手 予想 RuO2針状結晶はルテニウム酸ナトリウムから生成? 実験内容 ①ルテニウム酸ナトリウム生成を確認 ②合成物とガラス原料からRuO2結 晶生成を確認 原料を反応管に セットして加熱 出典 H. Boucetta, et al., Inorg. Chem., 51 (2012) 一部改編 これまでに確認した成果 廃液から複数のルテニウム化 合物が生成することを把握 ルテニウム化合物がガラス原料 と反応し RuO2針状結晶を 生成 仮焼層/溶融ガラスの 境界付近と推定 加熱実験に用いた装置(管状炉) 東北大学 多元物質科学研究所 13

15 (研究開発) 構造解析からガラス組成を検討 目的 ガラス構造から 高レベ ル放射性廃液成分の割合を 高められるガラス原料を模索 例 酸化ナトリウム(Na2O)増加 シリカ(SiO2)組織が変化 酸素 酸素 O) ケイ素 ケイ素 Si 環状組織 架橋組織 三員環 ホウ素 方法 組成が異なるガラス試 料をラマン分光測定等で評価 Na2O 増 ナトリウム アクチニド 他の廃棄物元素 (*1波長が揃った光) 反射した光*2 を検出 (*2波長がずれた光) ラマン分光光度計の測定部 出典 一部改編 今後 ガラス構造と耐久性 浸出性能 の関係を解明 規格化した強度 平均強度 1.0 ガラス試料へ レーザ光*1を 照射 四員環 3 (知見) Na2O濃度が増え ると ガラスの浸 出性能が低下 2 1 Na2O濃度 (解釈) ガラスの架橋構造 が 浸出性能に 200 影響? 30% 20% 10% 0% ラマンシフト (cm-1)

16 (研究開発) 迅速な濃度分析技術を開発 + ガラス固化技術の研究開発におけるガラス試料の作製状況 目的 ガラス中の濃度を迅速に 把握可能な分析法を確立 + 従来 ガラス試料を前処理(溶 液化)してから分析 試料の前処理 分析廃液の 後始末が負担 ICP-AES装置 レーザアブレーション(LA)装置 開発技術 ガラス表面にレーザ 照射し 発生したエアロゾルから 直接分析できる手法を開発 新技術 固体の (LA法) 切断 研磨 迅速な分析 二次廃棄物の 低減を実現 従来法 固体の (溶液法) 溶液化 溶液 LA装置 レーザ プラズマ化 固体試料 ネブライザ 霧吹き ICP-AES エアロゾル ミスト (誘導結合 プラズマ-発光 分光分析) 発光強度から 濃度換算 15

17 (研究開発 粒子を排出し易い溶融炉構造の検討 目的 プラント稼働率が向上できる次期TVFガラス溶融炉を設計 製作 内容 白金族化合物粒子を排出し易いガラス溶融炉の構造を検討 [日本原燃等と協力] 例 日本原燃の新型ガラス溶融炉開発 K施設ガラス溶融炉 実機 粒子の排出性能を向上 底部の形状 四角すい 円すい の傾斜 45度 60度 底部に高周波加熱コイルを追加 新型ガラス溶融炉 コールド設備 出典 日本原燃HP 新型ガラス溶融炉モックアップ試験の結果について 一部改編 16

18 (まとめ) 技術開発の現状と展開 高レベル放射性廃液のガラス固化技術開発: 東海再処理施設は 約400 の高レベル放射性廃液を保管 安全確保を最優先に 廃液の固化処理を着実に遂行 TVF技術は日本原燃 K施設へ反映 技術支援 協力を継続中 ガラス固化技術の向上を目指し 関係機関と研究開発を実施中 次期TVFガラス溶融炉を導入し 処理期間の短縮を図る 様々な放射性廃棄物の処理技術への展開: 海外で 低レベル放射性廃棄物の処理にガラス固化技術を導入 ガラスの化学的耐久性を活かして 処理技術の確立に貢献 多様な放射性廃棄物を対象に 性状に適した処理技術が必要 ガラス固化/高温取扱い技術を基に 新たなマトリックス開発にも挑戦 17

19 End 18 ご清聴ありがとうございました.

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