%&&℃
!"!$' (&&℃
焼結体 ー
ベース
◎
案
)*+℃
,,-)℃
貯蔵容量
!相対）
(./
(.,+
(.,+
, ー
ー ベース
△
単純さ 揮発対策
▲
顆粒体融点
〜,
〜, ,)((℃
（ﾁﾘ硝石）
溶融固化 固化体 ー 〜&)* 〜+,#
成形加熱
▲
〜&)* 〜+,#!"#℃
0.01 0.10 1.00 10.00 100.00
1 10 100
沈降速度（cm/分）
粒径（μm)
粒子密度 20g/cm3 10g/cm3 6g/cm3
3.1-15
3.1.2 廃棄物顆粒体製造技術選定
模擬廃棄物顆粒体等に関するこれまでの知見を基に、製造技術として満足すべき要件を明 らかにし、高レベル廃棄物のガラス固化処理技術や燃料加工技術に関する文献調査を基に候 補技術案を摘出した。
（1）廃棄物顆粒体製造技術の要件
高レベル放射性廃液（高レベル廃液）は高濃度硝酸に廃棄物元素（FP、アクチニド、プロ セスイナート）を溶解させた溶液であり、この廃液から顆粒体を製造するには、まず、廃液 の脱水および脱硝により析出固相（酸化物または一部硝酸塩）とし、さらに造粒によって適 切な大きさの顆粒体にする必要がある。また、この脱水の過程で高レベル廃液が突沸しない こと、脱硝、造粒の過程で廃棄物元素が揮発逸散しないことも必要である。
次に、実規模の高レベル廃液の顆粒化処理を考えた場合、kgオーダーの重量の廃棄物顆粒 体を連続的に製造できる事が必要である。また、高レベル放射性廃液および廃棄物顆粒体は 強い放射能を有する事から、遠隔操作が可能で制御が容易な単純な製造プロセスであること が必要であり、製造装置およびその材料が放射線劣化を起こし難いことが望ましい。さらに は、製造装置の運転および装置の廃止に伴い発生する放射性廃棄物の量が少なく、その処理 処分が容易であることが望ましい。以上の要件をまとめると次のようになる。
1) 高レベル放射性廃液の脱水、脱硝および造粒のプロセスからなるシステムである事。
2) 脱水過程で高レベル廃液が突沸しない事。
3) 脱硝、造粒の過程で廃棄物元素が揮発逸散しない事。
4) kgオーダーの重量の廃棄物顆粒体を連続的に製造できるシステムである事。
5) 遠隔操作が可能で制御が容易な単純な製造プロセスである事。
6) 製造装置およびその材料が放射線劣化を起こし難い事。
7) 製造装置の運転及び装置の廃止に伴い発生する放射性廃棄物の処理処分が容易である事。
（2）高レベル廃棄物ガラス固化処理に用いられる仮焼（Calcination）プロセスの適用
先に述べた廃棄物顆粒体の製造プロセスの一部である高レベル廃液の脱水・脱硝について は、現在、フランスにおいて商業規模で運転されているAVM法（Atelier Vitrification de Marcoule）によるガラス固化プラントで用いられている仮焼プロセスを適用できる可能性が ある。フランスのラアーグガラス固化プラント（La Hague plant）におけるAVM法によるガラ ス固化プロセスの概要を図3.1-17に示す。AVM法は、高レベル廃液の仮焼（Calcination）プ ロセスと溶融・ガラス固化プロセス（仮焼体にガラス原料(Glass frit)を加えて溶融、冷却 固化）から成り、この仮焼プロセスではロータリーキルンを用いて高レベル廃液の脱水・脱 硝が行われる。
フランスではAVM法について継続的な開発、改良を行いながら、これまでに約20,000体のガ ラス固化体が製造されている。そのプロセスの一つであるロータリーキルンを用いた仮焼プ ロセスは、実現性の観点から今回の廃棄物顆粒体の製造に適用できる可能性の高い方法と考 えられる。なお、仮焼装置であるロータリーキルンの構造や運転条件の詳細はノウハウに属 する情報であることから、その公開情報は極めて少なく、廃棄物顆粒体製造への適用に必要 な工学的な観点からの詳細な情報は充分に得られない。従って、ここではPetitjeanらによっ
3.1-16
て報告されたラアーグガラス固化施設の改良プログラムに関する公開文献情報[1]に基づいて 仮焼プロセスの基本的な条件を整理した。
まず始めに、ラアーグガラス固化プラントの仮焼プロセスで用いられるロータリーキルン の概略を図3.1-18に示す。図の様にロータリーキルンは回転筒（Rotating tube）とそれを取 り囲む発熱体から成り、発熱体は４つに分割されている（Zone 1-4）。ロータリーキルンは 前述の図3.1-17に示す様に傾けて設置されており、高レベル廃液は回転筒の左側（上側）か ら回転筒に投入され、重力によって回転筒中を移動する過程で脱水（Zone 1-2）・脱硝
（Zone 3-4）された後、仮焼体として右側（下側）から取り出される。取り出された仮焼体 はそのままガラス溶融炉に投入され、ガラス原料を加えて溶融•ガラス固化される。また、脱 水・脱硝の過程で発生するガスは回転筒の左上方から取り出され各種処理の後、循環または 排出される（図3.1-17参照）。また、図に記載されていないが、回転筒内には撹拌棒が設置 されている。
ロータリーキルンの運転において基本となる条件は、温度、廃液供給量、回転速度、等であ る。ラアーグガラス固化プラントの仮焼プロセスにおけるこれらの条件をまとめると以下の 様になる。
1) 温度： ~200℃（脱水）、~600℃（脱硝）
2) 廃液供給量： 60~80 L/hr 3) 回転速度： 20~30 rpm
4) 突沸の抑制：高レベル廃液への硝酸アルミニウム（Al(NO)3）の添加 5) Ru揮発の抑制：高レベル廃液への砂糖（Sugar）の添加
特に温度の管理は良好な仮焼体を得る上で重要であり、Petitjeanらの報告においても回転筒 内の温度分布が詳細に評価されている。その評価結果の一例を図3.1-19に示す。図では廃液 供給量が75L/hrおよび90L/hrの場合の回転筒内の温度分布の測定値と計算値が示されており、
いずれの場合においても、Zone 1 - 2（位置：0~1.5m）の領域で200℃程度（脱水）、Zone 3 - 4（位置：1.5~3m）の領域で600℃程度（脱硝）に良く制御されている事が分かる。また、
そ の 他 の 条 件 と し て 、 仮 焼 プ ロ セ ス に お け る 突 沸 を 抑 制 す る た め の 硝 酸 ア ル ミ ニ ウ ム
（Al(NO)3）の添加、ルテニウム（Ru）の揮発を抑制するための砂糖（Sugar）の添加が行われ ているが、それらの添加量については不明であり、実験的な確認が必要である。
なお、廃液中の Na（プロセスイナート）や Cs（FP）等のアルカリ金属元素は 600℃の仮焼 の後も一部または大部が硝酸塩として存在すると考えられ、また、仮焼の際に溶融状態とな り一部は硝酸塩のまま揮発する可能性がある[2]。AVM 法によるガラス固化プロセスでは、仮 焼体中のこれらアルカリ金属硝酸塩はその後の溶融・ガラス固化プロセス（約 1100℃）で脱 硝され、その際アルカリ金属元素はガラスマトリクス（SiO2+B2O3）中に固定化されて揮発逸 散することはない。一方、今回の廃棄物顆粒体製造においては、アルカリ金属元素が顆粒体 中で硝酸塩として存在する場合、その融点は 300-400℃と低いことから、廃棄物顆粒体の冷 却貯蔵時の材料化学的安定性について充分に確認評価する必要がある。冷却貯蔵時の廃棄物 顆粒体の温度については、前節「3.1.1 廃棄物管理システム概念設計」「（4）柔軟な廃棄物 管理システムの概念設計」において簡易温度解析を行っており、その温度は使用済燃料の再
3.1-17
処理までの冷却期間（発熱量の減衰）に大きく依存することが示されている。再処理までの 冷却期間 30 年のケースでは廃棄物顆粒体冷却保管時の最高温度は 200℃程度であるが、再処 理までの冷却期間 4 年のケースでは最高温度が 530℃程度になることから（図 3.1-20）、廃 棄物顆粒体の温度がアルカリ金属硝酸塩の融点（300-400℃）よりも充分に低く維持される管 理条件（再処理までの冷却期間、キャニスターのサイズ／配置、冷却能力等）を設定するこ とが必要である。なお、高レベル廃液中のアルカリ金属元素の量が多い場合は仮焼の際にア ルカリ金属元素自身が硝酸塩となる可能性が高いが、アルカリ金属元素の量が少ない場合は アルカリ金属元素が他の析出固相（酸化物）に取り込まれて化学的に安定な化合物（酸化物）
となる可能性もある。従って、廃棄物顆粒体の化学的安定性の観点から、アルカリ金属元素 を廃棄物から分離して顆粒体に入らないように処理することも一つのオプションとして考え られる。なお、廃棄物顆粒体の化学的安定性については後節「3.2.1 材料化学的安定性評価」
において詳しく検討する。
以上のことより、フランスのガラス固化プラント（AVM法）の仮焼プロセスはこれまでに多 くの実績を有し、今回の廃棄物顆粒体の製造においてもその実現性の観点から最も適用可能 性の高い方法と考えられる。しかしながら、廃棄物顆粒体製造への適用に必要な工学的な観 点からの詳細な情報が必要であり、今後、必要な情報を実験／解析によって得ていく必要が ある。また、高レベル廃液中にアルカリ金属元素（主にプロセスイナートである溶媒洗浄剤 注のNa）が大量に含まれる場合には、廃棄物顆粒体の材 料 化 学 的 安 定 性 の 観 点 か ら 冷 却 保 管 時 の 温 度 を ア ル カ リ 金 属 硝 酸 塩 の 融 点 よ り も 充 分 に 低 く 維 持 さ れ る 管 理 条 件 を 設 定 す る こ と が 必 要 で あ る 。 ま た 、 アルカリ金属硝酸塩を廃棄物から分離して顆粒体に 入らないようにする処理も有効と考えられる。さらには、廃棄物顆粒体の製造においては、
製造する仮焼体の粒径の制御および仮焼体から顆粒体を製造する造粒に関する技術開発が必 要である。
（3）燃料粉末製造に用いられるマイクロ波加熱脱硝法の適用
マイクロ波加熱脱硝法（MH法）はMOX（U-Pu）燃料製造のために開発された方法であり、硝 酸プルトニウム−硝酸ウラニル混合溶液をマイクロ波により加熱し、沈殿物を経ずに混合酸化 物にする転換法である[3,4]。このMH法は高レベル廃液から高品質な析出固相を効率的に製造 する観点から、今回の廃棄物顆粒体の製造にも適用できる可能性がある。MH法による混合転 換の工程を図3.1-20に、また、MH法の反応ステップを図3.1-21に示す。硝酸プルトニウム−硝 酸ウラニル混合溶液を円形盆状の脱硝皿に供給し、これにマイクロ波（周波数2450MHz）を照 射するとマイクロ波による分子振動により内部発熱して溶液の温度が上昇して沸騰するとと もに、水分と硝酸が蒸発してウラン•プルトニウムの硝酸塩となる。更にマイクロ波を照射す ると脱硝酸化物（PuO2•UO3）になる。この脱硝酸化物はさらに焙焼還元、粉砕篩分の工程を経 てウラン•プルトニウム混合酸化物粉末製品（PuO2•UO2）となる。このMH法の特徴は以下の様 になる。
1) マイクロ波により試料が内部から均一に加熱され、また、脱硝時に均一に発泡するため、
均質で粒径の細かい固体粉末が得られる。