JP6058370B2 - 塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離方法およびその分離システム - Google Patents

Description

本発明は、放射性物質で汚染された塩化ナトリウム含有廃液からα核種を分離させ、α核種濃度を低減させる、塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離方法およびその分離システムに関する。

従来、放射性物質で汚染された放射性物質含有廃液からα核種を分離する技術が、原子力発電プラントおよびその関連施設の水処理技術に用いられている。このα核種の分離については、再処理工場から発生する高レベル放射性含有廃液（以下、高レベル廃液という。）からの核種分離方法が知られている。高レベル廃液は硝酸酸性の廃液であり、この高レベル廃液から抽出剤を用いてアメリシウム（Ａｍ）、キュリウム（Ｃｍ）といった核種元素を回収している。

従来の高レベル廃液からの核種分離方法として、酸性溶液中に存在するアメリシウム（Ａｍ）、キュリウム（Ｃｍ）およびランタノイド（Ｌｎ）の抽出分離方法が特許文献１に記載されている。この抽出分離方法では、２つのアミド基を有し、これらをエーテル酸素を含む−ＣＨ_２−Ｏ−ＣＨ_２−の官能基で結合した構造を有するジグリコールアミド化合物を抽出剤を用いてＡｍ，Ｃｍ，Ｌｎ等の元素を抽出し、回収する技術である。

特許文献２には、テトラメチルピリジルエチレンジアミン（ＴＰＥＮ）を含む抽出液を用い、好ましくはＴＰＥＮと共にジ−２−エチルヘキシル−リン酸（Ｄ２ＥＨＰＡ）を抽出剤に用いて希土類元素とアクチノイド元素を抽出分離する分離方法が記載されている。

特許文献３には、中性二座配位活性な官能基（窒素原子：Ｎ）を有する、１，１０−フェナントロリンまたはそのアルキル誘導体で抽出剤とすることで、３価アクチノイド元素および３価ランタノイド元素を含む溶液から選択的に３価アクチノイド元素のみを抽出分離する方法が記載されている。

一方、高レベル廃液からの抽出分離に抽出剤の代りに、吸着剤を用いて分離回収する技術が、特許文献４に記載されている。

特許文献４では、アメリシウム（Ａｍ）、キュリウム（Ｃｍ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、パラジウム（Ｐｄ）および希土類元素等の分離対象元素を含有する高レベル放射性廃液を、有機リン化合物を含有する固体吸着剤と接触させ、前記放射性廃液中の分離対象元素を前記固体吸着剤に吸着させ、固体吸着剤を、ジエチレントリアミン五硝酸（ＤＴＰＡ）を含有する酸性水溶液に接触させ、固体吸着剤からＡｍ、Ｃｍ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｐｄおよび重希土類元素を溶出させた後に、固体吸着剤を水または希酸溶液に接触させ、固体吸着剤から軽希土類元素を溶出させる分離回収方法が記載されている。

特開２００２−１００７号公報 特開２００４−１０８８３７号公報 特開２００７−２７８７４９号公報 特開２００４−２０５４６号公報

Ｊ．Ｈ．Ｓｏｎｇ ｅｔ．ａｌ．"Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ"２２２巻（２００３）

従来の高レベル廃液からの分離回収技術では、高レベル廃液として硝酸酸性の酸性廃液を対象としており、アメリシウム等はイオンの状態で存在しているために、各特許文献に記載のように、抽出剤もしくは吸収剤を用いた液処理による核種の分離回収が有効である。

しかし、海水成分が混入した放射性廃液を対象とする、放射性物質で汚染された塩化ナトリウム含有廃液は、ｐＨが中性もしくは弱アルカリ性で、一部がイオンに、一部が固体成分（固形物成分）の混在状態で存在している。このため、放射性物質で汚染された塩化ナトリウム廃液からのα核種分離技術には、従来の再処理工場で想定されている硝酸酸性の高レベル廃液から抽出剤もしくは吸収剤を用いた分離回収技術は適していない。

海水成分が混入した放射性廃液を想定した塩化ナトリウム含有廃液は、ｐＨが中性もしくは弱アルカリ性となっており、アクチノイド元素のアメリシウム（Ａｍ）、キュリウム（Ｃｍ）、ウラン（Ｕ）、プルトニウム（Ｐｕ）については、一部がイオンに、一部が固体成分（固形物成分）となり、その形態は混在した状況にある。

このため、従来の再処理工場で想定されている放射性物質の酸性廃液のα核種分離技術ではなく、イオンと固体成分（固形物成分）が混在している塩化ナトリウム廃液のα核種分離技術を如何に構成したらよいか課題となっていた。

α核種等の粒径については、過酷事故時にデブリが水中に噴射される事象を検討した非特許文献１によれば、図１に示すように、デブリ粒径２．０〜４．７５ｍｍが最も多く、デブリ粒径が０．４２５ｍｍ未満の微粒子も確認されている。種々の粒径のデブリ（固形物成分）を除去するα核種分離システムを設置する必要があることも判明した。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、臨界事故を確実に回避しながら、塩化ナトリウム含有廃液の固液分離とイオン除去を行なうことでα核種を分離し、α核種濃度を低減させることができる、塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離方法およびその分離システムを提供することを目的とする。

本発明に係る塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離方法は、上述した課題を解決するために、α核種を含む塩化ナトリウム含有廃液を固液分離装置で固形物成分と液成分に分離し、分離された固形物成分による臨界未満状態を維持しながら前記固形物を固形物回収タンクに回収し、分離された液成分の廃液からα核種モニターでα核種濃度を測定し、測定されたα核種濃度が目的濃度以上のとき、イオン分除去装置でα核種を分離除去して処理液のα核種濃度を低減させることを特徴とする方法である。

また、本発明に係る塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システムは、上述した課題を解決するために、α核種を含む塩化ナトリウム含有廃液を収容する廃液タンクと、前記塩化ナトリウム含有廃液を固形物成分と液成分とに分離させる固液分離装置と、分離された前記固形物成分による臨界未満状態を維持しながら固形物を回収する固形物回収タンクと、分離された液成分の廃液からα核種濃度を測定するα核種モニターと、測定された前記α核種濃度が目的濃度以上の前記液成分の廃液が案内されてα核種を分離除去させるイオン分除去装置と、前記イオン分除去装置でα核種が低減された処理廃液のα核種濃度を測定する第２α核種モニターとを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、臨界事故を確実に回避しながら、α核種を含む塩化ナトリウム含有廃液の固液分離とイオン除去を行なうことで、α核種を分離し、α核種濃度を低減させることができる。

過酷事故時にデブリが水中に噴射された事象を検討した非特許文献１に記載のテーブル。 本発明の第１実施形態におけるα核種分離システムの模式的な構成図。 非均質ＵＯ_２−Ｈ_２Ｏにおけるウランの臨界データを示すグラフ。 非均質ＰｕＯ_２−ＵＯ_２におけるＭＯＸの臨界データを示すグラフ。 本発明の第２実施形態における塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システムの模式的な構成図。 本発明の第３実施形態を示すもので、α核種分離システムに備えられる固液分離装置の一例を示す構成図。

以下、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図２は、本発明の第１実施形態に係る塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システムを模式的に示す構成図である。このα核種分離システム１０は、α核種を含む放射性廃液を受け入れる廃液タンク１１を備える。廃液タンク１１が受け入れる放射性廃液１２は、海水成分が混入した廃液を想定しており、放射性物質で汚染された塩化ナトリウム含有廃液である。塩化ナトリウム含有廃液のｐＨは、中性もしくは弱アルカリ性となっており、アクチノイド元素のアメリシウム（Ａｍ）、キュリウム（Ｃｍ）、ウラン（Ｕ）、プルトニウム（Ｐｕ）については、一部がイオンに、一部が固体（固形物）成分となり、その形態は混在した状況にある。

α核種を含む塩化ナトリウム廃液（放射性廃液）１２は、固液分離装置１３に送られ、この固液分離装置１３で固形物１４と液成分１５に固液分離される。分離されたα核種を含む固形物１４成分は、固形物回収タンク１６に送られ回収される。固形物回収タンク１６には臨界モニター１７が併設されており、この臨界モニター１７で固形物の臨界状態を常に管理している。

固形物回収タンク１６に回収される固形物１４はウラン（Ｕ）とプルトニウム（Ｐｕ）の濃度如何によっては、臨界となる虞がある。図３はウランの臨界データを示すものであり、図４はＭＯＸ（燃料）の臨界データを示すものである。図３によると、Ｕ−２３５濃縮度が５ｗｔ％の場合、円柱直径が２２ｃｍで臨界となる虞があることを示しており、臨界を回避する手段、例えば円柱直径を２２ｃｍ未満の固形物回収タンク１６を用いたり、中性子吸収材を設置する。図４によると、非均質ＰｕＯ_２−ＵＯ_２のＭＯＸ（燃料）を用いたものは、円柱直径が１８．５ｃｍで臨界となる虞があり、臨界を回避する手段が同様に必要である。臨界を回避する手段は、固形物回収タンク１６内にボロンやハフニウム（Ｈｆ）からなる中性子吸収材を設置することによって構成してもよい。

固液分離装置１３で固形物１４が除去されたα核種を含む廃液（上澄み液）１５は、液収集タンク１９に送られて、収容される。液収集タンク１９に受け入れられたα核種を含む廃液１５は、α核種モニター２０によりα核種濃度が測定される。測定されたα核種濃度が目的濃度、例えば１Ｂｑ／ｍｌ未満の場合、第１制御装置２１によりバイパス通路２２側に弁２３、例えば三方切換弁を切り換えて開放させ、次処理工程に送られる。弁２３は三方切換弁に代えて個々の開閉弁としてもよい。

次処理工程は、例えばβ線あるいはγ線を処理する工程である。

また、液収集タンク１９に受け入れられたα核種を含む廃液が、α核種モニター２０により目的濃度、例えば１Ｂｑ／ｍｌ以上のα核種濃度を測定する場合には、第１制御装置２１により弁２３をイオン分除去装置２４側に連通させてイオン分除去装置２４に供給する。イオン分除去装置２４では、目的濃度以上のα核種を含む廃液１５からα核種を除去し、α核種濃度を減少させて処理液収集タンク２６に回収している。処理液収集タンク２６に回収された処理廃液２７のα核種濃度は第２α核種モニター２８で測定される。

処理廃液２７のα核種濃度が目的濃度、例えば１Ｂｑ／ｍｌ未満の場合には、第２制御装置２９により三方切換弁等の弁３０を次処理工程側に開放させて（α核種が目的濃度未満に減少された）処理廃液２７を、次処理工程に排出している。

処理廃液２７のα核種濃度が目的濃度以上の場合には、第２制御装置２９により弁２３をフィードバック通路３１側に連通させ、目的濃度以上の処理廃液を、イオン分除去装置２４の上流タンクである液収集タンク１９にフィードバックさせている。フィードバックされた処理廃液は、再びイオン分除去装置２４に案内されてα核種が除去され、α核種濃度が低減される。

本実施形態によれば、塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システム１０により、塩化ナトリウム含有廃液の固液分離とイオン分除去の２つの処理工程を用いて、溶液中からα核種を除去し、α核種濃度を低減させることができる。

処理液（液成分の廃液１５）中のα核種濃度が高いと、次処理工程で廃液処理工程α核種廃棄物となる虞がある。

本実施形態のα核種分離システム１０では、α核種濃度を測定するα核種モニター２０，２８を設置し、α核種を目的濃度まで除去するイオン分除去装置２４を備えたα核種分離システム１０を採用する。

さらに、ウランとプルトニウムの濃度如何によっては、臨界となる虞がある。本実施形態のα核種分離システム１０では、固形物回収タンク１６に臨界モニター１７を併設したり、臨界回避手段（図示せず）を設置し、この臨界モニター１７で臨界設計を行なうことに加えて管理することができ、臨界事故を確実に回避することができる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システムを模式的に示す構成図である。第２実施形態のα核種分離システム１０Ａは、α核種測定の際、セシウム（Ｃｓ）、ストロンチウム（Ｓｒ）を除去する追加処理工程を第１実施形態のα核種分離システム１０に追設したものであり、第１実施形態と同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略する。

α核種モニター２０，２８では、α核種濃度の測定において、αイオンを目的の濃度まで除去する際、セシウム（Ｃｓ）、ストロンチウム（Ｓｒ）の濃度が高いと、α核種濃度測定を妨害する虞がある。このα核種濃度測定の妨害を回避するために、セシウム・ストロンチウム除去装置３３を、液収集タンク１９の上流側に設けたものである。

第２実施形態に示されたα核種分離システム１０Ａでは、固液分離装置１３と液収集タンク１９の間に、セシウム・ストロンチウム除去装置３３を設けて、固液処理とイオン除去処理の間に、セシウム−ストロンチウム除去処理を行なう追加処理工程を追設したものである。

第２実施形態のα核種分離システム１０Ａは、固液分離装置１３で（α核種を含む）固形物１４成分が除去されたα核種を含む上澄み液の廃液１５は、ポンプ３４によりセシウム・ストロンチウム除去装置３３に送られる。このセシウム・ストロンチウム除去装置３３は、例えばセシウム吸着塔３５を上流側に、ストロンチウム吸着塔３６を下流側に備える。セシウム吸着塔３５とストロンチウム吸着塔３６は一体に構成しても、また、それぞれ複数基ずつ直列状あるいは並列状に備えてもよい。

セシウム吸着塔３５でのセシウム除去は、ケイチタン酸塩、ゼオライト、フェロシアン化物等を用いて行なわれ、ストロンチウム吸着塔３６でのストロンチウム除去はケイチタン酸塩、ゼオライトの他、チタン酸ナトリウムを用いて実施される。

セシウム・ストロンチウム除去装置３３を用いて追加処理工程でセシウムやストロンチウムを除去する際には、固液分離装置１３からのα核種を含む液成分（上澄み液）の塩化ナトリウム廃液１５は、ポンプ３４を用いてセシウム吸着塔３５とストロンチウム吸着塔３６に通液され、ここで、セシウムやストロンチウムが除去され、α核種モニター２０によるα核種濃度測定の妨害を回避している。追加処理工程のセシウム・ストロンチウム除去装置３３で処理されたα核種を含む廃液は、液収集タンク１９に案内され、ここで、α核種モニター２０によりα核種濃度が測定される。

α核種濃度が測定されたα核種を含む廃液は、続いて第１実施形態に示されたα核種分離システム１０と同様のα核種を除去し、α核種濃度を低減させる処理が行なわれて、次処理工程に排出される。

第２実施形態のα核種分離システム１０Ａでは、第１実施形態で説明したものと同様の効果を奏する他、α核種を含む廃液が追加処理工程を通る際に、セシウムやストロンチウムが除去され、α核種モニター２０，２８によるα核種濃度測定の妨害が回避され、α核種のイオンを目的の濃度までスムーズに除去することができる。

［第３の実施形態］
図６は、本発明の第３の実施形態を示すものである。

第３実施形態に示された塩化ナトリウム含有廃液のα核種分離システム１０Ｂは、第１実施形態あるいは第２実施形態に示されたα核種分離システム１０，１０Ａに備えられる固液分離装置１３を改良したものである。他の構成は異ならないので、図示ならびに重複説明を省略する。

固液分離装置１３は、α核種を有する塩化ナトリウム含有廃液１２からのイオン成分と固体成分（固形物成分）を分離する装置である。固液分離装置１３は、対象の固形物の大きさ（粒径）に応じてろ過装置が選定される。固液分離装置１３で分離される固形物の粒径が０．５ｍｍ程度以上と大きい場合には、ろ過装置は沈降分離装置３８により沈降分離させることが可能である。

図１に示された既往の非特許文献１によれば、粒径が０．４２５ｍｍ以下の微粒子の存在も確認されている。微粒子の割合は、０．５ｗｔ％〜２０ｗｔ％とばらつきが大きいが、マスとしては多いと想定される。

このため、固液分離装置１３であるろ過装置は沈降分離装置３８と精密ろ過装置３９の２種のタイプで構成される。精密ろ過装置３９については、微粒子の粒径が０．０１ｍｍ以上であれば、砂ろ過器が選択され、０．０１ｍｍ未満であれば遠心分離装置等が選択される。対象α核種を有する塩化ナトリウム含有廃液である対象廃液の粒径分布に応じて固液分離装置１３であるろ過装置は沈降分離装置３８および精密ろ過器４０のいずれか一方が選択されてもよい。

例えば、精密ろ過装置３９を選定する場合、固形物が多量に残存すると、精密ろ過器４０内で臨界となる虞がある。図３および図４のＵやＭＯＸの臨界データを適用すると、Ｕ−２３５濃縮度が５ｗｔ％の場合には円形直径が２２ｃｍ、ＭＯＸでは格子ピッチで１．０ｃｍ付近で円形直径が１８．５ｃｍで臨界となるので、精密ろ過器４０の直径は例えば２０ｃｍ以上にはできない計算となり、精密ろ過器４０の性能は著しく制限される。

このため、精密ろ過器４０やろ過装置１３内に中性子吸収材を設置して、ろ過装置１３内で臨界防止を実施している。また、メディア（中性子吸収物質）としてボロンまたはハフニウムを含むメディアをろ過装置１３内や周りに備えることで、ろ過装置１３内部に固形物が堆積しても臨界に至るのを確実に防止することが可能となる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…α核種分離システム、１１…廃液タンク、１２…放射性廃液（塩化ナトリウム含有廃液）、１３…固液分離装置（ろ過装置）、１４…α核種を含む固形物、１５…液成分（α核種を含む廃液）、１６…固形物回収タンク、１７…臨界モニター、１９…液収集タンク、２０…α核種モニター、２１…第１制御装置、２２…バイパス通路、２３…弁（三方切換弁）、２４…イオン分除去装置、２６…処理液収集タンク、２７…処理廃液、２８…第２α核種モニター、２９…第２制御装置、３０…弁（三方切換弁）、３１…フィードバック通路、３３…セシウム・ストロンチウム除去装置、３４…ポンプ、３５…セシウム吸着塔、３６…ストロンチウム吸着塔、３８…沈降分離装置、３９…精密ろ過装置、４０…精密ろ過器。

Claims (10)

1. α核種を含む塩化ナトリウム成分廃液を固液分離装置で固形物成分と液成分に分離し、
   分離された固形物成分による臨界未満状態を維持しながら前記固形物を固形物回収タンクに回収し、
   分離された液成分の廃液からα核種モニターでα核種濃度を測定し、
   測定されたα核種濃度が目的濃度以上のとき、イオン分除去装置でα核種を分離除去して処理液のα核種濃度を低減させることを特徴とする塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離方法。
2. 前記α核種モニターで測定されるα核種濃度が目的濃度未満の場合、前記液成分の廃液は前記イオン分除去装置をバイパスして次処理工程に移送される請求項１に記載の塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離方法。
3. 前記処理液のα核種濃度は第２α核種モニターで測定し、前記処理液のα核種濃度が目的濃度以上のとき、前記処理液を前記イオン分除去装置の上流タンクにフィードバックさせる請求項１に記載の塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離方法。
4. 前記α核種濃度を低減させる際、α核種測定の妨害となるセシウムおよびストロンチウムを除去するセシウム・ストロンチウム除去処理工程を、前記α核種モニターの上流側に備える請求項１または２に記載の塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離方法。
5. α核種を含む塩化ナトリウム含有廃液を収容する廃液タンクと、
   前記塩化ナトリウム含有廃液を固形物成分と液成分とに分離させる固液分離装置と、
   分離された前記固形物成分による臨界未満状態を維持しながら固形物を回収する固形物回収タンクと、
   分離された液成分の廃液からα核種濃度を測定するα核種モニターと、
   測定された前記α核種濃度が目的濃度以上の前記液成分の廃液が案内されてα核種を分離除去させるイオン分除去装置と、
   前記イオン分除去装置でα核種が低減された処理廃液のα核種濃度を測定する第２α核種モニターとを備えたことを特徴とする塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システム。
6. 前記固液分離装置で分離された液成分の廃液は、α核種濃度が目的濃度未満のとき、前記イオン分除去装置をバイパスするバイパス通路に案内される第１制御装置が備えられた請求項５に記載の塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システム。
7. 前記イオン分除去装置で処理された処理廃液のα核種濃度が目的濃度以上のとき、前記イオン分除去装置の上流タンクにフィードバックさせる第２制御装置が備えられた請求項５に記載の塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システム。
8. 前記固液分離装置は、前記廃液タンクからの塩化ナトリウム含有廃液から固形物を沈降分離させる沈降分離装置と、固形物成分が沈降分離された上澄み液をろ過する精密ろ過装置とを備えた請求項５に記載の塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システム。
9. 前記固液分離装置が分離された液成分の廃液からセシウムおよびストロンチウムを除去するセシウム・ストロンチウム除去装置を備え、
   前記セシウム・ストロンチウム除去装置で処理された液成分の処理廃液から前記α核種モニターでα核種濃度が測定される請求項５に記載の塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システム。
10. 前記セシウム・ストロンチウム除去装置は、前記固液分離装置で分離された前記液成分の廃液からセシウムを吸着除去するセシウム吸着塔と、
    このセシウム吸着塔の下流側でストロンチウムを吸着除去するストロンチウム吸着塔とから構成され、
    前記ストロンチウム吸着塔で処理された液成分の処理廃液は前記液収集タンクに案内される請求項９に記載の塩化ナトリウム含有廃液からのα核種分離システム。

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