JPS5853760B2 - トリチウム水蒸気の除去方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主として核燃料再処理排ガスに含まれる放射性
を有するヨウ素およびトリチウム水蒸気を除去する方法
に関するものである。

原子炉発電所で使用された燃料は再処理し、ウラン、プ
ルトニウムなどの有価値物質を回収して再使用すること
が必要である。

従来の再処理プロセスを第１図について説明するに、使
用済燃料１は切断工程２で燃料棒の状態から長さ数のに
切断された後に脱気工程３に送られる。

この脱気工程３において切断された使用済燃料１は酸素
添加器４より供給される酸素雰囲気内で約４００〜７０
０℃に加熱することにより酸化される。

この場合、二酸化ウランＵＯ２がへ酸化ウランＵ３Ｏ８
になることによる体積膨張を利用して、これを粉状化し
て燃料内部に含まれている揮発性の放射性不純物を分離
する。

このように脱気工程３で脱気された燃料は溶解工程５に
送られ硝酸水溶液により溶解された後、この溶液中より
有価値のウラン、プルトニウムなどが分離回収される。

上記のような一連の再処理において、切断工程２と脱気
工程３から気体状の放射性物質を含む気体廃棄物が発生
する。

一般に使用済燃料は再処理されるまでに３０日以上放置
されるため、寿命の短かい放射物質は減衰するので、比
較的に寿命が長く核***による生成割合の大きい核種が
主体となる。

その代表的な核種はトリチウム（半減期１２，３年）、
クリプトン８５（半減期１０，８年）、ヨウ素１２９（
半減期１，７×１０７年）、ヨウ素１３１（半減期８日
）、キセノン１３３（半減期５，３日）である。

燃焼度３０．０００ ＨＷＤ／Ｔの使用済の液体金属冷
却高速増殖炉燃料では、１トン当り１００Ｃｉのトリチ
ウム、１０，０ＯＯＣｉのクリプトン８５．５Ｘ１０−
２Ｃｉのヨウ素１２９，１５，０００Ｃｉのヨウ素１３
１，６５，０ＯＯＣｉのキセノン１３３が含まれている
。

これらの核種の重量組成は燃料１トン当りでｏ、Ｈのト
リチウム、３０ｇのクリプトン８５，３００ｇのヨウ素
１２９．１ｇのヨウ素１３１，０．４ｇのキセノン１３
３となっている。

これらの気体状放射性物質を含む気体廃棄物は放射性物
質を除去された後に系外に放出される。

放射性物質の除去はその挙動、性状などに基すいて核種
ごとに分離して行われる。

前記脱気工程３における高温での酸化により燃料中に含
まれていた水素は水となり、トリチウムは水素と同じ化
学的性質を有し、水成分中の水素原子と同位体交換をし
やすいため、水と同一性質のトリチウム水（ＨＴＯ）と
して気体廃棄物中に含有されている。

一方、クリプトン８５、キセノン１３３などの希ガスは
気体状原子として、またヨウ素１２９、ヨウ素１３１は
ヨウ素分子あるいは有機ヨウ素として存在する。

このため気体廃棄物は従来、下記のようにして処理され
ている。

まず高性能フィルタなどにより粒径数間の微粉状となっ
ているＵＯ２，Ｕ３Ｏ８などを集じん工程６で除去した
後、トリチウム水となっているトリチウムをトリチウム
水捕集工程７で除去する。

ついでヨウ素冷却捕集工程８によりヨウ素１２９および
ヨウ素１３１が除去され、さらに希ガス捕集工程９によ
りクリプトン８５およびキセノン１３３が除去される。

前記トリチウム水捕集工程７では水と共にトリチウム水
蒸気を合成ゼオライトなどの吸着材に吸着して除去し、
またヨウ素捕集工程８では液体窒素などを用いた冷却器
１１により処理ガスを一６７°Ｃ以下に冷却してヨウ素
および有機ヨウ素を固体として捕集する。

このような方法に代りカセイソーダなどのアルカリ性溶
液中に処理ガスを通気し、溶液中にヨウ素を捕集するこ
とも可能である。

しかし上記使用済燃料１中の水素およびトリチウムは燃
料１トン当り約１ｇ以下であるため、気体廃棄物中の水
およびトリチウム水の蒸気圧は約０．１ｍｍＨｇ（露点
約−４０’Ｃ）と極めて低い。

一方、吸着材出口部の水およびトリチウム水の蒸気圧を
０．０１ ｍｍＨｇ （露点約−６０°Ｃ）以下にする
ことは工学的に困難であるために、トリチウム水の除去
効率はせいぜい９０％程度である。

さらにトリチウム水捕集工程７ではトリチウム水捕集用
吸着材へヨウ素が吸着されるのを防ぐため、ヒータ１０
により吸着材を加熱しているが、水蒸気に比べてヨウ素
は著しく高濃度であるからヨウ素の吸着されるのを防ぐ
ことは至難である。

したがってヨウ素が吸着材に吸着されるので、吸着機の
トリチウム水捕集効率および捕集容量は大幅に低下する
恐れがある。

一方、ヨウ素捕集工程８をトリチウム水捕集工程７より
先行して行った場合でも、冷却捕集法ではトリチウム水
はヨウ素と同時に凝固し、また溶液捕集法では溶液中に
トリチウムが混入するため、トリチウム水と放射性ヨウ
素を分離して捕集することができない。

さらにトリチウムはトレーサー用の放射性物質あるいは
将来の核融合炉の燃料として再利用できるが、捕集され
たトリチウム水中にヨウ素が混合することは避けられな
いから再利用することが至難である。

本発明は上記にかんがみ気体廃棄物中に低重量濃度で含
まれているトリチウム水蒸気を、放射性ヨウ素などの他
の放射性物質と分離して効率よく除去する方法を提供す
ることを目的とするもので、ヨウ素除去工程をトリチウ
ム水捕集工程に先行して行い、ヨウ素を除去した後に水
蒸気を添加し、この水蒸気と共にトリチウム水蒸気を捕
集するようにすると共に、該ヨウ素除去工程は化学吸着
剤を用いて高温状態で行うことによりヨウ素除去性能を
高め、トリチウム水蒸気工程は物理吸着剤を用いて低温
状態で行うことによりトリチウム除去性能を高めるよう
にしたものである。

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第２図〜第４図において、原子炉において使用された使
用済燃料１は切断工程２で燃料棒の状態から長さ数のに
切断され、次に酸素添加器４から酸素を添加された脱気
工程３において高温下で酸化されることにより、そのガ
ス中から揮発性放射性不純物が脱気された後に、溶解工
程５で硝酸水溶液により溶解される。

一方、切断工程２および脱気工程３で発生した気体状の
放射性不純物を含む気体廃棄物は集じん工程において同
伴した酸化ウランなどの微粒子が除去された後に、ヒー
タ１０により約２００℃に加熱されたヨウ素捕集工程１
２で放射性ヨウ素が除去される。

次に気体廃棄物は水蒸気添加工程１３において、水蒸気
添加器５３により水蒸気が添加された後に、トリチウム
水捕集工程７でトリチウム水および水が除去される。

最後にクリプトン、キセノンなどの希ガス捕集工程９で
除去された後に、放射性物質を含有しない廃棄物として
系外へ放出される。

いま使用済燃料１の処理量０．２トン／臼とした場合、
酸素酸素添加器４から供給される酸素量は約３ Ｎ ｍ
’／ ｈ ｒであり、そのうち約Ｉ Ｎ ｍ’／ ｈ
ｒは二酸化ウランの酸化に使用され、残りの約２Ｎ ｍ
’／ ｈ ｒは気体廃棄物となる。

このため脱気工程３から放出されたときの気体廃棄物中
の水およびトリチウム水の蒸気圧は約０．１ ｍｍＨｇ
（露点的−４０℃）となっている。

一方、ヨウ素１２９の濃度は水蒸気より高濃度の３０
ｇ／ Ｎ ｍ’ （約２ｍｍＨｇ）となっている。

前記ヨウ素捕集工程１２には第３図に示すような銀を合
成ゼオライト、活性アルミナ、シリガゲルなどの吸着材
に含浸した銀添着剤２２を充てんしてなる第１、第２ヨ
ウ素捕集器２０，２１系統が設けられている。

その２系統のうちのいづれか一方で気体廃棄物の処理を
行い、第１ヨウ素捕集器２０の入口弁１６と出口弁１８
、および第２ヨウ素捕集器２１の入口弁１７と出口弁１
９を切換えて開閉させることにより連続運転を行うこと
ができる。

上記ヨウ素捕集器２０．２１には直径１０ｃ＊、長さ約
１扉の銀添着吸着材２２が充てんされている。

第１ヨウ素捕集器２０が稼動中の場合、気体廃棄物はオ
フ・ガス入口配管１４より導入され、第１ヨウ素捕集器
用人口弁１６、第１ヨウ素捕集器２０、同出口弁１８を
経てオフ・ガス出口配管１５より次の工程に送られる。

この場合、第１ヨウ素捕集器側スイツチ２６は閉路して
いるので、電源２５より供給される電気によりヒータ２
３は稼動し、第１ヨウ素捕集器２０を約２００℃に加熱
する。

一方、第２ヨウ素捕集器側のスイッチ２７は開路されて
いるからヒータ２４は稼動していない。

このように第１ヨウ素捕集器２０は２００℃に加熱され
ているため、気体廃棄物中の水およびトリチウム水の相
対湿度は約１０−５％と非常に低い。

実験によると銀添着吸着材２２の水蒸気吸着量は主とし
て相対湿度に依存するので、上記１０−５％という低湿
度では、前記水蒸気吸着量は無視することができる。

一方、銀添着吸着材２２によるヨウ素吸着はヨウ素と銀
の化学反応により行われるため、その捕集効率は高温度
はど犬であることが実験的に確認されており、気体廃棄
物中のヨウ素１２９は除去効率９９．９％以上で除去さ
れる。

銀添着吸着材２２として合成ゼオライトに銀を３８％（
重量）で含浸させた吸着材を用いた場合、約１０日間の
稼動で吸着材は平衡吸着量の約９０％に達して交換を必
要とする。

稼動を終了した第２ヨウ素捕集器２１の銀添着吸着材２
２の交換する場合には、まずパージガス人口弁２９を開
き、パージガス配管３０よりパージガスを第２ヨウ素捕
集器２１に流通し、その内部に滞留している気体廃棄物
をパージガスと共に、第２ヨウ素捕集器用出目弁１９を
経てオフ・ガス出口配管１５よりパージする。

このときパージガス人口弁２８はもちろん閉じられてい
る。

パージを終了した後に第２ヨウ素捕集器２１に充てんさ
れた銀添着吸着材２２を交換する。

前記パージおよび交換時には銀添着部材２２に吸着され
たヨウ素は銀と化合物を形成しているので、放射性ヨウ
素が銀添着吸着材２２から揮発して周辺を汚染する恐れ
はない。

また第２ヨウ素捕集器２１がヨウ素除去に使用されてい
る場合には、上記と同様な操作を行えばよい。

上記のようにして、ヨウ素捕集工程１２において、主と
して化学吸着剤たる鎖部吸着剤により高温状態でヨウ素
が除去された後、次のトリチウム水捕集工程γに入る。

ヨウ素捕集のためには、前述の如く合成ゼオライト、活
性アルミナ、シリカゲルなどの物理吸着作用のあるもの
に含浸した銀添着剤２２を用いたのであるが、この場合
物理吸着は殆んどなされず、合成ゼオライト等は主に化
学吸着剤の担体としての作用を果たすのみで、専ら化学
吸着が行われる。

よって、高温状態例えば上記のように２００℃程度にし
てこのヨウ素捕集工程を行うと、能率良く化学吸着が行
われてヨウ素が除去され、一方物理吸着される水蒸気の
吸着量は前述の如く無視できる程度であり、よってヨウ
素が除去されてトリチウム捕集に支障のない状態になっ
て次のトリチウム捕集工程に入ることになる。

トリチウム捕集工程では、物理吸着によりトリチウム水
を除去するので、低温状態にしてトリチウム除去状能を
高めるようにする。

本例では、室温状態でこのトリチウム捕集工程を行う。

つまり上記の如くヨウ素捕集工程１２でヨウ素を除去さ
れた気体廃棄物は室温まで冷却された後に、水蒸気添加
工程１３で水蒸気添加器５３から約６１ｊ／ｍｉｎの流
量２０℃の飽和水蒸気を含む窒素ガスが注入される。

このため気体廃棄物中の水蒸気圧は約３１ｎ１１ＬＨｇ
（露点−６°Ｃ）に調整される。

ついで加湿された気体廃棄物はトリチウム水捕集工程７
へ送られる。

トリチウム水捕集工程７には第４図に示すように、合成
ゼオライトなどのトリチウム水蒸気吸着材３９（以下吸
着材と称す）を充てんした第１、第２トリチウム水蒸気
捕集器３７，３８（以下筒１、第２トリチウム捕集器と
称す）の２系統が設けられており、前記捕集器３７，３
８は交互に使用される。

その一方例えば第１トリチウム捕集器３７が稼動中の場
合には、第１トリチウム捕集器３７の入口弁３３および
出口弁３５は開かれ、第２トリチウム捕集器３８の入口
弁３４および出口弁３６は閉じられている。

上記トリチウム捕集器３７．３８の吸着材３９は稼動時
には室温（約２０°Ｃ）に保持され、その水蒸気飽和吸
着量は吸着材１ｇ当り約０．２．ｐ（水蒸気）である。

したがって安全余裕を見込んで吸着材１ｇ当り吸着量が
０．１ｇとなったときに、第１トリチウム捕集器３７の
稼動を中止し、他方の再生を終了した第２トリチウム捕
集器３８に切換える。

このときの第１水蒸気捕集器３７の出口露点は約−６０
℃となるため、トリチウム水蒸気の除去効率は約９９．
５％となる。

一方、第１トリチウム捕集器３７がトリチウム水蒸気を
除去している間に、第２トリチウム捕集器３８は再生作
業が実施される。

この場合、第２トリチウム捕集器３８側の再生ガス人口
弁４６および出口弁４８は開かれ、第１トリチウム捕集
器３７側の再ガス人口弁４５および出口弁４７は閉じら
れている。

また第２トリチウム捕集器３８側のスイッチ４４は閉路
されるため、ヒータ４１は電源４２から供給される電気
により作動して第２トリチウム捕集器３８を約１００℃
に加熱する。

一方、プロワ−４９により給送される再生ガスは大口弁
４６を経て第２トリチウム捕集器３８の出口側に供給さ
れ、その捕集器３８内の吸着材３９からこれに吸着され
ている水およびトリチウム水蒸気を離脱させ、この離脱
された水およびトリチウム水蒸気は再生ガスと共に冷却
捕集器５０に送られる。

この冷却捕集器５０は約１℃に冷却されているため、ト
リチウム水蒸気は凝縮して液体となり、弁５１を経て容
器５２に収納される。

このようにして第２トリチウム捕集器３８の再生作業は
約１時間以内で終了する。

逆に第２トリチウム捕集器３８を捕集に使用し、第１ト
リチウム捕集器３７を再生する場合も上記と同様して行
われる。

このトリチウム水蒸気の除去方法によれば、トリチウム
除去工程の前にヨウ素除去工程を配置した結果、ヨウ素
とトリチウムの除去が充分な性能で効率よく行われる。

すなわち、ヨウ素は水（トリチウム水を含む）より飽和
蒸気圧が低く、このため吸着剤に吸着され易いので、ト
リチウム除去工程′をヨウ素除去工程より前置した場合
には、トリチウム除去用吸着剤にヨウ素が吸着され、結
局トリチウム水の除去が妨害されることになる。

ところが本発明では、ヨウ素除去工程が先行するため、
まず先行するヨウ素除去工程ではトリチウム水の存在は
ヨウ素吸着に妨害として働かず、よってヨウ素除去は充
分な性能を発揮できる。

かつ、ここでヨウ素が除去される結果、トリチウム水の
除去がヨウ素の存在によって妨害されることはなく、よ
って後置したトリチウム水の除去が充分な性能をもって
行なわれるものである。

次に高温状態で十分にヨウ素を化学吸着して除去した後
に、トリチウム除去は低温状態で、十分にこれを物理吸
着により除去捕集することができる。

すでにヨウ素は十分に除かれているのでトリチウム除去
の妨害にはならないから、トリチウム水蒸気は効率良く
分別して捕集できるわけである。

更に、本実施例ではトリチウム除去を室温状態で行って
おり、よってトリチウム水を吸着して除去するための合
成ゼオライトを常温において操作できるので、合成ゼオ
ライトの水蒸気飽和吸着量は第５図に示すように、操作
温度２０℃（常温）の場合（曲線Ａ）が操作温度１００
℃（曲線Ｂ）の場合より犬となる。

したがって同一負荷量に対し必要な合成ゼオライト量も
少なくなる。

例えば露点−４０℃のトリチウム水蒸気に対して水蒸気
飽和吸着量は約５倍となり、合成ゼオライト量は５分の
１でよいことになる。

また水添加で露点を０℃に上げたとしても、合成ゼオラ
イト量を２分の１以上に低減できることがわかる。

次に水添加により合成ゼオライトのトリチウム水捕集性
能は第６図に示すように向上する。

すなわち水を添加しない場合は透過率１０％であるが、
露点が一６℃以上になるように水を添加することによっ
て透過率を０．５％以下、換言すれば除去効率は９９．
５％以上となる。

また銀吸着材へのトリチウム水の吸着量は２００℃での
操作によりほぼ皆無で、かつヨウ素を９９．５％以上の
効率により除去できるので、ヨウ素とトリチウム水の純
度が高く、これを利用する場合の純化操作を不要にする
ことが可能である。

また脱気工程においてトリチウムの酸化が不十分な場合
、トリチウムがトリチウム水にならず、トリチウム分子
として存在することが考えられるが、水蒸気の添加によ
りトリチウム分子中のトリチウムと水分子中の水素との
同位体交換反応の起る確率を増加させることができる。

例えば露点４０℃の状態に比べて露点−６０℃の状態で
は、前記確率は約２０倍に増加するので、トリチウム分
子を酸化する装置を不要としあるいは小型化することが
できる。

本実施例における水蒸気添加工程１３は後続のトリチウ
ム水捕集工程７におけるトリチウム水捕集効率の低下を
許容できる場合には省略してもよい。

この場合、操作を簡略化することができる反面、環境へ
のトリチウムの放出量が増大する恐れがある。

また本実施例ではトリチウム水捕集工程７において合成
ゼオライトによる吸着法を用いたが、これに代りコール
ドトラップ法あるいは液体による洗浄法を用いてもよい
が、これらの方法はトリチウム除去効率が低いため、環
境へのトリチウム放出量が増大する恐れがある。

以上説明したように、本発明によれば次のような効果が
ある。

（１）放射性ヨウ素とトリチウムを効率よく分離して捕
集することができるので、純化処理が不要となると共に
、環境への放射性物質の放出を防止することができる。

（２）トリチウム水蒸気を吸着する合成ゼオライトの使
用量を節減することができる。

（３）捕集した放射性ヨウ素に半減期の長いトリチウム
を混入しないので、放射性ヨウ素を減衰処理し高レベル
放射性の固体廃棄物量を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のトリチウム水蒸気の除去方法を示すフロ
ーチャート図、第２図は本発明のトリチウム水蒸気の除
去方法の一実施例を示すフローチャート図、第３図およ
び第４図は本発明に使用されるヨウ素捕集工程およびト
リチウム水捕集工程の各概略図、第５図および第６図は
説明用図である。 符号の説明、７・・・・・・トリチウム水捕集工程、１
２・・・・・・ヨウ素捕集工程、１３・・・・・・水蒸
気添加工程、２０，２１・・・・・・ヨウ素捕集器、２
２・・・・・・銀添着吸着材、３７，３８・・・・・・
水蒸気捕集器、３９・・・・・・水蒸気吸着材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ヨウ素およびトリチウムを含有するガス中からトリ
   チウム水蒸気を除去する方法であって、トリチウム水捕
   集工程に先立ってヨウ素を除去する工程を行い、次いで
   該ヨウ素を除去されたガス中に水蒸気を添加する工程を
   行って、しかる後その水蒸気と共にトリチウム水蒸気を
   補集する工程を行うことによってトリチウム水蒸気を除
   去する構成とすると共に、前記ヨウ素除去工程は化学′
   吸着剤を用いて高温状態で行うことによりヨウ素除去性
   能を高め、トリチウム水蒸気除去工程は物理吸着剤を用
   いて低温状態で行うことによりトリチウム除去性能を高
   めたことを特徴とするトリチウム水蒸気の除去方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、ヨウ素
   除去用の化学吸着剤として銀添着吸着剤を用いることを
   特徴とするトリチウム水蒸気の除去方法。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法にお
   いて、トリチウム水蒸気を捕集する吸着剤として、合成
   ゼオライトを用いることを特徴とするトリチウム水蒸気
   の除去方法。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載
   の方法において、水蒸気を添加する工程は少なくとも露
   点が一４０℃以上になるように水魚、気を添加すること
   を特徴とするトリチウム水蒸気の除去方法。