Alumino-silicate structural formation during alkali-activation of metakaolin; In-situ and ex-situ ATR-FTIR studies

Onutai, S.; 大杉 武史; 曽根 智之

Materials, 16(3), p.985_1 - 985_14, 2023/02

https://doi.org/10.3390/ma16030985

Attenuated total reflectance-Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy was used to demonstrate the reaction mechanisms of alkali-activated materials (AAMs) and the early stage of structure formation in the materials. The effects of different types of alkali activator solutions on the structure formation and reaction mechanisms of AAMs were studied. The results revealed that the main peaks of the ATR-FTIR spectra of the AAMs in the 1300-650 cm range shifted to a low wavenumber with changing patterns depending on the activator solution used, indicating that the dissolution and reorientation of metakaolin had occurred. Silica and alumina monomers were dissolved by the NaOH solution to produce crystalline zeolites. Although the reaction between metakaolin and NaSiO solution is slow, the condensation between the Al-OH from metakaolin and the Si-OH from NaSiO solution bonded the chain to be longer. Therefore, the NaSiO solution acted as a template-bonded monomer, formed long chains of Si-O-Si and Si-O-Al, and produced an amorphous AAM structure. In the mixed solution, when the NaOH in it dissolved the Si and Al monomers, the NaSiO in the solution also bonded with monomers and produced a complex structure. The different reaction that metakaolin had with different alkali activator solutions reflected the different phases, microstructures, and mechanical properties of the AAMs produced.

Performance of steam reforming technology in a long term treatment of waste TBP/dodecane

中川 明憲; 曽根 智之; 佐々木 紀樹; 中澤 修; 田代 清

Proceedings of International Waste Management Symposia 2011 (WM2011) (CD-ROM), 7 Pages, 2011/03

https://www.wmsym.org/archives/2011/papers/11079.pdf

A long term pilot scale experiment with steam reforming treatment technology was conducted for volume and weight reduction of uranium contaminated waste tri-n-butyl phosphate/n-dodecane solvent (TBP/dodecane) which was difficult to incinerate. The technology consists of a steam reforming process and a submerged combustion process. In the first process, TBP/dodecane is vaporized and pyrolyzed with superheated steam in a reducing atmosphere. In the second process, the decomposition gases are completely burned in a submerged combustion reactor. A short term treatment test was carried out before the long term test. The test achieved high mass reduction rate of the waste TBP/dodecane at least 99.3% though severe corrosion of the gasification chamber were observed. This problem was solved by sacrificial anode. After the improvement, the system could be operated safely for 960 hours, the averaged mass reduction rate was 99.6% that was slight higher than the short test one.

余裕深度処分における人為・稀頻度事象シナリオに係る検討・評価

中谷 隆良; 石戸谷 公英; 船橋 英之; 菅谷 敏克; 曽根 智之; 嶋田 秀充*; 中居 邦浩*

JAEA-Research 2009-064, 104 Pages, 2010/03

JAEA-Research-2009-064.pdf:14.45MB

本検討は、余裕深度処分対象廃棄物を処分するために必要となる情報を整備する一環として、「低レベル放射性廃棄物埋設に関する安全規制の基本的考え方(中間報告)」(平成19年7月、原子力安全委員会)に基づき日本原子力学会にて策定された「日本原子力学会標準余裕深度処分の安全評価手法:2008」等を参考に、3区分のシナリオのうち「人為・稀頻度事象シナリオ」について、評価シナリオを設定した。さらに、設定したシナリオについて被ばく線量評価が可能な解析ツールを整備するとともに、設定したシナリオについて予備的な線量評価を実施した。評価の結果、対象とした評価シナリオのうち、掘削影響領域(EDZ)からの井戸水飲用シナリオが最も高い被ばく線量を示した。本シナリオは、保守的に評価した場合の被ばく線量の上限を評価するという観点から、EDZからの井戸水を直接飲用に用いることを想定したシナリオであった。評価結果は10mSv/yを超えたものの、人為・稀頻度事象シナリオのめやす線量である10mSv/y100mSv/yの上限を超過しなかった。

水蒸気改質処理法によるウランを含有する廃TBP/n-ドデカンの長期連続処理

曽根 智之; 中川 明憲; 小山 勇人; 郡司 清; 野中 一晴; 佐々木 紀樹; 田代 清; 山下 利之

JAEA-Technology 2009-023, 33 Pages, 2009/06

JAEA-Technology-2009-023.pdf:8.11MB

水蒸気改質処理法は、有機廃棄物を過熱水蒸気で分解・ガス化させ、ウラン等の非揮発性の放射性核種を有機物と分離したのち、ガス化した有機物を高温空気で酸化分解するものである。ウランを含有する約2500Lの廃TBP/n-ドデカンの処理を実施し、長時間処理における装置性能を評価した。この結果、長期処理においても、装置内温度が設計通りに制御されること,排ガス中のCO濃度及びNOx濃度は規制値未満に制御されること,排ガス処理系へのウラン移行率及び廃TBP/n-ドデカンのガス化率は短時間処理と同等の性能を維持すること等が確認された。水蒸気改質処理法は廃TBP/n-ドデカンの長時間処理に対して安定した運転が可能で減容効果も高い処理技術であることが示された。

改質硫黄固化処理法による模擬鉛廃棄物及び模擬低レベル放射性廃液の固化性能確認試験(共同研究)

曽根 智之; 佐々木 紀樹; 宮本 泰明; 山口 大美; 井上 陽佳*; 木原 勉*; 武井 義久*; 竪川 孝生*; 深谷 正明*; 入矢 桂史郎*; et al.

JAEA-Technology 2008-032, 25 Pages, 2008/03

JAEA-Technology-2008-032.pdf:5.54MB

改質硫黄はセメントに比べて遮水性,耐酸性等に優れた性能を有しており、これを用いて作製した固化体には、セメント固化体に比べて高い耐浸出性が期待できる。本試験では、放射性鉛廃棄物及び低レベル放射性廃液の模擬試料を対象に作製した改質硫黄固化体を用いて一軸圧縮強度試験及び浸出試験を実施し、それぞれの廃棄物に対する改質硫黄固化法の適用性を検討した。今回の試験で得られた結果から、金属鉛を対象に作製した改質硫黄固化体の耐浸出性は、セメント固化体を大きく上回ることが明らかとなり、改質硫黄固化法は金属鉛廃棄に対してセメント固化法に代わる有効な処理法となる可能性を有することが確認された。一方、酸化鉛及び模擬低レベル放射性廃液を対象に作製した改質硫黄固化体の耐浸出性は、セメント固化体と同程度もしくはそれ以下であり、改質硫黄固化法はセメント固化法に代わる処理法としては期待できないことがわかった。

水蒸気改質処理法による模擬TBP/n-ドデカン及びフッ素系油の処理試験

曽根 智之; 野中 一晴; 佐々木 紀樹; 山口 大美

JAEA-Technology 2007-063, 42 Pages, 2008/01

JAEA-Technology-2007-063.pdf:2.17MB

二次廃棄物が多量に発生する等の理由により焼却処理が適さない有機系廃棄物(リン酸トリブチル廃溶媒,フッ素油を含む廃油等)の処理技術として、水蒸気改質処理法の開発を実施している。本試験では、模擬廃溶媒(TBP/n-ドデカン混合物)及び模擬廃油(フッ素油/鉱物油混合物)に対する実証規模水蒸気改質処理試験装置の処理性能の確認及び運転条件の最適化等を行った。試験の結果、次の成果が得られた。(1)水蒸気改質処理による模擬廃溶媒及び模擬廃油のガス化率は98wt%以上であった。また、二次廃棄物として回収された残渣は十分に無機化されていた。(2)模擬廃油の処理において、放射性物質除去用フィルタの閉塞が確認されたが、水蒸気供給量を1.5kg/hから3.0kg/hに増加させることで閉塞の原因となっている無機炭素が生成しにくくなり、フィルタの閉塞を抑制できることが明らかになった。(3)模擬廃溶媒の処理において、ガス化プロセスにおける加熱温度を600650Cに設定することでTBPの分解で生成したリン酸の大部分が蒸発した。この条件で廃溶媒を処理することにより放射性二次廃棄物になる残渣の発生量低減の可能性が示された。

Reduction of radioactive secondary waste with steam reforming in treatment of waste TBP/dodecane

曽根 智之; 佐々木 紀樹; 山口 大美

Proceedings of 11th International Conference on Environmental Remediation and Radioactive Waste Management (ICEM '07) (CD-ROM), 5 Pages, 2007/00

https://doi.org/10.1115/ICEM2007-7144

原子力機構では燃料再処理の研究開発において発生した廃TBP/ドデカン溶媒を保管している。この廃溶媒の焼却による無機化において、多量のリン化合物が放射性二次廃棄物として発生することが予想され問題となっている。本研究の目的は、廃溶媒の処理に水蒸気改質処理法を適用することで放射性二次廃棄物の発生量を減少させることにある。本研究では、ウラン濃度0.07g/Lの廃TBP/ドデカン溶媒を対象に実証規模の水蒸気改質処理試験装置を用いて分解試験を実施し、無機リン化合物のガス化率のガス化装置温度依存性とフィルタにおけるウラン除去率を調査した。その結果、ガス化装置温度を600C以上に設定することで廃棄物に含まれているリンの90%以上をガス化できること,オフガス処理系から発生した廃液中のウラン濃度は検出下限値未満となり、廃液をウラン濃度が法規制値未満の液体廃棄物として廃棄できることがわかった。この成果により、水蒸気改質処理法は、TBP/ドデカンの処理で発生する二次廃棄物量を低減させる効果的な手法であることが確認された。

水蒸気改質法を用いた低レベル放射性有機廃棄物の処理,4

曽根 智之; 野中 一晴; 佐々木 紀樹; 山口 大美

no journal, , 

水蒸気改質処理法は、高温の水蒸気雰囲気中で有機廃棄物をガス化させ、ガスを空気と混合させて水,二酸化炭素に酸化・分解する方法であり、原子力機構が保有する焼却が困難な有機系廃棄物の分解・安定化処理に対し有望な技術である。これまでに実施したフッ素系油及びTBP溶媒の処理試験の結果から各試料のガス化率が98%以上となり廃棄物の減容性が高いこと,排ガス中の環境規制物質濃度が規制値を下回る等の安定な処理運転を可能とする条件が確認された。一方、TBP溶媒について、処理装置内でのリンの挙動が明らかになっていないこと,フッ素系油について、処理の際に放射性物質除去用フィルタが閉塞して差圧が上昇し、連続運転に支障をきたすことが課題となっていた。本報では、TBP溶媒(TBP30wt%,ノルマルドデカン70wt%)について、ガス化装置内でのリン酸化物のガス化挙動,スクラバ,デミスタにおけるリン酸化物の捕集率等の評価を実施し、ガス化温度550Cから600Cの間の温度を境にしてリンの移行特性に明確な違いがあることなどが明らかとなった。また、フッ素系油(鉱物油88wt%,ダイフロイル12wt%)について、水蒸気比(供給する水蒸気と試料の重量比)0.5, 1, 1.5の3条件で試験を実施し、フィルタの閉塞抑制に対する水蒸気の効果について検討した。その結果、フィルタの差圧上昇割合は、水蒸気比0.5では0.4kPa/h,1では0.2kPa/h,1.5では0.1kPa/hとなり、水蒸気が高温フィルタの閉塞抑制に効果があること,8時間の連続運転に際して水蒸気比1以上の条件が必要なことがわかった。

水蒸気改質処理法によるウラン系有機廃溶媒の長期連続処理

小山 勇人; 曽根 智之; 佐々木 紀樹; 山下 利之

no journal, , 

水蒸気改質処理法は、廃棄物中の有機物のガス化を行うガス化工程,ガス化した有機物の酸化分解を行う燃焼工程,排ガス中のリン酸等の除去を行う排ガス処理工程から構成される。水蒸気改質処理法による天然ウランで汚染したTBP/n-ドデカン廃溶媒約3000Lの連続処理試験を実施し、所定のガス化性能(廃棄物ガス化率,ウラン分離率)が得られること及び安定した燃焼特性(燃焼温度,排ガス中のCO濃度等)を維持できることを確認した。

余裕深度処分における被ばく線量評価,1; 基本・変動シナリオの検討・評価

中谷 隆良; 菅谷 敏克; 曽根 智之; 石戸谷 公英; 船橋 英之; 佐々木 良一*; 下田 紗音子*; 黒沢 満*

no journal, , 

日本原子力研究開発機構では、保有する余裕深度処分の対象となる放射性廃棄物について、処分の実現に向けた準備作業を進めている状況にある。この処分を実現させるためには、対象廃棄物が安全に処分できることを確認する必要がある。本研究では、「日本原子力学会標準余裕深度処分の安全評価手法:2008」等を参考に、原子力安全委員会報告書(平成19年7月)に示された3区分のシナリオ分類のうち「基本シナリオ」及び「変動シナリオ」について、想定される処分システムの状態変化及び被ばく経路の可能性を考慮し、評価シナリオを設定するとともに、設定した評価シナリオについて、一般公衆に対する予備的な被ばく線量評価を実施した。