JP2019027888A - 放射線遮蔽材、および放射性物質保管容器 - Google Patents

Abstract

【課題】放射性セシウム含有焼却飛灰を含むジオポリマーからなる放射線遮蔽材と、この放射線遮蔽材から構築した放射性物質保管容器を提供する。【解決手段】放射性セシウム含有焼却飛灰と、アルカリ活性剤と、カルシウムアルミネート水和物とを含む組成物を、混練、固化してなるジオポリマーからなる放射線遮蔽材、及びこの放射線遮蔽材を備える放射性物質保管容器。【選択図】図１

Description

本発明は、放射性セシウム含有焼却飛灰を含むジオポリマーからなる放射線遮蔽材と、この放射線遮蔽材から構築した放射性物質保管容器に関する。

東京電力福島第１原発での事故により、大量の放射性物質が環境中に放出された。特に、放射性セシウムは、半減期が比較的長く、長期に亘って土壌中に残留する。セシウムは、電子軌道がカリウムに類似しており、植物がカリウムと間違って取り込みやすい。そのため、落ち葉、枯れ木等の植物体や、震災により発生した瓦礫、除染物等を焼却すると、放射性セシウムが濃縮された放射性セシウム含有焼却灰が発生する。この焼却灰は、土壌等とともに中間貯蔵施設に保管するため、放射性セシウムを安定的に固定する方法、減容化する方法が求められている。

特許文献１には、放射性セシウム含有焼却灰等のセシウム含有廃棄物を不溶化して処理する方法として、セシウム含有廃棄物をジオポリマーとして固化させる処理方法が記載されている。特許文献１に記載された方法は、固化された被処理物からセシウムは溶出しないが、固化後の被処理物はそのまま保管するだけであり、その他の用途として活用することは記載されていない。

特開２０１４−３２０３１号公報

本発明は、放射性セシウム含有焼却飛灰を含むジオポリマーからなる放射線遮蔽材と、この放射線遮蔽材から構築した放射性物質保管容器を提供することを課題とする。

本発明の課題を解決するための手段は、以下のとおりである。
１．放射性セシウム含有焼却飛灰と、アルカリ活性剤と、カルシウムアルミネート水和物とを含む組成物を、混練、固化してなるジオポリマーからなることを特徴とする放射線遮蔽材。
２．前記組成物が、腐食抑制剤を含むことを特徴とする１．に記載の放射線遮蔽材。
３．前記組成物が、放射性セシウム含有焼却主灰を含むことを特徴とする１．または２．に記載の放射線遮蔽材。
４．鉄筋が包埋されていることを特徴とする１．〜３．のいずれかに記載の放射線遮蔽材。
５．前記鉄筋が、エポキシ樹脂塗装鉄筋、または、ステンレス鉄筋であることを特徴とする４．に記載の放射線遮蔽材。
６．１．〜５．のいずれかに記載の放射線遮蔽材を備えることを特徴とする放射性物質保管容器。
７．前記放射線遮蔽材で形成された直方体形状のユニット部材が組み合わされてなることを特徴とする６．に記載の放射性物質保管容器。

本発明の放射線遮蔽材は、比重が１．９〜２．１程度であり、高い放射線遮蔽能を備える。活性フィラーとして放射性セシウム含有焼却飛灰、さらに、非活性フィラーとして放射性セシウム含有焼却主灰を用いることにより、ジオポリマーからなる放射線遮蔽材中にさらに多くの放射性セシウムを固定化することができる。放射性セシウム含有焼却飛灰は塩化物を多く含むが、本発明の放射線遮蔽材は、カルシウムアルミネート水和物により、塩化物を固定できるため、接触する金属の腐食を防ぐことができる。さらに、腐食抑制剤を含有することにより、防錆効果をより高めることができる。鉄筋や鉄骨が包埋されたジオポリマーは、強度に優れるため、厚く重たいものでも揚重時等に破損せず、また、大量に積み重ねて使用、保管することができる。また、耐食性に優れるエポキシ樹脂塗装鉄筋、ステンレス鉄筋を用いても、その腐食が懸念される程度にジオポリマー中の塩化物量が多い場合においても、カルシウムアルミネート水和物により塩化物の一部を固定することで、長期間に亘り鉄骨の腐食を防止することができる。

本発明の放射線遮蔽材は、放射性セシウム含有焼却飛灰を含み、それ自体が放射線を発するが、放射線を遮蔽することができるため、放射性物質保管容器とすることができる。例えば、１万Ｂｑ／ｋｇの放射性セシウム含有焼却飛灰を含む放射線遮蔽材から放射性物質保管容器を構築し、この容器に１０万Ｂｑ／ｋｇの高濃度放射性物質を保管した場合であっても、容器内部からの放射線の多くは遮蔽されるため、保管前後での容器外部への放射線量の増加は僅かである。また、本発明の放射性物質保管容器は、化学的耐久性に優れたジオポリマーからなるため、硫酸塩や塩化物を含む焼却灰を長期間に亘って保管しても、容器が腐食しない。放射性セシウム含有焼却飛灰を活性フィラー、さらに放射性セシウム含有焼却主灰を非活性フィラーとして用いたジオポリマーからなる放射線遮蔽材から製造した放射性物質保管容器を用いることにより、中間貯蔵施設、最終処分場等の収容可能量に対する保管する放射性物質量を多くすることができ、収容可能量を有効に利用することができる。

外形が立方体や直方体で、内部に放射性物質を充填するための空間を持つ放射性物質保管容器を製造する場合、直方体形状のユニット部材を組み合わせて構築すると、容器を一体成型する場合と比べて、型枠への打込みなどの施工が容易であり、作業時間の低減により、作業員の被曝量を抑えることができる。また、直方体形状のユニット部材は、固化時、固化後に大きく収縮しても、ひび割れが起こりにくく、容器外部への放射線や放射性物質の漏れを防止することができる。直方体形状のユニット部材は、積み重ねた際の隙間を小さくすることができ、多くのユニット部材を省スペースで蒸気養生することができる。また、製造後は同様に、多くのユニット部材を省スペースで保管することができる。さらに、直方体形状のユニット部材を組み合わせて容器を構築するに際して、直方体形状のユニット部材と直方体形状のユニット部材の接合部に適切な緩衝材を設けることで、容器構築後の直方体形状のユニット部材の収縮によるひび割れの発生を防ぐことができ、容器外部への放射線や放射性物質の漏れを防止することができる。また、直方体形状のユニット部材の形状を、三辺の長さｘ、ｙ、ｚ（ｘ＞ｙ＞ｚ）が、ｘ≒ｙ＋２ｚとすることで、単一の形状の部材を用いて容器を形成できるため、型枠の共通化による使用資材の削減や、作業の単純化による歩留りの向上など、容器の生産の合理化を図ることができる。

直方体形状のユニット部材が、三辺の長さｘ、ｙ、ｚ（ｘ＞ｙ＞ｚ）が、ｘ≒ｙ＋２ｚであるときの概略図。 同一の直方体形状のユニット部材のみを用いて構築した放射性物質保管容器の概略図。

「ジオポリマー」
ジオポリマーとは、アルミニウムとケイ素を主原料として構成されたアモルファス状の無機材料であり、活性フィラーとアルカリ活性剤が反応して生成される３次元の網目構造を有する固化体である。本発明は、活性フィラーである放射性セシウム含有焼却飛灰と、アルカリ活性剤と、カルシウムアルミネート水和物とを含む組成物を混練、固化してなるジオポリマーを用いることを特徴とする。また、本発明において、ジオポリマーを形成するための組成物は、放射性セシウム含有焼却主灰や骨材等の非活性フィラー、添加剤等を含むことができる。

「放射性セシウム含有焼却飛灰」
放射性セシウム含有焼却飛灰とは、ゴミ焼却場等で生じる放射性セシウムを含有する焼却飛灰である。ここで、焼却場で生じる焼却灰は、飛灰と主灰とに大別できる。飛灰とは、排ガス中の煤塵であり、主灰とは、焼却炉の炉底に溜まる残渣である。飛灰は、主灰と比べて、セシウム、重金属、塩素を多量に含む。また、含有するアルミニウムやケイ素により活性フィラーとして作用することができ、アルカリ活性剤と反応・固化してジオポリマーとすることができる。

「アルカリ活性剤」
アルカリ活性剤は、放射性セシウム含有焼却飛灰に含まれるアルミニウムやケイ素の縮重合反応を促進するものである。アルカリ活性剤を構成するアルカリには、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムなどのアルカリ金属、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどの広義のアルカリ土類金属が適しており、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化セシウムなどの水酸化物や、ケイ酸ナトリウムやケイ酸カリウムあるいはケイ酸ナトリウム水溶液（水ガラス）等を用いることができる。また、これらの金属を含む炭酸塩、硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩なども用いることができる。特に炭酸セシウムは、水に対する溶解度が高く、水溶液として用いるのに適している。

アルカリ活性剤はこれらの物質のうち、１種または複数を組み合わせて使用する。本発明は、放射性セシウム含有焼却飛灰を活性フィラーとして用いるため、ナトリウムまたはカリウムの水酸化物とケイ酸ナトリウム水溶液（水ガラス）を組み合わせることが、良好な固化物が得られることから好ましい。さらに好ましくは、アルカリ活性剤または活性フィラーに水酸化セシウムまたは炭酸セシウムを添加すると、添加しない場合よりさらに放射性セシウムの溶出を抑制することができる。

アルカリ活性剤は、水ガラスを含むケイ酸アルカリの水溶液を単独で、または水酸化アルカリの水溶液と混合して用いることが好ましく、ケイ酸アルカリの水溶液の濃度は０．５ｍｏｌ／Ｌ以上１０．０ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましく、５ｍｏｌ／Ｌ以上１０．０ｍｏｌ／Ｌ以下であるとより好ましい。水酸化アルカリの濃度は７ｍｏｌ／Ｌ以上１５ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。ケイ酸アルカリの水溶液と水酸化アルカリの水溶液の混合比は、水酸化アルカリの水溶液／ケイ酸アルカリの水溶液の重量比で０以上４以下であることが好ましい。なお、ケイ酸アルカリの水溶液には、ＪＩＳ Ｋ １４０８に示される水ガラスが使用できる。

アルカリ活性剤は、活性フィラー１００重量部に対し、３０重量部以上９０重量部以下加えることが好ましく、型枠に打ち込むために流動性を得るためには、４０重量部以上加えることがさらに好ましい。また、放射性セシウムの溶出率の低減の観点から、３０重量部以上７５重量部以下加えることがさらに好ましい。すなわち、アルカリ活性剤は、活性フィラー１００重量部に対し、４０重量部以上７５重量部以下加えることが実用上、好適である。

「カルシウムアルミネート水和物」
放射性セシウム含有焼却飛灰は、除染物や家庭ごみなど様々な廃棄物が焼却されて生じたものであり、塩化物イオンを豊富に含む。そのため、放射性セシウム含有焼却飛灰を含む組成物を固化したジオポリマーは、鉄筋を加えて補強すると塩化物イオンにより鉄筋が腐食してしまう。
カルシウムアルミネート水和物（以下、ハイドロカルマイトともいう。一般式：３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＸ_２／ｍ・ｎＨ_２Ｏ［式中、Ｘは１価または２価のアニオンであり、ｍはアニオンの価数を表し、ｎ≦２０を表す］）は、塩化物イオンを吸着、固定することができるため、ポルトランドセメントの塩分吸着剤として知られている（特公平０７−１１５９００号公報参照）。また、上記、ハイドロカルマイトの一般式において、ＸがＮＯ_２ ⁻である場合には、当該物質が塩分吸着剤として、鉄筋の腐食要因である塩化物イオンを吸着するのみならず、腐食抑制効果のある亜硝酸イオンを放出する作用を有するため、優れた塩害防止効果を発揮することが知られており（特公平０７−１１５９００号公報参照）、優れた防錆効果を奏する。

ジオポリマーにおいても、組成物にカルシウムアルミネート水和物を含ませることにより、焼却飛灰中の塩化物イオンを吸着、固定し、ジオポリマーに接触する鉄筋等の金属材料の腐食を防ぐことができる。カルシウムアルミネート水和物は、塩分吸着剤として市販されているものを適宜使用することができる。なお、一般式：３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＸ_２／ｍ・ｎＨ_２Ｏで示されるハイドロカルマイトは、Ｘ以外にも、Ｆｅ_２Ｏ_３を固溶したり、その他の不純物を含むことがあるが、粉末Ｘ線回折法により、一般的な知見でハイドロカルマイトと同定されるものであれば、使用することができる。例えば、国際非営利科学組織：Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄａｔａ（国際回折データセンター）の発行するＰｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｆｉｌｅの００−０３１−０２４５あるいは００−０１６−０３３３に示されるデータを用いて同定することができる。

また、ハイドロカルマイトは、ハイドロカルマイトを加えることのほかに、ハイドロカルマイトを生成する化合物を加えることもできる。カルシウムアルミネート化合物と、カルシウムアルミネート化合物とＣａ（ＯＨ）_２の混合物がハイドロカルマイトと同じ化学組成となるように化学量論的に添加量を調整したＣａ（ＯＨ）_２を、ジオポリマーを製造する際の組成物に混合して、ジオポリマーの製造に用いても、ハイドロカルマイトを加えることができる。カルシウムアルミネート化合物はＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３が主成分である。化学組成がＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比で０．１５以上０．７以下の範囲にあるものを使用することが好ましい。

「エポキシ樹脂塗装鉄筋、ステンレス鉄筋」
放射性セシウム含有焼却飛灰は、カルシウムアルミネート水和物とともにジオポリマーとして固化されるが、焼却飛灰中の塩化物量が多い場合には、カルシウムアルミネート水和物の添加量が増え、高コストとなり、また、固化後の強度が低下する場合がある。ここで、エポキシ樹脂塗装鉄筋（土木学会規準ＪＳＣＥ Ｅ １０２「エポキシ樹脂塗装鉄筋の品質規格」）やステンレス鉄筋（ＪＩＳ Ｇ ４３２２）は、塩化物に対する耐食性に優れる鉄筋として知られており、例えば、ステンレス鉄筋（ＳＵＳ ３１６−ＳＤ）を用いると、固化体中の塩化物量が２４ｋｇ／ｍ^３程度までは、防食性能を期待して使用することができる（土木学会：コンクリートライブラリー１３０、ステンレス鉄筋を用いるコンクリート構造物の設計施工指針（案）、２００８年）。そのため、焼却飛灰中の塩化物量が多いときに鉄筋などの補強材を用いる場合には、通常の鋼材（例えば、ＪＩＳ Ｇ３１１２、Ｇ３１１７相当の鉄筋）に代わり、エポキシ樹脂塗装鉄筋やステンレス鉄筋を使用することが好ましい。なお、鉄筋の防食の観点から、炭素繊維やアラミド繊維を樹脂で固めた棒材が鉄筋の代替材となることが知られている。本発明においても適用できるが、コストが高いこと、曲げ加工など加工が容易でないことから、カルシウムアルミネート水和物と、エポキシ樹脂塗装鉄筋あるいはステンレス鉄筋の併用で十分な効果が期待できない場合に適用することが好ましい。

カルシウムアルミネート水和物の添加量は、使用する鉄筋の材質や予定する使用期間により、ジオポリマー中の塩化物量に合わせて決定する。なお、求める添加量は下限を示すものであって、製造や固化後の性能、あるいはコストの面で障害にならなければ、増やすこともできる。
まず、ジオポリマー組成物１ｍ^３あたりのカルシウムアルミネート水和物の添加量を、重量単位（ｋｇ／ｍ^３）で初期値としてＨＣと仮定する。次に、ジオポリマー組成物１ｍ^３あたりの塩化物量（単位：ｋｇ／ｍ^３）を求める。組成物１ｍ^３あたりの塩化物量は、活性フィラー、アルカリ活性剤、非活性フィラー等の塩化物の含有率と使用量の積を合計して算出する。

つづいて、下記表１を用いて、鉄筋の材質と使用期間から、ジオポリマー中の塩化物量の上限（単位：ｋｇ／ｍ^３）を定める。

※：エポキシ樹脂塗装鉄筋における塩化物量の上限は、下記式１に示す計算に基づく。同様な計算により、エポキシ樹脂塗装の品質が異なる場合や使用期間が異なる場合のジオポリマー中の塩化物量の上限を求めることができる。なお、上限を示す値であるため、計算結果の端数処理においては“切り捨て”ている。
＃：土木学会，ステンレス鉄筋を用いるコンクリート構造物の設計施工指針（案），コンクリートライブラリー１３０、２００８年。
（式１）
Ｃ_０＜Ｃ／（１−ｅｒｆ(ｘ/２√Ｄｔ)）
式はフィックの拡散則に基づく。
Ｃ_０ ：ジオポリマー中の塩化物量の上限（ｋｇ／ｍ^３）
Ｃ ：エポキシ樹脂塗装鉄筋に用いた鉄筋の腐食発生限界塩化物イオン濃度
（ＪＩＳ Ｇ３１１２、Ｇ３１１７相当の鉄筋であれば１．２ｋｇ／ｍ^３、 表１の計算ではこの値を適用）
ｅｒｆ：誤差関数
ｘ ：エポキシ樹脂塗装の厚さ（ｃｍ：表１の計算では０．０２２ｃｍ）
Ｄ ：エポキシ樹脂塗装内の塩化物イオンの拡散係数
（ｃｍ^２／年：表１の計算では２．０×１０^−６ｃｍ^２／年）
ｔ ：使用期間（年）

上記式１において、塩化物量のばらつきについて安全係数を設定する場合には、Ｃを安全係数で除する。また、エポキシ樹脂塗装の厚さのばらつきについて安全係数を設定する場合には、ｘを安全係数で除する。
計算に用いた値（上のパラメーターの説明で示した値）は、土木学会、エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いる鉄筋コンクリートの設計施工指針［改訂版］、コンクリートライブラリー１１２、２００３年による。

ジオポリマー組成物１ｍ^３あたりの塩化物量のうち、カルシウムアルミネート水和物で吸着または固定されない塩化物量が、ジオポリマー中の塩化物量の上限を越えないように、下記式２を満足するよう、カルシウムアルミネート水和物の添加量：ＨＣの最適化を行い、ＨＣを決定する。
（式２）
［ジオポリマー中の塩化物量の上限］≧［ジオポリマー中の塩化物量］−（［カルシウムアルミネート水和物の添加量：ＨＣ（※）］／０．５６０×２×３５．５／１０００）
※：カルシウムアルミネート水和物を３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｃａ（ＯＨ）_２・１２Ｈ_２Ｏとしたときの、ジオポリマー組成物１ｍ^３あたりの重量。亜硝酸塩を含むとき、水や不純物などの共存物があるときは、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｃａ（ＯＨ）_２・１２Ｈ_２Ｏに換算して計算する。
式２中、３５．５は塩素の原子量、２は１モルの３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｃａ（ＯＨ）_２・１２Ｈ_２Ｏに固定される塩化物イオンのモル数、０．５６０は３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｃａ（ＯＨ）_２・１２Ｈ_２Ｏの式量に従い、１モルあたりの重量（ｋｇ）を表す。

「腐食抑制剤」
本発明において、鉄筋の防錆は、カルシウムアルミネート水和物の添加と鉄筋の材質の選択により行うが、通常の鉄筋（ＪＩＳ Ｇ３１１２、Ｇ３１１７相当品）や同等の防食性を有する鉄骨を用いる場合には、使用中の外部からの塩化物イオンの浸入や、焼却灰の塩化物含有量のばらつきに対応するため、腐食抑制剤を併用することが好ましい。腐食抑制剤を鉄筋等の鋼材に塗布することやジオポリマー組成物に混合することにより、鉄筋や鉄骨などの金属表面に保護膜を形成して、防錆を行うことができる。腐食抑制剤としては、無機系、有機系のいずれも使用することができる。無機系の腐食抑制剤として、各種のクロム酸塩、亜硝酸塩、ケイ酸塩、ポリリン酸塩などが使用できる。特に、亜硝酸塩は、上記したようにカルシウムアルミネート水和物と併用することで優れた防錆効果を奏する。亜硝酸塩は特定されることなく、亜硝酸リチウム、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カルシウム等を用いることができる。有機系の腐食抑制剤として、オレイン酸、ダイマー酸、ナフテン酸などのカルボン酸、カルボン酸金属石鹸（ラノリン酸Ｃａ、ナフテン酸Ｚｎ、酸化ワックスＣａ塩、酸化ワックスＢａ塩など）、スルフォン酸塩（Ｎａスルフォネート、Ｃａスルフォネート、Ｂａスルフォネート）、アミン塩、エステル（高級脂肪酸のグリセリンエステル、ソルビタンモノイソステアレート、ソルビタンモノオレエートなど）、リン酸エステルなどを使用することができる。

腐食抑制剤は、作用成分を直接、鋼材に作用させられることと、ジオポリマーを構成する他の成分との化学反応における干渉の有無を検討する必要がないことから、ジオポリマー組成物の型枠への打込みに先立って、鉄筋等の鋼材に直接塗布することが好ましい。腐食抑制剤には市販されているものを利用することができ、ジオポリマーに適用するための特別な配慮をすることなく、用法に従い、塗布すればよい。

「その他の材料」
本発明において、ジオポリマーを形成する組成物には、非晶質アルミノシリケート（ケイ酸アルミニウム）を含有する、イライト、スティルバイト、カオリナイト、ピロフィライト、アンダルサイト、ベントナイト、カイヤナイト、ミラナイト、グロブナイト、アメス石、コージライト、長石、アロフェンなどの鉱物、メタカオリンなど含水鉱物をか焼したもの、フライアッシュ、高炉水砕スラグ、籾殻灰（ライスハスクアッシュ）、シリカフュームなどの産業副産物、アルミノシリケートを組成とする合成ガラス（ガラス製品）、アルミナセメント、コロイダルシリカ、ガラス状シリカ、シリカゲル、沈降シリカなどの工業製品、軽石や火山灰などの火山噴出物、などを活性フィラーの一部として追加することができる。上記した活性フィラーとして作用する成分を配合することにより、焼却物や焼却施設などの相違により、放射性セシウム含有焼却飛灰の化学組成や化学的な性質が異なる場合でも、適切な性状を有する固化物（ジオポリマー）を得ることができる。放射性セシウム含有焼却飛灰をジオポリマーとして固化し、放射性セシウムの溶出率を低減するためには、メタカオリンやフライアッシュや高炉水砕スラグを活性フィラーとして添加することが好ましく、その割合は活性フィラーの合計１００重量部あたり、１０重量部以上、４０重量部以下とすることが好ましい。放射性セシウムなどの有害物の溶出率を低減するためには、メタカオリンを用いることがより好ましい。

また、放射性セシウム含有焼却主灰、土壌（特に東京電力福島第１原発での事故により放射性物質で汚染された土壌）、東京電力福島第１原発での事故により放射性物質で汚染された地下水等を浄化した際に使用した吸着材やイオン交換樹脂、同様な浄水処理の過程で発生する主たる成分が水酸化鉄、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムのいずれかあるいは混合物である沈殿物、骨材としての役割を有する砂や砂利、砕石等を非活性フィラーとして配合することができる。特に、放射性セシウム含有焼却主灰は、これまで有効な固定化法が知られていなかったが、本発明のジオポリマーとして固化することにより、溶出を防ぐことができる。
非活性フィラーを混合する際、主灰や土壌、沈殿物などを用いる場合は、強度が著しく低下しないよう、活性フィラー１００重量部に対する、非活性フィラーの割合が５０重量部以下であることが好ましい。
非活性フィラーを混合する際、砂や砂利などの骨材を用いる場合は、活性フィラー１００重量部に対する、非活性フィラーの割合が２００重量部以下であることが好ましい。

下記表２に、本発明の放射線遮蔽材を構成するためのジオポリマー組成物の配合例を示す。なお、表２において、「固定されない塩化物量」とは、放射性セシウム含有焼却飛灰に含まれる塩化物量のうち、組成物に含まれるカルシウムアルミネート水和物により固定されない塩化物量を意味する。表１の「ジオポリマー中の塩化物量の上限」より、「固定されない塩化物量」が２６ｋｇ／ｍ^３より少ない配合例１〜５は、エポキシ樹脂塗装鉄筋を使用した場合、３０年の耐用年数を有する。また、「固定されない塩化物量」が１５ｋｇ／ｍ^３より少ない配合例６〜１０は、ステンレス鉄筋ＳＵＳ３０２−ＳＤを用いることで、使用期間を規定することなく使用することができる。

「ジオポリマーの製造方法」
ジオポリマーは、放射性セシウム含有焼却飛灰とアルカリ活性剤とカルシウムアルミネート水和物と、その他の任意成分を含む組成物を、混練、養生、固化させてなる。
ジオポリマーの混練方法は、常法に従って行うことができ、例えば、以下の方法が挙げられる。
「ジオポリマーの混練方法１」
（１）アルカリ活性剤と水を混合
（２）活性フィラーと非活性フィラーを混合
（３）（２）の混合物に（１）の混合物を投入し、混練
「ジオポリマーの混練方法２」
（１）アルカリ活性剤と水を混合
（２）（１）の混合物に活性フィラーと非活性フィラーを投入
（３）（２）の混合物を混練
「ジオポリマーの混練方法―その他」
（１）アルカリ活性剤と水を混合
（２）（１）の混合物に活性フィラー（複数種類を用いる場合、予め混合しておいても良い）を投入し、混練
（３）（２）の混練物に非活性フィラー（複数種類を用いる場合、予め混合しておいても良い）を投入し、混練

カルシウムアルミネート水和物が固体の場合は、「ジオポリマーの混練方法１」では（２）の過程で混合し、「ジオポリマーの混練方法２」では（２）の過程で投入することができる。また、どちらの方法でも（３）の過程で混練後に、カルシウムアルミネート水和物を投入して混合しても良い。
カルシウムアルミネート水和物が液状またはスラリーの場合は、「ジオポリマーの混練方法１」、「ジオポリマーの混練方法２」のどちらの方法でも、（１）の過程で混合する。また、どちらの方法でも（３）の過程で混練後に、カルシウムアルミネート水和物を投入して混合しても良い。

カルシウムアルミネート水和物を構成するために、カルシウムアルミネート化合物と水酸化カルシウムを用いる場合には、固体（粉体）のカルシウムアルミネート化合物と水酸化カルシウムを加える場合には、上記、カルシウムアルミネート水和物が固体の場合の混合方法と同様に混合する。その際、予めカルシウムアルミネート化合物と水酸化カルシウムを混合しておくことが望ましい。

カルシウムアルミネート化合物と水酸化カルシウムのいずれか一方を固体（粉体）として、他方を水溶液またはスラリーとして加える場合には、固体の材料は、上記、カルシウムアルミネート水和物が固体の場合の混合方法と同様に混合し、水溶液またはスラリーとして加える材料は、上記、カルシウムアルミネート水和物が液状またはスラリーの場合の混合方法と同様に混合する。
カルシウムアルミネート化合物と水酸化カルシウムの両方をそれぞれ、水溶液またはスラリーとして加える場合には、上記、カルシウムアルミネート水和物が液状またはスラリーの場合の混合方法と同様に混合する。

カルシウムアルミネート化合物と水酸化カルシウムを予め反応させてカルシウムアルミネート水和物であるハイドロカルマイトを生成させた後、加える場合には、カルシウムアルミネート化合物と水酸化カルシウムの一方を水と混合した後、他方を投入して混合する。また、両方を同時に水に加えてもよい。
なお、腐食抑制剤を用いる場合は、鉄筋等の鋼材に塗布するか、または、上記のいずれかの過程でジオポリマー組成物に混合する。

「ジオポリマーの養生方法」
混練したジオポリマーは、所定の型枠に打ち込んで成形し、２０℃程度の室温で静置する。脱型できる程度に強度が発現するまで少なくとも２４時間、静置することが好ましく、さらに好ましくは、概ね強度発現が収束する一週間以上、静置するとよい。また、成形後、水蒸気を用いて４０℃から１０５℃程度に加熱して、３時間から１２時間程度その温度を保持して、固化を促進してもよい。加熱速度、冷却速度は、１時間あたり１０℃程度とすることが好ましく、所定の温度での保持時間は、反応の促進と、加熱を行うためのエネルギー消費の観点から３〜６時間程度とすることが好ましい。また、塩化物イオンを吸着、固定するカルシウムアルミネート水和物は、８０℃を超えると化合物が次第に転化（ハイドロカルマイト、一般式：３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＸ_２／ｍ・ｎＨ_２Ｏ、代表組成：３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｃａ（ＯＨ）_２・１３Ｈ_２Ｏから、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・６Ｈ_２Ｏに変化）し、塩化物を吸着、固定できなくなる。そのため、本発明において、ジオポリマーを加熱養生（蒸気養生）する際の温度は、化学反応による発熱を考慮し、６５℃以下であることが好ましい。

また、蒸気を用いた加熱養生に先立ち、マイクロ波（出力８５０Ｗ、マイクロ波加熱装置を利用）により、約１分間、加熱すると、蒸気を用いた加熱養生の期間を短縮することができる。
さらに、未反応のアルカリが固化体に残る場合には、保管や使用中に乾燥が進むと表面にアルカリ化合物が析出して、表面の美観や凹凸に関わる形状を損なうことがある。これを避けるためには、固化後に水漬や水洗するとよい。ただし、固定されない放射性セシウムなどの有害成分の一部が溶出することがあるため、処理に使用した水は溶出成分に応じた処理や管理を行う。

「放射線遮蔽材」
上記組成物が固化してなるジオポリマーは、比重が約１．９〜２．１とポルトランドセメントの硬化体（比重約１．７）より重く、従来の水硬性セメントを用いたコンクリートと同程度であるため、放射線の遮蔽性に優れており、放射線遮蔽材として好適に用いることができる。本発明の放射線遮蔽材は、原子力施設、除染処理施設、中間貯蔵施設等において、使用することができる。放射線遮蔽能はその厚さに依存するため、本発明の放射線遮蔽材の壁厚は、１０ｃｍ以上５０ｃｍ以下であることが好ましい。１０ｃｍ未満だと放射線遮蔽能が弱く、５０ｃｍより厚いと重くなりすぎる。また、１０ｃｍ以上の厚さだと、ジオポリマー自体が重くなるため、補強のために内部に鉄筋を埋設することが好ましい。鉄筋を埋設した放射線遮蔽材は、強度に優れているため、厚く重たいものでも揚重時等に破損せず、また、大量に積み重ねて使用、保管することができる。

ここで、本発明の放射線遮蔽材は、放射性セシウム含有焼却飛灰を含み、そもそも放射線を放出しているが、放射線遮蔽材の放射性物質の含有量は、８０００Ｂｑ／ｋｇ以下であることが好ましい。８０００Ｂｑ／ｋｇ以下であると、ジオポリマーを固化して放射線遮蔽材を製造する際の作業員の被曝量を抑えることができる。
また、本発明の放射線遮蔽材は、セシウムの溶出が少なく、環境省告示４６号法（環境省：土壌環境基準，環境庁告示第４６号（１９９１）．［最新の更新：平成26環告44］）によれば、含有量に対する溶出率が２０％以下であり、放射性セシウム含有焼却灰（飛灰、主灰）中の放射性セシウムを安定して保管することができる。

「放射性物質保管容器」
本発明の放射線遮蔽材により、放射性物質保管容器を形成することができる。本発明の放射線遮蔽材から構築された放射性物質保管容器に放射性物質を保管しても、保管された放射性物質からの放射線は放射性物質保管容器により遮蔽されるため、保管前後での放射性物質保管容器外部での放射線量の増加はごく僅かである。例えば、下記条件に基づく計算によれば、放射性物質保管容器の壁厚が１５ｃｍの場合、内部からの放射線を約９０％カットすることができる。
＜計算条件＞
計算方法 ：３次元モンテカルロシミュレーション
容器の厚さ ：１５ｃｍ
容器の放射能 ：放射能濃度１万Ｂｑ／ｋｇ×２．５トン
容器の部材の体積：１．２ｍ^３（［外形による容積］−［内容積］）
容器内容積 ：１ｍ^３
内容物 ：放射能濃度１０万Ｂｑ／ｋｇの焼却灰１．１４トン

そのため、本発明の放射性物質保管容器は、１０万Ｂｑ／ｋｇ以上の高濃度放射性物質の保管に適している。また、放射性セシウム含有焼却飛灰のように、塩化物イオン、硫酸イオンを多く含む放射性物質を、コンクリート容器に保存すると、コンクリート中のセメント水和物と塩化物イオンや硫酸イオンが反応して、塩化物や硫酸塩を含有する化合物を生成し、容器の内面からコンクリートが腐食してしまう。それに対し、ジオポリマーは、化学的抵抗性に優れるため、塩化物イオンや硫酸イオンを多く含む放射性物質の保管に適している。

放射性物質保管容器の形状は特に制限されず、立方体形状、直方体形状、円柱形状等を挙げることができる。容器間の隙間を小さくすることができ、単面積当たりに保管する容器数を多くすることができるため、立方体形状、または、直方体形状が好ましい。また、数段に重ねて積み重ねられるように、容器上面と容器底面とが嵌合可能であることが好ましい。なお、放射性物質保管容器は、いずれかの面が本発明の放射線遮蔽部材から構成されていればよいが、全ての面を本発明の放射線遮蔽部材から構成することが、下記で詳述する貯蔵容量の有効利用の点から好ましい。積み重ねた放射線保管容器は、地震等で落下しないように、鉄骨製の枠等で固定することがあるが、本発明の放射性保管容器は、カルシウムアルミネート水和物を含むため、接触する鉄骨の腐食を防ぐことができる。

本発明の放射性物質保管容器は、容器自体が処理、処分、保管対象である放射性セシウムを含む。ここで、保管容器の体積をＶ１、容器に保管される放射性物質の体積をＶ２、貯蔵施設の保管容量をＶ０とすると、本発明の放射性物質保管容器は、保管容量に占める放射性物質の体積が（Ｖ１＋Ｖ２）／Ｖ０となる。それに対し、放射性物質を含まない保管容器を用いた場合、保管容量に占める放射性物質の体積がＶ２／Ｖ０と小さくなる。すなわち、本発明の放射性物質保管容器を用いることにより、容器の体積分も放射性物質の保管に用いることができるため、貯蔵施設により多くの放射性物質を保管することができ、限られた貯蔵施設の容量を有効に利用することができる。

放射性物質保管容器は、放射線遮蔽材で形成された直方体形状のユニット部材を組み合わせて構築することが好ましい。焼却灰は、地域や焼却炉の違いにより性状が大きく変動するため、本発明の放射性セシウム含有焼却飛灰を用いたジオポリマーは、固化時・固化後の収縮量が大きい場合や、流動性・充填性に劣る場合がある。放射性物質保管容器を一体成型すると、固化時、または固化後の体積変化により、ひび割れが生じる場合がある。放射性物質保管容器にひび割れが生じると、外部への放射線漏れ、内容物の漏出等、安定した保管に問題が生じる。一体成型は、製造時の作業が煩雑であり、作業時間が長くなり作業員の被曝量が多くなってしまう。一体成型は、型枠の形状が複雑となり、打込み不良等が生じる場合がある。打ち込み不良により放射性保管容器として使用できない場合、不良品は放射性物質として取り扱わねばならない上、原料である放射性セシウム含有焼却飛灰よりも体積が増加してしまう。一体成型は、多くの型枠部材が必要であるが、型枠部材は、最終的に放射性汚染物質となる。

それに対し、直方体形状の放射線遮蔽材は、収縮量が大きくても、型枠等に拘束されず自由に収縮できるため、ひび割れが生じにくい。直方体形状は、型枠への打ち込みなどの施工が容易であり、作業時間の短縮により作業員の被曝量を抑えることができる。型枠には、剥離剤を塗布または噴霧すると、脱型が容易になるだけでなく、固化時の収縮の拘束を低減し、ひび割れの発生を抑えることができる。剥離剤は一般に潤滑剤や離型剤として市販されているものを用いることができる。特に、フッ素樹脂を含むもの、あるいは窒化ホウ素または黒鉛（グラファイト）を含むもの、あるいは、ポリエステル、ポリアミド、ポリプロピレン、ビニールエステルのいずれかを含む製品は剥離性が良く、これらを用いることが好ましい。なお、一般的なポルトランドセメントに用いる剥離剤は、植物系や鉱物系の油脂を主成分とするものが多いが、ジオポリマーの場合、これらの剥離剤を用いると固着することが多い。直方体形状は、必要な型枠部材が少なく、最終的に発生する廃棄物量を少なくすることができる。さらに、直方体形状のユニット部材は、積み重ねた際の隙間を小さくすることができるため、多くのユニット部材を省スペースで蒸気養生することができ、製造後は多くのユニット部材を省スペースで保管することができる。

ユニット部材の形状は、特に制限されないが、直方体の三辺の長さをそれぞれｘ、ｙ、ｚ（ｘ＞ｙ＞ｚ）とした際に、ｘ≒ｙ＋２ｚを満たすことが好ましい。ここで、「≒」とは、右辺と左辺の誤差が２％以内であることを意味する。これにより、単一形状の部材を製造するだけで容器を構成できる。図１に、このユニット部材の概略図を、図２に、このユニット部材を５つ用いて構築した放射性物質保管容器の概略図を示す。なお、図２に示す放射性保管容器の上面は、放射性物質を内部に収容した後に、同一のユニット部材、または、同一形状の蓋部材により蓋がされる。ユニット部材の形状をこのようにすることにより、単一形状のユニット部材を組み合わせて、放射性物質保管容器を構築することができる。ユニット部材の形状が統一されているため、型枠を共通化することができる。なお、放射性物質保管容器を形成する際は、埋め込みナットとボルト等の固定治具で固定するが、ユニット部材間、および固定治具とユニット部材との間に緩衝材を設ける。緩衝材を設けることにより、固化後のユニット部材が変形しても、ひび割れやユニット部材間に隙間が生じることを防ぐことができる。

１ ユニット部材
１０ 放射性物質保管容器

Claims (7)

1. 放射性セシウム含有焼却飛灰と、アルカリ活性剤と、カルシウムアルミネート水和物とを含む組成物を、混練、固化してなるジオポリマーからなることを特徴とする放射線遮蔽材。
2. 前記組成物が、腐食抑制剤を含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線遮蔽材。
3. 前記組成物が、放射性セシウム含有焼却主灰を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の放射線遮蔽材。
4. 鉄筋が包埋されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放射線遮蔽材。
5. 前記鉄筋が、エポキシ樹脂塗装鉄筋、または、ステンレス鉄筋であることを特徴とする請求項４に記載の放射線遮蔽材。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の放射線遮蔽材を備えることを特徴とする放射性物質保管容器。
7. 前記放射線遮蔽材で形成された直方体形状のユニット部材が組み合わされてなることを特徴とする請求項６に記載の放射性物質保管容器。