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長寿命ガラス固化溶融炉に関する技術開発（平成 17 年度）

Development on a long-life vitrification melter

独）日本原子力研究開発機構：青嶋 厚，塩月 正雄，山下 照雄，中島 正義，

守川 洋，三浦 昭彦，加藤 淳也，宮内 厚志

石川島播磨重工業株式会社 ：豊嶌 至，大野 勇，福井 寿樹，山崎 晶登

埼玉大学 ：松本 史朗

長寿命ガラス固化溶融炉の技術開発を平成 17 年度より開始した。本報告では平成 17 年度に得

た成果について報告する。

キーワード：

高レベル廃液，ガラス固化，溶融炉，長寿命，耐火物，直接通電，電極，侵食

1. 目的

本技術開発の目的は，高レベル放射性廃液の処理処分コスト低減等を図るため，現行のガラス

固化溶融炉を高度化し，溶融炉の長寿命化を実現することである。

そのため溶融炉の寿命を決定している耐火材の侵食並びに電極消耗の 2点に対して対策を講じ

た新たな長寿命ガラス固化溶融炉の技術開発を行う。耐火物侵食対策としては，溶融炉壁を冷却

することによりスカル層（ガラス固体層又は低温高粘性流体層）を形成させ，ガラスによる侵食

抑制を図る「長寿命炉壁構造」の開発を行う。電極消耗対策については，現在，炉に固定されて

いる電極を消耗品として容易に交換できるようにするとともに，加熱領域の柔軟性等を有する「可

換式電極構造」の開発を行う。また，本開発においては長期に安定な運転条件を把握するため，

シミュレーション解析等を進めるとともに，各技術の検証のための小型試験装置の設計及び製作，

コールド試験を行い，次世代ガラス固化溶融炉として実用化を図る。

2. 技術開発成果

2.1 長寿命ガラス固化溶融炉の要件整理

2.1.1 長寿命ガラス固化溶融炉の要件整理

長寿命炉の要求機能等を整理した。

2.1.2 長寿命ガラス固化溶融炉の炉形式検討

長寿命炉への適用技術と炉形式を検討した。

2.2 高レベル固化ガラスの特性把握

2.2.1 HLW 組成調査

長寿命炉の処理対象廃液の組成を把握するため，東海再処理工場の実廃液の分析データ及

び固化ガラス分析データ等を収集整理し組成変動範囲を評価するとともに，高燃焼度燃料，

MOX 燃料，FBR サイクルからの代表的な組成について検討を行った。

ii

2.2.2 高レベル固化ガラスの特性把握

HLW 組成調査結果に基づく長寿命炉の処理対象と想定される固化ガラス組成範囲を基に，

溶融炉設計に重要となる固化ガラスの特性である粘度及び比抵抗を，それらに影響を及ぼす

白金族元素濃度をパラメータとして想定溶融ガラス温度範囲で測定した。その結果，白金族

元素濃度が標準組成の 1.2wt%から約 15wt%に増加すると，1100℃での粘度は 3.0×101Pa･s か

ら約 9.8×102Pa･s へと約 30 倍上昇し，比抵抗は 8.2Ωcm から約 0.5Ωcm へと約 1/16 に低下

した。また，長寿命炉のスカル層近傍想定温度における粘度は，標準組成ガラスの場合，例

えば溶融温度が 1100℃から 800℃に低下すると約 8×102 Pa･s まで上昇し，比抵抗も約 60Ω

cm まで上昇した。今後は，これら特性値の変動幅においても長寿命炉の各要素技術が成立す

ることを評価していく。

2.3 長寿命炉壁に関する技術開発

2.3.1 スカル層による侵食抑制機能評価

現行炉が採用している主要耐火物の K-3 レンガおよび CS-5 レンガについて，溶融ガラス温

度約 1200℃より低温であると想定しているスカル層近傍温度 700～900℃での侵食速度を測

定した結果,現行炉の設計値である 0.03mm/day を大きく下回る侵食速度であり炉壁寿命の大

幅な延長が期待できる見通しが得られた。

2.3.2 スカル層形成制御技術の検討

耐火物の耐食性を向上させるスカル層を安定的に形成できる条件を把握するため，耐火物

表面温度の仮定目標範囲である 700～900℃を達成する耐火物熱伝導率および耐火物厚さを

パラメータとした解析評価を行った結果，水冷並びに空冷いずれの方式でも耐火物表面温度

の目標値を達成できる条件範囲が存在することが確認できた。

2.4 電極に関する技術開発

2.4.1 電極材料の侵食緩和方策の評価

長寿命炉の電極構造等を想定した場合の表面電流密度範囲に基づき，溶融ガラス温度であ

る約 1200℃の条件にて，現行炉の電極材料である NCF-690 の通電侵食速度を測定し，電流密

度の上昇とともに侵食速度が増加する関係にあることが確認できた。これらのデータを候補

電極構造の成立性評価や寿命評価に反映させる。

2.4.2 電極構造と配置の検討及び評価

炉上部もしくは側面部より挿入する「可換式電極構造」について，加熱能力及び交換機能

の観点から電極の構造及び基本仕様を検討し，何れの仕様でも必要な加熱能力を達成でき，

電極交換機能については上部挿入方式（平板，丸棒）が適していることを確認した。

2.5 長寿命ガラス固化溶融炉の概念検討

長寿命炉への要求機能及び各設計検討結果を基に，長寿命炉の全体基本構造を具体化する

とともに，既存プラントとの取り合いについて検討を行った。

3. まとめ

平成 17 年度は，長寿命炉の要求機能に基づく候補炉形式を具体化するとともに，主要高度化技

術であるスカル層形成機能および可換式電極構造について，設計検討,基礎試験及び解析評価によ

り成立性を評価し，開発目標である炉寿命 20 年間を達成できる溶融炉概念と各技術条件の見通し

が得られた。これらの成果を基に次年度以降，各要素技術評価試験，小型炉試験，シミュレーシ

ョン解析評価を実施し，平成 20 年度までに長寿命炉の基本仕様を具体化し成立性を確認する。

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Development on a long-life vitrification melter (2005 fiscal year) JAEA Atsushi Aoshima, Masao Shiotsuki, Teruo Yamashita, Masayoshi

Nakajima, Yo Morikawa, Akihiko Miura, Junya Kato, Atsushi Miyauchi IHI Itaru Toyoshima, Isamu Ohno,Toshiki Fukui, Akito Yamasaki Saitama Univ. Shiro Matsumoto The development of a long-life vitrification melter was started since 2005 fiscal year. This report describes the result obtained during the fiscal year. Keywords: high level radioactive waste, vitrification, melter, long-life, refractory, electrode 1. Objectives

The objective of this development is to extend vitrification melter life-time to reduce burden of the high level radioactive waste management by applying advanced technologies. The current melter has been designed as five-year life-time because of refractory wall and electrode corrosions. Thus, development of the new long-life vitrification melter is focused on establishing measures on prevention for the corrosions. The new melter wall structure, which forms a scull layer (a solid glass layer or low-temperature high viscosity melted glass layer) by cooling a melter wall, is considered as a measure against refractory wall corrosion. For the measure of electrode corrosion, a "commutative electrode structure" is taken into account. This structure is aiming to modify the current electrode fixed within refractory wall by inserting from the top of the melter with exchangeable configuration. Furthermore, in order to evaluate stable conditions in the long operation of the melter, an advanced simulation tool is also developed and applied. Finally, the development is planned to demonstrate by manufacturing and testing the small scale melter.

2. Technical results 2.1 Requirement of a long-life vitrification melter

Functions required for a long-life vitrification melter (henceforth "long-life melter") and candidate technologies were examined. 2.2 Characteristic of high level vitrification glass

2.2.1 HLW compositions In order to understand variation of the high level liquid waste (HLW), compositions of

actual waste solution of the Tokai reprocessing plant were evaluated. Typical compositions of future HLW such as high-burn up LWR, MOX and FBR were also analyzed.

2.2.2 Characteristic of vitrified glass Viscosity and electric conductivity of vitrified glass, which were the most important

parameters for the design of the melter, were evaluated with parameter of concentration

iv

of noble metals and melted glass temperature. When noble metal concentration increased to about 15wt%, viscosity indicated 9.8x102

Pa.s in 1,100 degree C compared to one order magnitude increased from standard noble metal concentration (1.2wt%). Electric conductivity of 15wt% fell to about 0.5-ohm.cm from about 8.2-ohm.cm were observed in standard composition. At the range of 700-900 degree C considered as temperature of the skull layer, viscosities rose to about 8.0x102Pa.s, and the electric conductivity also increased to about 60-ohm.cm.

2.3 Development on long-life melter wall 2.3.1 Prevention for corrosion by scull layer

Effect on prevention for the refractory corrosion by scull layer was evaluated using K-3 and CS-5, which were adopted to current vitrification melter. At the rage of 700-900 degrees C, corrosion rates were remarkably decreased from that in 1,200 degrees C, which was designed 0.03 mm/day.

2.3.2 Establishment of scull layer formation technology In order to evaluate conditions which can form stable scull layer, required cooling

performances were evaluated to attain 700-900 degrees C as a target surface temperature of the melter wall with parameters of thermal conductivity and thickness of refractory materials. It was summarized that such target temperature was accomplished by applying cooling systems using both air and water for the cooling medium.

2.4 Development on electrode 2.4.1 Evaluation of electrode material corrosion

Corrosion rate of NCF-690, which was applied to the current electrode material, was evaluated with parameter of assumed rage of the current density in the melter at the 1200degree C.

2.4.2 Study of structure and configuration of electrode The structure and basic specification of electrode of the commutative electrode structure

with acquiring required heating capability were examined. It was summarized that an insertion system (a plate, rod) from the top of the melter was adequate and applicable.

2.5 Conceptual design study of the long-life melter Basic concept of the long-life melter was examined with consideration of required

functions and scramble condition against the existing plant.

3. Conclusion In this fiscal year, the candidate concepts of the long-life melter were studied with

evaluation of adopted important advanced technologies such as skull layer conditions and the commutative electrode structure. It was concluded that such technology has a potential to extend melter life as 20 years even in the preliminary studies. Based on the obtained results, after the following fiscal year, evaluation of each component, small scale melter examination, and development and evaluation of simulation tool are carried out.

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目 次

1. はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1

1.1 事業実施の背景・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1

1.2 事業実施の目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1

1.3 技術開発目標・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1

2. 技術開発計画・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2

2.1 全体技術開発計画・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2

2.2 技術開発実施体制・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3

2.3 平成 17 年度の実施計画・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3

3. 成果の概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5

3.1 長寿命ガラス固化溶融炉の要件整理・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5

3.1.1 長寿命ガラス固化溶融炉の要件整理・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5

3.1.2 長寿命ガラス固化溶融炉の炉形式検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7

3.2 高レベル固化ガラスの特性把握・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11

3.2.1 HLW 組成調査・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11

3.2.2 高レベル固化ガラスの特性把握 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 14

3.3 長寿命炉壁に関する技術開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 16

3.3.1 スカル層による侵食抑制機能評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 16

3.3.2 スカル層形成制御技術の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17

3.4 電極に関する技術開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24

3.4.1 電極材料の侵食緩和方策の評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24

3.4.2 電極構造と配置の検討及び評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 25

3.5 長寿命ガラス固化溶融炉の概念検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 31

4. まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 32

4.1 全体のまとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 32

4.2 自己評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 32

4.3 今後の計画・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 33

5. 参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 35

1

1. はじめに

1.1 事業実施の背景

再処理施設から発生する高レベル放射性廃液（以下，「HLW」という）の効率的かつ合理的な

ガラス固化技術は，核燃料サイクルの確立にあたっての枢要技術と位置づけられる。わが国に

おいては，独立行政法人日本原子力研究開発機構（以下，「原子力機構」という）核燃料サイ

クル工学研究所ガラス固化技術開発施設（以下，「TVF」という）において，2006 年 2 月末まで

に 1 号及び 2 号溶融炉を用いた開発運転にて，各々実ガラス固化体 130 本及び 88 本の製造実

績を有している。わが国の HLW の固化プロセスに採用されている液体供給式直接通電ジュール

加熱型セラミクス溶融炉「以下，「LFCM」という」は，フランスやイギリスの再処理工場で採

用されている金属製炉材を用いたロータリーキルン煆焼誘導加熱ガラス溶融炉「以下，「AVM」

という」に比べて，仮焼等の前処理が不要であること及び大型化への適用性を有することに加

えて，耐火物の高い耐食性により長い設計寿命が設定できるなどの利点が挙げられている。し

かしながら現在のわが国の LFCM 法による溶融炉の設計寿命は最大 5 年であり，定期的な溶融

炉の更新に伴う新規溶融炉の製作，設置に係わるコスト負担，大量に発生することが予測され

る解体廃棄物（TVF では約 20 トン）処理処分への負担はもとより，更新時の設備の稼働停止が

重要な課題であった。

わが国の核燃料サイクルの確立ならびに発展においては，枢要技術であるガラス固化技術に

ついて，安易に海外から技術導入を図ることは技術セキュリティ確保の観点から適切ではなく，

これまでに開発してきたガラス固化技術開発の成果を基盤として，改善・高度化を図り，国産

技術として蓄積していくことが極めて重要である。

1.2 事業実施の目的

本技術開発の目的は，HLW の処理処分コスト低減等を図るため現行炉の炉壁や電極などに対

して，高度化した技術を適用し，溶融炉の長寿命化を実現することである。

そのため溶融炉の寿命を決定している耐火物の侵食並びに電極の消耗の2点に対して対策を

講じた新たな長寿命炉の技術開発を行う。耐火物侵食対策としては，溶融炉壁を冷却すること

により耐火材表面にガラス固体層又は低温高粘性流体層（以下，「スカル層」という）を形成

させ，ガラスによる侵食抑制を図る「長寿命炉壁構造」の開発を行う。電極消耗対策について

は，現在，炉に固定されている電極を消耗品として容易に交換できるようにするとともに，加

熱領域の柔軟性等を有する「可換式電極構造」の開発を行う。特に交換機能については遠隔メ

ンテナンス性向上の検討を行う。また，本開発においては長期に安定な運転条件を検討するた

め，シミュレーション解析等を進めるとともに，開発技術の検証のための小型溶融炉試験装置

の設計，製作及びコールド試験を行い，次世代のガラス固化溶融炉として実用化を図る。

1.3 研究開発目標

炉壁のスカル層形成制御技術等の開発，交換が可能な電極構造等の開発及びこれらの技術を

適用した長寿命炉の開発を行う。長寿命炉の寿命は，軽水炉再処理プラントの内装設備機器並

みの 20 年を目標とする。

2

2. 技術開発計画

2.1 全体技術開発計画

技術開発目標を達成するための技術開発課題とそれらの展開について，図2.1-1及び図2.1-2

に技術開発課題と全体フローを，図 2.1-2 に技術開発全体工程表を示す。

全体的な進め方は，先ず概念検討において長寿命炉への機能要件と炉形式を整理する。次に

これらの実現に向けて解決すべき技術課題である，高レベル固化ガラスの特性把握，長寿命炉

壁に関する技術開発並びに電極に関する技術開発について，基礎試験と設計検討により各々の

技術的成立性を評価していく。並行して長寿命炉の設計条件や運転条件を解析的に評価するた

めのシミュレーションコードを整備し，溶融炉構造の検討等に反映する。

2007 年度（平成 19 年度）には，小型試験溶融炉を製作し，2008 年度（平成 20 年度）に運

転試験を行い，これらの結果と各基礎試験結果，シミュレーション解析結果を統合し，長寿命

炉の適用性評価を行うとともに，実用炉の仕様を設定する計画である。

図 2.1-2 技術開発全体フロー

・ HLWの組成調査

・ 高レベル固化ガラスの特性

把握 (粘度、電気的特性等)

・長寿命炉壁構造技術開発

・電極に関する技術開発

・溶融炉構造の検討及び試験

設備の設計・製作

・長寿命炉の適用性評価と実

用炉仕様設定

・検証試験・効果の評価

・シミュレーション技術

冷却ジャケット（水冷 or 空冷）

スカル層

原料 + 廃液↓

←

スカル層形成等による長寿命炉壁の開発

交換可能な電極構造等の開発

設計条件・運転特性等のシミュレーション技術開発

HLWの組成調査，高レベル固化ガラスの特性把握

オフガス

冷却ジャケット（水冷 or 空冷）

スカル層

原料 + 廃液↓

←

スカル層形成等による長寿命炉壁の開発

交換可能な電極構造等の開発

設計条件・運転特性等のシミュレーション技術開発

HLWの組成調査，高レベル固化ガラスの特性把握

オフガス

図 2.1-1 長寿命炉の概念（一例）と技術開発課題

3

2.2 技術開発実施体制

本開発は，原子力機構，石川島播磨重工業株式会社（以下「IHI」という），埼玉大学（以下

「埼玉大」という）の実施体制で行う。

原子力機構と IHI は，わが国におけ

る HLW の固化プロセスである LFCM 法の

開発を共同で進めた実績があり，本開発

に必要な知見,人材,経験を十分に有す

るとともに，長寿命構造，耐火物の侵食

対策，電極侵食対策等について特許を共

同で出願している。

加えて原子力機構では，LFCM 法による

ガラス溶融炉を採用した TVF において，

東海再処理工場(以下，「TRP」という)か

ら発生するHLWを処理しガラス固化体を

製造する実績を有しており，本開発にお

いて必要な技術開発能力をしている。

IHI は，原子力機構の TVF と日本原燃株

式会社のガラス固化処理施設（以下「K

施設」という）の設計･製作並びにこれ

らの溶融炉に関するモックアップ試験

等の実績を有している。

埼玉大はガラス固化関連技術に精通

しており，本技術開発の技術的レビュー

を担当する。

2.3 平成 17 年度の実施計画

2.3.1 長寿命ガラス固化溶融炉の要件整理

(1) 長寿命ガラス固化溶融炉の要件整理【原子力機構】

長寿命炉の要求機能を整理する。

(2) 長寿命ガラス固化溶融炉の炉形式検討【IHI】

長寿命炉への適用技術と炉形式を検討する。

2.3.2 高レベル固化ガラスの特性把握

(1) HLW 組成調査【原子力機構】

既存の TRP 実廃液分析データ及び TVF 固化ガラス分析データ等を収集整理し，組成変動範

囲を把握する。

(2) 高レベル固化ガラスの特性把握【原子力機構】

HLW 組成調査結果に基づく長寿命炉の処理対象と想定した固化ガラスの組成変動範囲や白

金族元素濃度をパラメータのうち基本的な条件について粘度及び比抵抗の基礎物性データ

年度 項 目

平成 17 年度 平成 18 年度 平成 19 年度 平成 20 年度

（1）高レベル固化ガラス

特性把握

① HLW 組成調査

② 高レベル固化ガラ

スの特性把握

（2）長寿命炉壁に関する

技術開発

①スカル層による侵食

抑制機能評価

②スカル層形成制御技

術の検討

③長寿命炉壁構造の

検討・評価

（3）電極に関する技術開

発

① 電極材料の侵食緩

和方策の評価

② 電極構造と配置の

検討及び評価

（4）シミュレーション

技術の開発整備

（5）溶融炉構造の検討及

び試験設備の設計・製作

（6）適用性評価及び検証

試験

① 長寿命炉の適用性

評価と実用炉仕様設定

② 検証試験と効果の

評価

：予定 ：実績

表 2.1-2 技術開発全体工程表（予定と実績）

4

を想定溶融ガラス温度範囲において取得する。

2.3.3 長寿命炉壁に関する技術開発

(1) スカル層による侵食抑制機能評価【原子力機構】

スカル層の温度をパラメータとした耐火物の侵食試験によって侵食速度を把握し，長寿命

を実現するためのスカル層温度条件を評価する。

(2) スカル層形成制御技術の確立【IHI】

スカル層を安定的に形成できる条件を具体化するため，スカル層形成システムの検討・

設計を行う。また，スカル層形成制御条件（冷却条件，温度条件，熱流動・電場の解析，処

理能力への影響等）を検討する。

2.3.4 電極に関する技術開発

(1) 電極材料の侵食緩和方策の評価【原子力機構】

本提案の電極構造等を想定した場合の表面電流密度や温度分布をパラメータとした侵食

試験によって侵食速度を把握し，電極構造設計に反映させる。

(2) 電極構造と配置の検討及び評価【IHI】

上部挿入方式など複数案の電極構造について，電極仕様（基本構成，形状，表面積，電極

数など），メンテナンス方策，炉内における電位分布，温度分布等を検討する。

2.3.5 シミュレーション技術の開発整備

2006 年度（平成 18 年度）から実施

2.3.6 溶融炉構造の検討及び試験設備の設計・製作

(1) 長寿命ガラス溶融炉の概念検討【IHI／埼玉大】

長寿命炉の基本構造を具体化する。

2.3.7 適用性評価及び検証試験

2007 年度（平成 19 年度）から実施

2.3.8 技術レビュー

全体的な技術レビュー・助言を行う。【担当：埼玉大／原子力機構】

5

3. 成果の概要

3.1 長寿命ガラス固化溶融炉の要件整理

3.1.1 長寿命ガラス固化溶融炉の要件整理

長寿命炉は，将来の核燃料サイクル高度化技術の一つとして実用化することを念頭におい

ている。また, TVF や K 施設の次世代溶融炉として反映する必要があり，開発に際しては現

行プラントの要件や制約条件を考慮するとともに，現行の LFCM が有する課題に対しても対

応が求められる。以下に，長寿命炉の処理対象と想定した廃棄物と現行炉の課題を示す。

(1) 長寿命炉の処理対象廃棄物の検討

長寿命炉は将来の核燃料サイクルにおける次世代の高レベル廃棄物処理の枢要技術とし

て重要な位置づけにある。

よって処理対象廃棄物としては，現行の TRP の HLW に加えて，高燃焼度軽水炉使用済燃料

（燃焼度約 55,000MWD/MTU），MOX 使用済燃料（燃焼度約 55,000MWD/ MTU），FBR 使用済燃料

（燃焼度約 150,000 MWD/MTU）における高レベル廃棄物を処理対象として想定した。また，

固化ガラス組成も現行の TVF ガラス固化体の廃棄物含有率 25wt%は基より高減容固化ガラス

（例えば廃棄物含有率 35wt％）の製造も想定した処理対象固化ガラス組成範囲を想定してい

る。

(2) 現行炉の課題の整理

わが国の現行炉である LFCM 法と仏国 AVM 法との比較を図 3.1.1-1 に示す。LFCM 法では，

セラミック炉壁により，設計寿命は AVM 法に比べて長く，わが国のガラス溶融炉の場合には

5 年以下と設定されている。しかしながら設計寿命を経た後の定期的な溶融炉の更新に伴う

新規溶融炉の製作，設置に係わるコスト負担，大量に発生することが予測される解体廃棄物

（TVF では約 20 トン）処理処分への負担は大きく，さらに更新時の施設停止に伴う稼働率の

低下が予測され，さらなる長寿命化が大きな課題である。

また，高燃焼度使用済燃料など処理対象範囲の拡大に伴い，ガラスへの固溶限度が低く溶

融ガラス中に析出する白金族元素量が増大するため，それらの沈降・堆積・抜出しに関して

も対策を検討する必要がある。

図 3.1.1-1 現行ＬＦＣＭ法とＡＶＭ法との比較

高放射性廃液

カルサイナ

オフガス

ガラス原料

　ガラス溶融炉　（耐食耐熱　　　　　合金鋼）乾燥・仮焼

溶融ガラス

高周波加熱装置

固化体容器

高放射性廃液

ガラスカートリッジ

主電極

溶融ガラス

固化体容器

耐火レンガ

オフガス間接加熱装置

補助電極

流下ノズル

流下ノズル冷却エア

主電極冷却エア

①

②③

AVM法LFCM法（ＴＶＦ２号溶融炉）

ﾛｰﾀﾘｰｷﾙﾝ方式ｶﾙｻｲﾅ及び溶融炉

金属（耐食耐熱合金鋼）

HAWの仮焼後，粉体供給

大型化困難，複数系列の増設要

耐食性より約２００日

交換頻度高，発生量大

高周波加熱

TVF２号溶融炉鳥瞰図

ガラスレベル検出プローブ

主電極 流下ノズル

補助電極

45°炉底

勾配

クロム系耐火物

金属ケーシング

アルミナジルコニア耐火

物

廃気配管

廃液供給配管

ガラス原料供給配管

間接加熱装置

①主電極間通電

②補助電極間通電

③主電極－流下ノズル間通電

溶融炉単体で簡略

セラミック

HAW液体直接供給

大容量化が容易

交換頻度低，発生量小

直接通電ジュール加熱

簡略なプロセスで保守性良溶融炉交換に長期間要する

耐食性に優れたセラミックにより長寿命（約５年）

プロセス構成

加熱方式

溶融炉材料

HAW供給

処理容量

溶融炉寿命

廃炉時廃棄物

溶融炉保守性 複雑なプロセスで保守性に難溶融炉交換が比較的容易

他国との開発情報の共有化ガラス産業界での技術蓄積大

技術開発 フランスの独自技術

ガラス産業界での技術蓄積小

高放射性廃液

カルサイナ

オフガス

ガラス原料

　ガラス溶融炉　（耐食耐熱　　　　　合金鋼）乾燥・仮焼

溶融ガラス

高周波加熱装置

固化体容器

高放射性廃液

ガラスカートリッジ

主電極

溶融ガラス

固化体容器

耐火レンガ

オフガス間接加熱装置

補助電極

流下ノズル

流下ノズル冷却エア

主電極冷却エア

①

②③

AVM法LFCM法（ＴＶＦ２号溶融炉）

ﾛｰﾀﾘｰｷﾙﾝ方式ｶﾙｻｲﾅ及び溶融炉

金属（耐食耐熱合金鋼）

HAWの仮焼後，粉体供給

大型化困難，複数系列の増設要

耐食性より約２００日

交換頻度高，発生量大

高周波加熱

TVF２号溶融炉鳥瞰図

ガラスレベル検出プローブ

主電極 流下ノズル

補助電極

45°炉底

勾配

クロム系耐火物

金属ケーシング

アルミナジルコニア耐火

物

廃気配管

廃液供給配管

ガラス原料供給配管

間接加熱装置

TVF２号溶融炉鳥瞰図

ガラスレベル検出プローブ

主電極 流下ノズル

補助電極

45°炉底

勾配

クロム系耐火物

金属ケーシング

アルミナジルコニア耐火

物

廃気配管

廃液供給配管

ガラス原料供給配管

間接加熱装置

①主電極間通電

②補助電極間通電

③主電極－流下ノズル間通電

溶融炉単体で簡略

セラミック

HAW液体直接供給

大容量化が容易

交換頻度低，発生量小

直接通電ジュール加熱

簡略なプロセスで保守性良溶融炉交換に長期間要する

耐食性に優れたセラミックにより長寿命（約５年）

プロセス構成

加熱方式

溶融炉材料

HAW供給

処理容量

溶融炉寿命

廃炉時廃棄物

溶融炉保守性 複雑なプロセスで保守性に難溶融炉交換が比較的容易

他国との開発情報の共有化ガラス産業界での技術蓄積大

技術開発 フランスの独自技術

ガラス産業界での技術蓄積小

6

(3) 長寿命ガラス固化溶融炉の機能要件と達成目標の検討

図 3.1.1-2 に，長寿命溶融炉技術開発を含めた高レベルガラス固化溶融炉技術開発の展開

を示す。

上記の長寿命の処理対象廃棄物や現行炉の課題を踏まえ，各技術開発にて解決すべき長寿

命炉の機能要件と達成目標を整理した。

(4) コスト低減効果の検討

長寿命化に伴うコスト低減効果を概算した。現行炉と長寿命炉とのコスト比較にあたって

は，それぞれ約 20 年間の運転期間を想定した場合の全体運転工程をモデル化し，それに基

づきコストを算出した。

現行炉の場合，設計寿命である 5年毎に溶融炉を更新していくことになり，新規の溶融炉

が 4 基必要になる。これに伴い溶融炉更新工事が 4 回，溶融炉解体作業が 4 回必要となる。

また，溶融炉の運転中には定期的に溶融炉を停止させ，炉内観察による電極や耐火物の侵食

状況の確認，測定，炉底堆積物の除去を行うレニューアル作業が必要となる。

これに対して長寿命炉は設計寿命が 20 年間であるため新規溶融炉 1 基のみとなり，20 年

後の更新工事が 1回，溶融炉解体作業も 1回に低減する。また，炉の更新に伴う運転停止が

不要となることから,現行炉よりも処理運転期間の短縮化が図られ，運転費の削減が可能と

なる。更に,処理運転中の定期的なレニ

ューアル作業も不要となる。但し，長

寿命炉はこれらに加えて，当初の R&D

費用並びに電極など主要部位の交換等

が必要となる。

これらのモデルに基づき，コスト概

算を行った結果，トータルコストの比

率は現行炉 1.0 に対して，長寿命炉は

約 0.7 以下となった。これは TVF の場

合においては，百億円以上のコスト低

減額規模に相当する大きな効果である。 図 3.1.1-3 長寿命炉のコスト低減効果（イメージ）

図 3.1.1-2 長寿命ガラス固化溶融炉を含む高レベルガラス溶融炉技術開発の展開

高減容（固化体発生本数の低減）

ガラスマトリックス

廃液組成変動対応

運転最適化(白金族元素対策等)

溶融炉の長寿命化

解体性向上・解体廃棄物の低減

溶融炉解体技術の開発

高燃焼度，MOX燃料対応

【技術基盤】

・LFCM設計

・ガラス等基礎データ

・オフガス等付帯設備

・制御系統

・運転経験，他

【技術基盤】

・LFCM設計

・ガラス等基礎データ

・オフガス等付帯設備

・制御系統

・運転経験，他

溶融炉高度化

コスト低減効果（イメージ）

現行炉

長寿命炉

運転

解体

更新

ﾚﾆｭｰｱﾙ

高度化炉運転

部品交換

運転費 炉更新費

高度化炉運転費

工程

現行炉

長寿命炉

コスト

コスト低減効果（イメージ）

現行炉

長寿命炉

運転

解体

更新

ﾚﾆｭｰｱﾙ

高度化炉運転

部品交換

運転費 炉更新費

高度化炉運転費

工程

現行炉

長寿命炉

コスト

7

3.1.2 長寿命ガラス固化溶融炉の炉形式検討

(1) 長寿命ガラス固化溶融炉開発における技術課題の整理

現行のガラス溶融炉では炉壁耐火物および電極の寿命が炉全体の寿命を決定しており，ほ

ぼ両者による制約から設計上 5年が設定されている．本技術開発では，設計寿命 20 年を目標

とし，炉壁冷却による耐火物寿命延長及び可換式電極の採用による寿命延長の技術開発に取

り組む。

(2) 設計寿命 20 年を達成する電極及び耐火物の侵食速度の検討

現行炉では，電極及び耐火物双方とも侵食速度 0.03mm/d×年間稼動日数 300d/y×設計寿

命 5y＝45mm⇒50mm を腐食代として設定している。

長寿命炉も仮に腐食代を 50mm 以下にするとした場合，設計寿命 20 年を担保するため侵食

速度は 0.008mm/d となり，これを十分下回る技術的対策が必要となる。

(3) 候補技術の適用性概略評価

ａ．既存溶融技術の技術情報の整理

既存のガラス溶融技術に関して国内外の実績を調査した。国内外で実績があるうち LFCM

については寿命が 5 年程度，仏国 AVM 法については寿命が 0.5 年程度と短い[1][2]。また長寿

命が期待される仏国コールド・クルーシブル誘導加熱溶融炉（以下，「CCIM」という）につい

ては現在開発段階である[1][2]。以上を考慮すると，国内でも実績があり運転データも豊富に

蓄積されている LFCM をベースとして長寿命化を図ることが妥当であると考えられる。

ｂ．候補技術の実現性・安全性・経済性の調査

炉壁および電極の長寿命化のための候補技術について考案し，各技術について実現性，安

全性，経済性の観点から比較検討を行った。検討結果を表 3.1.2-1 に示す。

耐火物の長寿命化技術としては 1）高耐食材料への変更，2）腐食代の増加，3）炉壁冷却

による耐食性の向上，4）定期的な遠隔メンテナンス，5）低侵食性のガラスマトリックス開

発，が挙げられる． 1)については現行炉に使用している耐火物よりも高耐食性の材料の調

査・開発が必要なこと，2）については現実的な腐食代の増加幅では寿命 20 年は期待できな

いこと，4）については不定形耐火材の遠隔交換の実現には技術的課題が多いこと，5）につ

いてはガラスに求められる様々な機能要件を満足しつつ本件を達成する材料開発には長期間

を要すると考えられることから，一般産業界等でも実績のある 3）炉壁冷却による耐食性の

向上が実現性，安全性，経済性の観点から最も成立性が高いと判断された。

また電極の長寿命化技術としても耐火物と同様に 1）高耐食材への変更，2）腐食代の増加，

3）可換型電極構造の採用，4）低侵食性のガラスマトリックス開発が考えられた。1)につい

ては現行炉に使用材料より大幅に高い耐食性を有する材料の調査・開発が必要なこと，2) に

ついては現実的な腐食代の増加幅では寿命 20 年は期待できないこと，4）についてはラスに

求められる様々な機能要件を満足しつつ本件を達成する材料開発には長期間を要すると考え

られることから，既往の技術を基盤として，実現性を見通すことのできる 3）可換型電極構

造の採用が実現性，安全性，経済性の観点から最も成立性が高いと判断された。

8

表 3.1.2-1（1/2） 候補技術の実現性・安全性・経済性の調査（炉壁寿命延長対策）

炉壁冷却 方式 高耐食材への変更 腐食代の増加

全面冷却 上部のみ冷却 遠隔メンテナンス

低侵食性のガラスマトリクス

に変更

構造概念図

外周全て金属電極外周全て金属電極

炉壁冷却によりスカル層を形成

させ，耐火物の耐食性を向上させ

る。

K-3 レンガ以外の耐火物が適用。

金属壁とし，冷却により耐食性を

向上させ，交換可能な構造とす

る。また，金属壁は電極を兼ねるこ

とが可能である。 概要

K-3 レンガより優れた耐食性を

有する耐火材を使用する。炉の基

本性能･構造は現行炉と同じであ

る。

現行炉腐食代50mmに対して腐食代

200mm とする。

炉の基本性能･構造は現行炉と同

じであるが，腐食代だけ炉が大型

化，重量化する。 冷却媒体には，水と空気の適用が考えられる。

不定形耐火物を使用し，定期的に

保守･点検を実施する。

不定形耐火物のため，低コストの

材料が利用可能である。

侵食性の低いガラスマトリク

スに変更することで，寿命延長

を行う。現行炉を使用する。

目標達成

腐食速度 0.008mm/d 程度の候補

材の調査･開発が必要。（△）

腐食代の増加により，目標達成は

可能である。（○）

スカル層の形成により，腐食速度

を低下させることができれば，目

標達成は可能である。（○）

スカル層の形成により，腐食速度

を低下させ，交換可能な構造とす

ることで，目標達成は可能であ

る。（〇）

遠隔･保守できれば，目標達成は

可能である。（○）

ガラスマトリクスの変更で K-3

レンガの寿命を4倍以上にする

ことは難しい。（△）

ジュール加熱炉へのスカル層適用の検討やスカル層の制御技術の開

発が必要であるが，試験･解析により評価可能である．また，炉壁冷

却による運転技術の開発が必要であるが，熱流動解析により評価可

能である。（〇） 技術課題

のクリア

高耐食性耐火材の調査･開発が必

要であるが，現状では候補材料が

ない。（△）

腐食に伴う炉容量変化に対する運

転方法の確立が必要であるが，熱

流動解析により評価可能である。

（〇）

－

外周金属壁（電極）の可換構造の

成立性確認が必要であるが，交換

は AVM（仏）などで実績があり，

可能である。（○）

高耐食性不定形耐火物の開発や

遠隔による不定形耐火物施工技

術の開発が必要であり，技術的に

成立するかは，検討が必要であ

る。（△）

現行ガラスマトリクスの変更

には，相当な開発期間が必要で

ある。（×） 実現性

評価

実績 現行炉のコンセプトである。（〇） 現行炉のコンセプトの延長であ

る。（〇）

一般産業炉（セルフコーティング）及び原子力分野（CCIM，JCEM）

で実績がある。（○）

遠隔操作による不定形耐火物施

工実績はない。（－）

実績なし。（－）

閉じ込め性 炉構造は現行炉と同じであるこ

とから問題ない。（○）

炉構造は現行炉と同じであること

から問題ない。（○）

炉壁冷却の冷媒が漏洩した場合のガラスの閉じ込め性が課題となる

が，設計･検討により，対応可能である。（△）

落下など，不定形耐火物の長期健

全性が不明である。（△）

炉構造は現行炉と同じである

ことから問題ない。（○） 安全性

評価 爆発・火災

上に同じ。（○） 上に同じ。（○） 空気の場合は電極冷却で実績があるため，安全性に問題はない。（〇）

但し，炉壁冷却の冷媒に水を採用する場合，水漏洩による水蒸

気爆発が問題となる。（△）

上に同じ。（○） 上に同じ。（○）

開発コスト

候補材料がないため，開発は長期

化すると予想される。（△）

開発は必要なし。（〇） 技術課題のクリアにおいて，灰溶融炉や原子力分野での実績がある

ことから，開発コストは小。（〇）

技術課題のクリアにおいて，灰溶

融炉での実績があることから，開

発コストは小。（〇）

開発に相当期間を要するため，

開発コストは高い。（×）

経済性

評価 溶融炉コスト

耐火物が決まらないため，寿命延

長効果が不明。（－）

設備コストは上がるが，寿命延長

により経済性は向上する。（○）

設備コストは上がるが，寿命延長により経済性は向上する。（○） 確実に寿命を延長できるため，経

済性は向上するが，保守に伴うド

レンアウト回数の増加がマイナ

ス要因となる。（△）

設備コストに変更はないが，ど

の程度寿命延長が期待できる

かが不明である。（－）

セル内設置

制限

耐火物の変更のみのため，適用可

能である。（○）

炉の大幅な大型化，重量化につき

成立の見通しが小さい。（△）

適用可能である。（○） 適用可能である。（○） 溶融炉に変更がないため，問題

なし。（〇） 実用炉へ

の適用性 ユーティリティ

制限

現行炉と同じである。（〇） 現行炉と同じである。（〇） 既存プラント設備に対して，冷却設備の追加設置，改造を伴うが，

技術的には適用可能である。（○）

現行炉と同じである。（〇） 現行炉と同じである。（〇）

総合評価

新耐火物開発と腐食代や炉壁冷

却等との最適化で実用炉への適

用は可能。（△）

現耐火物での腐食代増加は困難だ

が新材料や炉壁冷却との最適化で

実用炉への適用は可能。（△）

実現性，安全性，経済性の観点から成立性があり，実用炉への適用

性もある。（○）

不定形耐火物の遠隔交換技術の

実現性に乏しい。（△）

相当な開発期間を要するため

現行評価は不可。（×）

9

表 3.1.2-1（2/2）候補技術の実現性・安全性・経済性の調査（電極寿命延長対策）

可換式電極構造 方式

高耐食材への変更 腐食代の増加

側面挿入型 上部挿入_平板型 上部挿入_丸棒型 上部挿入_円筒円柱型

低腐食性ガラスマトリクスに

変更

構造概念図

外周全て電極外周全て電極

概要

NCF-690 より優れた耐食性を

有する材料を使用する。

炉の基本性能・構造は現行炉

と同じ。

現行炉腐食代 50mm に対して腐

食代 200mm とする。

炉の基本性能・構造は現行炉と

同じであるが，炉が重量化す

る。

電極に側面方向スライド方

式を採用し，電極を適宜挿入

する。

炉の基本性能は現行炉と同

じである。

電極に炉壁に沿った上部挿

入平板方式を採用し可換と

する。

炉の基本性能は現行炉とほ

ぼ同じである。

電極に上部挿入丸棒方式

を採用し，多数本の交換可

能な電極構造とする。

電極を上部挿入円筒円柱

方式とし可換とする。

外周電極は炉壁を兼ねる。

低腐食性ガラスマトリクスに

変更することで寿命延長を行

う．現行炉を使用する。

目標達成 腐食速度 0．008mm/d 程度の

候補材が現状なく実現性が

ない（×）

腐食代の増加により，目標達成

は可能である。（○）

可換式電極構造とすることで，遠隔保守可能となり，目標達成は可能である。（○） ガラスマトリクスの変更で

NCF-690 寿命を 4 倍以上にす

ることは難しい。（△）

安定した電極スライド方法

の検討が必要であるが，構造

上困難である・（△）

上下方向の遠隔交換は既存技術の延長である。（○） 技術課題の

クリア

高耐食性電極材料の開発が

必要であるが，現状候補材料

はない。（×）

腐食に伴う電位分布変化に対

する運転方法の確立が必要で

あるが，電位解析により評価可

能である。（〇） 電極交換時における可動部残留ガラスの影響が課題である

が，ガラス除去は困難である。（△）

電極表面の電流密度増加対策が必要であるが，電位解

析による最適化と交換で対応可能である。（〇）

現行ガラスマトリクスの変更

には，長期的な開発期間が必

要である。（△）

実現性

評価

実績 現行炉のコンセプトである。

（〇）

現行炉のコンセプトの延長で

ある。（〇）

実績なし。（－） 灰溶融炉（直流抵抗炉）及び原子力分野（Stir-メルター，JCEM）において，上部挿

入電極の実績がある。（○）

実績なし。（－）

閉じ込め性 炉構造は現行炉と同じであ

ることから，問題ない。（○）

炉構造は現行炉と同じである

ことから，問題ない。（○）

炉構造は現行炉と同じであ

ることから，問題ない。（○）

上部の取り合い部の気密管理が難しいが，技術的に対応可能と判断できる。（○） 炉構造は現行炉と同じであり

安全性に問題ない（○）

安全性

爆発・火災 特になし。（○） 特になし。（○） 特になし。（○） 特になし。（○）

開発コスト 候補材料がないため，開発が

長期化すると予想される。

（－）

開発は必要なし。（〇） 可動部残留ガラスの除去を除く，技術課題のクリアにおい

て原子力分野での実績があることから，開発コストは小。

（△）

技術課題のクリアにおいて原子力分野での実績がある

ことから，開発コストは小。（〇）

ガラスマトリクス開発に多大

なコストが掛かる。（×）

経済性

溶融炉コスト

電極コスト，寿命延長効果が

不明。（―）

設備コストは上がるが，寿命延

長により経済性は向上する。

（○）

設備コストは上がるが，寿命延長により経済性は向上す

る。（○）

電流密度が高いため，交換頻度が高くなる可能性があ

る．また，それに伴い二次廃棄物も増加する可能性があ

る。（△）

設備コストに変更はないが寿

命延長程度が不明（―）

セル内設置

制限

適用可能である（〇） 炉の大幅な大型化，重量化につ

き成立の見通しが小さい。（×）

既設プラント設備に対して追加設備はあるが技術的には適用可能（○） 特になし（〇） 実用炉へ

の適用性

クレーン

制限

上に同じ。（〇） 上に同じ。（〇） クレーンによる側面方向の

スライドは困難。（△）

炉天板上機器との取合いに関して設計変更が必要であるが，技術的には適用可能（○） 特になし（〇）

総合評価 新材料開発と腐食代や電極

形状との最適化で実用炉へ

の適用は可能（△）

現材料での腐食代増加は困難

だが新材料や電極形状との最

適化で実用炉への適用は可能

（△）

可動部の残留ガラスの影響が課題であるが，安全性，経済

性の観点から最も成立性があり，実用炉への適用性もある

（○）

交換頻度が高く経済性が若干劣るが，実現性，安全性は

高く，実用炉への適用性もある（○）

相当な開発期間を要し現行評

価は不可（×）

10

(3) 候補炉形式の検討

以上の検討を踏まえ，実用炉の候補炉形式としては「炉壁冷却+可換式電極構造」が，基

本的な炉形式になると判断された。表 3.1.2-2 に候補炉形式を例示する。

表 3.1.2-2 候補炉形式

炉壁冷却

+

側面挿入型電極

炉壁冷却

+

上部挿入型電極（平板）

炉壁冷却

+

上部挿入型電極（丸棒）

※電極多数本

炉壁冷却

+

上部挿入型電極

（丸棒+炉壁全面）

炉

形

式

概

念

図

外周全て電極外周全て電極

炉壁冷却については，現時点では前述の 0.008mm/d を下回る耐火物表面温度条件が明らか

ではないことから，本年度は，①溶融ガラス温度と耐火材侵食量に関する試験評価及び②冷

却性能･構造の検討を並行して進めることとした。溶融ガラス中の耐火材の侵食は，既往の

研究において耐火材成分の溶融ガラスへの拡散過程が律速と考えられていることから，固体

あるいは高粘性流体が耐火材を保護する条件においては，理想的には侵食量ゼロに近接する

ものと考えることができる。ガラスは約 700℃が軟化温度であり，上記①及び②の実施に際

しては，700～1,000℃の範囲を対象として設定した。

電極に関しては，次年度以降に実施予定の候補電極材料に関する侵食試験のレファレンス

として，現行の電極材料である NCF-690 について，位相差を排除した電流条件にて電流密度

と侵食量との関係を試験評価するともに，表 3.1.2-2 に示した 4つの電極構造について，電

位解析により電流密度分布及び加熱性能の評価ならびに遠隔交換機構の成立性について検

討を行った。

これらの基本炉形式をベースに，今後，下記の対策技術の組み合わせについて検討を進め，

より最適化を図った長寿命炉の実現を目指す。

a) 長寿命炉壁関連の適用技術

・ 炉壁冷却機能，腐食代設定及び低コスト耐火物等との最適組み合わせ

・ 消耗耐火物部分のみのメンテナンス

b) 電極構造関連の適用技術

・ 高耐食性材料，電極形状及び腐食代設定の最適組み合わせ

さらに本技術開発の最終年度の「実用炉の仕様設定」に向けては，上記に加え現行炉の課

題である「白金族元素対策」，「析出物対策」，「処理能力向上」，「炉内状況検知」などの課題

に関する対策技術を取り入れた炉構造を具体化していく必要がある。

11

3.2 高レベル固化ガラスの特性把握

3.2.1 HLW の組成調査

(1) HLW 組成調査の目的

LFCM 法において，溶融ガラスの特性のうち，溶融ガラスの粘度は炉内流動や流下の観点か

ら，比抵抗は直接通電によるガラスへの加熱性の観点から，炉の運転特性を決定する主要な

物理パラメータである。この粘度及び比抵抗は，HLW 中の Na 濃度や白金族元素（Ru，Rh，Pd）

濃度に強く依存するため，それらの濃度との関係を把握する必要がある。TVF では，廃液成

分の濃度変動に対して，固化ガラス中の Na2O 含有量及び全廃棄物酸化物含有量を各々の管理

目標値となるように前処理工程と原料供給条件で調整している。実廃液においては各元素間

の比率に比較的大きな変動があるため，再処理する使用済燃料が高燃焼度化に推移した場合

における変動への影響についても考慮しておく必要がある。本年度は，TRP の使用済燃料の

処理履歴，TVF での HLW 及び固化ガラスの分析結果をまとめ，現状の HLW 組成や固化ガラス

組成及び主要元素の変動幅について整理するとともに,将来の対象使用済燃料として考えら

れる高燃焼度燃料，さらにはプルサーマルからの MOX および FBR からの使用済燃料中の主要

元素の高レベル廃棄物への移行量の評価を試みた。

(2) TRP 及び TVF の実績に基づく HLW 組成と変動幅

TRP で発生した HLW の組成は，使用済燃料の種類や燃焼度はもとより,HLW の蒸発濃縮・貯

蔵工程での処理条件や混合履歴，工程間の移行率，沈殿物の生成状態などにより，元素の相

対比率等が変動する。1977

年9月から2003年6月末ま

での TRP の使用済燃料の処

理実績を表 3.2.1-1 に示す。

処理実績の平均燃焼度は設

計 標 準 で あ る 28,000

MWD/MTU を下回っており，

HLW の主要元素相対比など

は ORIGEN-79 コード計算値

を基に設定された標準値と多少の違いが生じていると思われる。続いて， TVF にて製造して

いる固化ガラスの分析データから各成分の変動幅を整理した。表 3.2.1-2 に示すように，廃

液濃度や供給条件を調整して管理値にコントロールしている Na2O 含有率と廃棄物含有率の

分析値は管理幅に適合している。一方，表 3.2.1-3 に示すように，組成調整等の管理をして

いない白金族元素は最大値および最小値に幅があるとともに，設計標準値に対して各元素平

均濃度には若干の差がある。白金族元素濃度の変動は上述の使用済燃料組成や廃液処理条件

等による要因に加えて，ガラス溶融炉内での析出・沈降・偏在によるばらつきも影響してい

ると考えられる。よって，粘度や比抵抗のデータ整備に際しては，これら白金族元素濃度の

変動幅に留意する必要がある。

次に，将来の処理対象と想定している高燃焼度燃料や MOX 燃料，FBR 燃料からの高レベル

廃棄物について，燃焼度当たりに規格化して高レベル廃棄物が発生すると想定し，含有する

表 3.2.1-1 使用済燃料の処理実績

燃焼度

(MWD/MTU) 原子炉

型式

処理量

(MTU) 最大値 最小値 平均値

TVF

設計標準

燃焼度

JPDR

BWR

PWR

ATR

約 009

約 603

約 327

約 070

5,641

34,957

34,497

19,582

110

5,799

1,953

5,502

2,460

22,474

23,196

12,905

PWR

28,000

12

白金族元素等の量を ORIGEN-2 コードにより試算した。表 3.2.1-4 に示した結果から，高燃焼

度化により固化ガラス中の白金族元素含有量は数～10%程度，MOX 及び FBR では 50％以上まで

増加することが考えられる。また将来，廃棄物含有率を増加させた高減容化を図った場合，

含有率の上昇に伴い比例して白金族元素含有量はさらに増加することとなる。

表 3.2.1-2 固化ガラス管理値と分析値の比較

分析値

管理値

(wt%) 最大(wt%) 最小(wt%) 平均(wt%) SD＊１

工程添加物 (Na2O) 10±2 10.28 9.86 10.04 0.07

廃棄物含有量 25±5 25.84 20.64 24.75 0.88

＊1：標準偏差（standard deviation）の略。

表 3.2.1-3 固化ガラス標準値と分析値の比較

分析値

設計標準値

(wt%) 最大(wt%) 最小(wt%) 平均(wt%) SD＊２

核分裂生成物＊１ 10（＜12） 8.51 5.61 7.11 0.67

RuO2 0.74 0.80 0.20 0.50 0.15

Rh2O3 0.14 0.20 0.06 0.16 0.05

PdO 0.35 0.60 0.17 0.39 0.08

アクチニド元素

(UO3，PuO2) 2.4 1.57 0.59 1.32 0.18

＊1：分析対象元素

SrO，Y2O3，ZrO2，MoO3，RuO2，Rh2O3，PdO，Ag2O，BaO，La2O3，CeO2，Pr6O11，Nd2O3，Sm2O3，

Eu2O3

＊2：標準偏差（standard deviation）の略。

表 3.2.1-4 想定固化ガラス中の元素含有量（wt%）

燃焼度＊１

TVF 標準

28,000

軽水炉燃料

45,000

軽水炉燃料

55,000

MOX 燃料

55,000

FBR 燃料

148,000

核分裂生成物 10 9.58＊２ 9.56＊２ 9.34＊２ 9.50＊２

RuO2 0.74 0.78 0.80 0.97 1.00

Rh2O3 0.14 0.14 0.13 0.25 0.27

PdO 0.35 0.42 0.46 0.86 0.75

アクチニド元素 2.46 1.28 1.10 2.28＊３ 0.59＊３

注 1：固化体重量は 400kg とした。

＊1：単位は MWD/MTU。

＊2：評価対象元素数は 24 元素。

＊3： MOX 燃料及び FBR 燃料の再処理は，アクチニド元素を回収することについても検討さ

れており,このとき理論上はアクチニド元素の含有量はゼロとなる。

13

一方，実際の再処理工程においては，沈殿物（スラッジ）等の生成や腐食生成物の高レベ

ル廃液への移行等を考慮することが必要であり，このとき将来の再処理工程の高度化による

これらの値の変動を考慮し，より詳細な評価を進めていくことが必要である。

以上のことから，次年度以降は，ORIGEN-2 コードによる計算に加え，これら変動要因を総

合的に評価し，固化ガラス特性評価試験や溶融炉設計に反映させていく。

14

3.2.2 高レベル固化ガラスの特性把握

(1) 固化ガラス特性把握の試験目的

白金族元素はガラスへの溶解度が 0.1%程度と低く，ほとんど溶融ガラス中及び固化ガラス中

に析出する。図 3.2.2-1 に固化ガラス中の白金族元素析出形態を示す。その析出した白金族元

素の一部が溶融炉内で沈降し濃度が高くなると想定した場合，溶融ガラスの粘度の上昇や比抵

抗の低下への影響を考慮する必要がある。

長寿命炉の概念であるスカル層の低温度領域（例えば 700℃～900℃）における粘度や比抵抗

のデータは現時点ではほとんど取得された例

はなく，さらにはスカル層近傍における白金

族元素の挙動については，新たに評価が求め

られる領域である。

本年度は，前項の長寿命炉の処理対象と想

定した廃棄物組成範囲を考慮し，スカル層や

炉底部に白金族元素が沈降・堆積する可能性

を考慮し，幅広い白金族元素濃度をパラメー

タとして 700℃～1100℃の低温度領域におけ

る溶融ガラスの粘度および比抵抗の測定に着

手した。

(2) 試験対象固化ガラス組成

本年度は，白金族元素の濃度変動幅と沈降などによる濃度上昇等を想定し，RuO2濃度が 0wt%

から 15wt%までの範囲について粘度及び比抵抗を測定する。表 3.2.2-1 に測定対象ガラス試料

の白金族元素濃度を示す。

共 通 粘度測定試料 比抵抗測定試料

低模擬 標準 +8% +12% +15% +5% +10% +15%

RuO2 ― 0.74 8.00 12.00 15.00 5.00 10.00 15.00

Rh2O3 ― 0.14 0.13 0.12 0.12 － － －

PdO ― 0.35 0.32 0.31 0.30 － － －

全白金族 0 1.23 8.45 12.4 15.42 5.00 10.00 15.00

(3) 固化ガラス特性評価試験方法

ガラス原料試薬と廃液成分試薬を調合し，アルミナるつぼを用いて，電気炉中にて 1150℃で

溶融し，調整した試料を測定した。

粘度測定は，高温回転粘度計等を用い，比抵抗測定は電気抵抗測定器を用いて，それぞれ

700℃～1100℃の範囲で測定した。

白金族元素形態は SEM-EDX 等により観察した。

表 3.2.2-1 測定対象ガラス試料の白金族元素濃度（wt%）

図 3.2.2-1 固化ガラス中の RuO2や Pd-Te合金

析出形態観察（SEM-EDX）

15

(4) 試験結果

ガラス温度と白金族元素濃度（酸化物）をパラメータとした粘度測定結果を図 3.2.2-2 に，

比抵抗測定結果を図 3.2.2-3 に示す。

白金族元素濃度が標準組成の 1.2wt%から約 15wt%に増加すると，1100℃の粘度は 3.0×101Pa･

s から約 9.8×102Pa･s へと約 30 倍上昇し，比抵抗は 8.2Ωcm から約 0.5Ωcm へと約 1/16 に低

下する。また，長寿命炉のスカル層近傍想定温度における粘度は，標準組成ガラスの場合，例

えば 800℃は約 8×102Pa.s まで上昇し，比抵抗も約 60Ωcm まで上昇する。

これらのことから現時点で 700℃～900℃の範囲と想定しているスカル層近傍温度の検討に

際しては，耐火物の侵食速度が要求機能を満足する温度であり，かつ白金族元素濃度変動等に

よる粘度及び比抵抗の変動幅における運転特性等を評価した上で，炉構造の設計や運転条件設

定へ反映させる必要がある。また，低温領域におけるガラスの結晶化に伴う粘度及び比抵抗へ

の影響についても今後把握し，スカル層形成条件について低温側の温度限度を評価する必要が

ある。

(5) 次年度以降の課題

次年度以降は，スカル層近傍の想定温度（700℃～900℃）に加えて，ガラス組成変動，白金

族元素濃度変動を考慮し，析出物形態，粘度及び比抵抗の基礎データを取得・整備し，スカル

層形成条件や溶融炉構造へ反映させる。

組成変動範囲の設定は，高燃焼度燃料等の HLW を由来とする固化ガラス組成や高減容ガラス

固化体組成を想定し，それらに基づいた白金族元素濃度変動条件等を設定する。

なお，粘度測定については，低温度領域での粘度が高いため，測定手法として回転粘度計，

平行平板粘度計，白金球引き上げ法などの適性を検討しデータを精査する。

図 3.2.2-2 粘度測定結果(平滑化処理) 図 3.2.2-3 比抵抗測定結果(平滑化処理)

16

3.3 長寿命炉壁に関する技術開発

3.3.1 スカル層による侵食抑制機能評価

(1) 耐火物侵食試験の試験目的

長寿命炉壁に関する耐火物材料の開発では，スカル層近傍の想定温度範囲である 700～

900℃における耐火物の耐食性，耐スポーリング性，電気伝導率などのデータを取得し，種々

の候補材料の評価選定を実施する。初年度は，現行炉の接液耐火物として採用してきたクロ

ミア･アルミナ系電鋳レンガ(商品名 Monofrax K-3)（以下，「K-3 レンガ」という）と耐食性

は劣るが Cr 非含有で安価に入手できるジルコニア・アルミナ電鋳レンガ（商品名 Monofrax

CS-5）（以下，「CS-5 レンガ」という）について，スカル層形成温度での侵食試験を実施した。

(2) 耐火物侵食試験方法

溶融ガラス中での耐火物侵食試験にはフィンガー法を採用した。本法は，φ20mm の丸棒形

状の試験片を溶融ガラスに約 30mm 浸漬する静的侵食試験法である。試験のパラメータは，

700℃からこれより高い温度領域とした。測定は，試験前後での試験片の寸法測定，外観観察，

耐火物中及び溶融ガラス中の元素分析により侵食状況を評価した。

(3) 試験結果

今回測定したK-3レンガおよびCS-5レンガの変色層厚さを絶対温度の逆数によりまとめる

と図 3.3.1-1 のようになる。この図では，変色層の厚さは温度に対しアレニウス型であるこ

とがわかった。これは，Al2O3-SiO2

系耐火物のスラグによる侵食と同様

に，境界層を通しての物質移動によ

り説明することができる。したがっ

て，耐火物の侵食速度はネルンスト

の式に従う可能性を示しており，そ

の速度は拡散係数，反応断面積，耐

火物成分のガラス融液に対する飽和

濃度により支配される。また，拡散

係数は溶出の動粘度に反比例する。

700～800℃におけるガラス融液の粘

度はきわめて高く，耐火物との界面

でほぼ動きが見られず，この部分に耐火物成分が移動してもここからガラス側への拡散は小

さく，一度飽和濃度に達すると，この部分で侵食が抑制される。したがって，ガラス温度が

低下するほど変色層の大きさは小さくなり，侵食が抑制される可能性が示された。

(4) 次年度以降への課題

上記の結果，比較的温度の低い領域では，Cr を含まない CS-5 レンガの侵食速度も十分小

さく，候補材料として検討できる結果となった。また，調査の結果，NiO-Al2O3 系，

MgO-TiO2-Al2O3系などの Cr 非含有レンガ〔4〕〔5〕〔6〕でも，Cr 系レンガに近い耐食性を示すこと

が明らかになっている。平成 18 年度は，Cr 非含有レンガ(NiO-Al2O3系，MgO-TiO2-Al2O3系)

を対象に含め侵食試験を進める。また，十分な侵食速度をもつ耐火物に対し，熱衝撃試験等

を実施し，長期的に安定であり各設計要件を満たす耐火物を選定していく。

0

5

10

15

20

25

30

35

40

7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50

1/T X 1E4

変色

層厚

さ[μ

m/d]

K-3レンガ変色層厚さ

CS-5レンガ変色層厚さ

1000 900 800 700

図 3.3.1-1 温度と変色層厚さとの関係

17

3.3.2 スカル層形成制御技術の検討

本項では，耐火物侵食対策として溶融炉壁を冷却することによりスカル層を形成させ，溶

融ガラスによる侵食抑制を図る「長寿命炉壁構造」に関して，スカル層を安定的に形成でき

る条件を具体化するため，炉壁耐火物の物性や厚さ等をパラメータとした検討を実施し，ス

カル層形成のための成立条件を検討した。また炉壁冷却システムの検討および実用炉に適用

した場合の課題等を整理した。

(1) スカル層形成制御条件の検討

ａ．検討の前提条件

検討に際しては，その効果を現行炉と比較するため，TVF の構造，寸法，運転方法を検討

のベースとし以下に示す項目をパラメータとした。ただし，検討の結果，スカル層形成のた

めに合理的であると判断される場合は構造変更，運転条件の変更等を考慮した。

1) 耐火物の仕様

スカル層形成のために適した新候補材料を想定し，スカル層形成に主要なファクターとな

る熱伝導率，耐火物厚さをパラメータとした。

2) 廃液・ガラス原料の仕様

検討ベースとしては現行炉の標準ガラスとし，将来の処理対象物の拡大等によるガラス物

性がスカル層形成に及ぼす影響についても検討した。

ｂ．一般産業炉の調査

一般産業炉界では，炉内耐火物の長寿命化を目的として耐火物内冷却構造を採用している

ものがあり，多くの実績を有している。ここでは，これら一般産業炉を対象とした調査を実

施し，耐火物冷却構造をガラス溶融炉に適用する場合の知見を整理した。調査の結果，以下

のことが分かった。

1) 冷却条件

冷却量の設定：冷却媒体を水とする設計では，冷却水の沸騰防止を考慮し出口温度制限を

設ける必要がある。空気の場合は媒体自体の温度制限はないが，冷却配管鋼材の構造強度を

担保するための制限温度を考慮する必要がある。

2) 安全性への配慮

冷却配管内圧力上昇の防止：停電時，ポンプ停止時等における冷却配管内残留冷却媒体の

温度上昇による圧力上昇を配慮した冷却システムとする必要がある。

冷却媒体漏えい防止：冷却媒体が万一炉内に漏えいした時の影響を評価し，冷却システム

設計に反映する必要がある。

ｃ．耐火物に要求される機能の整理及び設計目標値

現行炉の設計においては耐火物に対する要求機能のうち，溶融ガラスに対する耐食性に優

れた特性を優先し，数ある候補材料から K-3 レンガを選定した。一方炉壁冷却構造を採用す

る場合は耐火物要求機能の重要度が変わる可能性がある。ここでは，耐火物に要求される機

能のうち，炉壁冷却構造を採用した場合に特に留意すべき要件およびこれらを勘案した設計

目標値について検討した。検討結果を表 3.3.2-1 に示す。

18

表3.3.2-1 耐火物に要求される機能の整理および設計目標値

項目 要求機能 炉壁冷却への反映事項 設計目標値

①耐火物形態

（定形耐火物／不定形耐火

物）

（特にない） 炉壁冷却によって耐火物温度環境は低くな

ることを考慮し，その環境下で耐食性が確

保されるのであれば，キャスタブル等の不

定形耐火物も候補として考慮できる可能性

がある。

低温領域における各耐火物の腐食データを

取得する必要がある。

以降の要件を満たせば形態には拘らない。

②耐食性 ホウケイ酸ガラスに

対する耐食性を有す

ること。

炉壁冷却によって温度環境が低くなること

を考慮し，その環境下で耐食性が確保され

るのであれば，その他耐火物も候補として

考慮できる可能性がある。

低温領域における各耐火物の腐食データを

取得する必要がある。

現行炉では侵食速度 0.03mm/ｄ×年間稼動日数

300d/y×設計寿命 5y＝45mm⇒50mm を腐食代と

して設定している。炉壁冷却の場合も腐食代を

50mm以下とすることを前提に，設計寿命20年

を担保するため侵食速度 0.008mm/ｄを満足す

る耐火物材料の選定，耐火物表面温度の設定を

目標とする。

③耐磨耗性 溶融ガラスの流動に

よる機械的な侵食を

極力防止すること。

目地が磨耗の対象とされており，現行炉設

計と同様に極力大きなレンガブロックを使

用し目地を少なくするとともに，水平方向

目地を極力作らないレンガ構造設計とす

る。

選定した耐火材についてレンガ割構造設計で

対応する。

④熱的特性

－耐熱性－

最高温度 1250℃の溶

融ガラスに対する耐

熱性を有すること。

現行炉の耐火物と同程度の荷重軟化点の耐

火物を使用する。

荷重軟化点1450℃以上（現行炉耐火物の設工認

上の規定），目安として荷重軟化点 1750℃程度

（現行炉耐火物の実力）の耐火物を選定する。

④熱的特性

－耐スポーリング性－

耐スポーリング性を

有すること。

現行炉の耐火物と同様に，著しく耐スポー

リング性の劣る耐火物の使用は避ける。

選定した耐火物に対して，著しくスポーリング

性に劣らないことを確認する。

④熱的特性

－熱伝導率－

（特にない） 現行炉の耐火物に熱伝導率の要件はない

が，炉壁冷却を採用する場合は効率的に冷

却するために適切な熱伝導率を有した耐火

物を使用する必要がある。

冷却システムを考慮して目標とする耐火物表

面温度が得られる熱伝導率を有する耐火物を

選定する。目安としては1～6W/ｍK。（現行炉耐

火物の熱伝導率は約3W/ｍK）

⑤機械的特性 高温領域における機

械的強度（圧縮）を有

すること。

発生する熱応力に対して機械的強度が十分

か否かを確認する必要がある。

選定した耐火物に対して，必要な機械的強度を

有することを解析等で確認する。

⑥電気的特性 溶融ガラスに比べ比

抵抗が大きく電気絶

縁性を有すること

溶融ガラス比抵抗（約 0.1Ωm）と比べて大

きな比抵抗の耐火物とする。

（現行炉耐火物の比抵抗：2.5Ωm）

溶融ガラス比抵抗0.1Ωm（1000℃）より大きい

比抵抗である耐火物を選定する。目安としては

数Ωｍ以上。（現行炉耐火物の比抵抗は約 2.5

Ωm）

⑦耐震性 地震時においても耐

火物が炉内へ脱落し

ないこと。

選定した耐火物ブロック構造に対して耐震

解析，振動解析により設計的に確認する必

要がある。またキャスタブル等の不定形耐

火物を使用する場合はアンカー等により固

定する構造設計とすること。

選定した耐火物についてレンガ割構造設計で

対応し，最終的に耐震解析，振動解析により確

認する。

⑧溶融ガラスの閉じ込め 溶融ガラスの炉外へ

の漏えいを防止する

こと。

現行炉設計と同様に，バックアップ機能を

持った耐火物を配置させる構造設計とする

よう留意すること。

選定した耐火物，厚みについて温度分布解析を

実施し，必要に応じてバックアップレンガを配

置する。

⑨耐火物厚み 耐火物厚さは腐食代，

強度層を考慮して設

定する。

強度上必要厚として50mm以上を前提として

検討し，最終的には解析等により確認する

必要がある。

接液部耐火物の最低厚みを 50mm とし，炉全体

として現行炉寸法に収まる範囲とする。

⑩材料入手性，

経済性

溶融炉製作工程に収

まる入手性，経済性を

有すること。

必要な要件を満たす候補材のうち最も入手

性，経済性の優れた耐火物を選定する。

必要な要件を満たす候補材のうち最も入手性，

経済性の優れた耐火物を選定する。

⑪冷却システム

（空冷の場合）

（特になし） 空冷配管の制限温度に留意する必要があ

る。

冷却配管材が構造強度を担保する温度制限値

以下となるよう設計する。またそのため安全裕

度も含めて冷却空気の出口温度 400℃以下とな

るような冷却条件を設定する。

⑫冷却システム

（水冷の場合）

（特になし） 冷却水局部沸騰防止のための冷却水温度制

限に留意する必要がある。

局部沸騰防止の観点から冷却配管材の温度が

100℃を超えないようにする。また冷却水の入

口出口温度差を約 10℃となるよう冷却条件を

設定する。

19

耐火物冷却目標として耐火物表面温度を 700～900℃，耐火物熱伝導率として 1～6Ｗ/ｍＫ，

耐火物厚さをパラメータとして以下の検討を進めた。また将来の核燃料サイクル廃棄物対応

を見据え，ガラスの粘度及び比抵抗について各々，標準ガラスの 1.5 倍，0.8 倍までの範囲

をパラメータとした（ガラス熱伝導率は変わらない）。

ｄ．現行炉における運転中の温度分布

現行炉における炉内温度分布データを整理した。耐火物表面温度は主電極付近で約 1000℃，

炉底部付近では 800～960℃程度（流下中のみ温度が高い）であり，腐食環境として厳しいの

は専ら主電極付近であることが分かった。したがって，耐火物の長寿命化対策としては，温

度の高い主電極付近を中心にスカル層を形成するシステムを構成することを基本とし，もと

もと低温の炉底部には主電極付近と同様にスカル層を形成するシステム構成または腐食代で

対応する等のオプションが考えられた。

ｅ．必要除熱量の検討

炉壁にスカル層を形成するためには，溶融ガラスに接する耐火物の表面温度を低下させる

必要がある。ここで，溶融ガラスから耐火物への熱の移動は，自然対流によるものと熱伝導

によるものの二通りが考えられるが，現行炉の運転データを整理し，１次元伝熱モデルによ

り自然対流と熱伝導の寄与を評価し，溶融ガラスから耐火物への熱の移動は，熱伝導が支配

的であることを確認した。

この結果から，溶融炉内の熱の移動は，すべて熱伝導によるものとして１次元伝熱モデル

により耐火物表面温度を低下させるために必要な除熱量の検討を行った。

Tg：溶融ガラス温度（℃）

Tb：耐火物内表面温度（℃）

Tc：耐火物外表面温度（℃）

（Tf：冷却材温度（℃））

λg：炉内ガラスの熱伝導率（W/mK）

λb：耐火物の熱伝導率（W/mK）

dg：溶融ガラス内熱伝導長さ（m）

db：耐火物厚さ（m）

ｑ：熱流束（W/m2）

hf：熱伝達率（W/m2K））

耐火物の熱伝導率λ＝1～6 として，耐火物厚さを変更した計算結果の概要を表 3.3.2-2 に

示す。

将来を見据えた処理対象物の拡大の影響については，ガラス熱伝導率が標準組成ガラスと

ほとんど変わらないことを考慮するとスカル層形成のための条件は標準組成ガラスの場合と

変わらない。また粘度が標準組成ガラスに対して 1.5 倍程度まで上昇し低流動化することか

ら，スカル層近傍の耐火物の動的な耐食性より向上するものと考えられる。

溶融ガラス 耐火物

冷却水／冷却空気

Tg

Tb

Tc

（Tf）

λb

db（hf）

dg

λg

ｑ

20

表 3.3.2-2 必要除熱量

耐火物表面温度 900℃ 800℃ 700℃ 備考

必要除熱量 13.5kW 18.0kW 22.4kW 伝熱面積 1.6m2

ｆ．冷却条件の検討

必要除熱量を求める計算により，目的とする耐火物表面温度，耐火物の種類（熱伝導率）

について，耐火物外表面温度が求められたことから，冷却機構側から見たシステムの成立性

を検討した。その結果，明らかにシステムとして成立しない範囲を確認した。冷却機構側か

ら見たシステムの成立性を表 3.3.2-3 に示す。ただし，表中の記号は，○：空冷・水冷とも

成立する可能性あり，△：水冷のみ成立する可能性あり，×：冷却システムは成立しないこ

とを示す。

表 3.3.2-3 システムの成立性

耐火物又は金属の厚さ（m） 表面

温度

熱伝導率

λ(W/mK) 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

1 ○＊２ △ × × × × × × × ×

2 ○＊１ ○＊２ ○＊２ △ × × × × × ×

3 ○＊１ ○＊１ ○＊２ ○＊２ △＊２ △ × × × ×

4 ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊２ ○＊２ ○＊２ △＊２ △ × ×

5 ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊２ ○＊２ ○＊２ △＊２ △＊２ △

6 ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊２ ○＊２ ○＊２ ○＊２ △＊２

900℃

21＊＊ ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊１ － － － － － －

1 △＊２ × × × × × × × × ×

2 ○＊１ △＊２ × × × × × × × ×

3 ○＊１ ○＊２ △＊２ △ × × × × × ×

4 ○＊１ ○＊１ ○＊２ △＊２ △ × × × × ×

5 ○＊１ ○＊１ ○＊２ ○＊２ △＊２ △＊２ × × × ×

6 ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊２ ○＊２ △＊２ △＊２ △ × ×

800℃

21＊＊ ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊１ － － － － － －

1 × × × × × × × × × ×

2 △＊２ × × × × × × × × ×

3 ○＊２ △＊２ × × × × × × × ×

4 ○＊２ △＊２ △＊２ × × × × × × ×

5 ○＊１ ○＊２ △＊２ △＊２ × × × × × ×

6 ○＊１ ○＊１ △＊２ △＊２ △＊２ × × × × ×

700℃

21＊＊ ○＊１ ○＊１ ○＊１ ○＊１ － － － － － －

＊＊：金属（NCF-690 相当）

＊1：水冷，空冷とも耐火材の後ろにバックアップ材（ここではλ＝4相当とした）を設置する

＊2：水冷のみ，耐火材の後ろにバックアップ材（ここではλ＝4相当とした）を設置する

ｇ．処理能力への影響

現行炉の運転では必要処理能力を達成するために主電極間通電電力として約 50kW を必要

21

としている。炉壁冷却を実施する場合は，処理能力を達成するために冷却に必要な除熱量を

通電電力として加算すればよいと考えられる。加算された通電電力を見積もったところ，現

行炉の電力盤容量以下であり，能力としては十分であることを確認した。ここでは，必要処

理能力を得るための条件について表 3.3.2-4 に整理した。

表 3.3.2-4 処理能力確保のための条件

耐火物表面温度 900℃の場合 800℃の場合 700℃の場合

処理能力を確保するための主

電極間必要投入電力＊１

約 70kW 約 75kW 約 80kW

電力盤容量に対する裕度 いずれのケースも電力盤容量（120kW）以下であり十分な裕度がある。

その他機器への影響 現行炉よりも電極表面密度が上昇するため電極表面積を増加させる設計とする必要

がある。また処理能力向上のため溶融表面積を増加することも考えられる。

＊1：10％の設計裕度に加えた。

ｈ．スカル層形成の成立条件の検討結果

設定した各前提条件，要求機能，設計目標値を満足するスカル層形成のための成立条件お

よび候補となる耐火物材料を表 3.3.2-5 にまとめた。

耐火物厚さ（バックアップレンガ厚さ含む）について，空冷の場合はいずれのケースにお

いても現行炉と同等の厚さの範囲となるが，水冷の場合は冷却機構側を 100℃以下に下げる

ために厚さがさらに 10cm 程度必要となり炉が大型化する傾向となる。

炉を小型化するには熱伝導率の小さな耐火物を使用することが有効だが，候補材料のほと

んどが熱伝導率 2～4W/mK の範囲であり，この中から溶融ガラスに対する腐食試験等を通じて

設定寿命を満足する候補材を選定する必要がある。

また，炉壁冷却により耐火物内の温度勾配が大きくなることから，これによる耐火物割れ

の発生の有無や，割れの発生による影響を確認する必要がある。

22

表 3.3.2-5 スカル層形成成立条件および候補耐火物材料

耐火物表面温度 900℃の場合 800℃の場合 700℃の場合

接液部

耐火物厚＊１

λ=1：5cm

λ=2：10～15cm

λ=3：15～20cm

λ=4：20～30cm

λ=5：25～35cm

λ=6：25～45cm

λ=1：該当なし

λ=2：5cm

λ=3：10cm

λ=4：15cm

λ=5：15～20cm

λ=6：15～25cm

λ=1：該当なし

λ=2：該当なし

λ=3：5cm

λ=4：5cm

λ=5：8～10cm

λ=6：10～13cm

候補材料 ｸﾛﾐｱ・ｱﾙﾐﾅ系電鋳レンガ，AZS 系電鋳レンガ

ｼﾞﾙｺﾆｱ系電鋳レンガ，ｱﾙﾐﾅ系電鋳レンガ

ｱﾙﾐﾅ・ｼﾞﾙｺﾆｱ・ｸﾛﾑ・ｼﾘｶ系電鋳レンガ

ｸﾛﾑ含有ｾﾒﾝﾄｷｬｽﾀﾌﾞﾙ（ｱﾙﾐﾅ系，ｼﾞﾙｺﾆｱ系）

冷却条件＊２ 入口温度 40℃

出口温度 200～400℃

流量：280～430Nm3/h

入口温度 40℃

出口温度 250～400℃

流量：370～450Nm3/h

入口温度 40℃

出口温度 300～400℃

流量：410～460Nm3/h

空冷

耐火物構造 接液部耐火物層+バックアップ層

接液部

耐火物厚＊１

λ=1：10～25cm

λ=2：20～35cm

λ=3：30～40cm

λ=4：40cm

λ=5：40～50cm

λ=6：40～55cm

λ=1：10cm

λ=2：15～20cm

λ=3：20～25cm

λ=4：25～30cm

λ=5：25～35cm

λ=6：25～40cm

λ=1：該当なし

λ=2：15cm

λ=3：15～20cm

λ=4：15～20cm

λ=5：15～25cm

λ=6：15～30cm

候補材料 ｸﾛﾐｱ・ｱﾙﾐﾅ系電鋳レンガ，AZS 系電鋳レンガ

ｼﾞﾙｺﾆｱ系電鋳レンガ，ｱﾙﾐﾅ系電鋳レンガ

ｱﾙﾐﾅ・ｼﾞﾙｺﾆｱ・ｸﾛﾑ・ｼﾘｶ系電鋳レンガ

ｸﾛﾑ含有ｾﾒﾝﾄｷｬｽﾀﾌﾞﾙ（ｱﾙﾐﾅ系，ｼﾞﾙｺﾆｱ系）

冷却条件＊２＊３ 入口温度 40℃

出口温度 50℃

流量：2780kg/h

入口温度 40℃

出口温度 50℃

流量：3710kg/h

入口温度 40℃

出口温度 50℃

流量：4640kg/h

水冷

耐火物構造 接液部耐火物層+バックアップ層

＊1：バックアップレンガを含む厚さ

＊2：保守側に伝熱面積 1.92m2とした場合

＊3：冷却水流量は設計裕度として出口温度 45℃程度を目標とした場合の値を記載した。

23

(2) スカル層形成システムの検討

ａ．冷却システムの検討

耐火物冷却構造を採用した場合の冷却システムについて検討した。冷却システムイメージ

を図 3.3.2-1 に示す。

排風機

冷却ｺｲﾙ

熱交換器

ﾎﾟﾝﾌﾟ

ﾀﾝｸ

空冷の場合 水冷の場合

セル内セル外

水冷システム新規設置

貫通プラグ改造

水冷配管新規設置

空冷配管新規設置

冷却ユニット改造

排風機

冷却ｺｲﾙ

熱交換器

ﾎﾟﾝﾌﾟ

ﾀﾝｸ

空冷の場合 水冷の場合

セル内セル外

水冷システム新規設置

貫通プラグ改造

水冷配管新規設置

空冷配管新規設置

冷却ユニット改造

水冷方式では，万一の停電，ポンプ停止時等における冷却配管内残留冷却水の温度上昇に

よる圧力上昇を防止するため開放端とすることが必要である。また万一の冷却水の炉内への

漏えいによる水蒸気爆発防止対策として冷却配管に高耐食性材料を使用することが考えられ

る。空冷方式においては，ガラス及び冷却空気の相互の接触や漏洩防止機能を有することを

前提にした耐火物自体に冷却空気流路を設ける構造や冷却配管構造が考えられる。

ｂ．実用炉に適用する場合の課題抽出

1) 運転安定性の確認

スカル層付近に炉上層部から沈降してきた白金族元素がトラップされる可能性がある。こ

の場合，通電状態への影響や流下性への影響等，連続運転の安定性に及ぼす影響を確認する

必要がある。

2) 冷却水の炉内漏えいによる安全評価

設計的には冷却水が炉内へ浸入しない対策を施すことが考えられるが，安全評価として万

一の冷却水の炉内溶融ガラス中への浸入を仮定した水蒸気爆発等による影響を評価しておく

必要がある。

図 3.3.2-1 冷却システムイメージ

24

3.4 電極に関する技術開発

3.4.1 電極材料の侵食緩和方策の評価

(1) 電極材料侵食試験の目的

TVF 現行炉の電極材料として採用されている

NCF-690 について，高温溶融ガラス中（1200℃）

における表面電流密度と侵食速度の関係を把握

する。本年度は，可換式電極構造において想定

される電極形状での電流密度範囲(～5A/cm2)を

パラメータとした侵食試験に着手した。

(2) 電極材料通電侵食試験方法

図 3.4.1-1 に実験装置の概要を示す。1,200℃

の電気炉内に溶融ガラスを入れたるつぼを設置

し，電極間距離 4cm で固定した NCF-690 電極試

料(角棒 5×10×300mm)を溶融ガラスに浸漬し，

交流位相差による直流成分が侵食量に及ぼす影

響を避けるため，アナライザ交流電源により

直流成分を 0％とした交流電流を所定の表面

電流密度になるよう印加した。

(3) 試験結果

試験前後の電極試料の写真を図 3.4.1-2 に，

電流密度と侵食速度の関係を図 3.4.1-3 に示す。

この結果，0.3～0.5A/cm2の電流密度では無通電

(0A/cm2)条件とほぼ同等の 0.01mm/d 以下の比

較的小さな侵食速度であるのに対し，0.5A/cm2

を越える電流密度に対する侵食速度の増加割合

が大きくなっている。これらのデータを基づき

候補電極構造の成立性評価や寿命評価を行って

いく。

4）次年度以降の課題

本年度は，1200℃における NCF-690 の電

流密度の依存性のデータを取得した。次年

度は，電極材料の侵食速度に影響を与える

ガラス温度(800～1200℃)，ガラス組成，電

極形状と侵食速度の関係を把握し電極の設

計に反映する。また，他の候補材料につい

て同様の侵食試験を実施し，NCF-690 と比

較し，最適な材料の選定に資する。

通電前

通電後

図 3.4.1-2 通電前後の電極試料

図 3.4.1-3 電流密度に対する侵食速度

図 3.4.1-1 実験装置概略図

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0電流密度（A/cm2）

浸食

速度

（mm/day）

25

3.4.2 電極構造と配置の検討及び評価

本項では，現行炉において炉に固定されている電極を消耗品として容易に交換できるよう

に炉上部または側面部より挿入する「可換式電極構造」について，交換機構の成立性及び必

要な加熱能力を得るための電極の基本仕様について検討した。

(1) 電極構造と配置の検討

ａ．検討の前提条件

検討に際しては，比較評価の観点から，現行炉の構造，寸法，運転方法を検討のベースと

し，以下に示す項目をパラメータとして設定した。ただし，検討の結果，可換式電極のため

に合理的であると判断される場合は構造，運転条件の変更等についても考慮した。

1）電極の仕様：電極による加熱方式は現行炉と同じ直接通電方式とするが，主電極構造，配

置についてはパラメータとする。また，目標とする電極表面電流密度については電極寿命，

つまり交換頻度と関連することからパラメータとした。

2）廃液・ガラス原料の仕様：検討ベースとしては現行炉の標準ガラスとしたが，将来の処理

対象物の拡大を考慮し，これらの製造ガラスがスカル層形成に及ぼす影響についても検討し

た。

ｂ．一般産業炉調査

一般産業炉界では，炉内で処理する対象廃棄物による腐食環境が厳しく電極を定期的に交

換できる構造としているものがあり，多くの実績を有している。ここでは，これら一般産業

炉を対象とし，電極交換機構，電極の設計寿命，交換頻度等について調査し，本研究で対象

としている可換式電極構造への反映事項を整理した。調査の結果，以下のことが分かった。

1）電極設計：先端の損耗が支配的であり，プレナム／スラグ界面の損耗防止対策等は実施し

ていない。このため，電極本体の交換も可能であるが，通常は先端のみを交換している。

2）運転制御：焼却灰等を対象としていることから，組成変動に対応するため，電源には余裕

を持たせている。運転は手動で電力を制御しており，電圧・電流には制限が設けられている

が，電極表面電流密度は特に管理されていない。

ｃ．電極に要求される機能の整理及び設計目標値

現行炉の設計においては耐食性，表面電流密度，加熱能力（処理能力）の確保，電極の冷

却必要性等の要件に従い，対向プレート型（横方向）電極の方式を選定している。電極材料

としては高温のホウケイ酸ガラスに対する耐食性の高い NCF-690 を採用し，表面電流密度が

ある一定の値（0.5A/cm2）を超えると侵食速度が大きくなる傾向にあるという実験結果より，

必要な通電面積を確保する設計としている。また HLW 中に含まれる白金族元素堆積による通

電短絡防止のため，炉底部分とはある一定の距離を確保するという設計をしている。一方，

電極を可換式とする場合，電極要求特性の重要度が変わる可能性がある。ここでは，電極に

要求される機能のうち，可換式電極構造を採用した場合に特に留意すべき要件およびこれら

を勘案した設計目標値について検討した。検討結果を表 3.4.2-1 に示す。

また，以降の検討においては，将来の高レベル廃液の変動の可能性を考慮し，ガラスの粘

度及び比抵抗について各々，標準ガラスの 1.5 倍，0.8 倍までの範囲をパラメータとした。

26

表 3.4.2-1 電極に要求される機能の整理及び設計目標値

項目 現行炉設計に

おける要件

可換式電極構造で留意すべき事項 設計目標値

交 換 頻

度

（特になし） 電極寿命が炉寿命を決定付けるもので

はなくなるが，合理的な交換頻度を設定

する必要がある。

表面電流密度を現行炉設計と同様に

0.5A/cm2（侵食速度 0.03mm/ｄに相当）

以下に押さえる設計の場合は 5 年/回と

する。0.5A/cm2を超える設計の場合（侵

食速度 0.03mm/ｄ以上となる場合）は，

腐食代を増加し 5 年/回を目標とするか，

または，交換頻度を早めても廃棄物発生

量が少ないと見積もられる場合は交換頻

度 2～5 年/回の間を目標とする。

耐食性 ホウケイ酸ガラ

スに対する耐食

性を有すること

可換式の場合，電極寿命が炉寿命を決定

付けるものではなくなるため，現行

NCF-690 より耐食性の劣る材料を使用す

る合理的な理由がある場合はその材料

を使用し交換頻度で対応することも考

えられる。また，上部挿入型の場合は気

液界面における耐食性についても考慮

する必要がある。

目標とする交換頻度を確保できる耐食性

を有した材料を使用する。現行炉では電

極材に NCF-690 を採用し侵食速度

0.03mm/ｄ×年間稼動日数 300d/y×設計

寿命 5y＝45mm⇒50mm を腐食代として設

定しており，腐食代は炉サイズを大幅に

変更しないよう 50mm 以内を目標とする。

表面

電 流 密

度

表面電流密度平

均が 0.5A/cm2以

下となること

可換式の場合，電極寿命が炉寿命を決定

付けるものではなくなるため，侵食速度

が上昇しても表面電流密度を上昇させ

る合理的な理由がある場合は，表面電流

密度を上げ交換頻度で対応することも

考えられる。

現行炉設計と同様に 0.5A/cm2 以下を目

標とするが，侵食速度が大きく交換頻度

が早くなっても廃棄物発生量の観点など

から合理的だと判断できるケースは

0.5A/cm2以上（侵食試験により設定され

る）を許容してもよいものとする。

短 絡 防

止

白金族元素堆積

による主電極間

通電の短絡を防

止すること

現行炉設計と同様に炉底部白金族元素

堆積による主電極間通電の電気的な短

絡を防ぐため，｢主電極間距離÷2＞炉底

深さ｣を満足する電極配置を考慮する。

現行炉設計と同様に炉底部白金族元素堆

積による主電極間通電の電気的な短絡を

防ぐため，｢主電極間距離÷2＞炉底深さ｣

を満足する電極配置を考慮する。

加 熱 能

力

主電極間通電に

よりガラス温度

を 1100～1250℃

まで加熱できる

こと。

目標とする表面電流密度を満足しつつ，

ガラス温度を 1100～1250℃まで加熱で

きる電力を投入できる表面積を有する

電極構造とする。

目標とする表面電流密度を満足しつつ，

ガラス温度を 1100～1250℃まで加熱で

きる電力を投入できる表面積を有する電

極構造とする。

電極

の冷却

主電極表面温度

が 1100℃以下と

なるようにする

こと。

現行炉設計と同様に，電極内強制空冷方

式を採用する。可換式の場合は，冷却空

気配管等についても遠隔交換機構の取

合いに留意する必要がなる。

現行炉設計と同様に主電極表面温度が

1100℃以下となるよう強制空冷配管を内

蔵する設計とする。

その他 温度測定が可能

なこと

現行炉設計と同様に，電極温度を監視可

能とするために電極内部に熱電対を設

置する。熱電対，その他としてブスバー

等についても遠隔交換機構の取合いに

留意する必要がある。

その他として遠隔交換が可能な設計とす

る。

ｄ．電流密度，温度分布，処理能力の評価

電極の可換構造として a)側面挿入方式，b)上部挿入方式（平板），c)上部挿入方式（丸棒），

d)円筒円柱方式，の 4 ケースについて検討した。そのうち 3 ケースについて必要な性能（加

熱能力等）が得られるか否かについて電位解析を実施した。表 3.4.2-2 に結果を示す。これ

らを総括すると以下のようにまとめられる。

・ a)側面挿入方式については，電極配置，形状等が現行炉とほぼ同じ設計にすることが可能

となることから，基本性能（加熱能力，温度分布，処理能力）は得られる。

27

・ b)上部挿入方式（平板）については，通電面積を現行炉と同等またはそれ以上に設計にす

ることが可能となることから，必要な基本性能（加熱能力，温度分布，処理能力）が得ら

れる。また通電面積を現行炉と同等以上とすることができるため，電極表面電流密度は現

行炉以下に設計することが可能となる。

・ c)上部挿入方式（丸棒）については，平板と比較して有効通電面積が小さいため，必要な

加熱能力を得るためには電極表面密度平均が約 1.0A/cm2（電極本数 4 本）となり，耐食性

が低下し交換頻度の増加の可能性が指摘される。しかしながら，電極形状を楕円とし通電

有効面積を増加させる等の最適化についても充分余地が残されている。本方式は，電極の

炉壁側は電流が小さく，温度が下がる傾向にありスカル層形成のための炉壁冷却との併用

には有利である。

・ 上部挿入方式ｂ）ｃ）では，気液界面までが通電可能範囲となり，ガラス温度が均一であ

れば，抵抗の小さい気液界面付近に電流が集中する傾向となるが，通常の廃液処理運転で

は，気液界面は，仮焼層が存在する状態であり，自ずと温度が低く電気抵抗が大きくなる

ため，結果的に電極軸方向の電流密度分布は平滑化される。この結果，側面挿入方式 a)

や現行炉と同等のガラス発熱分布を得ることが可能であることが分かった。ただし，熱上

げ時，ドレンアウト時等のホットトップ状態（仮焼層が無い状態）では気液界面付近に電

流が集中する傾向となることが考えられるため，溶融ガラス温度や電極温度を監視しなが

ら電力調整を行うなどの運転管理が必要となることが考えられる。また，運転中はガラス

レベルが変化し，通電面積が変化するが従来どおり定電力制御運転を実施すれば問題ない。

・ 主電極間通電に加え，主電極-流下ノズル電極間通電を考慮しても炉内の発熱密度分布は

大きく変わらないことを電位分布解析により確認できた。

・ 将来型ガラスを想定した場合，溶融ガラスの比抵抗が下がり電極の表面電流密度が上昇す

る傾向にあり，上昇幅は 1.1 倍程度と影響は小さい。これを考慮し電極の設計をする必要

がある。

ｅ．遠隔交換機構の成立性の評価

電極遠隔交換の実現性について，遠隔機構，引き抜き性，残留ガラスの影響，天井クレー

ン容量，機器との干渉等について比較評価した。比較結果を表 3.4.2-3 に示す。その結果上

部挿入方式のほうが実現性が高いことが分かった。

表 3.4.2-2 電位解析まとめ

現行 側面挿入方式 上部挿入方式（平板） 上部挿入方式（丸棒 4本）

三次元簡易モデル ニ次元簡易モデル 二次元簡易モデル 三次元簡易モデル

電流密度分布

発熱密度分布

電極表面密度 平均 0.4A/cm2

最大：1.7A/cm2

平均 0.4A/cm2

最大：1.7A/cm2

平均 0.35A/cm2

最大：1.5A/cm2

平均 1.0A/cm2

最大：3.9A/cm2

評価 － 電極配置，形状等が現行炉とほぼ同じ設

計にすることが可能となることから，基

本性能（加熱能力，温度分布，処理能力）

は得られる。

通電面積を現行炉と同等またはそれ以

上に設計にすることが可能となること

から，必要な基本性能（加熱能力，温度

分布，処理能力）が得られる。また通電

面積を現行炉と同等以上とすることが

できるため，電極表面電流密度は現行炉

以下に設計することが可能となる。

配置の制約上から通電面積を大きくと

ることができないため，必要な加熱能力

を得るためには表面電流密度平均が約

1.0A/cm2となり，耐食性が低下し交換が

頻繁になる可能性が高い。しかし，設計

対策としては電極形状を楕円とし通電

有効面積を増加させることが考えられ

る。また，電極の炉壁側は電流がほとん

ど流れず，温度が下がる傾向にあり，炉

壁冷却との併用には有利である。

28

29

表 3.4.2-3 遠隔交換機構の成立性の比較

＊１：現行プラントにおける機器配置，遠隔操作機器仕様並びにクレーン仕様を前提として

いる。

ｆ．電極構造・配置の成立条件及び基本仕様の検討結果

設定した各前提条件，要求機能，設計目標値を満足する可換式電極の成立条件および基本

仕様を表 3.4.2-4 にまとめた。これにより次のことが言える。

・ c)上部挿入方式（丸棒）以外は腐食代 50mm で 1 回/5 年以上の交換頻度が期待できる。

・ c)上部挿入方式（丸棒）は腐食代を大きくすることや，形状を楕円形等にし通電面積を

確保することで交換頻度を下げることが可能。

・ 廃棄物発生量の観点からは，a)側面挿入方式が最もコストパフォーマンスに優れ，現行

炉からの設計変更が小さいが，遠隔操作性に難がある。

・ 上部挿入方式はいずれのケースも炉上部の機器配置を全面的に新設計とする必要があり，

周辺設備の一部改造を伴う。

a)側面挿入方式 b)上部挿入方式

（平板）

c)上部挿入方式

（丸棒 4本）

d)上部挿入方式

（円筒円柱）

遠隔交換機構 ○

既存の技術が適用可

○

既存の技術が適用可

○

既存の技術が適用可

○

既存の技術が適用可

引き抜き性 △

遠隔による重量物の横

方向の引き抜き挿入は

困難。定期的に消耗し

た厚さだけ追加できる

ようスライド方式とす

ることが考えられる。

○

遠隔による上下方向の

引き抜き作業は実績あ

り

○

遠隔による上下方向の

引き抜き作業は実績あ

り

○

遠隔による上下方向の

引き抜き作業は実績あ

り

隙間の

残留ガラス影

響

△

電極-耐火物間等の隙

間に侵入し残留したガ

ラス粉がかじり，引き

抜き性を悪化させる可

能性がある。間接加熱

等により加熱しながら

引き抜くことが考えら

れる

△

電極-耐火物間等の隙

間に侵入し残留したガ

ラス粉がかじり，引き

抜き性を悪化させる可

能性がある。間接加熱

等により加熱しながら

引き抜くことが考えら

れる

○

既存のガラス温度測定

用熱電対と同様に残留

ガラスによる引き抜き

性への影響はないと考

えられる。

△

電極-耐火物間等の隙

間に侵入し残留したガ

ラス粉がかじり，引き

抜き性を悪化させる可

能性がある。間接加熱

等により加熱しながら

引き抜くことが考えら

れる

天井クレーン

容量＊１

△

横方向へ移動する力を

加えるための別途装置

が必要。

○

既設クレーンで対応可

能

○

既設クレーンで対応可

能

○

既設クレーンで対応可

能

その他機器と

の干渉＊１

△

引き抜き移動のための

装置の干渉について検

討する必要がある。

△

引き抜き時は干渉する

天板上の機器を取り外

す必要がある。間接加

熱装置は炉内プレナム

部への吊下げ型とす

る。

△

引き抜き時は干渉する

天板上の機器を取り外

す必要がある

△

引き抜き時は干渉する

天板上の機器を取り外

す必要がある。間接加

熱装置は炉内プレナム

部への吊下げ型とす

る。

30

表 3.4.2-4 電極構造・配置の成立条件および基本仕様

方式 a)側面挿入方式 b)上部挿入方式

（平板）

c)上部挿入方式

（丸棒）

d)上部挿入方式

（円筒円柱）

概念図

電極材質 NCF-690 NCF-690 NCF-690 NCF-690

形状 プレート

電極空冷

プレート

電極空冷

ロッド

電極空冷

ロッド+外周プレート

電極空冷

本数 2 本 2 本 4 本 ロッド 1本+プレート 1本

表面電流密度 0.5A/cm2以下 0.5A/cm2以下 約 1.0A/cm2 ﾛｯﾄﾞ 0.5 程度 A/cm2（推定）

腐食代 50mm（交換）

200mm（継足挿入）

50mm 以下参照 50mm

交換頻度 1 回/5 年

1 回/5 年 腐食代 50mm の場合

⇒約 1回/2 年

腐食代 100mm の場合

⇒約 1回/5 年

1 回/5 年（ロッド）

1 回/10 年（ﾌﾟﾚｰﾄ）

廃棄物発生量 交換の場合

約 3.2ｔ/20 年

継ぎ足し挿入の場合

約 1.0ｔ/20 年

約 3.6ｔ/20 年 腐食代 50mm の場合

約 11ｔ/20 年

腐食代 100mm の場合

約 6ｔ/20 年

約 10ｔ/20 年

その他 間接加熱装置は炉内

吊り下げ型のリッド

ヒータとなる。

通電有効面積確保の観

点から電極形状を楕円

形にすることが考えら

れる。

(2) 次年度以降の課題

上部挿入型電極の場合，気液界面（溶融ガラスと気相部との界面）における電極の耐食性

が課題となる。来年度においては気液界面における電極材侵食試験および侵食対策について

検討する予定である。

外周全て電極外周全て電極

31

3.5 長寿命ガラス溶融炉の概念検討

(1) 全体基本構造図案

前項までの技術検討結果に基づき実用炉の概念を検討した。一例を図 3.5.1-1 に示す。実

用炉構造の詳細検討においては，本研究で検討した長寿命化技術の適用に加え，流下性向上

のための炉底部構造（傾斜角度の増加等），処理能力向上のための溶融面積拡大等を念頭にお

いた設計を考慮する予定である。

図 3.5.1-1 実用炉概念（一例）

(2) 既存プラントとの取合い検討

既存プラントに長寿命炉を設置する場合，以下のような取合い設計変更，追加設備，改造

等が必要となる。

ａ．炉壁冷却構造の採用

1) 空冷の場合；固化セル内冷却ユニット既設流用および一部改造。

2) 水冷の場合；ポンプ，水冷ﾀﾝｸ，熱交換器の追加設置，セル貫通配管の使用

ｂ．可換式電極構造の採用

1) 炉天板機器の大幅な配置設計変更（間接加熱装置，溶融ガラス温度測定用熱電対，原

料供給ノズル，水供給ノズル，各ジャンパ管の干渉を考慮する）

2) 主電極冷却空気配管，ブスバー，熱電対類の遠隔着脱可能化

3) 主電極着脱時における他機器の取外し

(3) 次年度以降の課題

来年度は，スカル層形成，上部挿入方式の電極などの長寿命化に向けた各高度化技術の検

証を行うための実用炉を対象としたスケールモデル試験設備の装置設計を行う。

立面図 平面図（A-A矢視）

主電極（ロッド型）

炉底補助電極 接液部耐火物バックアップレンガ

冷却配管（空冷　or　水冷）

継電板

ﾌﾞｽﾊﾞｰ電極冷却空気配管

A A

立面図 平面図（A-A矢視）

主電極（ロッド型）

炉底補助電極 接液部耐火物バックアップレンガ

冷却配管（空冷　or　水冷）

継電板

ﾌﾞｽﾊﾞｰ電極冷却空気配管

A A

32

4. まとめ

4.1 全体のまとめ

2005 年度（平成 17 年度）は，長寿命化を達成するための初年度の課題として，HLW 組成調査，

高レベル固化ガラスの特性把握，スカル層形成成立条件の検討，スカル層による侵食抑制機能

評価，電極材料の侵食緩和方策の評価，電極構造と配置の検討及び評価，長寿命ガラス溶融炉

の要件整理と概念検討に関して技術開発を実施した。また，これらから得られた成果に基づい

て，次年度以降の開発課題の設定と計画の立案を行った。

本年度の技術開発により，開発目標である炉寿命 20 年間を達成できる溶融炉概念と各要素技

術の見通しが得られた。これらの成果を基に 2006 年度（平成 18 年）以降，各要素技術評価試

験，小型炉試験，シミュレーション解析評価を実施し，2008 年度（平成 20 年）までに長寿命

炉の基本仕様を具体化し実用化の見通しを得る。

4.2 自己評価

以下，今年度の実施成果に関して各評価項目に沿った自己評価を示す。

4.2.1 研究テーマの妥当性・意義に関して

本研究により，わが国の HLW のガラス固化処理プロセスに採用されているガラス固化溶融

炉の設計寿命 5年を 20 年以上に長寿命化することにより，高レベル廃棄物処理コストの大幅

な低減が期待できる。TVF をベースにした本年度のコスト試算により百億円以上の処理コスト

低減が可能との結果が得られ，商用規模のガラス固化施設へ適用した場合においても大幅な

コスト低減効果が期待できる。

更に，高燃焼度使用済燃料への対応など将来の核燃料サイクル廃棄物も処理対象範囲とし

た研究に着手しており，次世代の高レベル廃棄物処理の枢要技術として重要な研究テーマに

位置づけられる。

4.2.2 研究開発目標及び実施計画に関して

設計寿命 20 年以上とする開発目標は，仏国，英国，米国などのガラス溶融炉も実現してい

ない高いレベルの技術開発である。その目標へのアプローチとして，単純な高耐食性材料の

開発だけではなく，スカル層形成や可換式電極構造など炉構造も含めた高度化技術の組み合

わせで対応したことにより，長寿命化の実現の見通しを得られた成果は大きい。

また，実施項目を「組成調査とガラス特性把握」，「溶融炉構造検討」，「耐火物と電極材料

の侵食データ取得試験」，「スカル層構造と電極構造の設計検討」，「設計条件及び運転条件の

シミュレーション解析」，「小型炉検証試験」に整理し，短期間で実用化を図るため相互を体

系的に連携させた合理的な計画が展開されていると評価できる。

4.2.3 研究開発実施者の事業体制，運用に関して

本研究では，わが国の高レベルガラス固化技術の開発･実用化を進めてきた原子力機構及び

IHI と，関連する基盤的な学術的研究を実施している埼玉大との連携体制で進めており，最適

な事業体制といえる。また多くの若手研究者が各テーマを担当しており人材育成，技術継承

33

の点でも有意義である。

4.2.4 計画と比較した達成度，成果の意義に関して

要求機能の整理と技術調査に基づき長寿命化を実現する炉構造のコンセプトが具体化でき

た。また，低温領域での耐火物侵食試験データ，電流密度と電極侵食速度との関係，スカル

層形成条件の解析評価等により長寿命炉の成立性が確認でき，当初の計画通り実用化へ向け

て着実にステップアップしていると評価できる。

4.2.5 成果の実用化・事業化の可能性に関して

TVF 等への次世代溶融炉としてプラント要件や制約条件に適合する長寿命炉を具体化して

おり適用性は明確である。実用化・事業化の見通しは最終年度に判断すべきものであるが，

現時点でも，実用化までの期間，コスト，経済効果等の課題は十分に克服可能と予想できる。

4.3 今後の計画

平成 18 年度から平成 20 年度までの各技術開発計画を示す。

4.3.1 高レベル固化ガラスの特性把握

(1) HLW 組成調査

高燃焼度使用済燃料等の廃液や高減容ガラス固化など，長寿炉の処理対象廃棄物として想

定される処理対象固化ガラスの組成変動範囲を検討・整理する。

(2) 高レベル固化ガラス特性評価

軽水炉再処理の HLW を模擬した廃液成分と共に，高燃焼度化等による廃棄物成分の変動に

よる溶融ガラスや白金族元素等を高濃度に含有する溶融ガラスについて，粘度，電気伝導率，

などの基礎物性データ取得を継続する。また，スカル層近傍などを想定した場合の低温度又

は温度勾配を有する部位のガラス特性，白金族元素挙動を把握する。

4.3.2 長寿命炉壁に関する技術開発

(1) スカル層による侵食抑制機能評価

スカル層の温度等をパラメータとして新候補材料も加えた侵食試験を継続する。

(2) スカル層形成制御技術の確立

設定した条件のスカル層を安定的に形成できるよう，その形成条件をシミュレーション計

算及び実験によって把握し，溶融炉に設けるスカル層形成機構の検討・設計及びスカル層形

成制御条件を把握する。

スカル層は溶融炉内の耐火物炉壁を冷却して形成することから，溶融炉各部の温度差が大

きくなり，耐火物内の熱応力分布が形成されることや溶融ガラスの流動形態が従来の LFCM 法

とは異なること等が考えられる。また，冷却による処理能力への影響も予測される。ガラス

流動及び処理能力への影響を解析評価し，スカル層形成機構の検討においてはこれらの影響

を最小化するような方策，またはそれらを踏まえた炉構造も検討する。

(3) 長寿命炉壁構造の検討･評価

スカル層の形成や電極の侵食対策の試験結果等を踏まえつつ，他の方策も含めて溶融炉の

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長寿命化を実現する炉壁構造について検討･評価する。

4.3.3 電極に関する技術開発

(1) 電極材料の侵食緩和方策の評価

上記で検討した電極構造等を想定し，新電極候補材料も加えて，表面電流密度や温度分布

をパラメータとした電極の侵食試験を行い電極構造検討に必要な各条件と侵食速度の関係を

把握する。それらの結果を踏まえて，炉全体の基本構造や電極構造と配置検討を踏まえた侵

食緩和条件を検討する。

(2) 電極構造・配置の検討評価

上部挿入方式等の電極構造を想定した場合の処理能力への影響等を解析評価によって把握

し，溶融炉構造の最適化，補助加熱装置の利用等の必要性を検討する。溶融ガラス面付近の

気相液界面付近において侵食が進行し易いことも考慮し，その部分の電極保護構造等につい

ても検討する。溶融炉内での通電状態，発熱分布及び温度分布，加熱領域を変更する機能と

その効果を解析評価によって把握し，溶融ガラス加熱に最適な電極配置を決定する。電極交

換･移動時には，溶融炉内放射性物質の閉じ込め及び電極の落下防止に留意し，遠隔で操作で

きる機構を検討する。

4.3.4 シミュレーション技術の開発整備

溶融炉の試験条件や運転特性を把握するためのシミュレーション技術を開発･整備する。

炉壁冷却によるスカル層の形成及び上部挿入方式電極を採用した場合の溶融炉では，熱バ

ランス，通電経路等の違いにより，従来の LFCM 法の溶融炉とは異なる運転特性となる可能性

がある。そのため，新しい炉構造における炉内の溶融ガラスの温度分布及び流動特性につい

て，シミュレーション解析によって把握する。解析においては，既存の解析コードを基に，

電位，熱，流動等の個別解析及びこれらを連成させた挙動シミュレーションに関するコード

を整備し，TVF2 号炉やコールド試験炉の特性データを用いた検証を行い，それらのデータ等

との比較評価により，新たな溶融炉の特性について信頼性を持った評価結果を求める。また，

溶融炉運転の制御パラメータや，長期に亘る運転の変動傾向を解析評価し，長期的に安定な

運転条件を把握する。

4.3.5 溶融炉構造の検討及び試験設備の設計・製作

上記に挙げた高レベル固化ガラスの特性，炉壁，電極，シミュレーション解析に関する技

術開発と連携し，小型炉試験設備の設計及び製作を行う。電源等ユーティリティ，オフガス

設備等の付帯設備については，原子力機構がこれまでにガラス固化技術の研究開発において

活用してきた試験設備の転用，改造等を図ることとし，効率的かつ合理的に実施することを

基本とする。

設計においては，特に以下の項目に考慮する。

・スカル層形成など長寿命化のための炉壁構造

・上部挿入電極方式など長寿命化のための電極構造

・運転特性評価に基づく溶融槽形状の最適化

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更に，炉壁及び電極以外の溶融炉構造物についても，必要に応じ，20 年の炉寿命を見込ん

だ耐久性向上又は消耗部位の交換機構等の対策を検討する。

4.3.6 適用性評価及び検証試験

(1) 長寿命炉の適用性評価と実用炉仕様設定

長寿命炉の概念に対して，各技術開発により得られた各データを基に，実現性や各効果を

評価する。またそれらを集大成し実用炉の基本仕様を検討･具体化する。

(2) 検証試験と効果の評価

製作した試験設備により模擬廃液等を用いた処理運転試験を行い，スカル層形成，上部挿

入方式電極など長寿命化に向けた各高度化技術の検証を行うとともに，実機レベルにスケー

ルアップした場合の効果等について評価する。

5. 参考文献

〔1〕 CEA, Clefs CEA No.46, “Radioactive Waste Management Research,”Spring2002.

〔2〕 COGEMA, “The Cold Crucible Induction Melter : An Innovative Vitrification

Technology,”Spectrum 2000, Sep.24-28,2000.

〔3〕 正木敏夫(動燃事業団)ほか，「ガラス溶融炉耐火物材料の開発」，日本原子力学会「1990

秋の大会」(1990 年 10 月)，東北大学

〔4〕 高井政道(品川白煉瓦㈱)ほか，「廃棄物溶融炉用クロムフリー耐火物につて」，耐火物，

56[12]，pp.606-607，2004 年

〔5〕 三島昌昭(黒崎播磨㈱)ほか，「溶融炉用クロムフリー耐火物」，56[12]，pp.612-613，

2004 年

〔6〕 原智彦(ニチアス㈱)，「NiO-Al2O3系不定形耐火物の耐スラグ侵食性について」，ニチア

ス技術時報，No.322，2000 年 6 月