JP7211729B2 - 放射性物質保管容器用水素ガスベント及びこれを用いた放射性物質保管容器 - Google Patents

Description

この発明は、放射性物質保管容器用水素ガスベント及びこれを用いた放射性物質保管容器に関する。

放射性物質を輸送、保管・貯蔵、埋設処分等において、放射性物質を容器に入れた場合に、容器内に含まれる水などが放射線分解して水素ガスや酸素ガスなどが発生することによる容器内の圧力上昇による容器の破損や変形、あるいは水素ガス爆発の危険がある。

放射線を発する放射性物質を輸送、保管・貯蔵、処分等を行う場合、放射性物質を漏洩させず、外部からの雨水等の浸入を防ぎ、あるいは、放射線の遮蔽を目的として、通常は、何らかの密閉容器に入れ埋設され、あるいは、施設内で管理される。この時、水などが存在すると、水の放射線分解によってＨ_２、Ｏ_２、Ｎ_２、ＣＯ_２などのガスが生成する。これらガスの生成は、容器内の圧力を上昇させ、容器の破損や変形を生じる恐れがあり、破損では放射性物質が漏洩し、あるいは、変形することで容器を覆う様々な遮蔽体に影響を及ぼす可能性がある。

放射性物質は、細かな粒状を呈するものや、焼却飛灰など粉状である場合、あるいは、液状である場合があり、万一の容器の破損や経年劣化等によって、これら放射性物質が外界へ漏出する危険性を回避する必要がある。これら放射性物質を安定させるためセメント系材料で固形化することが有効であるが、セメント系材料は水を含むものが多い。また、ガラス固化体での固化でも、容器内でセメント系材料を用いて固定化で水を含むことがあり、放射線によりガスの発生が課題となる。

特に、水由来のＨ_２（水素ガス）は、その濃度が爆発限界あるいは燃焼限界に達し、静電気によるスパークなどの発生で火炎伝播を生じる危険性があり、容器内のみならず、これらを貯蔵する施設においても適切に水素ガス等の濃度を限界値以下に管理することが求められる。

特許文献１によると、多孔質基材の表面にセラミックス製の多孔質膜を形成し、さらにその上にフッ素原子を含む有機ケイ素化合物を付与し、水不透過性のセラミック分離膜で水素ガスを分離できる。しかし、この構造は複雑であり、製造工程では熱処理が必要で、安全保管を目的とし、ガス種類に応じた孔径のセラミックス製の多孔質膜を得ることが困難であった。また、水素ガスの透過率は低く、分離膜の耐久性、特に、機械的強度が不十分で放射性物質の遮蔽には不向きである。

また、密閉容器に発生ガスの圧力を感知して作動するリークバルブを設けたとしても、水素ガスの爆発限界は４体積％であって極めて低いため，爆発限界に達してもこの水素分圧に相当する低圧でリークバルブの作動は困難であり、リークバルブでは容器内の水素ガス爆発を防止出来ない。

ＷＯ２０１２／１４１０３３

そこで、放射性物質の輸送、保管、貯蔵、埋設等の処分において、放射線によって発生するガスが容器内の閉鎖空間に発生することによる圧力変形や水素ガスによる爆発などを防ぐとともに、放射性物質保管用容器内の閉鎖空間からの放射性物質の漏出や、外界からの雨水等の浸入を防ぎ、効率的に水素ガスおよび他の放射線分解生成ガスを逃がすガスベントを提供することを課題とした。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、水素ガスベント及びこれを用いた放射性物質の容器、を提供するものである。本発明は、発生した水素ガスおよび酸素ガスを容器内から逐次放出するガスベントを提供するものである。

前記課題を解決するため、本発明は、
［１］放射性物質を保管する容器に設置し、水の放射線分解によって発生するガスを、容器外へ排出させるガスベントであって、液体を透過しないが気体を透過することのできる気体透過性膜と、これを保持する透気性多孔質担持体を有する水素ガスベント、を提供する。

［２］前記気体透過性膜はシリコーンゴムであることを特徴とする［１］の水素ガスベント、を提供する。

［３］前記透気性多孔質担持体は多孔質セラミックスまたは多孔質金属であり、前記気体透過性膜の厚さが０．１～５ｍｍであることを特徴とする［１］～［２］の水素ガスベント、を提供する。

［４］［１］～［３］の水素ベントは、透気口および排気口を有するボックスに気体透過性膜と前記透気性多孔質担持体を保持させ、透気口は容器内に開放し、排気口はチューブを用いて容器外排気口に接続したことを特徴とする放射性物質保管容器、を提供する。

［５］［１］～［３］の水素ベントは、前記気体透過性膜と前記透気性多孔質担持体を容器の外壁の一部とするように円筒状ボックス１５内に設置したことを特徴とする放射性物質保管容器、を提供する。

図１に放射性物質の容器２０内における放射線によるガス発生とガスベント１０の機能の概念を示す。放射性物質３０は、固形化物４０とともに容器内に保管される。このとき放射線によって発生するガスが容器内の閉鎖空間に発生することによる圧力変形や水素ガス（図１のＨ_２）による爆発などを防ぐとともに、放射性物質保管用容器内の閉鎖空間からの放射性物質３０の漏出や、外界からの雨水等の浸入を防ぎ、安全かつ効率的に水素ガスを逃がすガスベント１０を提供する。

液体を透過しないが気体を透過することのできる気体透過性膜
ガスベントに用いる気体透過性膜は、液状水を透過せず、ガスを透過する膜であり、製造における取扱い性、水やガスの透過性、耐熱性耐寒性などの耐久性、経済性、などの観点から、シリコーンゴムが好適である。ジメチル系、メチルビニル系、メチルフルオロアルキル系などのシリコーンゴムが好ましい。さらに、ＳｉＯ_２のエアロジルや石英粉、珪藻土などをフィラー（混合材）として用いることで強度特性を改善した複合材とすることが好ましい。シリコーンゴムは水素ガスの透過性に優れるとともに、他のその他の放射線分解生成ガスの透過性にも優れるため、密閉容器の変形、破損を防止でき、好適である。

さらにまた、シリコーンゴムの分子構造中にフェニル基を３～２０モル％含有すると放射線に対する耐久性が向上するだけでなく、容器を低温環境下で保管することもあることから耐寒性を付与することができる。フェニル基を有するメチルフェニルビニルシリコーンゴムが例示される。

気体透過性膜は、剛性率を０．５～１０ＭＰａとすることで、外界の温度変化に対して追従性が増し、液状水などの容器内容物が漏出することを防ぐ。また、気体透過性膜の水素ガス透過性は、０．１ｃｃ・ｃｍ／（ｃｍ^２・ａｔｍ・ｄａｙ）以上が望ましい。

気体透過性膜を保持する透気性多孔質担持体
ガスベントに用いる透気性多孔質担持体は、ステンレスなどの金属の多孔体、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏなどを主成分とする多孔質セラミックで１ｎｍ～１ｍｍの細孔径を有するもの、セメント硬化体、あるいは石こう硬化体などを用いることができる。

これら透気性多孔質担持体のガス透過性は、１００ｃｃ・ｃｍ／（ｃｍ^２ ・ａｔｍ・ｄａｙ以上が好ましい。これにより、気体透過性膜によるガス透過を妨げず、効果的にガスを容器内から排出できる。さらに、透気性多孔質担持体および気体透過性膜のガス透過量の比である、（透気性多孔質担持体のガス透過量）／（体透過性膜のガス透過量）は水素ガス透気性多孔質担持体の拡散性から１０以上が望ましい。この比の値は、水素ガスベントを設計する上でも重要であり、例えば、体透過性膜のガス透過量は必要とする水素ガスの透過性から設定し、さらに、ガス透過量は通気率と厚さで決まることから、この比である１０を用いることで、透気性多孔質担持体のガス透過量が算出でき、用いる透気性多孔質担持体のガス透過性の実測値やカタログ値などから、透気性多孔質担持体の厚さの上限を決めることができる。

また、破壊強度は４点曲げ試験で５ＭＰａ～２００ＭＰａであると、機械的な外力を受けても損傷せずに担持体としてのガス透過性能が保持される。望ましくは２０～１００ＭＰａとすると容器内のガス圧が上昇にも耐え、加工が容易である。透気性多孔質担持体の厚さは、１ｍｍ～２ｃｍであり、厚さ０．１～５ｍｍの薄い坦持体を積層し透気性多孔質担持体としたり、あるいは、薄い坦持体を積層した間に気体透過性膜を設置したりしても良い。

ガスベントを用いた容器の構成
図２にガスベントの容器への設置の一例を示す。ガスベント１０は、前記気体透過性膜１１と前記透気性多孔質担持体１２を有し、これらを保持する構造を持つものである。保持する方法は特に制限されないが、透気口１３および排気口１４を有するボックス１５に前記気体透過性膜１１と前記透気性多孔質担持体１２を保持させ、透気口１３は容器内に開放し、また排気口１４はチューブ１６等を用いて容器２０に配した容器外排気口２１に接続する構成とする。ガスベント１０は、放射性物質が格納される容器２０に突起物とならないように容器内に設置し、また、液状水の外界からの浸入を防ぐため、容器外排気口の位置より上に設置することが望ましい。

容器外排気口２１に設ける孔の大きさは特に制限されないが、ガス拡散が早いことから開口面積が大きい必要は無く、容器体積にも依存するが２ｍｍ^２～１００ｃｍ^２の開口面積とすることが良い。容器外排気口２１には、外部からの機械的作用に対する抵抗性を増す目的や、ゴミなどの容器内への飛来を防ぐ目的で、ガスの透気性を阻害しない金属メッシュあるいはパンチングメタルや、空隙率が５～５０％程度の金属多孔体や多孔質セラミック又は不織布等を用いたフィルター２２を設置すると良い。ガスベントの排気口１４は、容器外排気口２１に直接接する構造とすれば、接続チューブは不要となる。

気体透過性膜１１の透気性多孔質担持体１２への設置は、例えば、硬化したシリコーンゴムを支持体に機械的あるいは接着剤等を用いて設置する、熱硬化型、UV硬化型、湿気硬化型のシリコーンゴムを支持体に塗布し、それぞれの硬化方法で硬化させても良い。気体透過性膜１１は透気性多孔質担持体１２の片面、両面、あるいは透気性多孔質担持体内に積層された構造とすることができる。このとき透気性多孔質担持体１２の両面への設置が可能であり、容器内および容器外からの液状水などを効果的に遮断できる。また、水蒸気の結露水を抜くドレーン口１７を設けることが好ましい。
気体透過性膜１１の膜厚は、総計で０．１～５ｍｍが好ましく、より好ましくは総計０．１～２ｍｍであり、０．１ｍｍ以下であると熱膨張などの影響で膜が破断する虞があり、５ｍｍ以上であるとガス透過が阻害され虞がある。

ガスベントを用いた容器の構成
図３にガスベントの容器への設置の別の一例を示す。ガスベント１０は、前記気体透過性膜１１と前記透気性多孔質担持体１２を容器の外壁の一部とするように円筒状ボックス１５内に設置した構成とする。フィルター２２と網目キャップ２１を一体化して円筒状ボックス１５と外壁の一部に付着させた。

放射性物質保管用容器内の閉鎖空間からの放射性物質の漏出や、外界からの雨水等の浸入を防ぎ、効率的に水素ガスおよび他の放射線分解生成ガスを逃がすガスベントにより、発生した水素ガスおよび酸素ガス等を容器内から逐次放出し、放射性物質の輸送、保管、貯蔵、埋設等の処分において、放射線によって発生するガスが容器内の閉鎖空間に発生することによる圧力変形や水素ガスによる爆発などを防ぐことができる。

容器内における放射線によるガス発生とガスベントの機能を示す概念図である。 ガスベントの容器への設置の一例を示す図である。 ガスベントの容器への設置の別の一例を示す図である。 ガスベントから排出された水素ガスのガスベント量の経時変化を示す図である。

１０：ガスベント
１１：気体透過性膜
１２：透気性多孔質担持体
１３：透気口
１４：排気口
１５：ボックス
１６：チューブ
１７：ドレーン口
２０：容器
２１：容器外排気口
２２：フィルター

透気性多孔質担持体として、曲げ強さ８０ＭＰａのアルミナムライト混合焼結体（１３００℃）を厚さ０．９８ｃｍとし、３．８２ｍｍ×３．８２ｍｍに加工した。前記坦持体の両面に非晶質シリカを５～１０％含有する湿気硬化型メチルビニルシリコーンを厚さ０．４３ｍｍ／片面となるよう塗布し、室内で硬化させ気体透過性膜とした。これを金属製のボックスの上部に、透気性多孔質担持体の周囲をエポキシ樹脂で接着させ、水素ガスベントの片面を大気開放の状態とした。

金属ボックスの透気性多孔質担持体を除く内部容積は３６．７ｃｃであり、ボックス底部にはチューブ取付け口を配し、ガスベントとした。なお、ガスベントの大気開放面を水に浸したが、液状水透過による質量増加は認められず、また、透過膜は水をはじいた状態であり、深さ１ｍの位置に水没させても液状水は透過しないことを確認した。

このガスベントの取付け口に、純度９９．９％以上の水素ガス３８４ｃｃを入れた水素ガス不透過性アルミラミネートサンプルバックを接続し、水素ガスのベント量をサンプルバック中の水素ガス体積の減少量として継時的に測定し、図４に示した。ガスベント量、シリコーン厚さ、担持体を介して大気と接する透過膜の面積、およびアルミバック中の水素と、空気が充満していた金属容器容積から求まる水素分圧差から、ガス透過率を算出した結果、水素ガス透過率は０．８９５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｄａｙ・ａｔｍ となった。

ここで、２００リットルの密閉容器に入ったＣｓ１３７を含む放射性物質（放射線強度１０^１０Ｂｑ／ｋｇ、体積１８０リットル、含水率２０％、比重２．０）にこのガスベントを取り付けた場合、保存容器中の水素ガス発生量は以下のように見積もられる。

水素ガスの発生Ｇ値（吸収エネルギー１００ｅＶあたりに発生する生成物の個数）をＧ＝０．４５とすると、標準状態での１日当たりの水素ガス発生量Ｖは、
Ｖ＝１０^１０×（２４×６０×６０）×０．２×Ｇ×１０^４×２２４００／（６．０２×１０^２３）＝１０ｃｍ^３となる。

容器の体積が２００Ｌで試料充填率が９０％なので，容器空隙内での発生ガスの分圧は５×１０^－４気圧となる。よって水素ガスベントが無いとすれば，水素ガス分圧は８０日間で引火点である４ｖｏｌ％＝０．０４気圧に達することとなる。

分圧が引火点以下になるためには、分圧０．０４気圧における水素ガスベントからの水素ガス漏出量が標準状態で１日当たり１０ｃｍ^３以上であればよい。使用した水素ガスベントの水素ガス透過率は０．８９５ｃｍ^３／（ｃｍ^２・ａｔｍ・ｄａｙ）であるから、水素ガス透過膜の面積Ｓは、Ｓ＝１０／（０．８９５×０．０４）＝２７９ｃｍ^２となる。よって半径１０ｃｍの透過膜を有するガスベントを設置すれば，放射線強度１０^１０Ｂｑ／ｋｇの放射線強度を有する、含水率２０重量％、比重２の放射性廃棄物（比重２はセメント固化した廃棄物の標準的物性）１８０リットルを２００リットルの密閉容器（標準的ドラム缶の体積）に封入し保管しても、水素ガス濃度は爆発限界以下となり、ガスベントとして有効に機能することが確認された。

Claims (4)

1. 放射性物質を保管する容器に設置し、水の放射線分解によって発生するガスを、容器外へ出させるガスベントであって、液体を透過しないが気体を透過するシリコーンゴムである気体透過性膜と、これを保持する透気性多孔質担持体を積層して有することを特徴とする水素ガスベント。
2. 前記透気性多孔質担持体は多孔質セラミックスまたは多孔質金属であり、前記気体透過性膜の厚さが０．１～５ｍｍであることを特徴とする請求項１の水素ガスベント。
3. 請求項１又は、請求項２に記載の水素ベントは、透気口および排気口を有するボックスに気体透過性膜と前記透気性多孔質担持体を保持させ、透気口は容器内に開放し、排気口はボックスのサイズより小口径のチューブを用いて容器外排気口に接続したことを特徴とする放射性物質保管容器。
4. 請求項１又は、請求項２に記載の水素ベントは、前記気体透過性膜と前記透気性多孔質担持体を容器の外壁の一部とするように円筒状ボックス内に設置したことを特徴とする放射性物質保管容器。

Images