JP5126974B2

JP5126974B2 - 誘導加熱による溶融炉および誘導加熱方法

Info

Publication number: JP5126974B2
Application number: JP2008204709A
Authority: JP
Inventors: 英夫荒関
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: JP2010037175A

Description

本発明は、誘導加熱による溶融炉および誘導加熱方法に関する。更に詳しくは、本発明は、高レベル放射性廃液のガラス固化への使用に適した誘電加熱による溶融炉および誘導加熱方法に関するものである。

高レベル放射性廃液のガラス固化を行なうために使用されるガラス溶融炉として、通電によって発生するジュール熱を利用して高レベル放射性廃液が混合されたガラスを加熱するものがある（非特許文献１）。このガラス溶融炉を図１５に示す。溶融槽１０１の壁面には、高レベル放射性廃液が混合された溶融ガラスに通電してジュール熱を発生させる主電極１０２が設けられている。また、主電極１０２によって発生させたジュール熱による加熱では溶融槽１０１の底部の溶融ガラスを十分な温度に上昇させることができないので、主電極１０２よりも低い位置に補助電極１０３を設け、溶融槽１０１の底部の溶融ガラスに通電してジュール熱を発生させ加熱を行なっている。

寺井良平、「冷却ルツボによるガラスの溶融」、［online］、マテリアルインテグレーション vol.20 No10 (2007) p55-p59、［平成２０年７月１５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.tic-mi.com/publ/essay/terai/0710terai.pdf＞

しかしながら、上記ガラス溶融炉では、主電極１０２と補助電極１０３を使用して高レベル放射性廃液とガラスとの混合体を加熱するので、混合体全体を均一に加熱するのが困難であり、加熱対象の混合体に温度むらが発生し混合体の流動性が部分的に悪化する。

また、高レベル放射性廃液には白金族金属の粒子（以下、金属粒子という）が含まれている。金属粒子は溶融ガラスよりも比重が大きく、沈殿し炉底部に堆積する虞がある。しかしながら、上記のガラス溶融炉は金属粒子の沈殿、堆積を積極的に防止する手段を備えていない。

本発明は、導電性液体を均一に加熱することができる誘導加熱による溶融炉と誘導加熱方法を提供することを目的とする。また、本発明は、高レベル放射性廃液に含まれる金属粒子の沈殿、堆積を防止することができる誘導加熱による溶融炉と誘導加熱方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の誘導加熱による溶融炉は、高レベル放射性廃液とガラスとの混合体を貯える容器と、容器内に設けられ混合体を加熱可能な発熱体と、使用する交流電流の周波数の切り換えによって発生させる電磁場の磁気浸透距離を変えて発熱体又は発熱体と混合体の両方を誘導加熱する加熱装置を備え、加熱装置は、発熱体を誘導加熱して混合体を間接的に加熱する第１の加熱工程と、交流電流の周波数を第１の加熱工程よりも下げて磁気浸透距離を増加させて発熱体と混合体の両方を誘導加熱する第２の加熱工程を実施するものであり、第１の加熱工程、第２の加熱工程の順番で実施するものである。

加熱装置が発生させる電磁場の磁気浸透距離δは数式１によって求められる。
〈数１〉
δ＝（２／ωσμ）＾（１／２）
ここで、ω：角周波数２πｆ（ｆ：周波数）、σ：電気伝導率、μ：透磁率である。

即ち、使用する交流電流の周波数ｆを変化させると、加熱装置が発生させる電磁場の磁気浸透距離δが変化する。加熱装置からの混合体と発熱体の距離、即ち磁気浸透距離δは異なっているので、周波数ｆを変化させることで誘導加熱の対象を発熱体の場合と、発熱体および混合体の場合に切り換えることができる。

例えば、最初に発熱体を誘導加熱し、発熱体の熱で容器内の混合体を間接的に加熱する。その後、加熱装置の使用する交流電流の周波数ｆを切り換えて容器内の発熱体と混合体の両方を誘導加熱する。逆に、加熱装置によって容器内の発熱体と混合体の両方を誘導加熱した後、発熱体の誘導加熱によって混合体を間接的に加熱しても良い。混合体としては、容器に入れる時点で既に液体のものでも良く、あるいは容器に入れる時点では固体であるが、その後容器内での加熱によって溶融して液体になるものでも良い。また、そのような固体と液体の混合体でも良い。

また、請求項２記載の誘導加熱による溶融炉は、加熱装置が、混合体中に当該混合体を撹拌する電磁力を発生可能である。したがって、混合体中に電磁力を発生させて混合体を撹拌することができる。このとき、混合体中に例えば金属粒子等の不純物が含まれている場合には、混合体とそれに含まれる不純物を撹拌することができる。

また、請求項３記載の誘導加熱による溶融炉は、発熱体と加熱装置が容器の外周と底部に設けられている。したがって、容器の外周と底部から容器内の混合体を加熱することができる。

さらに、請求項４記載の誘導加熱方法は、高レベル放射性廃液とガラスとの混合体を貯える容器内に設けた発熱体を容器の外に設けた加熱装置によって誘導加熱し、発熱体の発熱によって混合体を間接的に加熱する第１の加熱工程と、第１の加熱工程によって混合体を加熱した後、加熱装置が使用する交流電流の周波数を下げて発生させる電磁場の磁気浸透距離を増加させて発熱体に加えて混合体を誘導加熱する第２の加熱工程とを備えるものである。

したがって、第１の加熱工程では、加熱装置によって発熱体が加熱され、発熱体の熱で容器内の混合体が加熱される。その後、第２の加熱工程を行い容器内の発熱体と混合体の両方を誘導加熱する。これにより、混合体は発熱体の発熱と加熱装置による誘導加熱とによって加熱される。混合体としては、容器に入れる時点で既に液体のものでも良く、あるいは容器に入れる時点では固体であるが、その後第１の加熱工程の加熱によって溶融して液体になるものでも良い。また、そのような固体と液体の混合体でも良い。

また、請求項５記載の誘導加熱方法は、第２の加熱工程では、加熱装置によって混合体中に当該混合体を撹拌する電磁力を発生させながら混合体の誘導加熱を行なうものである。したがって、混合体中に電磁力を発生させて混合体を撹拌することができる。このとき、混合体中に例えば金属粒子等の不純物が含まれている場合には、混合体とそれに含まれる不純物を撹拌することができる。

また、請求項６記載の誘導加熱方法は、ガラスは固形の状態で容器内に入れられ第１の加熱工程によって固形ガラスが溶融した後、第２の加熱工程を行なうものである。混合体中のガラスは固体の状態では絶縁体であるが、高温の溶融状態になると導電性を有し、誘導加熱が可能になる。発熱体による加熱で混合体中のガラスが溶融し導電性物質となった後、加熱装置の使用する交流電流の周波数ｆを切り換えて容器内の混合体と発熱体の両方を誘導加熱する。

請求項１記載の誘導加熱による溶融炉では、容器内の発熱体によって高レベル放射性廃液とガラスとの混合体を加熱し、又は発熱体の発熱と加熱装置が発生させる電磁場の両方によって容器内の混合体を加熱するので、図１５に示すように電極による通電によってジュール熱を発生させて容器内の混合体を加熱する場合に比べて、混合体を均一に加熱することができる。そのため、温度むらの発生を防止することができ、混合体が部分的に低温となって流動性が悪化するのを防止することができる。
また、混合体中のガラスが固体の場合であっても、第１の加熱工程によって溶融ガラスとなった後に電磁力を発生させて混合体を撹拌することができるので、混合体に含まれる金属粒子が沈殿し堆積するのを防止することができる。そのため、金属粒子を混合体と一緒に排出することが容易になる。

また、請求項２記載の誘導加熱による溶融炉では、混合体中に電磁力を発生させて混合体を撹拌することができるので、導電性液体中に例えば金属粒子等の不純物が含まれている場合にこれが沈殿し堆積するのを防止することができる。そのため、不純物を導電性液体と一緒に排出することが容易になる。

また、請求項３記載の誘導加熱による溶融炉では、容器の外周と底部から容器内の混合体を加熱することができるので、混合体をより一層均一に加熱することができる。また、容器の外周と底部からの加熱による混合体の自然対流は混合体の温度むらと不純物が含まれている場合には不純物の沈降・堆積を防止するのに有効である。

さらに、請求項４記載の誘導加熱方法では、混合体中の固形のガラスを溶融させて導電性を生じさせてから誘導加熱によって混合体を加熱することができる。ここで、第１の加熱工程では発熱体によって容器内の混合体を加熱し、第２の加熱工程では発熱体の発熱と加熱装置が生じさせる電磁場とによって容器内の混合体を加熱するので、図１５に示すように電極による通電によってジュール熱を発生させて容器内の混合体を加熱する場合に比べて、混合体を均一に加熱することができる。そのため、温度むらの発生を防止することができ、混合体が部分的に低温となって流動性を悪化させるのを防止することができる。

また、請求項５記載の誘導加熱方法では、混合体中に電磁力を発生させて混合体を撹拌することができるので、金属粒子等の不純物が含まれている場合にこれが沈殿し堆積するのを防止することができる。そのため、不純物を混合体と一緒に排出することが容易になる。

また、請求項６記載の誘導加熱方法では、混合体中の固形のガラスを溶融させて導電性を生じさせてから誘導加熱によって混合体を加熱することができる。ここで、第１の加熱工程では発熱体によって容器内の混合体を間接的に加熱し、第２の加熱工程では発熱体の発熱と加熱装置が生じさせる電磁場とによって容器内の混合体を加熱するので、図１５に示すように電極による通電によってジュール熱を発生させて容器内の混合体を加熱する場合に比べて、混合体を均一に加熱することができる。そのため、温度むらの発生を防止することができ、混合体が部分的に低温となって流動性を悪化させるのを防止することができ、混合体を流下ノズルからガラス固化容器にスムーズに充填することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１に本発明の誘導加熱による溶融炉の実施形態の一例を示す。この溶融炉は、導電性液体１を貯える容器２と、容器２内に設けられ導電性液体１を加熱可能な発熱体３と、使用する交流電流の周波数の切り換えによって発生させる電磁場の磁気浸透距離δを変えて発熱体３又は発熱体３と導電性液体１の両方を誘導加熱する加熱装置４を備えるものである。

本実施形態では、誘導加熱による溶融炉として、高レベル放射性廃液をガラス固化するのに使用されるガラス溶融炉を例に説明する。ただし、ガラス溶融炉以外の溶融炉に適用しても良い。高レベル放射性廃液をガラス固化するガラス溶融炉では、導電性液体１は高レベル放射性廃液とガラスとの混合体（以下、混合体１という）である。ガラスは容器２に入れる時点では固体であり、その後容器２内での加熱によって溶融される。ただし、容器２に入れる時点で既に液体の溶融ガラスを容器２に入れるようにしても良い。高レベル放射性廃液には、例えばルテニウム、パラジウム等の白金族粒子等の金属粒子１０が含まれている。

容器２は、例えば耐火れんが、セラミック等の耐熱材によって形成されている。容器２の天板２ａには高レベル放射性廃液とガラスとの混合体１を導入する供給口５と排ガスを逃がす排ガス口６が設けられている。また、容器２の底板２ｂには流下ノズル８が設けられている。流下ノズル８には、図示しないバルブが設けられている。流下ノズル８の下方には、図示しないガラス固化容器が置かれる。容器２の上を天板２ａによって塞ぐことで放熱を防ぐことができ、温度低下を防止することができると共に、容器２内の温度管理が容易になる。

発熱体３は、例えば有底の円筒形状を成しており、容器２の内側面に重ねるように設けられている。ただし、発熱体３の形状は有底の円筒形状に限るものではない。例えば容器２の底部からの加熱を行う必要が無い場合には底の無い円筒形状にしても良い。また、製造のし易さを考慮して、円筒部３ａと底部３ｂとを別体にしても良い。さらに、円筒部３ａは、例えば図９に示すように一体の円筒体でも良いが、例えば図１０に示すように軸方向に分割されたものでも良く、図１１に示すように軸方向と径方向に分割されたものでも良く、図１２に示すように周方向に分割されたものでも良く、その他の形状のものでも良い。円筒部３ａを分割したものとすることで、製造が容易になる。また、底部３ｂは、例えば図１３に示すように一体の円板状部材でも良いが、図１４に示すように外周部分と内周部分とを複数の連結部によって連結する形状のものでも良く、その他の形状のものでも良い。発熱体３は、例えば炭化ケイ素、二ケイ化モリブデン等によって形成されている。ただし、発熱体３の材料はこれらに限るものではなく、例えばインコネル等の金属でも良く、その他のものでも良い。発熱体３の厚さは加熱装置４が発生させた磁場が通り抜け可能な厚さとなっている。具体的には、例えば１０ｍｍ程度にするのが好ましい。発熱体３の内周面には混合体１による腐食を防止する保護層７が設けられている。保護層７は例えば厚さ数ｍｍのセラミックのコーティング層である。ただし、保護層７はセラミックコーティング層に限るものではなく、また、厚さは数ｍｍに限るものではない。

発熱体３は、例えば容器２の周壁２ｃと底板２ｂの全範囲に対応して設けられている。ただし、必ずしも周壁２ｃと底板２ｂの全範囲に対応して設ける必要はなく、混合体１の加熱に必要な範囲で設ければ良い。また、加熱装置４は発熱体３の加熱に必要な範囲に設けられている。

加熱装置４は、例えば誘導加熱コイルであり、本実施形態では容器２の外周と底部の両方に設けられている。ただし、容器２外周と容器２底部の両方に加熱装置４を設ける必要はなく、混合体１の加熱を十分に行なうことが可能な場合には、いずれか一方の加熱装置４を省略しても良い。誘導加熱コイルとしては、例えば水冷銅コイルの使用が可能である。ただし、水冷銅コイル以外のものを使用しても良い。なお、図中符号９は冷却水を循環させる水路である。また、誘導加熱コイルとして鉄心を有するコイルを使用しても良いが、鉄心を有しないものコイルの使用も可能である。即ち、鉄心は、鉄心と加熱対象の距離や交流電流の周波数の高さに応じて不要の場合もあり得る。一般に鉄心は磁束を大きくするが、加熱対象がやや離れている場合には磁束が到達しにくくなる場合があり、また交流電流の周波数が高い程エネルギー損失（鉄損）を大きくする。したがって、これらを考慮して鉄心の有無を決定する。なお、本実施形態の誘導加熱コイルは鉄心を有しているが、図面には鉄心の記載を省略している。

加熱装置４が発生させる磁力線の磁気浸透距離δは数式２によって求められる。
〈数２〉
δ＝（２／ωσμ）＾（１／２）
ここで、ω：角周波数２πｆ（ｆ：周波数）、σ：電気伝導率、μ：透磁率である。

即ち、使用する交流電流の周波数ｆを変化させると、加熱装置４が発生させる磁力線Ｂ１，Ｂ２の磁気浸透距離δが変化する。混合体１と発熱体３の加熱装置４からの距離は異なっているので、周波数ｆを変化させることで誘導加熱の対象を混合体１と、混合体１および発熱体３との間で切り換えることができる（図２と図３、図６と図７）。例えば発熱体３が金属製で厚さが１０ｍｍの場合、周波数ｆが１０ＫＨｚで磁気浸透距離δは５ｍｍ程度、周波数ｆが１ＫＨｚで磁気浸透距離δは１６ｍｍ程度になるので、周波数ｆを例えば１０ＫＨｚから１ＫＨｚに変化させることで、誘導加熱の対象を発熱体３のみから、発熱体３および混合体１へと切り換えることができる。

また、本実施形態では、加熱装置４は、混合体１中に当該混合体１を撹拌する電磁力Ｆを発生させる電磁力発生手段としても使用される。そのため、加熱装置４としての誘導加熱コイルは移動磁界の発生に適した三相交流コイルを使用している。

容器２外周に設けられる加熱装置４（以下、容器２底部の加熱装置４と区別する場合には加熱装置４Ａという。）を図２及び図３に示す。加熱装置４Ａは周壁２ｃを囲むように設けられている。加熱装置４Ａである三相交流コイルは、Ａ−Ｘ，Ｂ−Ｙ，Ｃ−Ｚの組み合わせで各コイル４ａがそれぞれペアとなって結線され、Ａ，Ｂ，Ｃのコイル４ａは巻き方向が同一であり、Ｘ，Ｙ，Ｚのコイル４ａは巻き方向が同一であり、Ａ，Ｂ，Ｃのコイル４ａとＸ，Ｙ，Ｚのコイル４ａの巻き方向は逆になっている。ここで、（磁場の強さ）＝（巻き数）×（電流）の条件を見たすように、巻き数が決められる。また、各コイル４ａに流す電流は、（電流）＝（電圧）÷（インピーダンス）から求められる。

各コイル４ａは容器２の軸方向上側に向けてＡ→Ｚ→Ｂ→Ｘ→Ｃ→Ｙ→Ａ→…→Ｙの順番に配置され、各コイル４ａの位相差は６０度となっている。例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ａが０度のとき、Ｚが６０度、Ｂが１２０度、Ｘが１８０度、Ｃが２４０度、Ｙが３００度である。加熱装置４Ａに図示しない電源より電磁力発生用の三相交流の電流が供給されると、例えば図３に矢印で示すように、コイル４ａの周囲に磁力線Ｂ１が容器２の周壁２ｃと発熱体３ａと保護層７、さらに混合体１に達するように生じて、各コイル４ａに流れる電流の変化によって容器２の軸方向上向きの移動磁界が形成される。

加熱装置４Ａによって上向きの移動磁界を形成することで、混合体１の容器２近傍位置、即ち磁力線Ｂ１が径方向に貫通する位置に円周方向に流れる電流が発生する。例えば、図３のＰ１位置では同図の奥側から手前側に向かう電流が、Ｐ２位置では同図の手前側から奥側に向かう電流が発生する。移動磁界と混合体１中に生じる電流とによってフレミングの左手の法則から上向きの電磁力Ｆ１が発生する。混合体１中に発生する電流は場所によって方向が逆になるが、Ａ，Ｂ，Ｃのコイル４ａとＸ，Ｙ，Ｚのコイル４ａの巻き方向も逆になっているので、常に上向きの電磁力Ｆ１が発生する。この電磁力Ｆ１は容器２に比較的近い位置に発生し、容器２に比較的近い位置の混合体１とそれに含まれる金属粒子１０を上向きに駆動する。

容器２底部に設けられる加熱装置４（以下、容器２外周の加熱装置４Ａと区別する場合には加熱装置４Ｂという。）を図５〜図７に示す。加熱装置４Ｂは交流コイルで構成され、容器２の底板２ｂの底面に対向し、流下ノズル８を囲むように周方向に沿って並べるようにして設けられている。本実施形態では、容器２底部の加熱装置４Ｂも容器２外周の加熱装置４Ａと同様に、発熱体３又は発熱体３と混合体１の両方を誘導加熱すると共に、電磁力Ｆ２を発生させて混合体１とそれに含まれる金属粒子１０を駆動（電磁撹拌）する。

本実施形態では、加熱装置４Ｂとして三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄを使用している。ただし、三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄ以外の交流コイルを使用しても良い。また、三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄを４組設けている。ただし、三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄの組数は４組に限るものではない。各相のコイル４ｂ，４ｃ，４ｄは例えば３０度ずつずらして配置されている。本実施形態では、容器２底部に三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄを配置しているので、各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄの形状を扇形形状とし、隣りのコイルとの間隔を詰めて各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄを配置している。各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄの位相差は１２０度となっている。

図７において、○の中に・を記載した記号は、図面に対し奥側から手前側に向かって電流が流れていることを意味する。また、○の中に×を記載した記号は、図面に対し手前側から奥側に向かって電流が流れていることを意味する。ここで、（磁場の強さ）＝（巻き数）×（電流）の条件を見たすように、各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄの巻き数が決められる。また、各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄに流す電流は、（電流）＝（電圧）÷（インピーダンス）から求められる。

加熱装置４Ｂに図示しない電源より三相交流の電流が供給されると、例えば図７に矢印Ｂ２で示すように、容器２の底板２ｂを貫通して内外を通って循環する磁力線Ｂ２が発生する。磁力線Ｂ２は各コイル毎に発生するが、各コイルの位相差や各コイルに流れる電流の方向やその変化によって容器２の周方向一側に向かう回転磁界が形成される。

加熱装置４Ｂによって周方向の回転磁界を形成することで、底板２ｂの近傍位置、即ち磁力線Ｂ２が径方向に貫通する位置に底板２ｂに沿って径方向に流れる電流が発生する。例えば、図７のＰ３位置では同図の奥側から手前側に向かう電流が、Ｐ４位置では同図の手前側から奥側に向かう電流が発生する。回転磁界と混合体１中に生じる電流とによってフレミングの左手の法則から容器２底部に沿って周方向に向かう電磁力Ｆ２が発生する。混合体１中に発生する電流は場所によって向きが逆になるが、磁力線Ｂ２の向きも逆になっているので、常に同じ周方向の電磁力Ｆ２が発生する。この電磁力Ｆ２は混合体１中に発生し、混合体１とそれに含まれる金属粒子１０を周方向に駆動する。

本実施形態では、発熱体３又は発熱体３と混合体１との両方の誘導加熱には単相交流電流が使用され、混合体１を撹拌する（電磁撹拌）ための電磁力Ｆ１，Ｆ２を発生させる場合には三相交流電流が使用される。誘導加熱に単相交流電流ではなく三相交流電流を使用しても良いが、誘導加熱には電磁撹拌で使用されるものよりも高い周波数の交流電流の使用が適していることから、本実施形態では誘導加熱に単相交流電流を使用する。誘導加熱と電磁撹拌の両方を同時に行なう場合には、加熱装置４に誘導加熱用の単相交流電流と電磁力発生用の三相交流電流が同時に供給される。即ち、発熱体３を誘導加熱する場合には高周波の単相交流電流を使用し、混合体１と発熱体３の両方を誘導加熱する場合には中周波の単相交流電流を使用し、電磁撹拌を行なう電磁力Ｆ１，Ｆ２を発生させる場合には低周波の三相交流電流を使用する。そして、混合体１の誘導加熱と電磁撹拌を同時に行なう場合には、中周波の単相交流電流と低周波の三相交流電流を同時に使用する。

次に、誘導加熱方法について説明する。誘導加熱方法は、高レベル放射性廃液と固形ガラスとの混合体１を貯える容器２内に設けた発熱体３を容器２の外に設けた加熱装置４によって誘導加熱し、発熱体３の発熱によって混合体１を間接的に加熱する第１の加熱工程と、第１の加熱工程によって固定ガラスが溶融した後、加熱装置４が使用する交流電流の周波数を変化させて発熱体３と混合体１を誘導加熱する第２の加熱工程とを備えるものである。ここでは、上述のガラス溶融炉を使用した場合について説明するが、これ以外のものを使用して当該誘導加熱方法を実施しても良い。また、高レベル放射性廃液のガラス固化以外に誘導加熱方法を使用しても良い。

図８に本実施形態の誘導加熱方法を示す。流下ノズル８のバルブ（図示せず）を閉じた状態で、固形ガラスと高レベル放射性廃液の混合体１を供給口５から容器２内に入れる（ステップＳ２１）。ただし、ガラスについては溶融状態のものを入れるようにしても良い。この場合には第１の加熱工程を省略することも可能である。なお、必ずしも同じ供給口５から固形ガラスと高レベル放射性廃液の両方を入れる必要はなく、ガラス用の供給口と高レベル放射性廃液用の供給口を別々に設けてガラスと高レベル放射性廃液とを別々に入れても良い。

容器２内に固形ガラスと高レベル放射性廃液の混合体１を入れた後、加熱装置４によって発熱体３を誘導加熱する（第１の加熱工程：ステップＳ２２）。例えば１０Ｋ〜１００ＫＨｚ程度の値の高周波の交流電流を使用して発熱体３を例えば１０００℃程度まで加熱する。この加熱によって混合体１中の固形ガラスが加熱されて溶融し、導電性の溶融ガラスとなる。加熱は、容器２外周の加熱装置４Ａと容器２底部の加熱装置４Ｂの両方を使用して行なわれる。

固形ガラスが溶融し、導電性を有した後、加熱装置４によって混合体１と発熱体３との両方を誘導加熱する（第２の加熱工程：ステップＳ２３）。例えば１Ｋ〜１０ＫＨｚ程度の値の中周波の交流電流を使用して混合体１と発熱体３を誘導加熱し、混合体１を１２００℃程度まで加熱する。加熱は、容器２外周の加熱装置４Ａと容器２底部の加熱装置４Ｂの両方を使用して行なわれる。

本実施形態では、第２の加熱工程で加熱装置４によって混合体１中に当該混合体１を撹拌する電磁力Ｆ１，Ｆ２を発生させながら混合体１の誘導加熱を行なうようにしている。即ち、加熱装置４に誘導加熱用の単相交流電流を供給すると同時に、電磁撹拌用の三相交流電流を供給する。例えば１００Ｈｚオーダーの低周波の三相交流電流を供給する。なお、本実施形態では導電性液体がガラスの混合体１であるため、電磁撹拌用の三相交流電流として例えば１００Ｈｚオーダーの低周波の三相交流電流を供給しているが、低周波三相交流電流の周波数としては１００Ｈｚオーダーに限るものではなく、導電性液体の種類等に応じて適宜決定する。例えば、導電性液体が液体金属の場合には、例えば５０Ｈｚ，６０Ｈｚ等の商用周波数の三相交流電流の使用が可能である。

容器２外周の加熱装置４Ａは容器２の周壁２ｃに比較的近い位置の混合体１を上向きに駆動する電磁力Ｆ１を発生させる。電磁力Ｆ１によって上向きに駆動された混合体１とそれに含まれる金属粒子１０は、液面近くで反転して容器２の中心付近を下降し、その後、底部３ｂ近くで反転して周壁２ｃに沿って上昇する。このように混合体１とそれに含まれる金属粒子１０は撹拌される。また、容器２底部の加熱装置４Ｂは容器２内の底部３ｂに混合体１と金属粒子１０を周方向に駆動する電磁力Ｆ２を発生させる。これにより、容器２内底部の混合体１と金属粒子１０は周方向に回され撹拌される。このように本発明では、２つの加熱装置４Ａ，４Ｂによって容器２内の混合体１を撹拌することができるので、混合体１の高レベル放射性廃液に含まれている金属粒子１０を浮遊させて沈殿、堆積を防止することができる。ただし、混合体１の溶融ガラスの電気伝導率は金属粒子１０の電気伝導率に比べて小さいため、金属粒子１０に作用する電磁力は混合体１の溶融ガラスに作用する電磁力と比べて大きい。

また、本発明では、第１の加熱工程では発熱体３を誘導加熱し、その熱で混合体１を加熱しており、第２の加熱工程では混合体１を発熱体３の発熱と誘導加熱コイルによる誘導加熱によって加熱しているので、混合体１を広い範囲で加熱することができ、混合体１全体を均一に加熱することができる。即ち、図１５に示すように主電極や補助電極によってジュール加熱する場合は謂わば点による加熱であり部分的な加熱になりやすいが、本発明のように発熱体３や誘導加熱コイルによる加熱は謂わば面による加熱であり、混合体１を広い範囲で加熱するのに適しており、混合体１全体を均一に加熱するのが容易である。

また、本実施形態では加熱装置４及び発熱体３を容器２の外周と底部の両方に設けているので、容器２の側面と底面の両方から加熱を行なって混合体１を自然対流させることができる。容器２の側面と底面からの加熱によって生じる混合体１の自然対流は混合体１の温度むらを解消すると共に、金属粒子１０の沈降・堆積を防止する。即ち、加熱装置４による電磁撹拌を行なわない場合であっても、混合体１の温度むらや金属粒子１０の沈降・堆積を防止することができ、電磁撹拌を行なう場合には混合体１の温度むらや金属粒子１０の沈降・堆積をより一層良好に防止することができる。

その後、流下ノズル８のバルブを開くと、容器２内の混合体１が流下ノズル８から排出されてガラス固化容器に充填される（ステップＳ２４）。混合体１中には金属粒子１０が分散されているので、金属粒子１０も一緒にガラス固化容器内に充填される。混合体１は加熱装置４によって均一に加熱されており、温度むらがないので、混合体１を流下ノズル８からガラス固化容器にスムーズに充填することができる。このとき、加熱装置４を停止させてから混合体１および金属粒子１０が冷めないうちに流下ノズル８から排出しても良いし、加熱装置４を作動させたままの状態で混合体１および金属粒子１０を流下ノズル８から排出しても良い。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、加熱装置４を容器２の外周と底部の両方に設けていたが、必ずしも両方に設ける必要はなく、いずれか一方にのみ設けても良い。

また、上述の説明では、第２の加熱工程で混合体１を撹拌する電磁力を発生させるようにしていたが、混合体１撹拌用の電磁力を発生させなくても良い。また、必ずしも第２の加熱工程の全てで混合体１撹拌用の電磁力を発生させる必要はなく、例えば第２の加熱工程の後期にのみ電磁力を発生させるようにしても良い。

さらに、上述の説明では、導電性液体１として高レベル放射性廃液とガラスの混合体１を例にしていたが、加熱の対象としてはこれに限るものではなく、導電性を有し誘導加熱可能な流体であれば特に限定されるものではない。例えば、鉄やアルミ等の金属、非金属であってもある程度電気伝導率があるものや例えばガラスのように温度の上昇とともに電気伝導率が大きくなるものを加熱の対象にしても良い。また、例えば鉄やアルミ等の金属の溶融や精錬で、できるだけ均一な加熱が必要な場合、容器２や発熱体３の温度上昇を抑えたい場合、導電性液体１中に不純物を一様に分布させたい場合（例えば特定の不純物を混ぜて材料の機械的強度を増大させる場合など）等の使用に適している。

本発明のガラス溶融炉の実施形態の一例を示す断面図である。容器外周の加熱装置を示し、第１の加熱工程における磁力線の発生の様子を示す断面図である。容器外周の加熱装置を示し、第２の加熱工程における磁力線の発生の様子を示す断面図である。加熱装置である三相交流コイルを説明するための図で、（Ａ）はその位相差を示す図、（Ｂ）は電気的な配置を示す図である。容器底部の加熱装置を示す平面図である。容器底部の加熱装置を示し、第１の加熱工程における磁力線の発生の様子を示す断面図である。容器底部の加熱装置を示し、第２の加熱工程における磁力線の発生の様子を示す断面図である。本発明のガラス溶融方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。発熱体の円筒部の第１の変形例を示す斜視図である。発熱体の円筒部の第２の変形例を示す斜視図である。発熱体の円筒部の第３の変形例を示す斜視図である。発熱体の円筒部の第４の変形例を示す平面図である。発熱体の底部の第１の変形例を示す平面図である。発熱体の底部の第２の変形例を示す平面図である。従来のガラス溶融炉の断面図である。

符号の説明

１高レベル放射性廃液とガラスとの混合体
２容器
３発熱体
４加熱装置
Ｆ１，Ｆ２混合体とそれに含まれる金属粒子を撹拌する電磁力

Claims

高レベル放射性廃液とガラスとの混合体を貯える容器と、前記容器内に設けられ前記混合体を加熱可能な発熱体と、使用する交流電流の周波数の切り換えによって発生させる電磁場の磁気浸透距離を変えて前記発熱体又は前記発熱体と前記混合体の両方を誘導加熱する加熱装置を備え、前記加熱装置は、前記発熱体を誘導加熱して前記混合体を間接的に加熱する第１の加熱工程と、前記交流電流の周波数を前記第１の加熱工程よりも下げて前記磁気浸透距離を増加させて前記発熱体と前記混合体の両方を誘導加熱する第２の加熱工程を実施するものであり、前記第１の加熱工程、前記第２の加熱工程の順番で実施することを特徴とする誘導加熱による溶融炉。
前記加熱装置は、前記混合体中に当該混合体を撹拌する電磁力を発生可能であることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱による溶融炉。
前記発熱体と前記加熱装置は前記容器の外周と底部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱による溶融炉。
高レベル放射性廃液とガラスとの混合体を貯える容器内に設けた発熱体を前記容器の外に設けた加熱装置によって誘導加熱し、前記発熱体の発熱によって前記混合体を間接的に加熱する第１の加熱工程と、前記第１の加熱工程によって前記混合体を加熱した後、前記加熱装置が使用する交流電流の周波数を下げて発生させる電磁場の磁気浸透距離を増加させて前記発熱体に加えて前記混合体を誘導加熱する第２の加熱工程とを備えることを特徴とする誘導加熱方法。
前記第２の加熱工程では、前記加熱装置によって前記混合体中に当該混合体を撹拌する電磁力を発生させながら前記混合体の誘導加熱を行なうことを特徴とする請求項４記載の誘導加熱方法。
前記ガラスは固形の状態で前記容器内に入れられ前記第１の加熱工程によって前記固形ガラスが溶融した後、前記第２の加熱工程を行なうことを特徴とする請求項４記載の誘導加熱方法。