JP2003521583A - アメリシウムの電解精錬 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 希土類の核分裂生成物に対して電解精錬によってアメリシウム金属を分離するための方法であって、液体金属電極に形成されたアメリシウム金属を液体金属電極の交換によって還元し、電極からアメリシウムを回収する方法を提供する。電解精錬によって希土類の核分裂生成物からアメリシウム金属を分離するための方法であって、液体金属電極に形成されたアメリシウム金属を液体金属電極による交換によって還元させ、その後に合金からアメリシウム金属を回収することを特徴とする方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、電解精錬による希土類の核分裂生成物からのアメリシウムの回収に関
する。

【０００２】 次の５０年に向けて、現在配備されている軽水炉（ＬＷＲ）に核燃料を供給する
ことのできる低コストのＵ鉱石が、現在過剰にある。さらに軍の備蓄から放出さ
れた濃縮Ｕが次第に利用可能になってきている。Ｕの使用を８０倍高める高速増
殖炉（ＦＢＲ）に比較して、ＬＷＲでの発電に使用されるＵは約１％と低いにも
かかわらず、Ｐｕの分離が現在高コストである為に、この増殖炉は安価なＬＷＲ
核燃料と競争することができない。

【０００３】 温室効果により、将来、化石燃料を使用することが制限され、且つ、エネルギー
を発生させるための他の代用品が存在しない場合、核エネルギーの使用及びＵの
需要は増加し、その結果として高速炉がより早く導入されるであろう。そのよう
なシナリオにより、核廃棄物の長期放射毒性を低減することのできる分離変換（
Ｐ＆Ｔ）の構想が実現される。

【０００４】 Ｐｕ−Ｕ（ピューレックス法）のみならず長寿命の放射毒性核種（ダイアメック
ス、トルックス、サネックス）をも分離して使用済み核燃料を処理するための好
適な水系の方法が開発されたものの、高温度化学再処理の方が有用である。その
コンパクトさのため、そのような処理工程は各発電所に付属させることができ、
したがって使用済み燃料を中央の大規模再処理工場に輸送する必要性が低減する
。また、高温度化学処理法は迅速な再処理を可能にし、それによって原子炉の備
蓄核燃料の在庫切れが解消され、且つ、^２４１Ｐｕの崩壊による^２４１Ａｍの蓄
積が低減される。

【０００５】 融解塩化物中での電気分解によって使用済み核燃料からＰｕ−Ｕを分離するため
の２つの高温度化学処理が開発されており、一つ目は金属として、二つ目は酸化
物としてのものである。Ｐ＆Ｔ計画に応用を広げるためには、少量のアクチニド
（ＭＡ）の分離工程を補足する必要がある。Ｕ及びＰｕと類似の化学的性質を持
つネプツニウムの分離は困難ではない。しかしながら、周期表でプルトニウムよ
りも後ろに位置する元素、特にアメリシウムは、希土類元素（ＲＥ）に近い標準
自由エネルギー又はエレクトロポテンシャルを示し、ＭＡとＲＥの分離は非常に
困難である。

【０００６】 酸化物の電気分解におけるこのような固有の難しさのために、周期表でプルトニ
ウムよりも後ろに位置する元素の酸化物を希土類元素から分離するためには、こ
れらの分別沈殿を含めた工程を再設計することが必要となる。少量のアクチニド
金属の電解精錬でも状況は同じである。また、希土類元素からＡｍを完全に分離
することは、克服可能な障害であるらしいことも知られている。上述の問題の解
決法は、最初にＵ及びＰｕを電解精錬し、その後に少量のアクチニド、特にアメ
リシウムを希土類から多段還元抽出することである。

【０００７】 いずれの場合も、酸化物の分別沈殿及びアメリシウム金属の多段抽出は、アメリ
シウムを他のアクチニドと一緒に電気化学的に分離することと比較して理想的な
解決策ではない。

【０００８】 従って、本願の目的は、より簡単な分離方法によって、高収率のランタニドを含
まないアメリシウムの分離法を達成することにある。

【０００９】 上述の目的は、有効な請求項１及び５の特徴によって解決される。好ましい実施
形態は従属請求項による。

【００１０】 本発明によれば、電解精錬によって希土類の核分裂生成物に対してアメリシウム
金属を分離するための方法であって、液体金属電極に形成されたアメリシウム金
属を液体金属電極の交換によって還元し、電極からアメリシウムを回収する方法
を提供する。

【００１１】 液体金属電極を使用することにより、融解塩化物塩中の電気分解によるアメリシ
ウムの回収で生じる問題は回避される。この問題点に対しては、塩化アメリシウ
ムと塩化ランタニドの生成自由標準エネルギー間の差が小さいこと、及び、第二
に、アメリシウムが二塩化物又は三塩化物として存在することのできる媒質中で
のアメリシウムの多価性による説明が考えられる。

【００１２】 本発明において、及び、電気分解中のアメリシウム金属の形成による不均化 Ａｍ＋２ＡｍＣｌ_３＜＜＞＞３ＡｍＣｌ_２（Ｉ） を減らすために、液体電極中の分離されたアメリシウム金属の還元は、液体金属
電極の交換によって徹底的に減少させる。この方法で、液体金属電極からランタ
ニドを含まない９９％を超えるアメリシウムの分離収量を得ることができる。

【００１３】 本発明によれば、液体金属電極の交換は、連続的に又は不連続に実行することが
できることが判明した。アメリシウムの分離は、アメリシウムのステップポジシ
ョンが停止し、有意量のランタニドがまだ堆積していない場合に、一定電位が得
られるように電極を置き換えることによって、不連続方式で行なうことができる
。次いで、新しい電極を挿入して電気分解を続行する。この操作は、融解物中の
アメリシウム含量が約９９．５％の回収率に相当する濃度を下回るときに終了す
る。

【００１４】 連続方式では、重力又はエアリフトにより液体金属アメリシウム合金を除去する
。上述の合金から、当業者に公知の方法によってアメリシウムを分離することが
できる。

【００１５】 本願の発明者は、Ｃｄ又はＢｉ液体金属陰極を電極として使用すると、ランタニ
ドに近い電気化学ポテンシャルを持つ二塩化アメリシウムに対する、三塩化アメ
リシウムと共に沈澱したアメリシウム金属の不均化に関して、妨害因子がさらに
都合よく除去され、高収率の純粋アメリシウムが得られることを発見した。

【００１６】 これに関して、アメリシウムの多価性のために、電解精錬によって充分に高い回
収収率が得られなくなることを考慮に入れる必要がある。上記の式Ｉが有効であ
る場合、この問題の解決策としては、二塩化アメリシウムよりも三塩化ランタニ
ドのポテンシャルから離れている予想ポテンシャルを持つ三塩化アメリシウムに
有利になるように平衡をシフトさせることが考えられる。

【００１７】 ａ_ｘが化合物Ｘの活量であり、それが活量係数γとＸの濃度ｃの積に等しい質量
の法則 ａ_ｘ＝γ_ｘ・Ｃ_ｘ（ＩＩＩ） を考慮すれば、アメリシウム金属の活量が低下すると、三塩化アメリシウムに有
利である。

【００１８】 従って、式（ＩＩＩ）に従って、活量係数又は濃度を低減させなければならない
。液体金属（Ｃｄ又はＢｉ）電極を使用すると、アメリシウム金属の活量係数は
劇的に低減する。さらに、固体電極へ純粋に付着しているため、沈澱金属による
損失が無い。液体金属の表面に形成されたアメリシウム金属は、カドミウムのバ
ルク内に直接移動し、アメリシウム金属と三塩化アメリシウムとの間の反応を制
限する（式Ｉ）。本発明によれば、この反応を完全に無くするために、液体は連
続的に抜き取ることが好ましい。したがって、残留Ｕ及びＰｕ金属の回収のため
の方法の場合と同様に、電解精錬のアメリシウム回収に最も適した電極は、液体
金属電極である。

【００１９】 融解塩相が電極を構成する液体と常時熱力学的平衡にあると仮定した場合、融解
媒体における液体抽出実験の主要な結果は、アメリシウムの電解精錬の最適条件
を決定するための非常に有用な情報を提供する。

【００２０】 個々の元素Ｘの分配係数Ｄ_ｘを比較するために、既に公表されている還元的抽出
の分離係数ＳＦ_ｎｄ（Ｘ）を使用して計算を行った。その還元的抽出においては
、Ｌｉによる還元後に７７３ＫでＬｉＣｌ−ＫＣｌ共融混合物からアクチニドが
Ｃｄ又はＢｉ中に抽出される。

【００２１】 Ｃｄ抽出に比較してＢｉの分離係数（ＳＦ_ｎｄ（Ｘ）＝Ｄ_ｘ／Ｄ_ＮＤ）がより大
きいことが明らかになった。この発見はさらに、アメリシウムが液体Ｂｉ中で液
体Ｃｄ中の場合より低い活量係数を持つことを示す活量係数測定によって裏付け
られる。これは、次々に、アメリシウム金属がより安定であり、したがって液体
Ｂｉに融解した塩からより容易に分離されることを示している。したがって、ア
クチノイド金属の電解精錬工程をさらに改善するために、Ｃｄ電極をＢｉ電極に
置き換えることが好ましい。

【００２２】 本発明における電解精錬工程の概略を、図１に関連して以下でさらに詳しく述べ
る。

【００２３】 軽水炉の使用済み燃料又は燃料再処理の塩素化高レベル廃棄物は、ライン又は管
１を通して電解精錬装置内に装入される。不活性雰囲気、特にアルゴン雰囲気下
で、使用済み核燃料は、固体鉄電極ならびにＣｄ及びＢｉなどの液体金属電極を
使用することによって、電気分解される。ライン又は管２を通して、液体Ｃｄ電
極上のＰｕ及び残留Ｕが回収される。液体金属電極上のアメリシウム堆積は、連
続的又は不連続的に電解精錬装置から取り出されて、アメリシウム除去装置に向
かう。当業者に公知の方法によってアメリシウムを分離した後、ライン又は管４
を通してアメリシウム金属を容器に引き込む一方、再循環される液体金属電極は
ライン又は管５を通して再使用するために電解精錬装置へ移送される。目的とす
る元素を含まない核分裂生成物は、ライン又は管６を通して沈殿用の廃棄物容器
に移送される。

【００２４】 使用済み核燃料からアメリシウムを分離するこれらの実験は、非常に厳しい条件
が要求されることは明らかである。アメリシウムの高い放射毒性及び特有の活量
のため、ミリグラムの量でも取り扱うためには、人間がγ線及び放射性核種を取
込まないように保護するために、鉛の遮蔽及び閉じ込めを備えた耐αホットセル
又はグローブボックスの使用が必要である。最高５００℃まで水を保持するＬｉ
Ｃｌ−ＫＣの吸湿性のため、酸化アクチニドイオン及びＨＣｌが形成されること
がある。加えて、極微量の酸素は、特定の元素を酸化し、融解塩／融解金属界面
に２相間の交換反応を妨げるエマルジョンを形成することによって、プロセスを
阻害することがある。従って、既に言及した通り、実験は不活性ガス雰囲気で実
行しなければならない。

【００２５】 実験を行なうために、特殊設備が設計され、作製された。図２は、二重のグロー
ブボックス及びアルゴン精製ユニットから成るシステムの完成型を示す。乾式冶
金実験は、内部グローブボックスの底部に嵌め込まれた直径１００ｍｍの加熱井
の内部で、アルゴン雰囲気下で実行される。分析のための融解塩及び金属試料は
外部ボックス内で調製される。酸素及び水の濃度は、各々内部グローブボックス
内の制御装置によって１０ｐｐｍ未満に制限される。アルゴン循環系内の金属触
媒及びモレキュラーシーブトラップによって低酸素量及び低含水量は維持される
。全ての作業は鉛の遮蔽の下で行なわれる。使用済み燃料又は再処理の高レベル
廃棄物の作業は、遠隔操作器を装備したホットセル内で行なわれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 電解精錬工程の概略図

【図２】 二重のグローブボックス及びアルゴン精製ユニットから成るシステム
の完成型

【符号の説明】

１： Ｏ_２センサー ２： Ｈ_２Ｏセンサー ３： 天秤 ４： 熱電対 ５： 陽極 ６： 攪拌機 ７： 参照電極 ８： 液体金属電極 ９： 水冷筒 １０： 冷却フランジ １１： 垂直オーブン １２： Ａｌ_２Ｏ_３るつぼ １３： 耐火性鉄井 １４： 制御熱電対 １５： 安全熱電対

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K001 AA32 BA22 DA14 4K058 AA01 AA18 AA25 BA07 BB06 CB03 EB01 EB11 FA19 FC21

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解精錬によって希土類の核分裂生成物からアメリシウム金属を
   分離するための方法であって、液体金属電極に形成されたアメリシウム金属を液
   体金属電極による交換によって還元させ、その後に合金からアメリシウム金属を
   回収することを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 液体金属電極の交換が連続的又は不連続的に実行されることを特
   徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 液体金属電極がＣｄ又はＢｉ電極であることを特徴とする請求項
   １又は２に記載の方法。
4. 【請求項４】 液体電極がアメリシウム金属の分離後に再循環されることを特徴
   とする請求項１、２、又は、３に記載の方法。
5. 【請求項５】 二重のグローブボックスと、アルゴン精製ユニットと、内部グロ
   ーブボックスの底部に嵌め込まれた加熱井と、基本物質の調製用の外部ボックス
   と、鉛の遮蔽とを備えた請求項１、２、３、又は、４に記載の方法を行なうため
   の装置。