JP2005043331A - 使用済核燃料の脱被覆方法及び脱被覆装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用済核燃料から被覆管を効率的に、かつ、容易に分離することを可能とする使用済核燃料の脱被覆方法と装置を提供する。
【解決手段】 使用済核燃料が充填されたままのオーステナイト系ステンレス鋼製の使用済核燃料管Ｐを１〜数本ずつ送るフィーダ７と回転される複数の刃物４、５を備えた破砕機１を用いて使用済核燃料管を１本ずつ１〜２ｍｍの大きさに微細に剪断する。得られた破砕片は、破砕片を送る振動フィーダ２７を有する磁気選別機２０によって被覆管と核燃料とに分離される。磁気選別機２０は破砕機１の下に配設されている。
こうして、本発明の脱被覆装置によれば、硝酸などの溶解液を使うことなく、使用済核燃料を効率的に脱被覆させた状態で得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、使用済核燃料から被覆管を除去すると共に微細な使用済燃料片を得る使用済核燃料管の脱被覆方法及び脱被覆装置に関する。

高速増殖炉の使用済核燃料を再処理する上では、核燃料集合体を構成する多数の使用済核燃料管から使用済核燃料を取り出すために被覆管を除去することが必要である。
このように、使用済核燃料から被覆管を除去するため、従来は、特開平６−４３２８８号公報に見られるように、核燃料集合体を剪断し、その剪断された使用済核燃料管の被覆管から使用済核燃料を硝酸によって溶解して分離するやり方を採用していた。

核燃料集合体の剪断には例えば１００ｔといった大出力の油圧装置を備えた大型の剪断機が必要であり、またその剪断は押切り方式であるため微細な剪断を行うことができず、せいぜい２〜４ｃｍの長さに切断できる程度であり、そのように切断された使用済核燃料管の被覆管から使用済核燃料を取り出す事は容易に行えなかった。

従来は前記したように使用済核燃料を硝酸によって溶解して分離するやり方であったため、大量の硝酸が必要となり、また、使用済核燃料の溶解に使用する硝酸からＮＯ_X の発生があり、設備には脱硝装置を設置して硝酸を回収しなければならなかった。その上、使用済核燃料の溶解に使用した硝酸を回収するのに多大の費用がかかっていた。
このように、使用済核燃料の再処理においては、使用済核燃料から被覆管を効率的に除去する技術が求められていた。

特開平６−４３２８８号公報 （社）日本原子力学会「２００２年秋の大会」（２００２年９月１４〜１６日、いわき明星大学）予稿集、Ｐ．５２４、Ｐ．５２５

本発明は、大型の剪断機などを使用することなく、使用済核燃料管から被覆管を効率的に、かつ、容易に分離し、微細な粉体状の核燃料を得ることを可能とする使用済核燃料の脱被覆方法及び脱被覆装置を提供することを課題としている。

本発明は、前記課題を解決する使用済核燃料の脱被覆方法として、使用済核燃料が充填されたままのオーステナイト系ステンレス鋼製の使用済核燃料管を１〜２ｍｍ以下の大きさが主体となるよう微細に剪断し、得られた破砕片を磁気選別によって被覆管と核燃料とに分離する方法を採用する。

本発明のこの脱被覆方法によると、オーステナイト系ステンレス鋼製の被覆管は剪断によって、その破断部においてオーステナイト系ステンレス鋼が一部マルテンサイト化するので、剪断して得られた破砕片を磁気選別することにより被覆管と使用済核燃料に分離可能であり使用済核燃料を脱被覆した状態で取り出すことができる。

この際、被覆管の金属破砕片は粒径が小さいほど磁化率が高く、粒径が大きいほど磁化率が低い傾向にある。しかしながら、粒径が非常に小さい金属破砕片を得ようとすると、破砕機における磨耗が多くなる問題があり、本発明による脱被覆方法においては、使用済核燃料が充填されたままのオーステナイト系ステンレス鋼製の使用済核燃料管を１〜２ｍｍ以下の大きさのものが主体となるように剪断を行うことによって金属破砕片を強磁性化し、効率よく核燃料と金属破砕片を分離することが可能である。
このように、本発明の脱被覆方法によれば、硝酸などの溶解液を使うことなく、使用済核燃料を効率的に脱被覆させた状態で得ることができる。

上記のため、本発明による脱被覆方法では、複数の刃物で構成した回転型カッター及び多数の開口を有するスクリーンを使って使用済核燃料管を集合体から外して１〜数本ずつ剪断するのが好ましく、これによって使用済核燃料管を微細に剪断して使用済核燃料を被覆管から効果的に分離することができる。

また、本発明は、前記課題を解決する装置として、並列された複数の刃物で構成した回転型カッター及び多数の開口を有し前記回転型カッターで剪断された破砕片を１〜２ｍｍ以下の大きさが主体となるまで保持するスクリーンをカッターの下部に設けた破砕機と、同破砕機で得られた破砕片を磁気分離する磁気選別機を有する使用済核燃料の脱被覆装置を提供する。

このように構成した本発明の脱被覆装置によれば、回転型カッターにおける並列された複数の刃物によって使用済核燃料管を微細に剪断し、剪断された破砕片が機内において１〜２ｍｍ以下の大きさが主体となるまで開口径を調整したスクリーン上に保持され繰り返し破砕される。１〜２ｍｍ以下の大きさになった破砕片は、スクリーンの開口を通過し排出され、それを磁気選別機によって使用済核燃料とマルテンサイト化された被覆管に分離することにより、使用済核燃料を効果的に脱被覆すると共に粉体化した使用済燃料を得ることができる。

本発明による脱被覆装置においては、前記した磁気選別機を前記した破砕機の下に配設した構成にすると、使用済核燃料管を破砕機で微細に剪断して生成した破砕片を下方に配設された磁気選別機に落下させて供給して連続処理できて好適である。

また、本発明による脱被覆装置で用いる破砕機として、破砕すべき使用済核燃料管を１〜数本ずつ送るフィーダを有する構成のものとすると、使用済核燃料が充填されたままの被覆管を所望の微細状態に剪断可能なように送り込んで剪断し、磁気選別機による使用済核燃料と被覆管との選別を効果的に行えるものとなって好ましい。

本発明は、使用済核燃料が充填されたままのオーステナイト系ステンレス鋼製の使用済核燃料管を１〜２ｍｍ以下の大きさのものが主体となるよう微細に剪断し、得られた破砕片を磁気選別によって被覆管と使用済核燃料とに分離する方法を提供する。

本発明の脱被覆方法によると、オーステナイト系ステンレス鋼製の被覆管は剪断によって微細に破砕され、その破断によってオーステナイト系ステンレス鋼が一部マルテンサイト化するので、剪断して得られた破砕片を磁気選別することにより被覆管と使用済核燃料に分離可能であり使用済核燃料を脱被覆した微細な破砕片の状態で取り出すことができ、従来のように硝酸などの溶解液を使わずに、使用済核燃料を効率的に脱被覆させることができる。

このように、本発明による脱被覆方法においては、使用済核燃料が充填されたままのオーステナイト鋼製の使用済核燃料管を１〜２ｍｍ以下の大きさのものが主体となるように剪断を行ことによって被覆管の破砕片を高磁化率の強磁性体とすることが可能であり使用済核燃料と被覆管の分離が効率的に行なわれ脱被覆性能を向上させることができる。

また、本発明の脱被覆方法において複数の刃物で構成した回転型カッターを使って使用済核燃料管を１〜数本ずつ剪断するものでは、使用済核燃料管を微細に剪断して使用済核燃料を効果的に分離することができる。

また、本発明は、並列された複数の刃物で構成した回転型カッター及びカッターの下部に多数の開口を有し前記回転型カッターによって破砕された破砕片を１〜２ｍｍ以下の大きさが主体となるまで保持するスクリーンを有する破砕機と、同破砕機で得られた破砕片を磁気分離する磁気選別機を有する使用済核燃料の脱被覆装置を提供する。

本発明のこの脱被覆装置によれば、回転型カッターにおける並列された複数の刃物及び剪断された破砕片を１〜２ｍｍ以下の大きさが主体となるまで保持するスクリーンによって使用済核燃料管を微細に剪断し、それを磁気選別機によって使用済核燃料とマルテンサイト化された被覆管を分離することにより使用済核燃料を微細化すると同時に効果的に脱被覆することができる。

本発明による脱被覆装置において、前記磁気選別機を前記破砕機の下に配設した構成としたものでは、破砕機で微細に剪断して生成した破砕片を下方に配設された磁気選別機に落下させて供給して連続処理できて好適である。

また、本発明による脱被覆装置において、破砕すべき使用済核燃料管を１〜数本ずつ送るフィーダを有する構成としたものでは、使用済核燃料が充填されたままの被覆管を所望の微細状態に剪断可能なように送り込んで剪断し、磁気選別機による使用済核燃料と被覆管との選別を効果的に行える。

以下、本発明を添付図面に示す実施の形態に基づいて具体的に説明する。

（第１実施形態）
先ず、図１〜図４に示す本発明の第１実施形態による使用済核燃料の脱被覆装置について説明する。使用済核燃料の脱被覆装置の全体構成を示す図１において、１は破砕機で、使用済核燃料が充填されたままのオーステナイト系ステンレス鋼製の使用済核燃料管を微細に剪断する。破砕機１は、複数の刃物で構成された回転型のカッターで、回転駆動機としてのモータＭと共に架台Ｆに載置されている。Ｓは、破砕機１にモータＭの回転駆動力を伝える回転軸である。

２０は磁気選別機で、磁気選別機２０は破砕機１の下方に配置されており、破砕機１で微細に剪断され落下して来る使用済核燃料管の破砕片を受けて被覆管と使用済核燃料とに分離する。

図２，図３によって破砕機１の構造を説明する。
回転型カッターである破砕機１は並列された２本の回転軸２，３がそれぞれ軸受で回転自在に支持されて水平に配設されており、回転軸２には６枚の刃物４が互いに間隔を保って並列して取り付けられている。
他方の回転軸３には７枚の刃物５が互いに間隔を保って並列して取り付けられている。刃物４，５は、交互に嵌り込むように部分的に重ね合わせ状態に組み立てられており、図２に矢印で示すように互いに反対方向に回転される。

６は、数ｍｍの穴を多数あけたスクリーンで、刃物５の外端の回転軌跡と数ｍｍの間隔が生ずる状態に組み立てられている。
７はフィーダで、使用済核燃料管を刃物４，５に供給する働きをする。フィーダ７は、燃料集合体から解体した使用済核燃料管（燃料ピン）Ｐを受け入れるホッパー８と、供給路９と、使用済核燃料管Ｐの落下機構１０とで構成されている。破砕機１の刃物４，５が配設されている破砕室１１は、ケーシング１２で囲まれていて、スクリーン６を介して、破砕片落下口１３に連通している。

次に図４によって磁気選別機２０の構造について説明する。図４において２１はドラムで、回転軸２２のまわりに回転される。ドラム２１の内部には半円柱状のマグネット２３が固定されている。
２４は、破砕片の投入口で、破砕機１で破砕された使用済核燃料管の破砕片を受け取る。

２５は破砕片の落下シュートで、落下シュート２５には、加振機２６を備えた振動フィーダ２７が取り付けられている。この振動フィーダ２７は落下シュート２５に振動を与え、投入口２４から落下して来る破砕片を均一に分散した状態にしてドラム２１へ落下させる。
２８は分離板で、ドラム２１の下方に配置され、ドラム２１の表面に沿って移動した後、放物線を描き落下する非磁性物のための非磁性物出口２９と、マグネット２３の磁気によってドラム２１の表面に付着しマグネット２３が存在しなくなる位置でドラム２１の表面から離脱して落下する磁性物あるいは磁気の影響により非磁性物と異なる軌跡を描く磁性物のための磁性物出口３０とを分離している。

本実施形態による使用済核燃料の脱被覆装置は以上の構成を有していて、その脱被覆作用は次のとおりである。
脱被覆すべき使用済核燃料管Ｐは、ホッパー８に投入され、ホッパー８から供給路９内を１列となって送られる。供給路９に設けられた落下機構１０は、使用済核燃料管Ｐを１本づつ所定のタイミングで破砕機１内の刃物４，５に向け落下させるように供給する。

こうして落下供給された使用済核燃料管Ｐは刃物４，５によって１〜２ｍｍの大きさの破砕片が主体となるように微細に破砕される。刃物４，５の噛み合い部で破砕されて生成した破砕片は、スクリーン６の穴を通って、下方に配置された磁気選別機２０の投入口２４へ落下する。

この際、スクリーン６の孔径より大きな破砕片は、スクリーン６上に保持され刃物４，５の爪先にて掻き上げられ繰り返し破砕される。スクリーン６の孔径より小さくなった破砕片は、投入口２４へ落下し、落下シュート２５上を送られてドラム２１上へ落下される。このとき、落下シュート２５は加振機２６を備えた振動フィーダ２７によって振動を与えられており、落下シュート２５上を送られる破砕片は均一に分散された状態でドラム２１上に落下される。

マグネット２３が配置されている位置を回転しているドラム２１部分には、そのマグネット２３の磁気の影響で、破砕機１による破砕で磁化したオーステナイト系ステンレス鋼製の被覆管の破砕片が吸引されて付着する。
一方、使用済核燃料管の破砕により被覆管から分離した使用済核燃料はマグネット２３の磁気の影響を受けないで非磁性物出口２９へとそのまま落下する。

ドラム２１の表面にマグネット２３の磁気によって付着した被覆管の破砕片は、ドラム２１の表面に付着したまま、回転と共に移動するが、マグネット２３が配置されていない位置に来ると、マグネット２３の影響を受けなくなりドラム２１の表面から離脱し磁性物出口３０の方に落下する。
また、ドラム２１の表面に付着しないまでも、磁気の影響を受ける比較的磁化率が低い大きな粒径の被覆管の破砕片は、非磁性物の描く放物線よりもマグネット２３寄りの軌跡を描いて磁性物出口３０の方へ落下する。
こうして使用済核燃料管は、剪断によって微細に破砕されることによって破断部に生ずるオーステナイト系ステンレス鋼のマルテンサイト化現象を利用して破砕片中の被覆管を磁気選別することができる。

（第２実施形態）
次に、図５に示す第２実施形態について説明する。図５において、先の第１実施形態による使用済核燃料の脱被覆装置におけると同等の部分には図１〜図４と同じ符号を付してあり、それらについての重複する説明は省略する。

図５において、４０は破砕片搬送兼分級機で、その一端側（図５の右端側）で、破砕機１によって使用済核燃料管Ｐが破砕され破砕片落下口１３から落下して来る破砕片を受けて他端側（図５の左端側）へ搬送する。
この破砕片搬送兼分級機４０は、複数個（図５では２個）のばね４２によって弾性的に支持されている。

４１は加振機を構成する偏心軸部で、この偏心軸部４１が回転されることによって破砕片搬送兼分級機４０に振動を与え、破砕片搬送兼分級機４０の内部に受入れられている破砕片を搬送するとともに、大小粒径のものに分級する。
こうして、破砕片搬送兼分級機４０による搬送の過程で、破砕片は大粒子と小粒子に分級され、大粒子は大粒子用の磁気分離機５０へ、小粒子は小粒子用の磁気分離機６０へ搬入される。なお、４５はオフガスを排出するためのノズルである。

ドラム型磁気分離機においては、ドラム速度が上がれば燃料回収率（＝非磁性物側燃料質量／分離前燃料総質量）は上昇するが、逆に燃料純度（＝非磁性物側燃料質量／非磁性物側総質量）は低下する傾向がある。また、同様にドラム表面の磁束密度が高くなると燃料純度は上昇するが、燃料回収率は低下する傾向にある。

前者は、ドラム速度が上昇することによりドラム表面に落下した破砕片の慣性力が大きくなり、ドラム前方の非磁性物出口へ到達する燃料破砕片、金属破砕片が増大する為である。一方、後者は、金属破砕片が強磁場の影響により磁性物側へ回収され易くなると共に、同時に燃料破砕片を巻き込んでしまうためである。 被覆管の金属破砕片においては、粒径が小さいほど磁化率が高く、粒径が大きいほど磁化率が低い傾向にあるため、小粒径の破砕片の磁気分離において磁束密度を高くすると、金属破砕片の磁化率が高いことに起因して、燃料側への金属破砕片の混入は抑えられ、高い燃料純度が得られるが、金属側への燃料の巻き込みにより燃料回収率は低下する。

一方、大粒径の破砕片においては、磁束密度が低いと金属破砕片が燃料側に混入し易く燃料純度は低下するが、非磁性物側に回収される燃料が増加し、燃料回収率は向上する。

従って、分離性能（燃料純度、分離効率）向上のためには、小粒径破砕片に対しては磁束密度をやや低くし、ドラム速度を上げる必要があり、大粒径破砕片に対しては磁束密度を高くし、ドラム速度をやや抑える必要がある。

このように破砕後に行う磁気分離においては、図５に示す第２実施形態による使用済核燃料の脱被覆装置によって、磁気分離機に掛ける前に分級機にかけて、小粒径の分離に効果的な運転条件を有する小粒径用磁気分離機と大粒径の分離に効果的な運転条件を有する大粒径用磁気分離機の２種類の装置を用いて磁気分離を行うことにより効率の良い分離を達成できる。

以上、本発明を実施の一形態に基づいて説明したが、本発明がこの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の範囲内で種々変更、変形を加えてもよい。
例えば、破砕機１の構造は、刃物４，５の形状や構造、刃物４，５の枚数は適宜選択してよい。

また、磁気選別機２０の形式、構造も図示したものに限らず、種々の形式、構造の磁気選別機を採用してよい。
例えば、磁気選別機としては、回転ドラム式以外のベルト式のものであってもよい。
また、破砕機１と磁気選別機２０の配置も、前記実施形態のように上下関係に配置する必要はない。

本発明による使用済核燃料の脱被覆装置の全体構成を示す側面図。 図１の脱被覆装置における破砕機を示す縦断面図。 図２の III−III 線に沿う断面図。 図１の脱被覆装置における磁気選別機の構造を示す説明図。 本発明の第２実施形態による使用済核燃料の脱被覆装置の全体構成を示す斜視図。

符号の説明

１ 破砕機
２ 回転軸
３ 回転軸
４ 刃物
５ 刃物
６ スクリーン
７ フィーダ
８ ホッパー
９ 供給路
１０ 落下機構
１１ 破砕室
１２ ケーシング
１３ 破砕片落下口
２０ 磁気選別機
２１ ドラム
２２ 回転軸
２３ マグネット
２４ 投入口
２５ 落下シュート
２６ 加振機
２７ 振動フィーダ
２８ 分離板
２９ 非磁性物出口
３０ 磁性物出口
４０ 破砕片搬送兼分級機
４１ 偏心軸部
４２ ばね
４５ ノズル
５０ 磁気分離機（大粒子用）
６０ 磁気分離機（小粒子用）
Ｐ 使用済核燃料管（燃料ピン）

Claims (5)

1. 使用済核燃料が充填されたままのオーステナイト系ステンレス鋼製の使用済核燃料管を１〜２ｍｍ以下の大きさが主体となるよう微細に剪断し、得られた破砕片を磁気選別によって被覆管と微細な使用済核燃料とに分離することを特徴とする使用済核燃料の脱被覆方法。
2. 前記剪断を複数の刃物で構成した回転型カッター及び多数の開口を有するスクリーンを用いて使用済核燃料管１〜数本ずつ行うことを特徴とする請求項１に記載の使用済核燃料の脱被覆方法。
3. 並列された複数の刃物で構成した回転型カッター及び剪断された破砕片を１〜２ｍｍ以下の大きさが主体となるまで保持するスクリーンを有する破砕機と、同破砕機で得られた破砕片を磁気分離する磁気選別機を有することを特徴とする使用済核燃料の脱被覆装置。
4. 前記磁気選別機を前記破砕機の下に配設したことを特徴とする請求項３に記載の使用済核燃料の脱被覆装置。
5. 前記破砕機が、使用済核燃料管を１〜数本ずつ送るフィーダを有することを特徴とする請求項３又は４に記載の使用済核燃料の脱被覆装置。

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