JP2005315790A - 使用済み酸化物燃料の再処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】使用済み酸化物燃料の溶融塩電解による再処理における脱被覆工程において、燃料被覆管が使用済み燃料中に混入することを防ぐことのできる使用済み酸化物燃料の再処理方法を提供する。
【解決手段】使用済み酸化物燃料を含む燃料棒を炭素と塩素を用いてカーボクロリネーション処理する工程Ｓ１０１、転換された使用済み酸化物燃料の塩化物を溶融塩に投入して溶解する投入工程Ｓ１０２、溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて電解し、使用済み酸化物燃料に含まれる貴金属を固体陰極の表面に析出回収する貴金属電解除去工程Ｓ１０３、貴金属を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、混合ガスを吹きこみながら電解し、使用済み酸化物燃料に含まれる一部の酸化ウランを固体陰極の表面に析出回収するウラン電解回収工程Ｓ１０４、溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて混合ガスを吹きこみながら電解し、酸化ウランと酸化プルトニウムを析出回収するＭＯＸ電解回収工程Ｓ１０５を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子力発電所における軽水炉、増殖炉等の各種原子炉から回収された使用済み酸化物燃料を再処理するための方法に係り、特に使用済み酸化物燃料中のウラン、プルトニウム等の核燃料物質を核分裂生成物等から分離し、回収したウランを燃料として再利用できるようにする使用済み酸化物燃料の再処理方法に関する。

原子力発電所から発生する使用済核燃料中には、ウラン、超ウラン元素の酸化物の他に、核分裂生成物であるアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類等の酸化物が含まれており、再処理工程を経て燃料として再利用される。

使用済核燃料をそのまま高温で処理する乾式再処理法の一つとして、溶融塩電解法が知られている。発明者においては、この方法においてアクチニド酸化物の溶融塩への溶解と電解を同時に行い（同時電解法：陽極溶解−同時陰極析出法）、貴金属元素、希土類元素等の不純物の混入を低減する除染能力と処理速度を高めた再処理方法と装置を提案している（例えば特許文献１参照）。

この方法によれば、ウランやプルトニウムを酸化物として回収することができ、従来技術と比べて処理速度を高めることができる。

ところで、増殖炉では軽水炉と比較して、燃料中に貴金属が蓄積しやすい。また、軽水炉においても、長期運転を続けると貴金属が燃料中に蓄積する。酸化ウランと貴金属とは電解時の析出電位が近いことから、貴金属を含む使用済み酸化物燃料を溶融塩電解すると、回収された燃料中に貴金属が含まれやすい。この点に関し、発明者においては、貴金属元素の混入を低減する除去能力と処理速度とを高めた再処理方法と装置を提案した（特許文献１参照）。
特開平９−９００８９号公報 特開２０００−１５５１９３号公報

上記に示した改良により、プロセス効率の向上を果たしてきたが、せん断および脱被覆工程において、被覆管構成材が燃料中に混入することで、再処理のプロセス効率を低下することが明らかとなってきた。

従来のせん断および脱被覆は機械的手法によるものであるため、このような手法によっては、被覆管切屑の使用済み燃料への混入が避けられない。しかも、被覆管成分の一部は再処理工程全般に留まるため、全体の効率が低下し、再処理コストを高める原因となる。

このため、再処理対象の使用済み燃料中に混入することなく、被覆管を分離できる分離工程が望まれている。

このように、従来法のせん断・脱被覆法では、使用済み酸化物燃料中に被覆管が一部含まれ再処理全体のプロセス効率を低下させるため、この被覆管の混入を防ぐことが望まれている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、使用済み酸化物燃料の溶融塩電解による再処理における脱被覆工程において、燃料被覆管が使用済み燃料中に混入することを防ぐことができる使用済み酸化物燃料の再処理方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明では、使用済み酸化物燃料から核物質と核分裂生成物を回収し、回収した前記核物質を再使用するための使用済み酸化物燃料再処理方法において、前記使用済み酸化物燃料を含む燃料棒を炭素と塩素とを用いてカーボクロリネーション処理し、前記使用済み酸化物燃料以外の燃料棒構成材を揮発除去するとともに、前記使用済み酸化物燃料を塩化物に転換するカーボクロリネーション工程と、このカーボクロリネーション工程で転換された前記使用済み酸化物燃料の塩化物を溶融塩に投入して溶解させる投入工程と、前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる貴金属を前記固体陰極の表面に析出回収して、前記溶融塩中から前記貴金属を除去する貴金属電解除去工程と、この貴金属電解除去工程で前記貴金属を除去した後の前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる一部の酸化ウランを前記固体陰極の表面に析出回収するウラン電解回収工程と、このウラン電解回収工程で前記貴金属を除去した後の前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる酸化ウランと酸化プルトニウムとを前記固体陰極の表面に析出回収するＭＯＸ電解回収工程と、を有することを特徴とする使用済み酸化物燃料再処理方法を提供する。

また本発明では、使用済み酸化物燃料から核物質と核分裂生成物とを回収し、回収した前記核物質を再使用するための使用済み酸化物燃料再処理方法において、前記使用済み酸化物燃料を含む燃料棒の前記使用済み酸化物燃料以外の燃料棒構成材を塩素で揮発除去する塩素化脱被覆工程と、この塩素化脱被覆工程で処理された前記使用済み酸化物燃料を溶融塩に投入する投入工程と、投入された前記使用済み酸化物燃料を前記溶融塩へ溶解させる溶解工程と、前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて低い電流密度で電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる貴金属と一部の酸化ウランとを前記固体陰極の表面に析出回収して、前記溶融塩中から前記貴金属を除去する貴金属電解除去工程と、この貴金属電解除去工程で前記貴金属を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる一部の酸化ウランを前記固体陰極の表面に析出回収するウラン電解回収工程と、このウラン電解回収工程で一部の酸化ウランを回収した後の前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる酸化ウランと酸化プルトニウムとを前記固体陰極の表面に析出回収するＭＯＸ電解回収工程と、を有することを特徴とする使用済み酸化物燃料再処理方法を提供する。

またさらに本発明では、使用済み酸化物燃料から核物質と核分裂生成物とを回収し、回収した前記核物質を再使用するための使用済み酸化物燃料再処理方法において、前記使用済み酸化物燃料を含む燃料棒の使用済み酸化物燃料以外の燃料棒構成材を塩素で揮発除去する塩素化脱被覆工程と、前記使用済み酸化物燃料を溶融塩に投入する投入工程と、酸化ウランを前記溶融塩へ溶解させて浴を調整する浴調整工程と、前記使用済み酸化物燃料を陽極とし、前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて前記酸化物燃料を前記溶融塩へ溶解させると同時に、電解で前記酸化物燃料に含まれる一部の酸化ウランを前記固体陰極の表面に析出させる陽極溶解−陰極析出工程と、前記酸化物燃料に含まれる貴金属が溶解し始めたところで電解を中断し、再び前記溶融塩中に溶け残っている酸化物燃料を溶解させる溶解工程と、この溶解工程後の塩に浸漬した固体電極で電解し、前記酸化物燃料に含まれる貴金属を前記固体陰極の表面に析出回収して、前記溶融塩中から貴金属を除去する貴金属電解除去工程と、この貴金属電解除去工程で前記貴金属を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる酸化ウランと酸化プルトニウムとを、前記固体陰極の表面に析出回収するＭＯＸ電解回収工程と、を有することを特徴とする使用済み酸化物燃料再処理方法を提供する。

本発明によれば、塩素および炭素を用いることによって被覆管を塩素化およびガス化し、揮発分離することで、使用済み燃料中への混入を防ぐことができ、高純度の酸化ウラン及びＭＯＸ（酸化ウラン、酸化プルトニウム混合物）を効率良く回収することができる。

また、本発明によれば、使用済核燃料の再処理に関し、原子力発電所から発生する使用済燃料中のウラン、プルトニウム等の核燃料物質を核分裂生成物等から分離し、回収したウランを燃料として再利用することができ、再処理対象である使用済み酸化物燃料中への被覆管の混入を低減し、再処理プロセス効率の向上を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明に係る使用済み酸化物燃料再処理方法の第１実施形態を示すプロセスフロー図であり、図２は、本実施形態で使用する装置を示す構成図である。

図１に示すように、本実施形態の酸化物燃料再処理方法では、カーボクロリネーション工程（Ｓ１０１）、投入工程（Ｓ１０２）、貴金属電解除去工程（Ｓ１０３）、ウラン電解回収工程（Ｓ１０４）およびＭＯＸ電解工程（Ｓ１０５）を備える。

カーボクロリネーション工程（Ｓ１０１）では、使用済み酸化物燃料１ａおよび被覆管１ｂを含む燃料棒１を、塩素２ａおよび炭素２ｂからなる処理ガス２を用いてカーボクロリネーション処理し、使用済み酸化物燃料１ａ以外の燃料棒構成材を揮発除去するとともに、使用済み酸化物燃料１ａを塩化物に転換する。

図２は、この処理工程で使用するカーボクロリネーション処理装置を示している。この図２に示すように、カーボクロリネーション処理装置は、加熱用コイル３を備えた密閉容器４を有している。この密閉容器４内には、塩素ガス供給部５および炭素（粉末）供給部６から、供給配管７，８内および注入ノズル９，１０を介して、塩素ガス２ａおよび炭素（粉末）２ｂが供給できるようになっている。

また、密閉容器４には、反応ガス抽出口１１が設けられ、この反応物抽出口１１にフィルタ１２および抽出配管１３を介して凝縮器（トラップ）１４が接続されている。これにより、密閉容器４内で生成される反応ガスが、フィルタ１２を介して凝縮器１４に導かれ、凝縮されるようになっている。

この装置を使用したカーボクロリネーション処理について詳述すると、まず燃料棒１（使用済み酸化物燃料１ａ＋被覆管１ｂ）が、密閉容器４内において、３００℃以上に加熱される。この加熱作用と、塩素２ａおよび炭素２ｂの供給により、カーボクロリネーション反応が起こり、下記の化学式（１）〜（４）で例示したように、被覆管１ｂは塩素化され、使用済み酸化物燃料１ａ中の各金属の酸化物は脱酸素化かつ塩素化されて金属塩化物となる。

［化１］
Ｆｅ＋３／２Ｃｌ_２ → ＦｅＣｌ_３↑
［化２］
Ｃｒ＋３／２Ｃｌ_２ → ＣｒＣｌ_３↑
［化３］
Ｎｉ＋Ｃｌ_２ → ＮｉＣｌ_２↑
［化４］
Ｚｒ＋２Ｃｌ_２ → ＺｒＣｌ_４↑
ここで、被覆管１ｂの構成材の主成分であるＦｅの塩化物は蒸気圧が低く、３００℃以上で揮発するため、被覆管部分は揮発して、金属塩化物となった燃料部分から分離される。本実施形態では、例えば４００〜６００℃に加熱することにより、Ｆｅの塩化物等が十分に揮発分離できることが認められた。なお、加熱温度を６００℃超とすると、下記の燃料物質の塩化物も揮発するので、加熱温度は６００℃以下に設定することが望ましい。

一方、酸化物については、下記の化学式（５）〜（７）で例示したように、炭素により還元反応され、かつ塩素化される。

［化５］
ＺｒＯ_２＋Ｃ＋２Ｃｌ_２ → ＺｒＣｌ_４↑＋Ｃ０_２
［化６］
ＵＯ_２＋Ｃ＋Ｃｌ_２ → ＵＣｌ_４＋Ｃ０_２
［化７］
ＰｕＯ_２＋Ｃ＋Ｃｌ_２ → ＰｕＣｌ_４＋Ｃ０_２
このようなカーボクロリネーション工程（Ｓ１０１）により、使用済み酸化物燃料１ａ以外の燃料棒構成材を揮発除去するとともに、使用済み酸化物燃料１ａを塩化物に転換することができる。したがって、従来行われていた被覆管１ｂの切断を行う必要がなくなり、従来技術において被覆管１ｂの切断により発生していた切断屑の残留等を防止することができ、後の工程において、燃料被覆管１ｂの構成材が使用済み燃料１ａ中に混入することを防ぐことができる。したがって、使用済み酸化物燃料１ａへの金属混入を低減し、再処理プロセス効率の向上が可能となる。

なお、この工程においては、塩素＋炭素に代えて、四塩化炭素あるいは有機ガスを用いることができる。

次に、投入工程（Ｓ１０２）において、カーボクロリネーション工程（Ｓ１０１）で転換された使用済み酸化物燃料の塩化物ＵＣｌ_４、ＰｕＣｌ_４を溶融塩に投入して溶解させる。すなわち、被覆管部分を分離した後、ナトリウム、カリウム、セシウム、ルビジウムあるいはリチウムなどのハロゲン化物、もしくはこれらの２種以上の混合物である溶融塩に投入することで、投入された塩化物を溶融塩中に溶解させる。

そして、貴金属電解除去工程（Ｓ１０３）において、溶融塩中に浸漬された固体電極を陰極とし、この固体陰極を用いて電解する。この電解により、使用済み酸化物燃料に含まれる貴金属１５が固体陰極の表面に優先的に析出するので、この作用によって貴金属１５を析出回収し、溶融塩中からの貴金属除去を行う。これにより、溶融塩中から不純物が除去される。

次に、ウラン電解回収工程（Ｓ１０４）において、貴金属電解除去工程（Ｓ１０３）で貴金属１５を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて電解し、使用済み酸化物燃料に含まれる一部の酸化ウランを固体陰極の表面に析出回収する。すなわち、このウラン電解回収工程（Ｓ１０４）では、貴金属電解除去工程（Ｓ１０３）後の貴金属１５が除去された溶融塩中に塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスの混合ガス１６を吹きこみながら、溶融塩中に浸漬された固体電極を陰極として電解を行うことにより、酸化ウラン１７を陰極上に析出させて回収する。回収された酸化ウランは核燃料として再利用することができる。

なお、このウラン電解回収工程（Ｓ１０４）では、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス１６における酸素分圧を、プルトニウムが６価に酸化されず、４価のままで存在し、ウランのみが６価に酸化する分圧に設定する。

最後に、ＭＯＸ電解工程（Ｓ１０５）において、ウラン電解回収工程（Ｓ１０４）で貴金属１５を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、使用済み酸化物燃料に含まれる酸化ウランと酸化プルトニウムとを固体陰極の表面に析出回収する。すなわち、このＭＯＸ電解工程（Ｓ１０５）では、ウラン電解回収工程（Ｓ１０４）の後の溶融塩中に、溶融塩中に浸漬された固体電極を陰極とし、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスの混合ガス１６とを吹きこみながら電解を行うことにより、酸化ウランと酸化プルトニウムの混合物（ＭＯＸ）１８とが陰極上で析出回収される。この工程で回収された酸化ウランと酸化プルトニウムの混合物（ＭＯＸ）１８は、付着した塩を除去した後、核燃料として再利用することができる。

なお、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスにおける酸素分圧は、プルトニウムが６価まで酸化される分圧に設定することが望ましい。

また、ウラン電解回収工程（Ｓ１０４）およびＭＯＸ電解工程（Ｓ１０５）において適用するガスは、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス１６に限られない。例えば、塩素ガスと酸素ガスの代りにＣｌＯ_２を適用し、また不活性ガスの代りに窒素ガスを用いることができる。

以上の第１実施形態によれば、燃料被覆管１ｂの切断屑残留等を防止し、燃料被覆管構成材が使用済み燃料１ａ中に混入することを防ぐことができ、使用済み酸化物燃料１ａへの金属混入を低減し、再処理プロセス効率向上が図れるようになる。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態を示すプロセスフロー図である。

この図３に示すように、本実施形態では、塩素化脱被覆工程（Ｓ２０１）、投入工程（Ｓ２０２）、溶解工程（Ｓ２０３）、貴金属電解除去工程（Ｓ２０４）、ウラン電解回収工程（Ｓ２０５）およびＭＯＸ電解回収工程（Ｓ２０６）を備える。

まず、塩素化脱被覆工程（Ｓ２０１）では、使用済み酸化物燃料１ａを含む燃料棒１の使用済み酸化物燃料以外の燃料棒構成材を塩素で揮発除去する。すなわち、燃料棒１（使用済み酸化物燃料１ａ＋被覆管１ｂ）は、第１実施形態の図２に示した装置と略同様の装置を用いて、３００℃以上で塩素１５を投入して塩素化反応を起こさせる。

これにより、被覆管１ｂは塩素化され、第１実施形態と同様の金属塩化物となる。ここで、被覆管構成材の主成分であるＦｅの塩化物は上述したように、蒸気圧が低く、３００℃以上で揮発するため、被覆管部分は揮発して、使用済み酸化物燃料部分と分離される。

なお、本実施形態の塩素化脱被覆工程（Ｓ２０１）では、炭素供給を除き、第１実施形態におけるカーボクロリネーション工程（Ｓ１０１）の塩素供給および反応等と略同様の作用を行うものであるから、共通事項については第１実施形態を参照し、重複説明を省略する。

次に、投入工程（Ｓ２０２）では、塩素化脱被覆工程（Ｓ２０１）で処理された使用済み酸化物燃料１ａを溶融塩に投入する。すなわち、塩素化脱被覆工程（Ｓ２０１）で被覆管１ｂ部分を分離した後、ナトリウム、カリウム、セシウム、ルビジウムあるいはリチウムなどのハロゲン化物、もしくはこれらの２種以上の混合物である溶融塩に投入する。

そして、溶解工程（Ｓ２０３）において、投入された使用済み酸化物燃料１ａを溶融塩へ溶解させる。すなわち、投入された使用済み酸化物燃料１ａは、塩素２ａ等のハロゲンガスで化学的あるいは電気化学的に、塩化物あるいは酸塩化物に転換され、溶融塩中に全て溶解される。

次に、貴金属電解除去工程（Ｓ２０４）において、溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて低い電流密度で電解し、使用済み酸化物燃料１ａに含まれる貴金属と一部の酸化ウランとを固体陰極の表面に析出回収して、溶融塩中から貴金属を除去する。すなわち、溶融塩中に浸漬された固体電極を陰極とし、貴金属の電解析出で使われる限界拡散電流密度値ｉ_ＮＭよりも低い電流密度で電解を行うことにより、貴金属および一部の酸化ウランを含む回収析出物１９を回収する。

ここで、貴金属の電解析出で使われる限界電流密度値ｉ_ＮＭは、次の数式（１）のように表すことができ、Ｄ_ＮＭとＣ_ＮＭとδ_ＮＭを測定することによりｉ_ＮＭを決定することができる。

Ｄ_ＮＭ：溶融塩中の貴金属イオンの拡散係数
Ｃ_ＮＭ：溶融塩中に溶解している貴金属イオンの濃度（バルク濃度）
Ｆ ：ファラデー定数
δ_ＮＭ：溶融塩中の貴金属イオンの拡散層の厚さ

次に、ウラン電解回収工程（Ｓ２０５）では、貴金属電解除去工程（Ｓ２０４）で貴金属を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて電解し、使用済み酸化物燃料１ａに含まれる一部の酸化ウラン１７を固体陰極の表面に析出回収する。すなわち、貴金属電解除去工程後の貴金属が除去された溶融塩中に浸漬された固体電極を陰極とし、電解を行うことにより、陰極上に高純度の酸化ウラン１７が析出回収される。回収された酸化ウラン１７は、付着した塩を除去した後、核燃料として再利用することができる。

さらに、ＭＯＸ電解回収工程（Ｓ２０６）では、ウラン電解回収工程（Ｓ２０５）で一部の酸化ウランを回収した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス１６を吹きこみながら電解し、使用済み酸化物燃料１ａに含まれる酸化ウランと酸化プルトニウムとを固体陰極の表面に析出回収する。

すなわち、ＭＯＸ電解工程（Ｓ２０６）においては、ウラン電解回収工程（Ｓ２０５）後の溶融塩中に、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスの混合ガス８を吹きこみながら、溶融塩中に浸漬された固体電極を陰極として電解を行うことにより、酸化ウランと酸化プルトニウム（ＭＯＸ）１８とを陰極上で析出回収しる。

回収された酸化ウランと酸化プルトニウム（ＭＯＸ）１８は、付着した塩を除去した後、核燃料として再利用することができる。

ここで、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスの混合ガス１６における酸素分圧は、プルトニウムが６価まで酸化される分圧に設定する。

なお、本実施形態では、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスの混合ガス１６を適用したが、塩素ガスと酸素ガスに代えてＣｌＯ_２を適用し、また不活性ガスに代えて窒素ガスを適用することができる。

以上の第２実施形態によっても、燃料被覆管１ｂの切断屑残留等を防止し、燃料被覆管構成材が使用済み燃料１ａ中に混入することを防ぐことができ、使用済み酸化物燃料１ａへの金属混入を低減し、再処理プロセス効率向上が図れるようになる。

［第３実施形態］
図４は本発明の第３実施形態を示すプロセスフロー図である。

この図４に示すように、本実施形態では、塩素化脱被覆工程（Ｓ３０１）、投入工程（Ｓ３０２）、浴調整工程（Ｓ３０３）、陽極溶解−陰極析出工程（同時電解工程）（Ｓ３０４）、溶解工程（Ｓ３０５）、貴金属電解除去工程（Ｓ３０６）およびＭＯＸ電解回収工程（Ｓ３０７）を備える。

塩素化脱被覆工程（Ｓ３０１）および投入工程（Ｓ３０２）の処理は、第２実施形態の塩素化脱被覆工程（Ｓ２０１）および投入工程（Ｓ２０２）と同様であるから、説明を省略する。

浴調整工程（Ｓ３０３）では、酸化ウランを溶融塩へ溶解させて浴を調整する。すなわち、酸化ウランあるいは塩化ウラニルを投入し、塩素２ａ等のハロゲンガスで溶融塩中に塩化ウラニルとして溶解させる。

次いで、陽極溶解−陰極析出工程（同時電解工程）（Ｓ３０４）では、使用済み酸化物燃料を陽極とし、溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて酸化物燃料を溶融塩へ溶解させると同時に、電解で酸化物燃料に含まれる一部の酸化ウランを固体陰極の表面に析出させる。すなわち、この工程では、使用済み酸化物燃料自身を陽極とし、溶融塩中に浸漬された固体電極を陰極として電解を行う。これにより、使用済み酸化物燃料中の酸化ウランは溶融塩中に溶解し、陰極上に高純度の酸化ウラン１７が析出回収される。回収された酸化ウラン１７は、付着した塩を除去した後、核燃料として再利用することができる。

この酸化ウラン回収後に、溶解工程（Ｓ３０５）において、酸化物燃料に含まれる貴金属が溶解し始めたところで電解を中断し、再び溶融塩中に溶け残っている酸化物燃料を溶解させる。すなわち、同時電解工程（Ｓ３０４）で貴金属が濃縮されて溶け残っている使用済み酸化物燃料を、塩素ガス等のハロゲンガスあるいは、電気化学的に溶融塩中に、塩化物あるいは酸塩化物として溶解する。

次に、貴金属電解除去工程（Ｓ３０６）において、溶解工程（Ｓ３０５）後の塩に浸漬した固体電極で電解し、酸化物燃料に含まれる貴金属を固体陰極の表面に析出回収して、溶融塩中から貴金属を除去する。すなわち、第２実施形態の貴金属電解除去工程（Ｓ２０４）と同様に、溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて低い電流密度で電解し、使用済み酸化物燃料１ａに含まれる貴金属を固体陰極の表面に析出回収して、溶融塩中から貴金属を除去する。すなわち、溶融塩中に浸漬された固体電極を陰極とし、貴金属の電解析出で使われる限界拡散電流密度値ｉ_ＮＭよりも低い電流密度で電解を行うことにより、高い分離効率で貴金属１５を析出回収することができる。

そして、最終的に、ＭＯＸ電解回収工程（Ｓ３０７）において、貴金属電解除去工程で貴金属を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、使用済み酸化物燃料に含まれる酸化ウランと酸化プルトニウムとを、固体陰極の表面に析出回収する。すなわち、ウラン電解回収工程後の溶融塩中に、溶融塩中に浸漬された固体電極を陰極とし、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスの混合ガス１６を吹きこみながら電解を行うことにより、酸化ウランと酸化プルトニウム（ＭＯＸ）１８が陰極上で析出回収される。回収された酸化ウランと酸化プルトニウム（ＭＯＸ）１８は、付着した塩を除去した後、核燃料として再利用することができる。

このＭＯＸ電解回収工程（Ｓ３０７）においては、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスの混合ガス１６における酸素分圧を、プルトニウムが６価まで酸化される分圧に設定する。

なお、本実施形態でも、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスの混合ガス１６を適用したが、塩素ガスと酸素ガスに代えてＣｌＯ_２を適用し、また不活性ガスに代えて窒素ガスを適用することができる。

以上の第３実施形態によっても、燃料被覆管１ｂの切断屑残留等を防止し、燃料被覆管構成材が使用済み燃料１ａ中に混入することを防ぐことができ、使用済み酸化物燃料１ａへの金属混入を低減し、再処理プロセス効率向上が図れるようになる。

［第４実施形態］
本実施形態では、カーボクロリネーション工程または塩素化脱被覆工程で発生した水素ガスを酸化し、トリチウムが含まれた水として回収する。この場合、水素ガスを水として回収する工程として、白金などの触媒表面上を通過させることが望ましい。

具体的には、ハル等金属廃棄物を処理及び貯蔵時に発生するトリチウムを模擬するため、キャリアガス（導入ガス）として水素ガスを系内に導入した（４％水素−９６％空気）。このガスを２５０℃に加熱し、白金触媒の充填した燃焼間を通過させ水に酸化させたところ９９．９％以上の水素を回収することができた。

［第５実施形態］
本実施形態では、ハル等金属廃棄物を処理及び貯蔵時に発生するガスを模擬するため、実燃料被覆管を加熱硝酸処理したハル廃棄物模擬物を、加熱及び圧縮し、オフガスに標準ガスを２％導入した。このガスを２５０℃に加熱し、白金触媒の充填した燃焼管を通過させ水に酸化させた後に冷却トラップ通過させたところ、発生した９９．９％以上のトリチウムガスをトリチウム水として冷却トラップ中に回収することができた。

［第６実施形態］
本実施形態では、カーボクロリネーション工程または塩素化脱被覆工程で発生した気体状有機炭素化合物を酸化させ、二酸化炭素として回収する。また、この二酸化炭素の回収方法として、アルカリスクラバーを用いることが望ましい。

具体的には、第３実施形態によって処理した二酸化炭素ガスを、６５０℃に加熱した顆粒状の酸化銅カラムを通過させ、二酸化炭素に酸化させた。この後、１０規定の水酸化ナトリウム水溶液を２５０ｍｌ収容した洗気ビンを通過（アルカリスクラバー）させ、溶液中のＣ−１４（揮発性有機炭素化合物）を測定した。この結果、ガス系に放出されたＣ−１４をほぼ全量液集に回収されたことを確認した。

本発明に係る使用済み酸化物燃料再処理方法の第１実施形態を示すプロセスフロー図。 本発明に係る使用済み酸化物燃料再処理方法の第１実施形態で使用する装置を示す構成図。 本発明に係る使用済み酸化物燃料再処理方法の第２実施形態を示すプロセスフロー図。 本発明に係る使用済み酸化物燃料再処理方法の第３実施形態を示すプロセスフロー図。

符号の説明

１ 燃料棒
１ａ 使用済み酸化物燃料
１ｂ 被覆管
２ 処理ガス
２ａ 塩素
２ｂ 炭素
３ 加熱用コイル
４ 密閉容器
５ 塩素ガス供給部
６ 炭素（粉末）供給部
７，８ 供給配管
９，１０ 注入ノズル
１１ 反応ガス抽出口
１２ フィルタ
１３ 抽出配管
１４ 凝縮器（トラップ）
１５ 貴金属（ＮＭ）
１６ 混合ガス（塩素＋酸素＋不活性ガス）
１７ 酸化ウラン（ＵＯ_２）
１８ ＭＯＸ（ＵＯ_２＋ＰｕＯ_２）
１９ 酸化ウランを含む回収析出物（ＵＯ_２＋ＮＭ）

Claims (10)

1. 使用済み酸化物燃料から核物質と核分裂生成物を回収し、回収した前記核物質を再使用するための使用済み酸化物燃料再処理方法において、
   前記使用済み酸化物燃料を含む燃料棒を炭素と塩素とを用いてカーボクロリネーション処理し、前記使用済み酸化物燃料以外の燃料棒構成材を揮発除去するとともに、前記使用済み酸化物燃料を塩化物に転換するカーボクロリネーション工程と、
   このカーボクロリネーション工程で転換された前記使用済み酸化物燃料の塩化物を溶融塩に投入して溶解させる投入工程と、
   前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる貴金属を前記固体陰極の表面に析出回収して、前記溶融塩中から前記貴金属を除去する貴金属電解除去工程と、
   この貴金属電解除去工程で前記貴金属を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる一部の酸化ウランを前記固体陰極の表面に析出回収するウラン電解回収工程と、
   このウラン電解回収工程で前記貴金属を除去した後の前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる酸化ウランと酸化プルトニウムとを前記固体陰極の表面に析出回収するＭＯＸ電解回収工程と、
   を有することを特徴とする使用済み酸化物燃料再処理方法。
2. 使用済み酸化物燃料から核物質と核分裂生成物とを回収し、回収した前記核物質を再使用するための使用済み酸化物燃料再処理方法において、
   前記使用済み酸化物燃料を含む燃料棒の前記使用済み酸化物燃料以外の燃料棒構成材を塩素で揮発除去する塩素化脱被覆工程と、
   この塩素化脱被覆工程で処理された前記使用済み酸化物燃料を溶融塩に投入する投入工程と、
   投入された前記使用済み酸化物燃料を前記溶融塩へ溶解させる溶解工程と、
   前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて低い電流密度で電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる貴金属と一部の酸化ウランとを前記固体陰極の表面に析出回収して、前記溶融塩中から前記貴金属を除去する貴金属電解除去工程と、
   この貴金属電解除去工程で前記貴金属を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる一部の酸化ウランを前記固体陰極の表面に析出回収するウラン電解回収工程と、
   このウラン電解回収工程で一部の酸化ウランを回収した後の前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる酸化ウランと酸化プルトニウムとを前記固体陰極の表面に析出回収するＭＯＸ電解回収工程と、
   を有することを特徴とする使用済み酸化物燃料再処理方法。
3. 使用済み酸化物燃料から核物質と核分裂生成物とを回収し、回収した前記核物質を再使用するための使用済み酸化物燃料再処理方法において、
   前記使用済み酸化物燃料を含む燃料棒の使用済み酸化物燃料以外の燃料棒構成材を塩素で揮発除去する塩素化脱被覆工程と、
   前記使用済み酸化物燃料を溶融塩に投入する投入工程と、
   酸化ウランを前記溶融塩へ溶解させて浴を調整する浴調整工程と、
   前記使用済み酸化物燃料を陽極とし、前記溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて前記酸化物燃料を前記溶融塩へ溶解させると同時に、電解で前記酸化物燃料に含まれる一部の酸化ウランを前記固体陰極の表面に析出させる陽極溶解−陰極析出工程と、
   前記酸化物燃料に含まれる貴金属が溶解し始めたところで電解を中断し、再び前記溶融塩中に溶け残っている酸化物燃料を溶解させる溶解工程と、
   この溶解工程後の塩に浸漬した固体電極で電解し、前記酸化物燃料に含まれる貴金属を前記固体陰極の表面に析出回収して、前記溶融塩中から貴金属を除去する貴金属電解除去工程と、
   この貴金属電解除去工程で前記貴金属を除去した後の溶融塩に浸漬された固体陰極を用いて、塩素ガスと酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを吹きこみながら電解し、前記使用済み酸化物燃料に含まれる酸化ウランと酸化プルトニウムとを、前記固体陰極の表面に析出回収するＭＯＸ電解回収工程と、
   を有することを特徴とする使用済み酸化物燃料再処理方法。
4. 前記カーボクロリネーション工程で用いる塩素と炭素の代りに、四塩化炭素を用いる請求項１記載の使用済み酸化物燃料再処理方法。
5. 前記ウラン電解回収工程およびＭＯＸ電解回収工程で用いる塩素と酸素の代りに、ＣｌＯ_２を用いる請求項１，２または３記載の使用済み酸化物燃料再処理方法。
6. 前記ウラン電解回収工程およびＭＯＸ電解回収工程で用いる不活性ガスの代りに、窒素ガスを用いる請求項１，２または３記載の使用済み酸化物燃料再処理方法。
7. 前記カーボクロリネーション工程または塩素化脱被覆工程で発生した水素ガスを酸化し、水として回収する請求項１，２または３記載の使用済み酸化物燃料再処理方法。
8. 前記水素ガスを水として回収する工程として、白金などの触媒表面上を通過させる請求項７記載の使用済み酸化物燃料再処理方法。
9. 前記カーボクロリネーション工程または塩素化脱被覆工程で発生した気体状有機炭素化合物を酸化させ、二酸化炭素として回収する請求項１，２または３記載の使用済み酸化物燃料再処理方法。
10. 前記カーボクロリネーション工程または塩素化脱被覆工程で発生した二酸化炭素の回収方法として、アルカリスクラバーを用いる請求項１，２または３記載の使用済み酸化物燃料再処理方法。

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