JP2006343288A - 使用済み核燃料処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用済み金属核燃料の溶解速度を早め、使用済み金属核燃料からウラン等を効率的に回収できるように図った使用済み核燃料処理装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る使用済み核燃料処理装置は、電解槽１内に溶融塩で浸漬された陽極容器２と陰極３とを設け、前記陽極容器２に、被覆管１０に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピン５を収容し、この燃料ピン５のうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管１０から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陽極容器内に前記燃料ピン５を移動させる撹拌装置６を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、使用済み金属核燃料からウランや超ウラン元素（ＴＲＵ）等を溶融塩電解法を用いて回収する際の電気分解精製工程において、ウラン等の溶解速度を早めてより一層効果的な回収を図った使用済み核燃料処理装置に関する。

従来、使用済み金属核燃料の再処理を行う際に用いられる溶融塩電解法は、燃料ピンを予め定められた長さに切断し、切断された燃料ピンが装荷され、電気分解精製時、陽極として使用する陽極バスケットを容器（電解槽）内の溶融塩に浸漬させ、電流を加えて電気化学的にウラン等の回収を図っていた。

この場合、電気化学的なウラン等の回収処理は、陽極バスケット内の燃料ピンの溶解が均一に行われるようにするとともに、溶融塩が陽極バスケット内を良好に流れるように撹拌機を設けたり、あるいは十字形状にしたりして改良が加えられていた。

具体的には、例えば、特許文献１に見られるように、容器（電解槽）を陽極塩浴と陰極塩浴とに区分けし、陽極塩浴に陽極バスケットを浸漬させ、陽極バスケットを浸漬させた陽極塩浴の流れを良好にする撹拌機を備えたものが開示されている。
特開平７−１６７９８５号公報

特許文献１に開示された技術は、被覆管の付いていない使用済み金属核燃料を陽極バスケットに装荷し、使用済み核燃料からウラン等を回収する場合、有効な手法である。しかしながら、被覆管内に充填された状態の使用済み核燃料の乾式再処理を行うとき、処理工程において、燃料ピンから被覆管を取り除く工程が加わり、必ずしも有効な手法ではない。

すなわち、使用済み核燃料ピンから被覆管を取り除く工程が加わると、被覆管に溶解せずに残っている使用済み核燃料の影響に伴って放射性廃棄物がより多く発生し、放射性廃棄物の処理に要するコストが増加する等の問題がある。

また、その一方、被覆管から取り除かないで、そのまま使用済み核燃料を溶融塩で電気分解精製を行う場合、被覆管の影響による見かけ上の陽極の面積が低下し、その面積低下に伴って溶融速度が低下するおそれがある。

溶解速度の低下は、陽極の面積の低下のほかに、次に示す要因も考えられている。

使用済み核燃料の乾式再処理において、ウラン等を電解精製による回収工程中、陽極に装荷する使用済み核燃料の溶解速度は、陽極への使用済み核燃料の装荷状態や陽極バスケットの形状に支配されると認められている。特に、被覆管に充填されている使用済み核燃料を処理する場合、陰極と陽極に装荷した使用済み核燃料の切断面の形状が溶解速度に与える影響が大きく、電解精製が進むに連れ、溶解速度が低下することが知見されていた。

このため、電解精製時、陽極における使用済み核燃料の溶解速度をより一層早くさせ、使用済み核燃料からウラン等をより一層効果的に回収させる新たな技術の実現が望まれていた。

本発明は、このような事情に照らしてなされたもので、使用済み核燃料の溶解速度を早くし、使用済み核燃料からウランや超ウラン元素（ＴＲＵ）等を効率よく回収できるように図った使用済み核燃料処理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る使用済み核燃料処理装置は、上述の目的を達成するために、電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陽極容器内に前記燃料ピンを移動させる撹拌装置を備えたものである。

また、本発明に係る使用済み核燃料処理装置は、上述の目的を達成するために、電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陽極容器を前記電解槽に対し、傾斜または横置きに設置させるとともに、前記陽極容器を回転駆動する回転駆動装置を備えたものである。

また、本発明に係る使用済み核燃料処理装置は、上述の目的を達成するために、電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陰極の外側に同心状に前記陽極容器を配置するとともに、前記陽極容器を回転駆動する回転駆動機を備えたものである。

また、本発明に係る使用済み核燃料処理装置は、上述の目的を達成するために、電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陽極容器に前記燃料ピンを移動させる撹拌装置と前記燃料ピンに振動を与える振動発生装置とを備えたものである。

また、本発明に係る使用済み核燃料処理装置は、上述の目的を達成するために、電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陽極容器に前記燃料ピンを移動させる撹拌装置と、前記燃料ピンに振動を与える振動発生装置と、前記陽極容器と前記陰極との間に設けた比較電極とを備えたものである。

本発明に係る使用済み核燃料処理装置は、陽極容器に収容する燃料ピンを撹拌移動させる撹拌装置を備え、この撹拌装置の撹拌力によって燃料ピンを撹拌移動させる構成にしたので、燃料ピンにおける被覆管からの使用済み核燃料の溶解速度をより一層早めて使用済み核燃料の溶解処理時間を短縮させることができる。

以下、本発明に係る使用済み核燃料処理装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第１実施形態を示す概念図である。

被覆管に充填する使用済み核燃料を陽極容器に装荷し、電気分解による精製を行うとき、陽極容器の溶解速度を早く維持させるには、陽極の断面積を大きくすることが重要である。

本実施形態に係る使用済み核燃料処理装置の電解槽１に収容された陽極容器２は、壁面に網目またはパンチング等の小径の開口部を備えた角型または丸型の筒体４として構成されている。

また、陽極容器２には、被覆管に充填した使用済み核燃料を予め定められた長さに切断した燃料ピン５を撹拌させる撹拌装置６が挿入されている。

この撹拌装置６は、撹拌羽根６ａと、撹拌羽根６ａに撹拌羽根軸７を介して回転駆動力を与えるモータ８とを備えて構成されている。

また、この撹拌羽根６ａは、使用済み核燃料より腐食電位が貴なるステンレス鋼または鉄等の材料で作製されている。

また、陽極容器２には、筒体４を電解槽１内の溶融塩に浸漬維持させる支持部９が設けられている。

このような構成を備える使用済み核燃料処理装置において、電解槽１に収容する陽極容器２に電流が与えられると、燃料ピン５は、図２に示すように、当初、被覆管１０内に使用済み金属核燃料１１が充填されていた状態から徐々に切断面から使用済み金属核燃料１１の溶解が始まり、やがて他の別の被覆管１０の影に隠れて溶解が停止される。

このとき、燃料ピン５は、図３に示すように、陰極３に近い中央部分に位置する使用済み金属核燃料１１が溶解し易くなっているのに対し、陰極３から離れた外周側に位置する使用済み金属核燃料１１が陽極容器２の中央部分に位置するものに較べて他の別の被覆管の影に隠れて溶解しにくくなっている。

このように、陰極３から離れた外周側に位置する使用済み金属核燃料１１の溶解が悪くなってくると、本実施形態では、モータ８を起動させ、撹拌羽根６を回転駆動し、燃料ピン５を撹拌移動させ、燃料ピン５の切断面を陰極３に向う方向に対峙させ、使用済み金属核燃料１１の溶解を促進させる。

本実施形態は、燃料ピン５における使用済み金属核燃料１１の溶解が悪くなると、燃料ピン５を撹拌移動させ、燃料ピン５の切断面を陰極３に向う方向に対峙させる撹拌羽根６を陽極容器２に設けたので、使用済み金属核燃料１１の溶解速度を早めることができ、効率的なウラン等の回収を図ることができる。

なお、本実施形態は、電解槽１内の陽極容器２と陰極３とを別々に配置するとともに、陽極容器２に撹拌羽根６ａを設けたが、この例に限らず、例えば、図４に示すように、陰極３の外側に同心状に陽極容器２を配置し、陽極容器２を支持するサポート１２を介装し、回転軸１３に設けた回転駆動機１３ａと、回転軸１３に同心状に内設する電気コンタクトリード部１４とを設け、この電気コンタクトリード部１４から陽極容器２に電流を与える一方、陽極容器２の回転中、陽極容器２内の燃料ピンを衝突させて撹拌移動させ、燃料ピンの切断面を陰極３に向う方向に対峙させる固定軸１５を設けてもよい。

また、本実施形態は、一つの陽極容器２に一つの陰極３を備えているが、この例に限らず、一つの陰極３に対し、複数の陽極容器２を備えた、いわゆる群としての陽極ユニットにしてもよい。

この場合、一つの陰極３に対し、陽極容器２を群としての陽極ユニットにすると、陽極容器２の面積が増加し、この面積の増加に伴って使用済み金属核燃料１１の溶解も多量に処理でき、電解精製に費やす時間も短縮することができる点で有効である。

図５は、本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第３実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係る使用済み核燃料処理装置は、電解槽１に収容する陰極３を鉛直に配置する一方、陽極容器２を電解槽１に対し傾斜させて配置したものである。

電解槽１に対し傾斜させて配置した陽極容器２は、壁面に網目またはパンチング等の小径の開口部を備えた角型または丸型の筒体４として構成され、この筒体４に燃料ピン５が収容されている。

また、陽極容器２は、サポート１２で支持された回転軸１３に回転駆動力を与えるモータ８と、回転軸１３に装着された電気コンタクトリード部１４とで構成された回転駆動装置１６を備えている。

このような構成を備える使用済み核燃料処理装置において、陽極容器２には、モータ８から回転軸１３を介して回転駆動力が与えられる。回転駆動力が与えられた陽極容器２は、回転中、燃料ピン５を傾いた陽極容器２の底部側に崩れるようにして移動させ、この移動が繰り返される。この間、電気コンタクトリード部１４から陽極容器２に電流が供給される。

このように、本実施形態は、電解槽１に対し、陽極容器２を傾斜させて配置し、この陽極容器２に回転駆動装置１６を設け、この回転駆動装置１６から与えられる回転駆動力によって陽極容器２を回転させるので、燃料ピン５を常に移動させて燃料ピン５の切断面を陰極３に向う方向に対峙させることができ、燃料ピン５における使用済み核燃料の溶解速度を早くすることができる。

なお、本実施形態は、一つの陰極３に対し、一つの陽極容器２を電解槽１に傾斜させて配置したが、この例に限らず、一つの陰極３に対し、電解槽１に傾斜させて配置した陽極容器２を、いわゆる群としての陽極ユニットにして配置させてもよい。陽極容器２の陽極ユニット化は、多量の使用済み核燃料の溶解化を促進するので有効である。

図６は、本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第４実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係る使用済み核燃料処理装置は、壁面に網目またはパンチング等の開口部を備え、角型または丸型の筒体４として構成した陽極容器２内に、複数の邪魔板１７を適宜配置したものである。

そして、陽極容器２を電解槽（図示せず）に対し、傾斜または横置きに設置し、回転させれば、その器内に装荷された燃料ピンは、邪魔板１７により掬い上げられ、ある高さまで掻き上げられ、やがて落下し、撹拌移動される。

このように、本実施形態は、陽極容器２内に邪魔板１７を設置し、陽極容器２の回転中、邪魔板１７で装荷した燃料ピンを掻き上げたりして移動させる構成にしたので、燃料ピンの切断面を陰極３の方向に向って対峙させることができ、燃料ピンにおける使用済み核燃料の溶解速度を早めることができる。

図７は、本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第５実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係る使用済み核燃料処理装置は、電解槽１に収容した陽極容器２および陰極３のうち、モータ８、撹拌羽根軸７、撹拌羽根６ａで構成する撹拌装置６を備えた陽極容器２に、例えば超音波発信子等の振動発生装置１８を設けたものである。なお、陽極容器２は、第１実施形態と同様に、壁面に網目またはパンチング等の小径の開口部を備えた角型または筒体４として構成し、燃料ピン５を収容している。

このように、本実施形態は、陽極容器２に収容する燃料ピン５を撹拌装置６の撹拌力によって撹拌移動させ、燃料ピン５の切断面を陰極３に向う方向に対峙させる一方、振動発生装置１８から燃料ピン５に振動力を与えて微妙にきめ細かに移動させる構成にしたので、燃料ピン５における使用済み核燃料の被覆管からの溶解をより一層有効に促進することができる。

図８は、本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第６実施形態を示す概念図である。

なお、第４実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態に係る使用済み核燃料処理装置は、電解槽１に収容され、撹拌装置６、振動発生装置１８を備えた陽極容器２と陰極３との間にＡｇ，Ｔａ，Ｐｔ等の金属で作製された比較電極１９を設けたものである。

この比較電極１９は、燃料ピン５における被覆管から使用済み核燃料の溶解度合を監視するもので、陽極容器２から陰極３に流れる電圧が著しく変化したとき、使用済み核燃料の溶解が低下していることを検知できるようになっている。

このように、本実施形態は、陽極容器２と陰極３との間に比較電極１９を設け、この比較電極１９で陽極容器２内の使用済み核燃料物質の溶解電位を監視し、電圧が著しく変化したとき、被覆管からの使用済み核燃料の溶解度合が悪くなったと認定し、撹拌装置６および振動発生装置１８を駆動させ、燃料ピン５の切断面をより多く陰極３に向う方向に対峙させるよう移動させるので、燃料ピン５における被覆管からの使用済み核燃料の溶解度合をより一層早く回復させることができる。

図１０は、本発明に係る使用済み核燃料処理装置に適用する燃料ピンの実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係る燃料ピン５は、切断面２０を任意の角度をもって切断したものである。

従来、燃料ピン５は、図９に示すように、被覆管１０に充填した使用済み金属核燃料１１を切断面２０から切断するとき、軸方向に対して直角方向に向って切断していたため、切断断面積が比較的少なくなっていた。このため、被覆管１０から使用済み金属核燃料１１を溶解させるとき、矢印Ａ方向のみの溶解しか進まず、溶解領域も狭いものになっていた。

一般に、燃料ピン５の切断面２０から使用済み金属核燃料１１を溶解させる場合、切断面２０からの溶解が進むことが知られている。

そして、使用済み金属核燃料１１の溶解速度を早めるには、より多くの電流の供給が必要となるが、切断面２０の断面積の関係から供給する電流は制限を受ける。

このため、燃料ピン５により多くの電流を供給するには、燃料ピン５の切断面２０を、例えば、燃料ピン５の軸方向に対し、角度４５°で切断したり、あるいは、例えば、角度３０°で切断したりして、より大きな切断断面積が確保される。

ちなみに、図９に示した燃料ピン５の切断断面積を１とすると、本実施形態における角度４５°で切断する場合、切断断面積は１．３７に拡大し、また、角度３０°で切断する場合、切断断面積は１．６８に拡大される。

このように、本実施形態は、燃料ピン５の切断面２０を、例えば、４５°，３０°等の任意の角度で切断し、燃料ピン５の切断断面積をより広く確保させ、被覆管１０から使用済み金属核燃料１１を溶解させるとき、矢印Ａ方向およびＢ方向で示す２方向から溶解させる構成にしているので、使用済み金属核燃料１１を被覆管１０からより早い溶解速度で溶解させることができ、使用済み金属核燃料１１の溶解を効率的に処理することができる。

なお、このように、切断面２０の切断角度を異ならしめた燃料ピン５を陽極容器２内に混合させ、被覆管１０からの使用済み金属核燃料１１の溶解処理を行えば、切断面２０が重なり合いにくくなるので、燃料ピン５の切断面２０の断面積が有効に確保され、使用済み金属核燃料１１の溶解を早める点で有効になる。

本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第１実施形態を示す概念図。 本発明に係る使用済み核燃料処理装置において、使用済み核燃料の溶解度合を示す図。 本発明に係る使用済み核燃料処理装置において、使用済み核燃料が溶解し易い領域と溶解しにくい領域とを示す図。 本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第２実施形態を示す概念図。 本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第３実施形態を示す概念図。 本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第４実施形態を示す概念図。 本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第５実施形態を示す概念図。 本発明に係る使用済み核燃料処理装置の第６実施形態を示す概念図。 従来の燃料ピンを軸方向に対して９０°直角方向から切断したときの切断断面積を示す図。 本発明に係る使用済み核燃料処理装置に適用する燃料ピンの実施形態を示す概念図。

符号の説明

１ 電解槽
２ 陽極容器
３ 陰極
４ 筒体
５ 燃料ピン
６ 撹拌装置
６ａ 撹拌羽根
７ 撹拌羽根軸
８ モータ
９ 支持部
１０ 被覆管
１１ 使用済み金属核燃料
１２ サポート
１３ 回転軸
１３ａ 回転駆動機
１４ 電気コンタクトリード部
１５ 固定軸
１６ 回転駆動装置
１７ 邪魔板
１８ 振動発生装置
１９ 比較電極
２０ 切断面

Claims (9)

1. 電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陽極容器内に前記燃料ピンを移動させる撹拌装置を備えたことを特徴とする使用済み核燃料処理装置。
2. 電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陽極容器を前記電解槽に対し、傾斜または横置きに設置させるとともに、前記陽極容器を回転駆動する回転駆動装置を備えたことを特徴とする使用済み核燃料処理装置。
3. 電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陰極の外側に同心状に前記陽極容器を配置するとともに、前記陽極容器を回転駆動する回転駆動機を備えたことを特徴とする使用済み核燃料処理装置。
4. 陽極容器は、固定軸を備えたことを特徴とする請求項３記載の使用済み核燃料処理装置。
5. 陽極容器は、邪魔板を備えたことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項記載の使用済み核燃料処理装置。
6. 電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陽極容器に前記燃料ピンを移動させる撹拌装置と前記燃料ピンに振動を与える振動発生装置とを備えたことを特徴とする使用済み核燃料処理装置。
7. 電解槽内に溶融塩で浸漬された陽極容器と陰極とを設け、前記陽極容器に、被覆管に使用済み金属核燃料を充填した燃料ピンを収容し、この燃料ピンのうち、前記使用済み金属核燃料を電解によって前記被覆管から溶解させる使用済み核燃料処理装置において、前記陽極容器に前記燃料ピンを移動させる撹拌装置と、前記燃料ピンに振動を与える振動発生装置と、前記陽極容器と前記陰極との間に設けた比較電極とを備えたことを特徴とする使用済み核燃料処理装置。
8. 燃料ピンは、切断面を軸方向に対して傾斜させる構成にしたことを特徴とする請求項１〜３，６〜７のうち、いずれか１項記載の使用済み核燃料処理装置。
9. 陽極容器は、切断面の傾斜角を異ならしめた燃料ピンを混合させて収容する構成にしたことを特徴とする請求項１〜３，６〜７のうち、いずれか１項記載の使用済み核燃料処理装置。

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