JP2007286037A

JP2007286037A - 金属ウラニウム生産方法及び同方法に使用される装置

Info

Publication number: JP2007286037A
Application number: JP2007000455A
Authority: JP
Inventors: Young Ho Kang; ヨンホカン; Jong Hyeon Lee; ジョンヒョンイ; Sung-Chan Hwang; ソンチャンファン; Joon-Bo Shim; ジュンボシム; Eung Ho Kim; ウンホキム; Sung-Won Park; ソンウォンパク
Original assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI; Korea Hydro and Nuclear Power Co Ltd
Current assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI; Korea Hydro and Nuclear Power Co Ltd
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2007-11-01
Anticipated expiration: 2027-01-05
Also published as: KR100767053B1; KR20070075045A; US20070158196A1; JP4567699B2; US8177952B2

Abstract

【課題】使用済金属核燃料及び金属に還元された廃燃料から純粋な金属ウラニウムのみを簡便かつ経済的に分離回収することのできる金属ウラニウム生産方法とその電解精錬装置を提供する。
【解決手段】金属ウラニウムの電解精錬装置１０は、三塩化ウラニウムを含有する溶融塩１６中において、プルトニウム及びマイナーアクチニドが含有された金属ウラニウム片を装荷した陽極バスケット１６を具備し、その陽極バスケット１６の内部に内装された陽極電極１５及び炭素材による陰極電極１５に所定の電流を印加し、印加された電流により開始された反応に従って前記陰極電極１５に金属ウラニウムを電着させ、電着された金属ウラニウムをそれ自体の重量により分離回収するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属ウラニウム生産方法及び同方法に使用される装置に関し、より詳細には、原子力発電所で発生する使用済金属核燃料から純粋な金属ウラニウムのみを簡単で経済的かつ高性能に分離回収することのできる金属ウラニウムの生産方法及び同方法に使用される装置に関する。

金属ウラニウムの電解精錬は、三塩化ウラニウムが溶けている約５００℃の溶融塩中において、使用済金属核燃料の切片を陽極バスケットに装荷し、鉄などの金属棒を陰極にして電流を印加すると、溶融塩中の三塩化ウラニウムが陰極で還元され電着し、この反応から分離された塩素イオンは、電気的に陽極で金属ウラニウムを溶解させて、純粋な金属ウラニウムを陰極から分離することができる。しかし、この反応は反応速度が遅いため短時間内に多量の製品を得ることが難しいという問題がある。

一方、高性能に金属ウラニウムを分離させる方法は、特許文献１〜３に開示されているように、約５００℃の溶融塩中において使用済金属核燃料の切片を多孔板の陽極バスケットに装荷し、数個の陽極バスケットをチューブ形態でなる陰極の内・外部に位置するようにして、陽極バスケットを回転させながら電流を印加することによって陽極バスケット中の金属ウラニウムが溶け出して陰極に電着し、電着された金属ウラニウムは、陽極バスケットの外部に設けられたセラミック板により掻き下ろされて下部に備えている回収装置に集められるようになっている。しかし、この装置は、陰極に電着された金属ウラニウムの一部だけを分離することができるので、残存する電着物がそのまま陰極表面に付着されていることになる。さらに、付着されている電着物は、分離されにくい緻密な組織に変わり、陽極バスケットの外部に設けられた前記セラミック板が緻密な組織に変った電着物を掻き下ろしによって脱離させることができなくなる。従って、一定の時間が経過すると、前述の電解精錬操作を中止し、電流を逆に印加して緻密に付着している金属ウラニウム電着物を陽極に逆戻りさせる逆電着(ストリッピング(stripping))を行うことによって、陰極表面を清浄化した後、再び初めから各電着ステップの操作を実施することが必要になる。このような操作は、大量の電力消費とともに電着性能も非常に非効率的であり、さらに、装置が複雑になるという問題がある。

米国のアルゴンヌ国立研究所では、前記の問題を解決するべく、アルゴンヌ国立研究所のホームページ(http://www.cmt.anl.gov/)に示しているように、平面電極電解槽(Planar Electrode Electro Refiner：PEER)という新たな装置を開発している。この装置は、内部に使用済金属核燃料が装荷されている陽極バスケットの周囲に多重陰極を配置して、電解反応を操作し、一定の時間が経過して電着物が陰極に電着すると、多孔性セラミック板を上下作動させることによって陰極に付着した電着物を掻き下ろすように設計して、現在実験中であることが知られている。しかし、この方法は、前記多孔性セラミック板の孔と金属陰極との間に電着物が挟み込まれてセラミック板の上下運動を妨害する問題があり、また、装置の複雑性も大きく改善されていない方法である。特に、第２の陰極を使用し、依然として逆電着過程を通じて陰極に固着された残留電着物を除去する工程が必要となるため電流効率を大きく低下させる欠点を有している。

米国特許第５，６５０，０５３米国特許第６，３６５，０１９米国特許出願番号第２００４／０１３４７８５Ａ１

本発明は、前記のような従来技術が有する問題を解決するべく案出された発明であって、原子炉から発生する使用済金属核燃料及び金属に還元された廃燃料から純粋な金属ウラニウムのみを簡単で経済的かつ高性能に分離回収することのできる金属ウラニウム生産方法を提供することを課題とする。

本発明の他の目的は、原子炉から発生する使用済金属核燃料及び金属に還元された廃燃料から純粋な金属ウラニウムのみを簡単で経済的かつ高性能に分離回収することのできる金属ウラニウムの電解精錬装置を提供することを課題とする。

本発明は、三塩化ウラニウムを含有する溶融塩中において、プルトニウム及びマイナーアクチニドが含有された金属ウラニウム片を装荷した陽極バスケットを具備し、前記陽極バスケットに内装された陽極電極及び炭素材による陰極電極に所定の電流を印加する段階と、前記印加された電流により開始された反応に従って前記陰極電極に金属ウラニウムが電着する段階と、前記電着された金属ウラニウムをそれ自体の重量により分離回収する段階とを包含する金属ウラニウムの電解精錬による金属ウラニウム生産方法により上記課題を解決するものである。

前記陰極に使用される炭素材は、黒鉛、ガラス質炭素、ガラス質黒鉛から選択されるいずれか１つの物質としてもよい。

前記陽極電極及び陰極電極に印加される電流を１４０ｍＡ／ｃｍ^２以上の密度で供給するようにしてもよい。

また、本発明は、プルトニウム及びマイナーアクチニドが含有された金属ウラニウム片を装荷するとともに、陽極電極を内装する陽極バスケットと、炭素材の陰極電極及び金属ウラニウム回収部を内部に備える反応器とを包含してなる金属ウラニウムの電解精錬装置により上記課題を解決するものである。

前記陰極電極に使用される炭素材は、黒鉛、ガラス質炭素、ガラス質黒鉛から選択されるいずれか１つの物質であってもよい。

又、前記炭素材の陰極電極を、前記陽極バスケットの周囲に複数個配置してもよい。

更に、前記炭素材の陰極電極を、前記陽極バスケットの周囲に複数個が同心円状に配置してもよい。

本発明によれば、三塩化ウラニウムが一定量溶解されているアルカリ金属溶融塩中において、陽極バスケットに装荷されている金属状態の使用済核燃料を電気化学的に溶解させ、炭素材の陰極を使用して純粋な金属ウラニウムのみを選択的に析出することができる。これによって、既存の電解精錬装置の複雑な機械的作動部品(例えば掻き下ろし装置)及び鉄材陰極を使用することによる、逆戻り工程及びストリッピングによる電流効率の低下などの問題を解決する。本発明によれば、炭素材の陰極を装着した簡単な電解精錬セルを構成することによって、装置の維持保守が簡単で、特にストリッピング工程が必要でないため、電流効率を大幅に向上させることができる。

以下、本発明における好適な実施形態を図面を参照して説明するが、この実施形態は請求の範囲を限定するものではなく、本発明の属する技術分野で熟練された当業者は、特許請求範囲に記載された発明の思想及び領域の範囲内で多様に修正及び変更させることができることを理解するであろう。

図１は、本発明の実施例による、炭素材の陰極を利用した金属ウラニウムの電解精錬装置１０を模式的に示す断面図である。この金属ウラニウムの電解精錬装置１０は、反応炉１１、絶縁体１２、ステンレス鋼(ＳＵＳ)反応器１３、溶融塩１４、炭素材陰極電極１５、陽極バスケット１６、アルゴンガス弁１７、電源供給部１８、熱電対１９及び金属ウラニウム回収部２０とによって構成されている。

前記構成において、陽極バスケット１６は、好適には、多孔板の材質でなり、金属ウラニウムを含有する廃燃料の切片を装荷し、陽極電極(図示せず)が前記多孔板の陽極バスケット１６の内部空間に内装されるように位置する。

前記陽極電極及び陰極電極１５に電流を印加すると、電解工程により陽極バスケット１６に装荷している金属ウラニウムが溶け出して炭素材の陰極電極(以下、単に陰極と略記することもある)１５に電着され、前記陰極１５に電着された金属ウラニウムは、電着が進行されるに従って、その自重により陰極１５から脱離することによって金属ウラニウム回収部２０に回収される。このとき、溶融塩１４中には、三塩化ウラニウムが６ｗｔ％以上溶けているのが望ましい。さらに、８〜９ｗｔ％程度溶解されていることがより好ましい。

本発明によると、前記炭素材の陰極１５は、好適には、黒鉛、ガラス質炭素、ガラス質黒鉛から選択されるいずれか１つの物質によって構成することができる。

前記の陰極１５に使用される前記炭素材は、好適には、炭素格子構造を有し、ウラニウム原子が格子内にインターカレーション(はさみ)が可能で、炭素格子構造の面間距離がウラニウムの原子直径である３．５Åより以下になるのが望ましい。炭素格子構造の面間距離がウラニウムの原子直径より小さい場合、金属ウラニウム原子と炭素材がインターカレーション化合物を形成するに従って、格子の面間距離が膨張することにより、最外部の炭素格子構造の結合強度が低下するとともに、陰極１５における金属ウラニウム析出物が一定量以上成長するとき、析出物の自重により図４に示すステップ５のように脱離する。

図３及び図４は、陰極１５の炭素材として黒鉛格子構造を利用した例示である。図３に示すように、黒鉛格子構造の面間距離は３．３５４Åであり、金属ウラニウムの原子直径である３．５Åの以下とする。図４のステップ１乃至５を通じて例示されたように、陰極１５における金属ウラニウム析出物の成長は、初期インターカレーション反応中に生成された結晶核表面で優先的に成長されるため、黒鉛の持続的な汚染が生じないとともに、前記析出物の成長過程中には、純粋な金属ウラニウムが生成されるので、黒鉛の汚染は無視できる程度である。この場合、金属ウラニウム電着物の増加は、黒鉛格子構造の面間距離を膨張させて最外部黒鉛格子の結合強度を低下せしめるため、金属ウラニウムの析出物が一定量以上に成長すると、析出物はその自重により結合状態から脱離することになる。

本発明の実施例による前記金属ウラニウムの電解精錬装置１０のＳＵＳ反応器１３の内部平面図が図２に図示されている。図示のように、炭素材の陰極１５は、複数個配置されることができ、陰極１５の表面積を極大化させるために、陽極バスケット１６を中心に同心円状に配置されることが望ましい。このとき、複数の陰極１５間の距離は、金属ウラニウム析出物が成長して脱離する以前に、互いに付着されない程度の十分な距離を維持するように配設する。

一般的に、電解精錬工程を進行するときの電極に印加される電流密度は、金属ウラニウムの陰極における電着速度(Deposition rate)と粘着係数(Sticking coefficient)とに関連がある。電着速度は、電流密度が高くなるにしたがって速くなり短時間で多量のウラニウムを電着させることができる。粘着係数は、陰極に電着された金属ウラニウムの量に対する陰極表面に粘着されている電着物の量によって定義される。

従って、前記のように配設された陰極を使用することにより、電流密度が高くなるほど電着速度が速くなることによって粘着係数を減少させることになる。本発明の電解精錬装置に印加される電流密度の大きさは、許容可能な金属ウラニウム片の装荷量によって異なるが、望ましくは粘着係数を０％とする電流密度が望ましい。この粘着係数を０％とする電流密度は、実験により経験的に決めることができる。例えば、本発明の望ましい実験例において、単一炭素棒を陰極として実施した結果、１４０ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度を印加するとき、粘着係数が０％になっている。

前記過程を経て脱離する金属ウラニウムの析出物を回収するために、金属ウラニウム回収部１０を備え、前記金属ウラニウム回収部１０は、特に限定する必要はないが、ＳＵＳ網などを使用することが好ましい。

前記構成のような本発明による金属ウラニウムの電解精錬装置は、金属ウラニウムの電着物が自重により陰極１５から自動的に脱離するため、別途の掻き下ろし装置を必要としない。従って、掻き下ろし装置を削除することにより、より多数の陰極電極を配置することが可能になる。さらに、電解精錬の効率は、配設される陰極の面積に比例するので、より多数個の陰極電極の配置が可能になるため、制限された空間において小規模の装置で高効率に金属ウラニウムの精錬を可能にする。

(実験例)
以下、印加する電流密度の変化による陰極の表面に電着された金属ウラニウムの量を測定した実験例。

図１のような直径１５ｃｍの電解精錬槽には三塩化ウラニウムが８％程度溶融されているＬｉＣｌ−ＫＣｌ共融組成溶融塩(以下、溶融塩と略記)(ｋｇ)を温度５００℃に調節した後、劣化金属ウラニウム片が装荷されている陽極バスケットと、陰極として単一炭素棒(直径１．５ｃｍ)とを前記溶融塩中に漬け入れ、電流を印加する電解精錬操作を１時間〜２時間の間進行させた(４Ａｈ通電)。このとき、使用済金属核燃料に包含された核分裂生成物である稀土類元素の電着物内における汚染を確認するために、溶融塩の重量対比１ｗｔ％のＣｅＣｌ_３及びＮｄＣｌ_３を電解精錬操作の開始前に添加した。

下記の表１は、実験を完了した後、即ち、電流密度に変化を与えて、反応操作を実施した後、陰極の表面に粘着されている残留金属ウラニウムの量を次の式により計算した結果である。

粘着係数(sticking coefficient)＝陰極表面に粘着されている残留電着物の量／陰極に電着された金属ウラニウムの量

前記表１から分るように、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ^２までは、少量の金属ウラニウム電着物が完全に脱離されないまま残留しているが、１２０ｍＡ／ｃｍ^２からは粘着係数が無視できる程度であり、電流密度が１４０ｍＡ／ｃｍ^２以上であるとき、電着物が完全に除去されるとともに回収用バスケットに収集され、炭素材陰極には、金属ウラニウムの電着物が全然残存していなかった。

一方、電着物内の稀土類元素の含量を分析するために塩を洗滌した後、ＩＣＰを利用して分析した結果、全ての電解精錬条件において、稀土類元素の含量は１０ｐｐｍ以内であって、金属陰極棒を使用するときと同様にＲＥ＋ＵＣｌ_３→ＲＥＣｌ_３＋Ｕの反応によって稀土類元素が除去されたと判断された。

本発明の実施例による炭素材陰極電極などが装着された金属ウラニウムの電解精錬装置を模式的に示す断面図同電解精錬装置を模式的に示す平面図本発明による炭素格子構造にウラニウム原子がインターカレーション反応によって進入した形状を示す概念図本発明による炭素材の陰極電極に電着された金属ウラニウムが自重により脱離するまでの各ステップを示した概念図図３のステップ5のように、脱離した金属ウラニウムを反応器下部の回収部から取り出して走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)で観察した写真図

符号の説明

１０…電化精錬装置
１１…反応炉
１２…絶縁体
１３…(ＳＵＳ)反応器
１４…溶融塩
１５…炭素材の陰極電極(陰極)
１６…陽極バスケット
１７…Ａｒ(アルゴン)ガス弁
１８…電源供給部
１９…熱電対
２０…金属ウラニウム回収部

Claims

三塩化ウラニウムを含有する溶融塩中において、プルトニウム及びマイナーアクチニド(minor actinide)が含有された金属ウラニウム片を装荷した陽極バスケットを具備し、前記陽極バスケットに内装された陽極電極及び炭素材による陰極電極に所定の電流を印加する段階と、
前記印加された電流により開始された反応に従って前記陰極電極に金属ウラニウムが電着する段階と、
前記電着された金属ウラニウムをそれ自体の重量により分離回収する段階とを包含する金属ウラニウムの電解精錬による金属ウラニウム生産方法。
前記陰極電極に使用される炭素材は、黒鉛、ガラス質炭素、ガラス質黒鉛から選択されるいずれか１つの物質であることを特徴とする請求項１に記載の金属ウラニウムの電解精錬による金属ウラニウム生産方法。
前記陽極電極及び陰極電極に印加される電流を１４０ｍＡ／ｃｍ^２以上の密度で供給することを特徴とする請求項１に記載の金属ウラニウムの電解精錬による金属ウラニウム生産方法。
プルトニウム及びマイナーアクチニドが含有された金属ウラニウム片を装荷するとともに、陽極電極を内装した陽極バスケットと、炭素材の陰極電極及び金属ウラニウム回収部を内部に備える反応器とを包含してなる金属ウラニウムの電解精錬装置。
前記陰極電極に使用される炭素材は、黒鉛、ガラス質炭素、ガラス質黒鉛から選択されるいずれか１つの物質であることを特徴とする請求項４に記載の金属ウラニウムの電解精錬装置。
前記炭素材の陰極電極は、前記陽極バスケットの周囲に複数個配置されることを特徴とする請求項４に記載の金属ウラニウムの電解精錬装置。
前記炭素材の陰極電極は、前記陽極バスケットの周囲に複数個が同心円状に配置されることを特徴とする請求項４に記載の金属ウラニウムの電解精錬装置。