JP2008134096A - 使用済み酸化物原子燃料の還元装置及びリチウム再生電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用済み酸化物原子燃料を再生する際に使用する電極として、高温の溶融塩中での使用においても、耐食性の問題を生じることなく、また、電極材料の脱落による電気的短絡などの問題を生じることのない電極を具えた、使用済み酸化物原子燃料を再生するための還元装置を提供する。
【解決手段】陰極１１に保持される使用済み酸化物原子燃料１６と陽極１２とを溶融塩１３に浸し、前記陰極および前記陽極に電流１５を通電して、前記使用済み酸化物燃料に含まれるウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドの酸化物を還元処理して前記使用済み酸化物原子燃料からウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドを金属の状態で再生して得る還元装置１０において、前記陽極として酸化物イオン導電性固体電解質を利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力発電所から発生する使用済み酸化物燃料を再生処理し、前記酸化物燃料中に含まれるウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドを金属の状態で再生するための還元装置、及び前記使用済み酸化物燃料を再生する際に使用する金属リチウムが酸化されることによって生成される酸化リチウムを金属リチウムとして再生するための電解装置に関する。

溶融塩中での電気分解により使用済み酸化物原子燃料からウランおよびプルトニウムを回収する原子燃料の再処理方法として、例えば特許第３１２０００２号（特開平８−５４４９３号）公報に記載された化学還元法がある。この化学還元法では使用済み酸化物原子燃料に含まれるウランおよび超ウラン元素を溶融塩中で金属に還元し、次にこの金属を陽極として電気分解することにより固体陰極にウラン金属を、液体Ｃｄ陰極にウランおよびプルトニウム等の超ウラン元素金属を析出させてウランおよび超ウラン元素を回収している。

この化学還元法では使用済み酸化物原子燃料を、金属リチウムを含む塩化リチウムの溶融塩または塩化リチウムと塩化カリウムとの溶融塩に浸漬し、リチウム金属とウランおよび超ウラン元素の酸化物と反応させてウランおよび超ウラン元素を金属に転換する。この反応は、以下のような反応式で記述される（数式１、数式２）。

このような金属リチウムを用いた金属への転換方法では金属リチウムが消費されるとともに、酸化リチウムが生成する。そこで、定期的に酸化リチウムを電気分解して金属リチウムに再転換し、金属リチウムの再利用を図るようにしている。このような酸化リチウムから金属リチウムへの再転換における反応は、例えば陽極としてカーボンを用いた場合、次のような反応式を用いて表すことができる（数式３、数式４、数式５）。

上述のような電気化学反応の際には、電極であるカーボンは、化学反応を起こして、消耗するとともに、一部は物理的に剥離してカーボンダストとして溶融塩中に分散し、電解時のショートにより電流効率の低下等の原因になっていた。

また、上述した金属リチウムを用いた使用済み酸化物原子燃料の再生処理の代わりに、ＰｔやＰｔ−Ｒｈ等の白金族元素系の電極を陽極として用いることにより、使用済み酸化物原子燃料を再生処理して、原子燃料を金属の状態で得ようとする試みがなされている。しかしながら、白金族系の金属電極では、高温及び酸素ガスの溶融塩環境での腐食の問題が生じ、耐久性の面で問題が生じる。なお、この場合の陽極反応は以下の数式７で示すような反応が生じる。

さらに、溶融塩中でのリチウム金属による化学還元以外の方法として、国際公開番号ＷＯ２００３／０６３１７８に開示されたような電解還元法が知られている。この電解還元法では、使用済み酸化物燃料を陰極に、陽極にはカーボンまたは酸素ガス発生電極を用いて、溶融塩中で電気分解を行うものであって、この場合の反応式は、下記数式６及び数式７又は数式８に示されるような反応式で示され、陰極中の酸素を数式６，数式７または数式８の反応により脱酸し、使用済み酸化物燃料を金属に還元する方法である。

しかしながら、上記電解還元法においても、陽極にカーボンを用いていることに係わるカーボンダストの溶融塩中への分散に起因して、電解時のショートによる電流効率の低下等の問題を生ぜしめていた。
特許第３１２０００２号公報 国際公開番号ＷＯ２００３／０６３１７８

本発明は、使用済み酸化物原子燃料を再生する際に使用する電極として、高温の溶融塩中での使用においても、耐食性の問題を生じることなく、また、電極材料の脱落による電気的短絡などの問題を生じることのない電極を具えた、使用済み酸化物原子燃料を再生するための還元装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、使用済み酸化物原子燃料に含まれるウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドの酸化物を溶融塩中でリチウム金属により還元して再処理した後、生成される酸化リチウムを電気分解によりリチウム金属に再生する際に、高温の溶融塩中での使用においても、耐食性の問題を生じることなく、また、電極材料の脱落による電気的短絡などの問題を生じることのない電極を具えた、リチウム再生電解装置を提供することを目的とする。

上記目的を解決すべく、本発明の一態様は、
陰極に保持される使用済み酸化物原子燃料と陽極とを溶融塩に浸し、前記陰極および前記陽極に電流を通電して、前記使用済み酸化物燃料に含まれるウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドの酸化物を還元処理して前記使用済み酸化物原子燃料からウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドを金属の状態で再生して得る還元装置において、前記陽極として酸化物イオン導電性固体電解質を利用することを特徴とする、使用済み酸化物原子燃料の還元装置に関する。

また、本発明の一態様は、
使用済み酸化物原子燃料に含まれるウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドの酸化物を溶融塩中でリチウム金属により還元して再処理した後、生成される酸化リチウムを電気分解によりリチウム金属に再生するリチウム再生電解装置において、陽極として酸化物イオン導電性固体電解質を利用することを特徴とする、リチウム再生電解装置に関する。

本発明の上記態様においては、使用済み酸化物原子燃料の電解処理を利用した還元装置及び前記使用済み酸化物原子燃料から、ウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドの原子燃料を、電解処理を利用して金属の状態で再生して得る際に使用する、溶融塩中の酸化リチウムを還元して金属リチウムを得る還元装置において、陽極に使用する材料として酸化物イオン導電性固体電解質を用いている。この酸化物イオン導電性固体電解質は、高温及び酸素ガスの溶融塩環境でも高い耐食性を示すとともに、耐熱性に優れ、分解してダストなどとして溶融塩中に存在することがない。

したがって、このような使用済み酸化物原子燃料の、電解処理を利用した使用済み酸化物原子燃料の再生処理及び、この再生処理に用いた溶融塩中の酸化リチウムの金属リチウムへの還元処理を良好な状態で行うことができる。

なお、本発明の一例において、前記陽極は安定化ジルコニアを含むことができる。この安定化ジルコニアは結晶構造中に酸素イオン空孔子を有するため、上記酸化物イオン導電性固体電解質の中でも特に高温及び酸素ガスの溶融塩環境下で高い耐食性を示すとともに、分解してダストとなるようなことのない耐熱性を示す。したがって、このような安定化ジルコニアを含む陽極は上記使用済み酸化物原子燃料の再生処理の還元装置、及びこのような再生処理の結果生成した溶融塩中の酸化リチウムの還元装置における陽極として好ましく用いることができる。また、上記安定化ジルコニアの他、

また、上記安定化ジルコニア中には、上記作用効果をより向上させる目的で、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｓｃ_２Ｏ_３、及びＭｇＯからなる群より選ばれる少なくとも１種の安定化剤を含むことができる。

なお、本発明においては、上述した安定化ジルコニアを必ずしも用いる必要はなく、本発明の目的を達成することができれば、その他の酸化物イオン導電性固体電解質、例えば、ＢｉＯ_３、ＣｅＯ_２及びＬａＧａＯ_３を用いることもできる。

以上説明したように、本発明によれば、使用済み酸化物原子燃料を再生する際に使用する電極として、高温の溶融塩中での使用においても、耐食性の問題を生じることなく、また、電極材料の脱落による電気的短絡などの問題を生じることのない、酸化物イオン導電性固体電解質を具えているので、上述したような環境下でも良好な状態で使用済み酸化物原子燃料を再生するための還元装置を提供することができる。

また、使用済み酸化物原子燃料に含まれるウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドの酸化物を溶融塩中でリチウム金属により還元して再処理した後、生成される酸化リチウムを電気分解によりリチウム金属に再生する際に、高温の溶融塩中での使用においても、耐食性の問題を生じることなく、また、電極材料の脱落による電気的短絡などの問題を生じることのない酸化物イオン導電性固体電解質を具えているので、上述したような環境下でも良好な状態で酸化リチウムを再生するためのリチウム再生電解装置を提供することができる。

以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の使用済み酸化物原子燃料の還元装置の一例を示す構成図である。図１に示す還元装置１０は、バスケット状に構成された陰極１１と、この陰極１１の外方に設けられた陽極１２とを具えている。これらの陰極１１及び陽極１２は、電解槽１４中に入れられた溶融塩１３中に浸漬され、直流電源１５から所定の電流（電圧）が印加されるように構成されている。また、電解槽１４には発生した酸素ガスなどのガス成分を外部に放出させるためのさや管１７が設けられている。

なお、再生処理に供すべき使用済み酸化物原子燃料１６は、解体及び／又はせん断あるいは脱被覆され、所定の大きさのフレークとした後、図１に示すように、陰極１１内部に入れる。

陰極１１は、ステンレス鋼、タンタル、タングステンなどの金属、あるいはマグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）などのセラミックスから構成することができる。本例では例えばステンレス鋼を用いて陰極１１を構成している。

陽極１２は、酸素イオン導電性固体電解質から構成する。好ましくはＹ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｓｃ_２Ｏ_３、及びＭｇＯからなる群より選ばれる少なくとも１種の安定化剤を含んだ安定化ジルコニアから構成することができるが、その他の酸素イオン導電性固体電解質、例えば、ＢｉＯ_３、ＣｅＯ_２及びＬａＧａＯ_３を用いることもできる。

溶融塩１３は、例えば塩化リチウムから構成することができ、必要に応じて酸素供給源としての酸化リチウムを含ませることができる。酸化リチウムを含ませる場合、その濃度は約１．０重量％とすることができる。

電解槽１４は、ステンレス鋼、低炭素鋼、チタンなどの金属の他、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）などのセラミックスから構成することができる。

次に、図１に示す還元装置を用いた使用済み酸化物原子燃料１６の還元手順について説明する。

最初に図１に示すように、陰極１１内に再生処理に供すべき使用済み酸化物原子燃料１６を入れ、陰極１１を使用済み酸化物原子燃料１６とともに塩化リチウムの溶融塩１３中に浸漬するとともに、酸素イオン導電性固体電解質からなる陽極１２を同じく塩化リチウムの溶融塩１３中に浸漬する。

次に、溶融塩１３を５００〜８００℃の温度範囲にまで加熱するとともに、直流電源１５から陰極１１及び陽極１２間に所定の電圧を印加し、溶融塩１３中を通じて所定の電流が流れるようにする。例えば、溶融塩１３の温度を６５０℃とし、この溶融塩１３中で約３Ｖの電圧を印加する。

すると、使用済み酸化物原子燃料１６中の酸素はイオンとなって溶融塩１３中を移行する。この移行は酸素供給源である酸化リチウムの存在下において促進され、陽極１２に至る。その後、前記酸素イオンは陽極に電子を供与することによって酸素ガスとなり、さや管１７を介して外部に放出される。これにより、陰極１１において、使用済み酸化物原子燃料１６は、金属によって還元される。

陰極１１及び陽極１２での反応は、例えば以下に示すような反応式によって表すことができる。

本例では、使用済み酸化物原子燃料の還元処理に関し、電解処理に用いる陽極１２を従来のようなカーボンや白金族系金属ではなく、酸素イオン導電性固体電解質（安定化ジルコニア）から構成している。この安定化ジルコニアは結晶構造中に酸素イオン空孔子を有するため、上述のような高温度の塩化リチウム塩などの溶液塩及び生成する酸素ガスの存在下においても高い耐食性を示すとともに、分解してダストとなるようなことのない耐熱性を示す。

したがって、上記カーボン電極や白金族系電極を使用していた場合のような、電極間の電気的短絡や電極破損などを生じることなく、良好な状態で使用済み酸化物原子燃料を金属として再生することができる。

（第２の実施形態）
図２は、金属リチウムを利用した使用済み酸化物原子燃料の還元処理の結果生成した酸化リチウムを還元処理し、金属リチウムに再転換する還元装置（電解装置）の一例を示す構成図である。

図２に示す還元装置２０は、互いに対向するととともに、主面同士が略平行となるようにして配置された、板状の陰極２１及び陽極２２を具えている。これらの陰極２１及び陽極２２は、電解槽２４中に入れられた溶融塩２３中に浸漬され、直流電源２５から所定の電流（電圧）が印加されるように構成されている。また、電解槽２４には発生した酸素ガスなどのガス成分を外部に放出させるためのさや管２７が設けられている。また、陰極２１の近傍には、生成した金属リチウムを陰極近傍に保持するための陰極さや管２８が設けられている。

陰極２１は、ステンレス鋼、タンタル、タングステンなどの金属から構成することができる。本例では例えばステンレス鋼を用いて陰極２１を構成している。

陽極２２は、酸素イオン導電性固体電解質から構成する。好ましくはＹ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｓｃ_２Ｏ_３、及びＭｇＯからなる群より選ばれる少なくとも１種の安定化剤を含んだ安定化ジルコニアから構成することができるが、その他の酸素イオン導電性固体電解質、例えば、ＢｉＯ_３、ＣｅＯ_２及びＬａＧａＯ_３を用いることもできる。

溶融塩２３は、本体用における還元処理に供すべき酸化リチウムを含んだ塩化リチウムから構成する。

電解槽２４は、ステンレス鋼、低炭素鋼、チタンなどの金属の他、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）などのセラミックスから構成することができる。

次に、図２に示す還元装置（電解装置）を用いた酸化リチウムの再生手順について説明する。

最初に図２に示すように、ステンレス鋼などからなる陰極２１及び酸素イオン導電性固体電解質からなる陽極２２を塩化リチウムの溶融塩２３中に浸漬する。次に、溶融塩２３を５００〜８００℃の温度範囲にまで加熱するとともに、直流電源２５から陰極２１及び陽極２２間に所定の電圧を印加し、溶融塩２３中を通じて所定の電流が流れるようにする。例えば、溶融塩２３の温度を６５０℃とし、この溶融塩２３中で約３Ｖの電圧を印加する。

すると、溶融塩２３中に溶解している酸化リチウムは還元されて金属リチウムになり、陰極さや管２８内に保持される。一方、離脱された酸素はイオンとなって溶融塩２３中を移行し、陽極２２に至る。その後、前記酸素イオンは陽極に電子を供与することによって酸素ガスとなり、さや管２７を介して外部に放出される。

陰極２１及び陽極２２での反応は、以下に示すような反応式によって表すことができる。

本例では、金属リチウムを用いた使用済み酸化物原子燃料の再生処理の際に生成した酸化リチウムの再転換に関し、電解処理に用いる陽極２２を従来のようなカーボンや白金族系金属ではなく、酸素イオン導電性固体電解質（安定化ジルコニア）から構成している。この安定化ジルコニアは結晶構造中に酸素イオン空孔子を有するため、上述のような高温度の塩化リチウム塩などの溶液中及び生成する酸素ガスの存在下においても高い耐食性を示すとともに、分解してダストとなるようなことのない耐熱性を示す。

したがって、上記カーボン電極や白金族系電極を使用していた場合のような、電極間の電気的短絡や電極破損などを生じることなく、良好な状態で酸化リチウムの金属リチウムへの再生を行うことができる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

例えば、本発明では、使用済み酸化物原子燃料として、ウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドを含む場合について説明しているが、その他の使用済み原子燃料、例えばＭＯＸ燃料などにも適宜使用することができる。

本発明の使用済み酸化物原子燃料の還元装置の一例を示す構成図である。 本発明のリチウム再生電解装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１０ 使用済み酸化物原子燃料の還元装置
１１、２１ 陰極
１２、２２ 陽極
１３、２３ 溶融塩
１４、２４ 電解槽
１５、２５ 直流電源
１６ 使用済み酸化物原子燃料
１７、２７ 発生ガス放出用のさや管
２０ リチウム再生電解装置
２８ 陰極さや管

Claims (6)

1. 陰極に保持される使用済み酸化物原子燃料と陽極とを溶融塩に浸し、前記陰極および前記陽極に電流を通電して、前記使用済み酸化物燃料に含まれるウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドの酸化物を還元処理して前記使用済み酸化物原子燃料からウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドを金属の状態で再生して得る還元装置において、前記陽極として酸化物イオン導電性固体電解質を利用することを特徴とする、使用済み酸化物原子燃料の還元装置。
2. 前記陽極は安定化ジルコニア、ＢｉＯ_３、ＣｅＯ_２及びＬａＧａＯ_３からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする、請求項１に記載の使用済み酸化物原子燃料の還元装置。
3. 前記陽極は、前記陽極を構成する前記安定化ジルコニアの安定化剤として、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｓｃ_２Ｏ_３、及びＭｇＯからなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項２記載の使用済み酸化物原子燃料の還元装置。
4. 使用済み酸化物原子燃料に含まれるウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドの酸化物を溶融塩中でリチウム金属により還元して再処理した後、生成される酸化リチウムを電気分解によりリチウム金属に再生するリチウム再生電解装置において、陽極として酸化物イオン導電性固体電解質を利用することを特徴とする、リチウム再生電解装置。
5. 前記陽極が安定化ジルコニア、ＢｉＯ_３、ＣｅＯ_２及びＬａＧａＯ_３からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする、請求項４に記載のリチウム再生電解装置。
6. 前記陽極は、前記陽極を構成する前記安定化ジルコニアの安定化剤として、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｓｃ_２Ｏ_３、及びＭｇＯからなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項５に記載のリチウム再生電解装置。

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