JP2011043424A - Nuclear fuel reprocessing system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原子燃料再処理施設の溶解工程に適用される原子燃料再処理システムに関するものである。 The present invention relates to a nuclear fuel reprocessing system applied to a melting process of a nuclear fuel reprocessing facility.
石油・天然ガスなどの化石燃料は一度燃焼すると、二度と燃料として使うことができないが、原子力発電所で利用されている燃料は燃焼後再処理することで、繰り返し使うことができる。 Once fossil fuels such as oil and natural gas are burned, they cannot be used again, but the fuels used in nuclear power plants can be used repeatedly by reprocessing them after combustion.
現在、日本の原子力発電所(軽水炉)で使用されている燃料は主にウラン235である。このウラン235が放出した中性子をウラン238が吸収すると、ウラン238の一部がプルトニウムに変化する。そこで、燃え残っているウラン235と新たに生成されたプルトニウムを再処理して取り出し、新しい燃料として使用する原子燃料再処理プロセスが開発されている。 Currently, uranium 235 is the main fuel used in Japanese nuclear power plants (light water reactors). When uranium 238 absorbs the neutrons emitted by uranium 235, a part of uranium 238 is changed to plutonium. Therefore, a nuclear fuel reprocessing process has been developed in which unburned uranium 235 and newly generated plutonium are removed by reprocessing and used as new fuel.
原子燃料の再処理施設では、使用済燃料溶解工程、ウランとプルトニウムの分離工程、ウランまたはプルトニウムの精製工程、脱硝工程などの各種工程作業が成されている。 In the nuclear fuel reprocessing facility, various process operations such as spent fuel dissolution process, uranium and plutonium separation process, uranium or plutonium purification process, and denitration process are performed.
使用済燃料溶解工程では使用済原子燃料を硝酸で加熱溶解する。しかし、原子燃料の被覆管(ハル)のせん断片(切粉)および硝酸には溶解しにくいFP(核分裂生成物)元素からなるスラッジ(固形分)の存在が知られている。また、ZrやMoなどのイオンが溶解液の中に多量に存在し、ZrやMoなどのイオンは溶解液中の約15〜20%を占めており、これらが化学反応し、モリブデン酸ジルコニウム(Zr(OH)2Mo2O7(H2O)2)というコロイド状の沈殿物を生成することも分かっている。これらの固形分が配管内に付着し、配管を閉塞する可能性があり、固形分や固形分生成の要因となるイオンを除去するシステムが必要となっている。 In the spent fuel dissolving process, spent nuclear fuel is heated and dissolved with nitric acid. However, the existence of sludge (solid content) composed of FP (fission product) elements which are difficult to dissolve in nitric acid (cladding pieces) and nitric acid of cladding tubes (hulls) of nuclear fuel is known. Further, ions such as Zr and Mo are present in a large amount in the solution, and ions such as Zr and Mo account for about 15 to 20% of the solution, and these chemically react with each other to form zirconium molybdate ( It has also been found to produce a colloidal precipitate called Zr (OH) 2 Mo 2 O 7 (H 2 O) 2 ). There is a possibility that these solid contents adhere to the inside of the pipe and block the pipe, and there is a need for a system that removes solids and ions that cause solids generation.
原子燃料再処理プロセスでは、溶解槽で使用済燃料を溶解した後、不要な固形分を遠心清澄機で除去し、分離工程でウランとプルトニウムを分離する。しかし、遠心清澄機でのスラッジの分離効率は90%程度であり、残りの約10%の微粒子のスラッジは溶解液内に残ってしまう。 In the nuclear fuel reprocessing process, spent fuel is dissolved in a dissolution tank, then unnecessary solids are removed with a centrifugal clarifier, and uranium and plutonium are separated in a separation step. However, the sludge separation efficiency in the centrifugal clarifier is about 90%, and the remaining sludge of about 10% fine particles remains in the solution.
また、遠心清澄機ではイオン成分は除去できないので、溶解液内のイオンが化学反応し、スラッジを生成する可能性もある。そこで、特開2000−56077号公報では溶解槽内に金属ジルコニウム片を挿入し、ZrやMoなどの不要なイオンを挿入した金属ジルコニウム片上に析出させる方法を提案している。 In addition, since the ionic component cannot be removed by the centrifugal clarifier, ions in the solution may chemically react to generate sludge. In view of this, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-56077 proposes a method in which a metal zirconium piece is inserted into a dissolution tank and deposited on a metal zirconium piece into which unnecessary ions such as Zr and Mo are inserted.
しかしながら、この方法ではZrやMoなどの不要イオンは除去できても、遠心清澄機などで分離しきれなかった約10%の微粒子のスラッジの除去が難しく、イオン成分を除去するにも約30時間と時間がかかるおそれがあった。 However, even though unnecessary ions such as Zr and Mo can be removed by this method, it is difficult to remove sludge of about 10% fine particles that could not be separated by a centrifugal clarifier, and about 30 hours to remove ion components. There was a risk of taking time.
また、これらの除去できなかったスラッジなどが配管等に付着し、配管を閉塞させる可能性がある。そこで、遠心清澄機で除去しきれない微粒子のスラッジやイオン成分を同時に除去する原子燃料再処理システムを提供する。 In addition, sludge and the like that could not be removed may adhere to the pipe or the like and block the pipe. Therefore, a nuclear fuel reprocessing system that simultaneously removes sludge and ion components of fine particles that cannot be removed by a centrifugal clarifier is provided.
本発明は、せん断・溶解工程、分離工程、精製工程、脱硝工程からなる原子燃料再処理システムにおいて、せん断・溶解工程における溶解槽の下流側にこの溶解槽から流出する溶解液に含まれるイオン成分と化学結合する材質を収容しスラッジを除去するスラッジ除去装置を設置したことを特徴とする。 The present invention relates to a nuclear fuel reprocessing system comprising a shearing / dissolution process, a separation process, a purification process, and a denitration process, and an ionic component contained in the solution flowing out of the dissolution tank downstream of the dissolution tank in the shearing / dissolution process. And a sludge removal device for removing sludge and containing a material that chemically bonds to the substrate.
せん断・溶解工程における溶解槽から流出する溶解液または遠心清澄機でスラッジを除去した溶解液をスラッジ除去装置に送り、遠心清澄機で除去しきれなかった固形分や不要なイオン成分を化学結合させて除去することによって、スラッジによる配管閉塞を防止することができ、安定した原子燃料の再処理を行なうことができる。 The dissolved solution flowing out from the dissolution tank in the shearing / dissolving process or the dissolved solution from which the sludge has been removed by the centrifugal clarifier is sent to the sludge removal device, and the solid content that could not be removed by the centrifugal clarifier and unnecessary ion components are chemically bonded. By removing them, it is possible to prevent clogging of the pipes due to sludge and to perform stable nuclear fuel reprocessing.
以下、本発明に係る原子燃料再処理システムの実施例について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a nuclear fuel reprocessing system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施例1)
以下、図1を用いて実施例1を説明する。図1はスラッジ除去装置を原子燃料再処理プロセスに組み合わせたときの全体を示した概略ブロック図である。
(Example 1)
Hereinafter, Example 1 is demonstrated using FIG. FIG. 1 is a schematic block diagram showing the whole when a sludge removal apparatus is combined with a nuclear fuel reprocessing process.
図1において、せん断・溶解工程1において使用済燃料Aを切断し、溶解槽2においてこの切断された使用済燃料Aを溶解する。溶解した使用済燃料Aはせん断・溶解工程1内に設置されている遠心清澄機3に送られ、スラッジBを分離する。遠心清澄機3でスラッジBを除去した溶解液Cはスラッジ除去装置4に送られ、遠心清澄機3で除去しきれなかった固形分や不要なイオン成分が除去される。
In FIG. 1, the spent fuel A is cut in the shear / dissolution step 1, and the cut spent fuel A is melted in the
このスラッジ除去装置4において固形分や不要なイオン成分が除去された溶解液Cは分離工程5に送られ、ウランとプルトニウムDが分離され、精製工程13でこの分離されたウランとプルトニウムDの純度が高められて精製され、脱硝工程14で硝酸を分離して脱硝し、ウラン、プルトニウム燃料粉末としている。
The solution C from which the solid content and unnecessary ionic components have been removed in the
上記構成において、遠心清澄機3でのスラッジ分離性能を確認するため、模擬液を使用して試験を実施した。 In the above configuration, in order to confirm the sludge separation performance in the centrifugal clarifier 3, a test was performed using a simulated solution.
模擬液としてグリセリン水溶液、スラッジの模擬として酸化鉄を使用した。その結果、遠心清澄機3でのスラッジの分離効率は90%程度で、残りの約10%の微粒子のスラッジは溶解液内に残った。また、遠心清澄機3ではイオン成分は除去できないので、溶解液内のイオンが化学反応し、スラッジを生成する可能性もある。原子燃料再処理システムにおいて、不要なイオン成分としてはZrO2+やZr4+などがあり、これらのイオンが下の式に従って固形分になることが分かっている。 A glycerin aqueous solution was used as a simulation liquid, and iron oxide was used as a simulation of sludge. As a result, the sludge separation efficiency in the centrifugal clarifier 3 was about 90%, and the remaining sludge of about 10% fine particles remained in the solution. In addition, since the ionic component cannot be removed by the centrifugal clarifier 3, ions in the solution may chemically react to generate sludge. In the nuclear fuel reprocessing system, unnecessary ion components include ZrO2 + and Zr4 +, and it has been found that these ions become solids according to the following equation.
Zr4++H2O→ZrO2++2H+ 式1
2HMoO4 ―+ZrO2++2H2O→Zr(OH)2Mo2O7(H2O)2 式2
式2の右辺に現れるモリブデン酸ジルコニウムはコロイド状の沈殿物となることが知られている。これらのスラッジが配管壁に付着し、配管閉塞を引き起こす可能性がある。そこで、遠心清澄機3でスラッジを除去した溶解液Cをスラッジ除去装置4に送り、遠心清澄機3で除去しきれなかった固形分や不要なイオン成分を化学結合させてスラッジ除去装置4によって除去することで、スラッジによる配管閉塞などを防止することができ、安定した原子燃料の再処理を実施することができる。
Zr 4+ + H 2 O → ZrO 2+ + 2H + Formula 1
2HMoO 4 − + ZrO 2+ + 2H 2 O → Zr (OH) 2 Mo 2 O 7 (H 2 O) 2
It is known that zirconium molybdate appearing on the right side of Formula 2 becomes a colloidal precipitate. There is a possibility that these sludges adhere to the pipe wall and cause the pipe to be blocked. Therefore, the solution C from which the sludge has been removed by the centrifugal clarifier 3 is sent to the
(実施例2)
図2はスラッジ除去装置を原子燃料再処理プロセスに組み合わせたときの別の形態例を示した概略ブロック図である。なお、図2において図1と同一部分には同一符号を付しその部分の構成の説明は省略する。
(Example 2)
FIG. 2 is a schematic block diagram showing another embodiment when the sludge removal apparatus is combined with the nuclear fuel reprocessing process. 2, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description of the configuration of those parts is omitted.
図2においてせん断・溶解工程1において使用済燃料Aを切断し、溶解槽2において溶解する。溶解槽2の直後に図1に示した遠心清澄機3の代わりにスラッジ除去装置4を設置し、このスラッジ除去装置4において固形分や不要なイオン成分が除去された溶解液Cは分離工程5に送られ、ウランとプルトニウムDが分離され、精製工程13でウランとプルトニウムDの純度が高められて精製され、脱硝工程14で硝酸を分離して脱硝し、ウラン、プルトニウム燃料粉末としている。
In FIG. 2, the spent fuel A is cut in the shearing / dissolution step 1 and dissolved in the
この場合、スラッジ除去装置4は図1のスラッジ除去装置4と比較して大容量処理できる構成としている。
In this case, the
このようなシステムとすることで遠心清澄機3の設置を省くことができ、スラッジによる配管閉塞などを防止することができ、安定した原子燃料の再処理を実施することができる。 By setting it as such a system, installation of the centrifugal clarifier 3 can be omitted, pipe | tube obstruction | occlusion etc. by sludge can be prevented, and the stable reprocessing of nuclear fuel can be implemented.
(実施例3)
図3は実施例1または実施例2に採用されるスラッジ除去装置の一例である。
Example 3
FIG. 3 is an example of a sludge removal apparatus employed in the first or second embodiment.
図3において、スラッジ除去装置4を構成する溶解液供給配管6から、溶解液Cが供給される。スラッジ除去装置4内のろ過槽7にろ過材15が充填される。ろ過材15は1μm以下のスラッジが流路に捕集できる流路が形成できる径の微粒子である。このろ過材15は溶解液Cに含まれるイオン成分と化学結合する材質であればよく、好ましくは金属ジルコニウムから構成されている。
In FIG. 3, the solution C is supplied from the solution supply pipe 6 that constitutes the
溶解液Cはこのろ過材15が充填されたろ過槽7を通過することで、溶解液C内のスラッジがろ過槽7内に捕集され、溶解液出口配管8からスラッジが除去された溶解液Cが取り出される。
The solution C passes through the
また、溶解液C内の不要なイオン成分はろ過槽7に充填しているろ過材15上に析出する。不要なイオン成分としてはZrO2+やZr4+であり、これらの化学種を源とするスラッジ生成を、同元素からなる金属ジルコニウムまたはジルコニウム化合物から構成されるろ過材15表面を起点として生じさせ、さらに成長を助長する。
Further, unnecessary ion components in the solution C are deposited on the
ろ過槽7内にある程度の時間、溶解液Cを供給し続けると、ろ過槽7にスラッジが溜まり圧力損失が増大し、溶解液Cがろ過しづらくなる。この場合、充填してあるろ過材15を洗浄する。ろ過槽7内に充填されたろ過材15上に析出したモリブデン酸ジルコニウムはアルカリ条件下で次の式3の反応式に基づいてモリブデンが選択的に溶解する。
If the solution C is continuously supplied into the
Zr(OH)2Mo2O7(H2O)2+4OH―→2MoO4 2−+ZrO2・2(H2O)+3H2O 式3
そこで、ろ過材15の表面に析出したスラッジも溶解するように洗浄液は水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ水溶液が好ましい。スラッジ除去装置4にはアルカリ水溶液タンク9が設置しており、溶解液Cの供給方向と逆の方向からアルカリ水溶液をアルカリ水溶液供給配管10を介して供給し、ろ過槽7内を洗浄する。そして、洗浄後のろ過材15の表面に析出したスラッジが溶解した洗浄液はスラッジ除去装置4に設置してある洗浄液タンク11に排出される。
Zr (OH) 2 Mo 2 O 7 (H 2 O) 2 + 4OH − → 2MoO 4 2− + ZrO 2 .2 (H 2 O) + 3H 2 O Formula 3
Accordingly, the cleaning liquid is preferably an alkaline aqueous solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide so that sludge deposited on the surface of the
このようにすることで、ろ過槽7にスラッジが溜まり、溶解液Cがろ過しづらくなった場合においても、アルカリ水溶液によってろ過材15を再生することができる。さらに、ろ過槽7内に捕集したスラッジが浮遊する流速でアルカリ水溶液をスラッジ除去装置4の下流(溶解液Cの供給方向と逆の方向)から流すことで、アルカリ水溶液に溶解しないスラッジも洗浄することができる。また、洗浄中は当該スラッジ除去装置4を含む系統が停止してしまうため、スラッジ除去装置4を複数台並列に設置し、スラッジ除去装置4を洗浄中のものから他のスラッジ除去装置4に切り替えて使用することとする。
By doing in this way, even when sludge accumulates in the
(実施例4)
図4は実施例1または実施例2に採用されるスラッジ除去装置の他の実施例である。なお、図4において図3と同一部分には同一符号を付しその部分の構成の説明は省略する。
Example 4
FIG. 4 shows another embodiment of the sludge removing apparatus employed in Embodiment 1 or
図4において、スラッジ除去装置4aを構成する溶解液供給配管6より、溶解液Cを供給する。スラッジ除去装置4aの系統において実施例3で示したろ過槽7のろ過材15の代わりにフィルター12を設置する。
In FIG. 4, the solution C is supplied from the solution supply pipe 6 constituting the
フィルター12は孔径1μm以下である。このフィルター12は溶解液Cに含まれるイオン成分と化学結合する材質であればよく、好ましくは金属ジルコニウム、ジルコニウム化合物等から成る焼結金属のフィルターである。溶解液Cはこのフィルター12を通過することで、溶解液C内の固形分はフィルター12上に捕集され、溶解液出口配管8からスラッジが除去された溶解液Cが取り出される。
The
また、溶解液C内の不要なイオン成分はフィルター12上に析出する。不要なイオン成分としてはZrO2+やZr4+であり、これらの化学種を源とするスラッジ生成を、同元素からなる金属ジルコニウムまたはジルコニウム化合物から構成されるフィルター12の表面を起点として生じさせ、さらに成長を助長する。
Further, unnecessary ionic components in the solution C are deposited on the
フィルター12にある程度の時間、溶解液を供給し続けると、目詰まりして圧力損失が増大し、溶解液Cがろ過しづらくなる。この場合、フィルター12を洗浄する。フィルター12の表面に析出したモリブデン酸ジルコニウムはアルカリ条件下で上述した式3の反応式に基づいてモリブデンが選択的に溶解するので、洗浄液は水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ水溶液が好ましい。
If the solution is continuously supplied to the
スラッジ除去装置4aにはアルカリ水溶液タンク9が設置してあり、溶解液Cの供給と逆の方向からアルカリ水溶液をアルカリ水溶液供給配管10を介して供給し、フィルター12を洗浄する。
The
そして、洗浄液はスラッジ除去装置4aに設置してある洗浄液タンク11に排出される。このようにすることで、フィルター12にスラッジが溜まり、溶解液Cがろ過しづらくなった場合においても、アルカリ水溶液によってフィルター12を再生することができる。
Then, the cleaning liquid is discharged to a cleaning
さらに、フィルター12上に捕集したスラッジが浮遊する流速でアルカリ水溶液をスラッジ除去装置4aの下流(溶解液Cの供給方向と逆の方向)から流すことで、アルカリ水溶液に溶解しないスラッジも洗浄することができる。
Furthermore, the sludge that does not dissolve in the alkaline aqueous solution is also washed by flowing the alkaline aqueous solution from the downstream of the
また、洗浄中は当該スラッジ除去装置4aを含む系統が停止してしまうため、スラッジ除去装置4aを複数並列に設置し、スラッジ除去装置4aを洗浄中のものから他のスラッジ除去装置4aに切り替えて使用することとする。
In addition, since the system including the
1…せん断・溶解工程、2…溶解槽、3…遠心清澄機、4、4a…スラッジ除去装置、5…分離工程、6…溶解液供給配管、7…ろ過槽、8…溶解液出口配管、9…アルカリ水溶液タンク、10…アルカリ水溶液供給配管、11…洗浄液タンク、12…フィルター、13…精製工程、14…脱硝工程、15…ろ過材、A…使用済燃料、B…スラッジ、C…溶解液、D…ウランとプルトニウム。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Shearing / dissolution process, 2 ... Dissolution tank, 3 ...
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009192142A JP2011043424A (en) | 2009-08-21 | 2009-08-21 | Nuclear fuel reprocessing system |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016142599A (en) * | 2015-01-30 | 2016-08-08 | 三菱重工業株式会社 | Method foe removing radioactive substance |
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2009
- 2009-08-21 JP JP2009192142A patent/JP2011043424A/en not_active Abandoned
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