JP2013101066A - Treatment device and treatment method for used fuel containing zirconium - Google Patents

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朗 笹平
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文雄 河村
Kuniyoshi Hoshino
国義 星野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a treatment device and a treatment method of used fuel containing zirconium for separating used fuel containing zirconium into nuclear fuel substances, zirconium and other fission products.SOLUTION: A treatment device for used fuel containing zirconium for separating used fuel containing zirconium into nuclear fuel substances, zirconium and fission products includes: heating means for obtaining a temperature environment of the sublimation temperature of a zirconium compound or more in the treatment device; a zirconium recovery part set in a temperature environment of the sublimation temperature of the zirconium compound or less for condensing and recovering the volatilized zirconium compound; a solid storage part for storing solids remaining in a temperature environment of the sublimation temperature of a zirconium compound or more; and a vent hole for recovering gas.

Description

本発明は、ジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置および方法に係り、特にジルコニウム被覆管と混じりあった使用済燃料を、ウランとジルコニウムと核分裂生成物に分離するジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置および方法に関するものである。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a spent fuel processing apparatus and method including zirconium, and more particularly to a spent fuel processing apparatus containing zirconium that separates spent fuel mixed with a zirconium cladding into uranium, zirconium and fission products. And methods.

日本の沸騰水型軽水炉で使用されている核燃料の化学形態は酸化物である。核燃料物質であるウランはペレットに成型され、燃料被覆管に収納された後、燃料集合体として炉心に装荷されて原子力発電に使用される。   The chemical form of nuclear fuel used in Japanese boiling water reactors is oxide. Uranium, which is a nuclear fuel material, is formed into pellets, stored in a fuel cladding tube, loaded into a reactor core as a fuel assembly, and used for nuclear power generation.

原子力発電ではウランが核分裂する時に発生するエネルギーを電気に変えて発電しているが、核分裂が起こる過程で核分裂生成物(FP:Fission Products)が発生する。核分裂生成物の多くは放射性物質である。放射性の核分裂生成物から発せられた放射線のエネルギーは吸収されて熱エネルギーに変わるため、原子力発電に使用された核燃料物質(以後使用済燃料と言う)は自己発熱作用を持つ。このため炉心に装荷された燃料集合体は水により冷却されている。   In nuclear power generation, the energy generated when uranium undergoes fission is changed to electricity to generate electricity, but fission products (FP) are generated in the process of fission. Many of the fission products are radioactive materials. Since the energy of radiation emitted from radioactive fission products is absorbed and converted into thermal energy, the nuclear fuel material used for nuclear power generation (hereinafter referred to as spent fuel) has a self-heating effect. For this reason, the fuel assembly loaded in the core is cooled by water.

一方、発電所での使用を終えた使用済燃料は、使用済燃料プールで冷却された後、最終的には再処理される。再処理では使用済燃料を核燃料物質(ウランとプルトニウム)と、核分裂生成物に分離する。分離された核分裂生成物は高レベル放射性廃棄物であるため、ガラス固化処理後に地層処分することが検討されている。   On the other hand, the spent fuel that has been used in the power plant is finally reprocessed after being cooled in the spent fuel pool. Reprocessing separates spent fuel into nuclear fuel materials (uranium and plutonium) and fission products. Since the separated fission product is a high-level radioactive waste, it is considered to dispose of it after vitrification.

この使用済燃料の再処理方法として、フッ化物揮発法や、六ヶ所再処理プラントで採用されている湿式再処理法(PUREX法)などがある。   As a spent fuel reprocessing method, there are a fluoride volatilization method and a wet reprocessing method (PUREX method) adopted in Rokkasho reprocessing plant.

このうち例えば特許文献1に記載のフッ化物揮発法とは、使用済燃料をフッ素ガスと反応させ、核燃料物質であるウランを気体状の六フッ化ウラン(UF)として回収する方法である。この時、核分裂生成物の多くは、フッ素ガスと反応して不揮発性のフッ化物(以下、不揮発性フッ化核分裂生成物という)となり、気体状の六フッ化ウランUFと分離される。なお、核分裂生成物の一部は、揮発性のフッ化物となり気体状の六フッ化ウランUFに同伴するが、後段工程での凝縮や吸着などの分離操作により、気体状の六フッ化ウランUFと分離できる。 Among these, for example, the fluoride volatilization method described in Patent Document 1 is a method in which spent fuel is reacted with fluorine gas, and uranium, which is a nuclear fuel material, is recovered as gaseous uranium hexafluoride (UF 6 ). At this time, most of the fission products react with fluorine gas to become non-volatile fluorides (hereinafter referred to as non-volatile fluoro fission products) and are separated from gaseous uranium hexafluoride UF 6 . A part of the fission products is entrained in the gaseous uranium hexafluoride UF 6 becomes volatile fluorides, by separation operations such as condensation and adsorption in the subsequent step, gaseous uranium hexafluoride UF 6 and can be separated.

以上のフッ化物揮発法における使用済燃料のフッ化方式として、主にフレーム炉方式と流動床方式の2つが検討されている。このうち、フレーム炉方式では、フレーム炉の上部から使用済燃料粉末とフッ素ガスを供給することで反応熱による高温のフレーム(1200〜1600℃)を形成し、高温雰囲気中で使用済燃料をフッ化する。   As a fluorination method for spent fuel in the above-described fluoride volatilization method, two methods, a flame furnace method and a fluidized bed method, have been studied. Among them, in the flame furnace system, spent fuel powder and fluorine gas are supplied from the upper part of the flame furnace to form a high-temperature flame (1200 to 1600 ° C.) by reaction heat, and the spent fuel is caught in a high-temperature atmosphere. Turn into.

また流動床方式では、使用済燃料と流動材(例えばアルミナ)が充填された反応槽において、使用済燃料と流動材を攪拌している所へフッ素ガスを供給し、使用済燃料をフッ化する。この流動床方式では、反応槽と使用済燃料と流動材は加温されており、その温度は300〜350℃である。   In the fluidized bed system, in a reaction tank filled with spent fuel and fluidized material (for example, alumina), fluorine gas is supplied to the place where the spent fuel and fluidized material are agitated to fluorinate the spent fuel. . In this fluidized bed system, the reaction tank, spent fuel, and fluidized material are heated, and the temperature is 300 to 350 ° C.

さらに使用済燃料のフッ化方式として、上記2つ以外に、単純な方式としてバッチ方式が考えられる。この方式では、使用済燃料が収納された容器にフッ素ガスを供給し、使用済燃料をフッ化する。この時、使用済燃料と容器はフッ化反応を促進するために加温されており、その温度は最大800℃程度であると考えられる。   Further, as a spent fuel fluorination method, in addition to the above two, a batch method may be considered as a simple method. In this system, fluorine gas is supplied to a container in which spent fuel is stored, and the spent fuel is fluorinated. At this time, the spent fuel and the container are heated to promote the fluorination reaction, and the temperature is considered to be about 800 ° C. at the maximum.

特開2002−257980号公報JP 2002-257980 A

以上説明した特許文献1などに記載のフッ化物揮発法では、その方式が幾つか知られているが、いずれの場合にも処理装置(炉、槽、又は容器形式のものを含む)内に使用済燃料が配置されあるいは供給される必要がある。   In the fluoride volatilization method described in Patent Document 1 described above, several methods are known, but in any case, it is used in a processing apparatus (including a furnace, tank, or container type). Spent fuel needs to be arranged or supplied.

これらの方式では、燃料集合体から燃料被覆管を除去して使用済燃料の形態にしたものを処理の対象としている。このことは、原子炉内の燃料集合体から使用済燃料を得る(フレーム炉方式では、さらに使用済燃料を粉末の形態とする)までに多大の処理工程と、時間を要することを意味している。   In these systems, the fuel clad tube is removed from the fuel assembly to form a spent fuel, which is the object of processing. This means that it takes a lot of processing steps and time to obtain spent fuel from the fuel assembly in the nuclear reactor (in the flame reactor system, the spent fuel is made into powder form). Yes.

このことから、燃料集合体から使用済燃料のみを抽出してフッ化物揮発法による分離回収を行うのではなく、使用済燃料と燃料被覆管が混合された状態のまま、フッ化物揮発法による分離回収を行えることが望ましい。例えば使用済燃料と燃料被覆管が混合された状態として、裁断した燃料集合体をそのままフッ化物揮発法による分離回収の対象とできるのであれば、前処理工程が簡略化でき、ここに要する時間を大幅に削減することができる。   For this reason, instead of extracting only spent fuel from the fuel assembly and performing separation and recovery by the fluoride volatilization method, separation by the fluoride volatilization method is performed while the spent fuel and the fuel cladding tube are mixed. It is desirable to be able to recover. For example, if the spent fuel and the fuel cladding tube are mixed, and the cut fuel assembly can be subjected to separation and recovery by the fluoride volatilization method as it is, the pretreatment process can be simplified and the time required for this can be reduced. It can be greatly reduced.

以上の説明は、原子炉内で燃料集合体が予定の発熱を完了した後の処理を想定しているが、原子炉の過酷事故により使用済燃料と燃料被覆管が溶融した場合にも、溶融物の形態のままフッ化物揮発法による分離回収を行えることがより強く望まれる。   The above explanation assumes processing after the fuel assembly completes the expected heat generation in the reactor, but it will also melt even if the spent fuel and the fuel cladding tube melt due to a severe accident in the reactor. It is strongly desired that separation and recovery by the fluoride volatilization method can be performed in the form of a product.

例えば、過酷事故時に燃料集合体が水により冷却されなかった場合、使用済燃料の自己発熱作用により使用済燃料と燃料被覆管は高温になり、次いで燃料被覆管と水蒸気との反応による発熱でさらに高温になることで使用済燃料と燃料被覆管は溶融すると考えられる。この溶融物はコリウムと呼ばれる。コリウムでは、使用済燃料のみを取り出すことが困難であるので、直接、溶融物の形態のままフッ化物揮発法による分離回収を行えることが望ましい。   For example, when the fuel assembly is not cooled by water in a severe accident, the spent fuel and the fuel cladding tube become high temperature due to the self-heating effect of the spent fuel, and then the heat generated by the reaction between the fuel cladding tube and water vapor further increases. It is considered that the spent fuel and the fuel cladding tube are melted by the high temperature. This melt is called corium. Since it is difficult to extract only spent fuel with corium, it is desirable that separation and recovery by the fluoride volatilization method can be performed directly in the form of a melt.

以上説明したフッ化物揮発法や、湿式再処理法(PUREX法)などは、燃料集合体から取り出した使用済燃料の再処理方法である。これに対し、本発明において再処理の対象とするのは、使用済燃料と燃料被覆管の混合物である。混合物には、原子力発電所の過酷事故で発生したコリウムを含む。   The fluoride volatilization method and the wet reprocessing method (PUREX method) described above are methods for reprocessing spent fuel taken out from the fuel assembly. On the other hand, the object of reprocessing in the present invention is a mixture of spent fuel and fuel cladding. The mixture contains corium produced by a severe accident at a nuclear power plant.

本発明では、原子力発電所の過酷事故で発生したコリウム、あるいは裁断した使用済燃料と燃料被覆管などの混合物を、フッ化物揮発法で処理することを検討している。コリウムなどの混合物は、燃料被覆管の材料であるジルコニウムを多量に含むため、ジルコニウムの取扱いが重要となる。フッ化物揮発法を適用する場合における、ジルコニウムの取扱いを以下に纏めてみた。   In the present invention, it is considered to treat a corium generated in a severe accident at a nuclear power plant or a mixture of a cut spent fuel and a fuel cladding tube by a fluoride volatilization method. Since a mixture such as corium contains a large amount of zirconium which is a material of the fuel cladding tube, it is important to handle zirconium. The handling of zirconium when applying the fluoride volatilization method is summarized below.

フッ化物揮発法による使用済燃料の再処理では、核分裂生成物の一つであるジルコニウムは、フッ素ガスと反応してフッ化ジルコニウム(ZrF)となる。フッ化ジルコニウムZrFの昇華点は600℃である。 In the reprocessing of spent fuel by the fluoride volatilization method, zirconium, which is one of fission products, reacts with fluorine gas to become zirconium fluoride (ZrF 4 ). The sublimation point of zirconium fluoride ZrF 4 is 600 ° C.

このため、フッ化物揮発法におけるフッ化方式がフレーム炉方式とバッチ方式の場合は、フッ化ジルコニウムZrFは一時的に揮発するが、処理装置の配管温度は200℃程度のため凝縮し、最終的に不揮発性フッ化核分裂生成物とともに、固体として回収される。また、フッ化物揮発法におけるフッ化方法が流動床方式の場合、フッ化ジルコニウムZrFは揮発しないので、この場合にも不揮発性フッ化核分裂生成物とともに、固体として回収される。 For this reason, when the fluorination method in the fluoride volatilization method is the flame furnace method and the batch method, the zirconium fluoride ZrF 4 volatilizes temporarily, but the pipe temperature of the processing apparatus is about 200 ° C., so it is condensed. It is recovered as a solid together with the non-volatile fluorinated fission product. Further, when the fluorination method in the fluoride volatilization method is a fluidized bed method, zirconium fluoride ZrF 4 does not volatilize, and in this case as well, it is recovered as a solid together with the nonvolatile fluorinated fission product.

したがって、使用済燃料の処理向けのフッ化物揮発法でコリウムなどの混合物を処理した場合、コリウムなどの混合物は核燃料物質と、ジルコニウムを含む核分裂生成物に大別される。回収されたジルコニウムを含む核分裂生成物のうち、被覆管由来のジルコニウムは非放射性なのでガラス固化処理する必要は無いが、使用済燃料の処理向けのフッ化物揮発法ではジルコニウムと他の核分裂生成物を分離する工程が無いため、ジルコニウムと他の核分裂生成物は同時にガラス固化される。   Therefore, when a mixture such as corium is processed by the fluoride volatilization method for processing spent fuel, the mixture such as corium is roughly classified into a nuclear fuel material and a fission product containing zirconium. Of the recovered fission products containing zirconium, the zirconium from the cladding tube is non-radioactive and does not need to be vitrified, but the fluoride volatilization method for spent fuel treatment uses zirconium and other fission products. Because there is no separation step, zirconium and other fission products are vitrified simultaneously.

しかし、単位重量のガラス固化体中に溶解できる不純物量(核分裂生成物+ジルコニウム)には上限があるため、非放射性のジルコニウムをガラス固化するとガラス固化体量の増加により処理コストが増加する。よって、フッ化物揮発法でコリウムなどの混合物を処理する場合、コストの低減のためにはジルコニウムと他の核分裂生成物を分離することが有効である。   However, since there is an upper limit to the amount of impurities (fission product + zirconium) that can be dissolved in a unit weight of vitrified material, if non-radioactive zirconium is vitrified, the processing cost increases due to an increase in the amount of vitrified material. Therefore, when a mixture such as corium is processed by the fluoride volatilization method, it is effective to separate zirconium and other fission products in order to reduce the cost.

このようなニーズに対し、例えば、金属の対象でウランと金属ジルコニウムから成る金属燃料を塩素ガスと反応させてウランとジルコニウムを分離する塩化法があるが、塩素ガスと酸化ジルコニウムが反応しないため、この塩化法を本発明の酸化物燃料にそのまま適用することはできない。   For such needs, for example, there is a chlorination method in which a metal fuel consisting of uranium and metal zirconium reacts with chlorine gas to separate uranium and zirconium, but the chlorine gas and zirconium oxide do not react. This chlorination method cannot be directly applied to the oxide fuel of the present invention.

以上のことから本発明においては、ジルコニウムを含む使用済燃料を、核燃料物質と、ジルコニウムと、他の核分裂生成物に分離することができるジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置および方法を提供することを目的とする。   In view of the above, the present invention provides a processing apparatus and method for spent fuel containing zirconium that can separate spent fuel containing zirconium into nuclear fuel material, zirconium, and other fission products. With the goal.

以上のことから本発明においては、ジルコニウムを含む使用済燃料を、核燃料物質と、ジルコニウムと、核分裂生成物に分離するためのジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置において、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境を前記処理装置内に得るための加熱手段と、ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境とされ、揮発したジルコニウム化合物を凝縮して回収するジルコニウム回収部と、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境で残存した個体を貯留する固体貯留部と、気体を回収する為の通気口とを備えた。   From the above, in the present invention, in the spent fuel processing apparatus containing zirconium for separating the spent fuel containing zirconium into nuclear fuel material, zirconium, and fission products, the temperature is higher than the sublimation temperature of the zirconium compound. Heating means for obtaining a temperature environment in the processing apparatus, a zirconium recovery part for condensing and recovering the volatilized zirconium compound, which is a temperature environment equal to or lower than the sublimation temperature of the zirconium compound, and a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound A solid reservoir for storing solids remaining in the environment and a vent for collecting gas were provided.

また、加熱手段は、ジルコニウムを含む使用済燃料をフッ素ガスと反応させてフレームを形成させるための第1の加熱手段を含むものとした。   The heating means includes a first heating means for forming a frame by reacting spent fuel containing zirconium with fluorine gas.

また加熱手段は、ジルコニウムを含む使用済燃料をフッ素ガスと反応させてフレームを形成させるための第1の加熱手段と、固体貯留部の固体をジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度に加熱する為の第2の加熱手段とを備える。   The heating means is a first heating means for reacting spent fuel containing zirconium with fluorine gas to form a frame, and for heating the solid in the solid reservoir to a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound. A second heating means.

また加熱手段は、ジルコニウムを含む使用済燃料を載置する台座を備え、台座上でフッ素ガスと反応させるときにジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境を得るための第3の加熱手段を備える。   The heating means includes a pedestal on which spent fuel containing zirconium is placed, and a third heating means for obtaining a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound when reacting with fluorine gas on the pedestal.

また加熱手段は、ジルコニウムを含む使用済燃料を載置する台座を備え、台座上でフッ素ガスと反応させた後に、塩素ガスと反応させるときにジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境を得るための第4の加熱手段を備える。   Moreover, the heating means includes a pedestal on which spent fuel containing zirconium is placed, and after reacting with fluorine gas on the pedestal, for obtaining a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound when reacted with chlorine gas. 4th heating means is provided.

またジルコニウム化合物は、フッ化ジルコニウムである。   The zirconium compound is zirconium fluoride.

またジルコニウム化合物は、塩化ジルコニウムである。   The zirconium compound is zirconium chloride.

以上のことから本発明においては、ジルコニウムを含む使用済燃料を、核燃料物質と、ジルコニウムと、核分裂生成物に分離するためのジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、ジルコニウムを含む使用済燃料を、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境下で処理し、ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境下で揮発したジルコニウム化合物を凝縮して回収し、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境で残存した個体と、気体に分けて回収する。   From the above, in the present invention, in the method of treating spent fuel containing zirconium for separating spent fuel containing zirconium into nuclear fuel material, zirconium and fission products, spent fuel containing zirconium is used. The solid that was treated in a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound, condensed and recovered from the volatilized zirconium compound in a temperature environment equal to or lower than the sublimation temperature of the zirconium compound, and remained in a temperature environment higher than the sublimation temperature of the zirconium compound And collect it in gas.

またジルコニウムを含む使用済燃料について、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境下での第1回目の処理により気体と固体に分離し、第1回目の処理後の個体について、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境下で第2回目の処理を行い、ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境下で揮発したジルコニウム化合物を凝縮して回収し、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境で残存した個体と、気体に分けて回収する。   In addition, spent fuel containing zirconium is separated into gas and solid by the first treatment in a temperature environment higher than the sublimation temperature of the zirconium compound, and the solid after the first treatment has a temperature higher than the sublimation temperature of the zirconium compound. The second treatment is performed under the temperature environment, and the zirconium compound volatilized under the temperature environment below the sublimation temperature of the zirconium compound is condensed and recovered, and the solid remaining in the temperature environment above the sublimation temperature of the zirconium compound, Collect in gas.

またジルコニウムを含む使用済燃料について、フッ素ガスと反応させて気体と固体に分離し、分離後の個体について、塩化ジルコニウムの昇華温度以上の温度環境下で塩素ガスと反応させ、塩化ジルコニウムの昇華温度以下の温度環境下で揮発した塩化ジルコニウムを凝縮して回収し、塩化ジルコニウムの昇華温度以上の温度環境で残存した個体と、気体に分けて回収する。   In addition, spent fuel containing zirconium is reacted with fluorine gas to separate into gas and solid, and the separated solid is reacted with chlorine gas in a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of zirconium chloride, and the sublimation temperature of zirconium chloride. Zirconium chloride volatilized under the following temperature environment is condensed and recovered, and is recovered by separating it into solids and gas remaining in a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of zirconium chloride.

以上のことから本発明においては、ジルコニウムを含む使用済燃料を、核燃料物質と、ジルコニウムと、核分裂生成物に分離するためのジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、燃料被覆管のジルコニウムと使用済燃料を、フッ素ガスと600℃以上の温度で反応させることでフッ化ジルコニウムガスを生成し、そのフッ化ジルコニウムガスを反応装置内部に設置されたジルコニウム回収部に凝縮して回収する。   From the above, in the present invention, the spent fuel containing zirconium is used as the fuel cladding zirconium in the method of treating spent fuel containing zirconium for separating the spent fuel containing zirconium into nuclear fuel material, zirconium and fission products. Zirconium fluoride gas is produced by reacting the spent fuel with fluorine gas at a temperature of 600 ° C. or higher, and the zirconium fluoride gas is condensed and recovered in a zirconium recovery part installed inside the reactor.

またジルコニウム回収部に回収したフッ化ジルコニウムと塩化物ガスを反応させて塩化ジルコニウムを生成し、その塩化ジルコニウムを350℃以上で揮発させることでジルコニウム回収部からジルコニウムを分離する。   Further, zirconium fluoride is produced by reacting the zirconium fluoride collected with the zirconium recovery part and chloride gas, and the zirconium chloride is volatilized at 350 ° C. or higher to separate the zirconium from the zirconium recovery part.

また燃料被覆管のジルコニウムと使用済燃料を、フッ素ガスと300〜600℃の温度で反応させて使用済燃料中のウランをUFとして回収した後、固体として残ったフッ化ジルコニウムを350℃以上で塩化物ガスと反応させて塩化ジルコニウムガスを生成し、その塩化ジルコニウムガスを反応装置内部に設置されたジルコニウム回収部に凝縮して回収する。 In addition, zirconium in the fuel cladding tube and spent fuel are reacted with fluorine gas at a temperature of 300 to 600 ° C., and uranium in the spent fuel is recovered as UF 6 ; To produce a zirconium chloride gas by reacting with a chloride gas, and the zirconium chloride gas is condensed and recovered in a zirconium recovery part installed in the reactor.

また、塩化物ガスとして塩化ホウ素と塩化ケイ素ガスを使用する。   Further, boron chloride and silicon chloride gas are used as the chloride gas.

本発明によれば、ジルコニウムを含む使用済燃料を、核燃料物質と、ジルコニウムと、他の核分裂生成物に分離することができる   According to the present invention, spent fuel containing zirconium can be separated into nuclear fuel material, zirconium, and other fission products.

本発明の実施例1に係る処理装置30の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the processing apparatus 30 which concerns on Example 1 of this invention. 実施例1の処理装置30の各部とその機能、および各種物質の状態を纏めた図。The figure which summarized each part of the processing apparatus 30 of Example 1, its function, and the state of various substances. 本発明の実施例2に係る処理装置31の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the processing apparatus 31 which concerns on Example 2 of this invention. 実施例2の処理装置31の各部とその機能、および各種物質の状態を纏めた図。The figure which summarized each part and its function of the processing apparatus 31 of Example 2, and the state of various substances. 本発明の実施例3に係る処理装置32の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the processing apparatus 32 which concerns on Example 3 of this invention. 実施例3の処理装置32の各部とその機能、および各種物質の状態を纏めた図。The figure which summarized each part of the processing apparatus 32 of Example 3, its function, and the state of various substances. 本発明の実施例4に係る処理装置32の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the processing apparatus 32 which concerns on Example 4 of this invention. 実施例4の処理装置32の各部とその機能、および各種物質の状態を纏めた図。The figure which summarized each part of the processing apparatus 32 of Example 4, its function, and the state of various substances. 混合物3とフッ素ガス4の反応により生成されるフッ化物を示す図。The figure which shows the fluoride produced | generated by reaction of the mixture 3 and the fluorine gas 4. FIG.

本発明ではジルコニウムと使用済燃料の混合物を、ウランとジルコニウムと核分裂生成物に分離する方法として、ジルコニウム化合物の昇華温度を利用する。昇華温度以上の温度環境と、昇華温度以下の温度環境を処理装置内に作ることで、ウランとジルコニウムと核分裂生成物を分離する。   In the present invention, the sublimation temperature of a zirconium compound is used as a method for separating a mixture of zirconium and spent fuel into uranium, zirconium and fission products. By creating a temperature environment above the sublimation temperature and a temperature environment below the sublimation temperature in the processing apparatus, uranium, zirconium and fission products are separated.

具体的には、ジルコニウム化合物としてフッ化ジルコニウムの昇華点(600℃)が不揮発性核分裂生成物の沸点に比べて低いことに着目した。この手法について図1、図3、図5の実施例で説明する。   Specifically, it was noted that the sublimation point (600 ° C.) of zirconium fluoride as a zirconium compound is lower than the boiling point of the non-volatile fission product. This method will be described with reference to the embodiments shown in FIGS.

2つ目の方法では、ジルコニウム化合物として塩化ジルコニウム(ZrCl)の昇華点(331℃)がZrFの昇華点よりも低いことに着目した。この手法について図7の実施例で説明する。 In the second method, attention was paid to the fact that the sublimation point (331 ° C.) of zirconium chloride (ZrCl 4 ) as the zirconium compound was lower than the sublimation point of ZrF 4 . This method will be described with reference to the embodiment of FIG.

以下、本発明の実施形態の一例を図に基づいて説明する。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明では、燃料被覆管のジルコニウムと混合した使用済燃料を処理する。ここで、本発明で処理の対象とするジルコニウムと混合した使用済燃料とは、例えば裁断された燃料集合体であり、あるいは苛酷事故により溶融した燃料集合体である。   In the present invention, spent fuel mixed with zirconium in the fuel cladding is treated. Here, the spent fuel mixed with zirconium to be treated in the present invention is, for example, a cut fuel assembly or a fuel assembly melted by a severe accident.

この実施例1は、ジルコニウム化合物としてフッ化ジルコニウムの昇華点(600℃)が不揮発性核分裂生成物の沸点に比べて低いことに着目したものである。   This Example 1 pays attention to the fact that the sublimation point (600 ° C.) of zirconium fluoride as the zirconium compound is lower than the boiling point of the nonvolatile fission product.

図1は本発明の実施例1に係る処理装置30の断面の模式図である。処理装置30は、例えばフレーム炉1で形成され、その内部にジルコニウム回収部2が、下部に固体貯留室20が設置された構成となっている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a processing apparatus 30 according to the first embodiment of the present invention. The processing apparatus 30 is formed by, for example, a flame furnace 1, and has a configuration in which the zirconium recovery unit 2 is installed inside and the solid storage chamber 20 is installed in the lower part.

フレーム炉1は円筒の形状をしており、上部からコリウムなどの混合物(燃料被覆管のジルコニウムと混合した使用済燃料)3と、フッ素ガス4を供給する。また、下部に不揮発性フッ化核分裂生成物Cを回収し貯留する固体貯留室20を備える。固体貯留室20には、六フッ化ウランUFガスAと揮発性フッ化核分裂生成物Bを回収する通気口21を有している。 The flame furnace 1 has a cylindrical shape, and supplies a mixture 3 (spent fuel mixed with zirconium in the fuel cladding tube) 3 and fluorine gas 4 from the top. Moreover, the solid storage chamber 20 which collect | recovers and stores the non-volatile fluorination fission product C is provided in the lower part. The solid storage chamber 20 has a vent 21 for collecting the uranium hexafluoride UF 6 gas A and the volatile fluorinated fission product B.

フレーム炉1の外周には、フレーム炉1の内面が200℃以上になるように加温できる外部ヒーター22が備え付けられている。ジルコニウム回収部2は例えば筒状の形状をしており、フレーム炉1の内面を覆うように設置されている。また、ジルコニウム回収部2は温度調整が可能な内部ヒーター(図示せず)を有している。   An outer heater 22 that can heat the inner surface of the frame furnace 1 to 200 ° C. or higher is provided on the outer periphery of the frame furnace 1. The zirconium recovery part 2 has, for example, a cylindrical shape and is installed so as to cover the inner surface of the frame furnace 1. Further, the zirconium recovery unit 2 has an internal heater (not shown) capable of adjusting the temperature.

次に、ジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法の手順を述べる。フレーム炉1は外部ヒーター22により200℃以上に加温されている。また、ジルコニウム回収部2の温度を図示せぬ内部ヒーターにより200〜550℃にしておく。この温度条件の下で、フレーム炉1の上部よりジルコニウムを含む使用済燃料(以下単に混合物という)3とフッ素ガス4を供給する。混合物3とフッ素ガス4は、反応熱を発して急速に反応する。この時、反応熱により高温の反応場であるフレーム5が形成される。フレーム5の温度は1200〜1600℃である。   Next, the procedure of the processing method of the spent fuel containing zirconium will be described. The flame furnace 1 is heated to 200 ° C. or more by an external heater 22. The temperature of the zirconium recovery unit 2 is set to 200 to 550 ° C. by an internal heater (not shown). Under this temperature condition, spent fuel (hereinafter simply referred to as a mixture) 3 and fluorine gas 4 containing zirconium are supplied from the upper part of the flame furnace 1. The mixture 3 and the fluorine gas 4 generate reaction heat and react rapidly. At this time, the frame 5 which is a high temperature reaction field is formed by the reaction heat. The temperature of the flame | frame 5 is 1200-1600 degreeC.

この温度条件において、フレーム炉1内での混合物3とフッ素ガス4の反応により、図9に示されるフッ化物が生成される。図9には、左からフッ化物の種類(分類)101、フッ化物の化学式102、沸点103を記載している。またフッ化物の種類101としては、フッ化物の成分が主に核燃料物質であるウランのフッ化物A、揮発性フッ化核分裂生成物B、不揮発性フッ化核分裂生成物C、被覆管の主成分であるジルコニウムの化合物(フッ化ジルコニウム)Dに分類できる。   Under this temperature condition, the fluoride shown in FIG. 9 is generated by the reaction of the mixture 3 and the fluorine gas 4 in the flame furnace 1. In FIG. 9, the type (classification) 101 of fluoride, the chemical formula 102 of fluoride, and the boiling point 103 are described from the left. Also, as the type 101 of fluoride, the main component of fluoride is the uranium fluoride A, which is a nuclear fuel material, volatile fluorofission product B, non-volatile fluorofission product C, and cladding tube. It can be classified into a compound of zirconium (zirconium fluoride) D.

ここで、各種類でのフッ化物の化学式102並びにその沸点103は図示したとおりであり、詳細な説明を省略するが、要するに分類されたフッ化物の種類101ごとに沸点103が顕著に相違する。   Here, the chemical formula 102 and the boiling point 103 of the fluoride in each type are as illustrated, and detailed description thereof is omitted. However, the boiling point 103 is remarkably different for each type 101 of the classified fluorides.

この結果、沸点が低い核燃料物質A(UF)と、揮発性FPフッ化物(B)は、フレーム炉1の内部では凝縮せず、下部の固体貯留室20に設けられた通気口21から気体として回収される。回収した核燃料物質A(UF)と揮発性フッ化核分裂生成物(B)は、ウラン精製工程で処理して高純度のUFを得て、再び核燃料物質として使用することもできる。また、ウラン精製工程として、例えば吸着材(フッ化ナトリウムやフッ化マグネシウム等)が充填された吸着塔へ核燃料物質A(UF)と、揮発性FPフッ化核分裂生成物(B)を流通させて揮発性フッ化核分裂生成物を吸着材に吸着させる方法がある。 As a result, the nuclear fuel material A (UF 6 ) and the volatile FP fluoride (B) having a low boiling point do not condense inside the flame furnace 1, and gas is emitted from the vent 21 provided in the lower solid storage chamber 20. As recovered. The recovered nuclear fuel material A (UF 6 ) and the volatile fluorinated fission product (B) can be treated in a uranium purification process to obtain high-purity UF 6 and used again as nuclear fuel material. Also, as a uranium purification step, for example, nuclear fuel material A (UF 6 ) and volatile FP fluorinated fission product (B) are circulated through an adsorption tower packed with an adsorbent (sodium fluoride, magnesium fluoride, etc.). There is a method of adsorbing volatile fluorinated fission products on an adsorbent.

一方、フッ化ジルコニウムD(ZrF)は、高温のフレーム5において昇華し、一時的にガス状となる。ZrFガスは、フレーム炉1内に拡散し、そしてフレーム5よりも低温のジルコニウム回収部2へ近づくと冷却される。ZrFガスは、ここで固体として凝縮して、ジルコニウム回収部2に付着する。 On the other hand, zirconium fluoride D (ZrF 4 ) sublimates in the high-temperature frame 5 and temporarily becomes gaseous. The ZrF 4 gas diffuses into the flame furnace 1 and is cooled when approaching the zirconium recovery unit 2 having a temperature lower than that of the flame 5. The ZrF 4 gas is condensed here as a solid and adheres to the zirconium recovery part 2.

最後に、不揮発性フッ化核分裂生成物Cに分類されるフッ化物についてみると、このうち沸点が高い(2000度台)YF、BaF、SmF、SrFは、フレーム5において固体のままであり、そのままフレーム炉1の下部に設けられた固体貯留室2へ落下して回収される。 Finally, regarding fluorides classified as non-volatile fluorinated fission products C, YF 3 , BaF 2 , SmF 3 , and SrF 2 having a high boiling point (on the order of 2000 degrees) remain solid in the frame 5. It falls into the solid storage chamber 2 provided in the lower part of the flame furnace 1 as it is, and is collect | recovered.

また不揮発性フッ化核分裂生成物Cのうち、沸点が800度から1400度台であるSnF、CsF、RbFは、その一部がフレーム5において揮発すると考えられる。しかし、フッ化ジルコニウムD(ZrF)の昇華点(600度)よりも沸点が高いため、ジルコニウム回収部2で回収される量は少ない。つまり、フレーム5で揮発したSnF、CsF、RbFは、ジルコニウム回収部2に近づくに従い温度環境が低下し、その昇華点(例えばSnFでは850度)以下となったところで固体になり落下してしまうので、ジルコニウム回収部2にまで到達することは少ないと考えられる。 In addition, among the non-volatile fluorinated fission products C, SnF 4 , CsF, and RbF having a boiling point in the range of 800 to 1400 degrees are considered to partially volatilize in the frame 5. However, since the boiling point is higher than the sublimation point (600 degrees) of zirconium fluoride D (ZrF 4 ), the amount recovered by the zirconium recovery unit 2 is small. That is, SnF 4 , CsF, and RbF that have volatilized in the frame 5 decrease in temperature environment as they approach the zirconium recovery unit 2, and become solid and fall when their sublimation point (for example, 850 degrees for SnF 4 ) or less. Therefore, it is considered that the zirconium recovery part 2 is rarely reached.

そのため、SnF、CsF、RbFは、最終的には凝縮してフレーム炉1の下部に設けられた固体貯留室2へ落下して回収されると考えられる。なお、フレーム炉1の下部の固体貯留室20で回収された不揮発性フッ化核分裂生成物(C)は高温加水分解により酸化物に転換された後、ガラス固化処理される。 Therefore, it is considered that SnF 4 , CsF, and RbF are finally condensed and recovered by dropping into the solid storage chamber 2 provided at the lower part of the frame furnace 1. Note that the non-volatile fluorinated fission product (C) recovered in the solid storage chamber 20 in the lower part of the frame furnace 1 is converted into an oxide by high-temperature hydrolysis and then vitrified.

以上の手順により混合物3は、ウラン(A)とジルコニウム(D)と核分裂生成物(B,C)に大別される。なお、ジルコニウム回収部2に回収されたZrFは、フレーム炉1を開封してジルコニウム回収部2を外部に取り出した後、機械的に剥ぎ取ることで個別に回収する。もしくはジルコニウム回収部2を600℃以上に加熱して、付着しているZrFを揮発させて分離してもよい。もしくは、後述する塩化物ガス(例えばBClやSiCl)を使用する方法、つまりフレーム炉1に塩化物ガスを供給してZrFをZrClに転換し、350℃以上で揮発して回収してもよい。 The mixture 3 is roughly divided into uranium (A), zirconium (D), and fission products (B, C) by the above procedure. The ZrF 4 recovered in the zirconium recovery unit 2 is recovered individually by opening the frame furnace 1 and taking out the zirconium recovery unit 2 to the outside and then mechanically peeling it off. Or by heating the zirconium recovery unit 2 to 600 ° C. or higher, it may be separated by evaporation of the ZrF 4 adhering. Alternatively, a method using a chloride gas (for example, BCl 3 or SiCl 4 ) described later, that is, supplying the chloride gas to the flame furnace 1 to convert ZrF 4 to ZrCl 4 and volatilizing and recovering at 350 ° C. or higher. May be.

図2は、図1の処理装置30の各部(フレーム5、ジルコニウム回収部2、固体貯留室20)とその機能、および各部における各種物質の状態を纏めたものである。この図は、左側から処理装置30の各部201、各部における各種物質の状態202、各部の機能203を記述している。   FIG. 2 summarizes each part (frame 5, zirconium recovery part 2, solid storage chamber 20) of the processing apparatus 30 of FIG. 1, its function, and the state of various substances in each part. This figure describes each part 201 of the processing apparatus 30, the state 202 of various substances in each part, and the function 203 of each part from the left side.

これによれば、フレーム5内では混合物3(ジルコニウムを含む使用済燃料)は、核燃料物質A,揮発性フッ化核分裂生成物B,不揮発性フッ化核分裂生成物C,フッ化ジルコニウムDとして存在する。核燃料物質Aと揮発性フッ化核分裂生成物Bとフッ化ジルコニウムDと一部の不揮発性フッ化核分裂生成物Cはガス状であり、一部の不揮発性フッ化核分裂生成物Cは固体である。この状態は、フレーム5においてジルコニウム化合物(フッ化物)の昇華温度以上の温度環境としたことで実現されている。   According to this, in the frame 5, the mixture 3 (spent fuel containing zirconium) exists as nuclear fuel material A, volatile fluorinated fission product B, non-volatile fluorinated fission product C, and zirconium fluoride D. . Nuclear fuel material A, volatile fluorinated fission product B, zirconium fluoride D and some non-volatile fluorinated fission products C are gaseous, and some non-volatile fluorinated fission products C are solid. . This state is realized by setting the temperature environment to be higher than the sublimation temperature of the zirconium compound (fluoride) in the frame 5.

次にジルコニウム回収部2では、フッ化ジルコニウムDが固体として吸着される。この状態は、ジルコニウム回収部2においてジルコニウム化合物(フッ化物)の昇華温度以下の温度環境としたことで、実現されている。   Next, in the zirconium recovery part 2, zirconium fluoride D is adsorbed as a solid. This state is realized by setting the temperature environment below the sublimation temperature of the zirconium compound (fluoride) in the zirconium recovery unit 2.

最後に固体貯留室20では、ガス状の核燃料物質Aと揮発性フッ化核分裂生成物Bが通気口21から取り出される。また途中段階が気体、固体のいずれの状態であっても最終的に不揮発性フッ化核分裂生成物Cが固体として落下し、固体貯留室20に貯留される。   Finally, in the solid storage chamber 20, the gaseous nuclear fuel material A and the volatile fluorinated fission product B are taken out from the vent 21. In addition, the non-volatile fluorinated fission product C eventually falls as a solid and is stored in the solid storage chamber 20 regardless of whether the intermediate stage is in a gas or solid state.

このように、本発明ではジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境と、ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境を処理装置内に作ることで、混合物3をウラン(A)とジルコニウム(D)と核分裂生成物(B,C)に大別することを可能にしている。   Thus, in the present invention, the mixture 3 is made into uranium (A), zirconium (D), and nuclear fission by creating in the processing apparatus a temperature environment higher than the sublimation temperature of the zirconium compound and a temperature environment lower than the sublimation temperature of the zirconium compound. The product (B, C) can be roughly divided.

図3は、他の実施形態に係る処理装置31の断面の模式図である。図3に示されるフレーム炉型の処理装置31では、ジルコニウム回収部2が固体貯留室2内に設置されている。この例では特にジルコニウム回収部2が、六フッ化ウランUFガスAと揮発性フッ化核分裂生成物Bを回収する通気口21の近傍に設置されている。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a processing apparatus 31 according to another embodiment. In the flame furnace type processing apparatus 31 shown in FIG. 3, the zirconium recovery unit 2 is installed in the solid storage chamber 2. In this example, in particular, the zirconium recovery unit 2 is installed in the vicinity of the vent 21 for recovering the uranium hexafluoride UF 6 gas A and the volatile fluorinated fission product B.

この実施例2も、ジルコニウム化合物としてフッ化ジルコニウムの昇華点(600℃)が不揮発性核分裂生成物の沸点に比べて低いことに着目したものである。   This Example 2 also pays attention to the fact that the sublimation point (600 ° C.) of zirconium fluoride as the zirconium compound is lower than the boiling point of the nonvolatile fission product.

この構造の処理装置31では、第1段階としてフレーム炉1は外部ヒーター22により200℃以上に加温されている。但し、ジルコニウム回収部2の温度は常温のままとされている。この状態で、フレーム炉1の上部よりジルコニウムを含む使用済燃料3とフッ素ガス4を供給する。混合物3とフッ素ガス4は、反応熱を発して急速に反応する。この時、反応熱により高温の反応場であるフレーム5が形成される。フレーム5の温度は1200〜1600℃である。   In the processing apparatus 31 having this structure, the flame furnace 1 is heated to 200 ° C. or more by the external heater 22 as the first stage. However, the temperature of the zirconium collection | recovery part 2 is made into normal temperature. In this state, spent fuel 3 containing zirconium and fluorine gas 4 are supplied from the upper part of the flame furnace 1. The mixture 3 and the fluorine gas 4 generate reaction heat and react rapidly. At this time, the frame 5 which is a high temperature reaction field is formed by the reaction heat. The temperature of the flame | frame 5 is 1200-1600 degreeC.

この温度条件において、フレーム炉1内での混合物3とフッ素ガス4の反応により、図9に示すフッ化物が生成される。具体的にはフレーム5の部分で、気体状のウランのフッ化物Aと気体状の揮発性フッ化核分裂生成物Bと気体状のフッ化ジルコニウムDと、固体状の不揮発性フッ化核分裂生成物Cに分類される。   Under this temperature condition, the fluoride shown in FIG. 9 is generated by the reaction of the mixture 3 and the fluorine gas 4 in the flame furnace 1. Specifically, in the frame 5 portion, gaseous uranium fluoride A, gaseous volatile fluorinated fission product B, gaseous zirconium fluoride D, and solid nonvolatile fluorinated fission product Classified as C.

本処理装置31を用いて混合物3をフッ素ガス4と反応させる場合、これらの物質のうちUFガスAと不揮発性フッ化核分裂生成物Bは、図1と同様に気体として通気口21から回収される。また、不揮発性フッ化核分裂生成物Cも、図1と同様に最終的にはフレーム炉1の下部に設けられた固体貯留室2へ落下して回収される。 In the case where the mixture 3 is reacted with the fluorine gas 4 using the processing apparatus 31, the UF 6 gas A and the non-volatile fluorinated fission product B among these substances are recovered from the vent 21 as gas as in FIG. Is done. Further, the non-volatile fluorinated fission product C is finally recovered by dropping into the solid storage chamber 2 provided at the lower part of the frame furnace 1 as in FIG.

これに対しこの処理方式では、フッ化ジルコニウムD(ZrF)は、フレーム5で一時的に揮発するが、フレーム炉1の炉壁の近傍へ拡散するに従って冷却されて凝縮し、不揮発性フッ化核分裂生成物Cとともにフレーム炉1の下部に設けられた固体貯留室2へ落下し、固体として回収される。 On the other hand, in this processing method, zirconium fluoride D (ZrF 4 ) is volatilized temporarily in the frame 5, but is cooled and condensed as it diffuses to the vicinity of the furnace wall of the flame furnace 1, and nonvolatile fluoride It falls into the solid storage chamber 2 provided in the lower part of the flame furnace 1 together with the fission product C, and is recovered as a solid.

このままでは、フッ化ジルコニウムD(ZrF)と不揮発性フッ化核分裂生成物Cは区別されないまま、フレーム炉1の下部に設けられた固体貯留室2へ落下貯留することになるので、第2段階ではこれを分離する。 In this state, the zirconium fluoride D (ZrF 4 ) and the non-volatile fluorinated fission product C are dropped and stored in the solid storage chamber 2 provided in the lower part of the frame furnace 1 without being distinguished from each other. Let's separate this.

具体的には、混合物3とフッ素ガス4の供給を停止した後、ジルコニウム回収部2の温度が、それ以前には常温であったものを、600℃以下程度まで加温する。次いで、固体として回収されたフッ化ジルコニウムZrFと不揮発性核分裂生成物Cを600〜800℃に加温する。するとフッ化ジルコニウムZrFは揮発し、ジルコニウム回収部2において冷却されて凝縮し、不揮発性核分裂生成物Cと分離される。 Specifically, after the supply of the mixture 3 and the fluorine gas 4 is stopped, the temperature of the zirconium recovery unit 2 that has been normal at that time is heated to about 600 ° C. or less. Next, the zirconium fluoride ZrF 4 and the non-volatile fission product C recovered as a solid are heated to 600 to 800 ° C. Then, the zirconium fluoride ZrF 4 is volatilized, cooled and condensed in the zirconium recovery unit 2, and separated from the non-volatile fission product C.

図4は、図3の処理装置31の各部(フレーム5、ジルコニウム回収部2、固体貯留室20)とその機能、および各部における各種物質の状態を纏めたものである。この図は、左側から処理装置31の各部301、各部における各種物質の状態302、各部の機能303を記述している。   FIG. 4 summarizes each part (frame 5, zirconium recovery part 2, solid storage chamber 20) and its function of the processing apparatus 31 of FIG. 3, and states of various substances in each part. This figure describes each part 301 of the processing apparatus 31, the state 302 of various substances in each part, and the function 303 of each part from the left side.

これによれば、フレーム5内では混合物3(ジルコニウムを含む使用済燃料)は、核燃料物質A,揮発性フッ化核分裂生成物B,不揮発性フッ化核分裂生成物C,フッ化ジルコニウムDとして存在する。核燃料物質Aと揮発性フッ化核分裂生成物Bとフッ化ジルコニウムDと一部の不揮発性フッ化核分裂生成物Cはガス状であり、一部の不揮発性フッ化核分裂生成物Cは固体である。この状態は、フレーム5においてジルコニウム化合物(フッ化物)の昇華温度以上の温度環境としたことで実現されている。   According to this, in the frame 5, the mixture 3 (spent fuel containing zirconium) exists as nuclear fuel material A, volatile fluorinated fission product B, non-volatile fluorinated fission product C, and zirconium fluoride D. . Nuclear fuel material A, volatile fluorinated fission product B, zirconium fluoride D and some non-volatile fluorinated fission products C are gaseous, and some non-volatile fluorinated fission products C are solid. . This state is realized by setting the temperature environment to be higher than the sublimation temperature of the zirconium compound (fluoride) in the frame 5.

このとき固体貯留室20では、ガス状の核燃料物質Aと揮発性フッ化核分裂生成物Bが通気口21から取り出される。また途中段階が気体、固体のいずれの状態であっても最終的に不揮発性フッ化核分裂生成物Cが固体として落下し、固体貯留室20に貯留される。同時にフッ化ジルコニウムDも気体状態から固体に変化して落下し、固体貯留室20に貯留される。   At this time, in the solid storage chamber 20, the gaseous nuclear fuel material A and the volatile fluorinated fission product B are taken out from the vent 21. In addition, the non-volatile fluorinated fission product C eventually falls as a solid and is stored in the solid storage chamber 20 regardless of whether the intermediate stage is in a gas or solid state. At the same time, zirconium fluoride D also changes from a gas state to a solid and falls and is stored in the solid storage chamber 20.

第2段階では、混合物3とフッ素ガス4の供給を停止した後、ジルコニウム回収部2の温度が、それ以前には常温であったものを、600℃以下程度まで加温する。次いで、固体として回収されたZrFと不揮発性核分裂生成物Cを600〜800℃に加温する。 In the second stage, after the supply of the mixture 3 and the fluorine gas 4 is stopped, the temperature of the zirconium recovery unit 2 that has been a normal temperature before that is heated to about 600 ° C. or less. Next, ZrF 4 and the non-volatile fission product C recovered as a solid are heated to 600 to 800 ° C.

このとき、固体として回収されたZrFと不揮発性核分裂生成物Cは、再度ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境に置かれることになり、ZrF(D)が昇華し、その後ジルコニウム回収部2において、フッ化ジルコニウムDが吸着される。この吸着状態は、ジルコニウム回収部2においてジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境としたことで、実現されている。 At this time, ZrF 4 and the non-volatile fission product C recovered as solids are again placed in a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound, and ZrF 4 (D) is sublimated, and then the zirconium recovery unit 2 , Zirconium fluoride D is adsorbed. This adsorption state is realized by setting the temperature environment below the sublimation temperature of the zirconium compound in the zirconium recovery part 2.

図4を図2と比較すると、図4ではジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境が2回構築されているがいずれの場合にも、本発明ではジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境と、ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境を処理装置内に作ることで、混合物3をウラン(A)とジルコニウム(D)と核分裂生成物(B,C)に大別することを可能にしている。   4 is compared with FIG. 2, in FIG. 4, the temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound is constructed twice. By creating a temperature environment below the sublimation temperature of the compound in the processing apparatus, the mixture 3 can be roughly divided into uranium (A), zirconium (D), and fission products (B, C).

以下、本発明の実施形態の他の一例を図5に基づいて説明する。図5は本発明の処理装置32の断面図である。処理装置32は、バッチ式フッ化装置10で形成され、その内部にジルコニウム回収部2、台座11が設置された構成となっている。   Hereinafter, another example of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of the processing apparatus 32 of the present invention. The processing device 32 is formed of the batch type fluorination device 10 and has a configuration in which the zirconium recovery unit 2 and the pedestal 11 are installed.

この実施例3も、ジルコニウム化合物としてフッ化ジルコニウムの昇華点(600℃)が不揮発性核分裂生成物の沸点に比べて低いことに着目したものである。   This Example 3 also pays attention to the fact that the sublimation point (600 ° C.) of zirconium fluoride as a zirconium compound is lower than the boiling point of the nonvolatile fission product.

バッチ式フッ化装置10は円筒の形状をしており、その外部にはバッチ式フッ化装置10の内面温度を上昇できる外部ヒーター22が備え付けられている。   The batch-type fluorination apparatus 10 has a cylindrical shape, and an external heater 22 that can increase the inner surface temperature of the batch-type fluorination apparatus 10 is provided outside the batch-type fluorination apparatus 10.

バッチ式フッ化装置10の内部には、コリウムなどの混合物(燃料被覆管のジルコニウムと混合した使用済燃料)3を乗せる台座11が備えられている。台座11には温度調整が可能な内部ヒーター(図示せず)が備え付けられており、コリウムなどの混合物3を加熱する。   Inside the batch type fluorination apparatus 10 is provided a pedestal 11 on which a mixture 3 (spent fuel mixed with zirconium in the fuel cladding tube) 3 such as corium is placed. The pedestal 11 is provided with an internal heater (not shown) capable of adjusting the temperature, and heats the mixture 3 such as corium.

バッチ式フッ化装置10の底面にはフッ素ガス4を供給する通気口が備えられ、上部にはUFガスAと揮発性フッ化核分裂生成物Bを回収する通気口21が備えられている。 A vent for supplying the fluorine gas 4 is provided on the bottom of the batch fluorination apparatus 10, and a vent 21 for collecting the UF 6 gas A and the volatile fluorinated fission product B is provided on the top.

ジルコニウム回収部2は、筒状の形状をしており、バッチ式フッ化装置10の内面を覆うように設置されている。また、ジルコニウム回収部2は温度調整が可能な内部ヒーター(図示せず)を有している。   The zirconium recovery unit 2 has a cylindrical shape and is installed so as to cover the inner surface of the batch type fluorination apparatus 10. Further, the zirconium recovery unit 2 has an internal heater (not shown) capable of adjusting the temperature.

次に、ジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法の手順を述べる。バッチ式フッ化装置10の内部の台座11の上に混合物3を置く。この状態で、処理装置32の各部を以下の温度環境とする。   Next, the procedure of the processing method of the spent fuel containing zirconium will be described. The mixture 3 is placed on the pedestal 11 inside the batch fluorination apparatus 10. In this state, each part of the processing device 32 is set to the following temperature environment.

まず、バッチ式フッ化装置10の外部ヒーター22により、バッチ式フッ化装置10の面温度を200℃以上とする。また、台座11の図示せぬ内部ヒーターにより、台座11上の混合物を600〜800℃に加温する。また、ジルコニウム回収部2の温度を図示せぬ内部ヒーターにより200〜550℃にしておく。   First, the surface temperature of the batch fluorination apparatus 10 is set to 200 ° C. or higher by the external heater 22 of the batch fluorination apparatus 10. Further, the mixture on the pedestal 11 is heated to 600 to 800 ° C. by an internal heater (not shown) of the pedestal 11. The temperature of the zirconium recovery unit 2 is set to 200 to 550 ° C. by an internal heater (not shown).

図3の場合に、上記の温度環境条件が、図1のそれと同じであることが明らかである。台座11上の混合物の温度600〜800℃は、ジルコニウム化合物の昇華温度以上であり、ジルコニウム回収部2の温度200〜550℃は、ジルコニウム化合物の昇華温度以下である。このため、この温度条件化で次にフッ素ガス4をバッチ式フッ化装置10へ供給すると、混合物3とフッ素ガス4の反応により、実施例1などと同様に図9に示されるフッ化物が生成される。   In the case of FIG. 3, it is clear that the above-mentioned temperature environment conditions are the same as those of FIG. The temperature 600 to 800 ° C. of the mixture on the pedestal 11 is not less than the sublimation temperature of the zirconium compound, and the temperature 200 to 550 ° C. of the zirconium recovery part 2 is not more than the sublimation temperature of the zirconium compound. For this reason, when the fluorine gas 4 is next supplied to the batch type fluorination apparatus 10 under this temperature condition, the fluoride shown in FIG. 9 is generated by the reaction of the mixture 3 and the fluorine gas 4 as in the first embodiment. Is done.

図9のフッ化物のうち、六フッ化ウランUF(A)と、揮発性フッ化核分裂生成物Bの沸点は低いため、バッチ式フッ化装置10の内部では凝縮せず、気体として通気口21から回収される。その後の処理については図1と同様に、回収した六フッ化ウランUF(A)と、揮発性フッ化核分裂生成物Bをウラン精製工程で処理して高純度の六フッ化ウランUFを得て、再び核燃料物質として使用することもできる。 Among the fluorides in FIG. 9, uranium hexafluoride UF 6 (A) and the volatile fluorinated fission product B have low boiling points, so they do not condense inside the batch fluorination apparatus 10 and are vented as gas. 21 is recovered. As for the subsequent treatment, the recovered uranium hexafluoride UF 6 (A) and the volatile fluorinated fission product B are treated in the uranium purification step to obtain high-purity uranium hexafluoride UF 6 as in FIG. It can also be used again as nuclear fuel material.

フッ化ジルコニウムD(ZrF)は、混合物3とフッ素ガス4の反応部(台座11の上)において一時的にガスとなる。フッ化ジルコニウムZrFガスは拡散してジルコニウム回収部2へ接触すると、固体として凝縮する。尚この場合には、不揮発性フッ化核分裂生成物Cは沸点が高く、固体のまま台座11の上に残る。 Zirconium fluoride D (ZrF 4 ) temporarily becomes a gas in the reaction part (on the pedestal 11) of the mixture 3 and the fluorine gas 4. When the zirconium fluoride ZrF 4 gas diffuses and comes into contact with the zirconium recovery part 2, it is condensed as a solid. In this case, the non-volatile fluorinated fission product C has a high boiling point and remains on the pedestal 11 as a solid.

上記処理後、フッ素ガス4の供給を停止した後にバッチ式フッ化装置10を開封し、不揮発性フッ化核分裂生成物Cが回収される。また図1と同様に不揮発性フッ化核分裂生成物は高温加水分解により酸化物に転換された後、ガラス固化処理される。   After the above treatment, after the supply of the fluorine gas 4 is stopped, the batch fluorination apparatus 10 is opened, and the nonvolatile fluorinated fission product C is recovered. Similarly to FIG. 1, the non-volatile fluorinated fission product is converted into an oxide by high-temperature hydrolysis and then vitrified.

以上の手順によりジルコニウムを含む使用済燃料は、ウランとジルコニウムと核分裂生成物に大別される。図1と同様にジルコニウム回収部2に回収されたフッ化ジルコニウムZrF(D)は、バッチ式フッ化装置10を開封してジルコニウム回収部2を外部に取り出した後、機械的に剥ぎ取ることで個別に回収される、もしくは加熱により揮発させて回収される。もしくは、塩化物ガス(例えばBClやSiCl)を使用する方法で、ZrClとして揮発して回収される。 Spent fuel containing zirconium is roughly divided into uranium, zirconium and fission products by the above procedure. The zirconium fluoride ZrF 4 (D) recovered in the zirconium recovery unit 2 as in FIG. 1 is mechanically peeled off after opening the batch type fluorination apparatus 10 and taking out the zirconium recovery unit 2 to the outside. It is collected individually by the above, or it is recovered by volatilization by heating. Alternatively, it is volatilized and recovered as ZrCl 4 by a method using a chloride gas (for example, BCl 3 or SiCl 4 ).

図6は、図5の処理装置32の各部(台座11、ジルコニウム回収部2、通気口21)とその機能、および各部における各種物質の状態を纏めたものである。この図は、左側から処理装置32の各部401、各部における各種物質の状態402、各部の機能403を記述している。   FIG. 6 summarizes each part (the pedestal 11, the zirconium recovery part 2, and the vent 21) of the processing apparatus 32 of FIG. 5, its function, and the state of various substances in each part. This figure describes each part 401 of the processing apparatus 32, the state 402 of various substances in each part, and the function 403 of each part from the left side.

これによれば、台座11上の混合物3(ジルコニウムを含む使用済燃料)は、核燃料物質A,揮発性フッ化核分裂生成物B,不揮発性フッ化核分裂生成物C,フッ化ジルコニウムDとして存在する。核燃料物質Aと揮発性フッ化核分裂生成物Bとフッ化ジルコニウムDと一部の不揮発性フッ化核分裂生成物Cはガス状であり、一部の不揮発性フッ化核分裂生成物Cは固体である。この状態は、台座11においてジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境としたことで実現されている。   According to this, the mixture 3 (spent fuel containing zirconium) on the pedestal 11 exists as nuclear fuel material A, volatile fluorinated fission product B, non-volatile fluorinated fission product C, and zirconium fluoride D. . Nuclear fuel material A, volatile fluorinated fission product B, zirconium fluoride D and some non-volatile fluorinated fission products C are gaseous, and some non-volatile fluorinated fission products C are solid. . This state is realized by setting a temperature environment higher than the sublimation temperature of the zirconium compound in the base 11.

次にジルコニウム回収部2では、フッ化ジルコニウムDが吸着される。この状態は、ジルコニウム回収部2においてジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境としたことで、実現されている。   Next, zirconium fluoride D is adsorbed in the zirconium recovery part 2. This state is realized by setting the temperature environment below the sublimation temperature of the zirconium compound in the zirconium recovery unit 2.

最後にガス状の核燃料物質Aと揮発性フッ化核分裂生成物Bが通気口21から取り出される。また不揮発性フッ化核分裂生成物Cが固体として台座11上に残る。   Finally, gaseous nuclear fuel material A and volatile fluorinated fission product B are removed from the vent 21. Further, the non-volatile fluorinated fission product C remains on the pedestal 11 as a solid.

このように、本発明の図5の実施例でもジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境と、ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境を処理装置内に作ることで、混合物3をウラン(A)とジルコニウム(D)と核分裂生成物(B,C)に大別することを可能にしている。   Thus, even in the embodiment of FIG. 5 of the present invention, the mixture 3 is formed with uranium (A) by creating a temperature environment above the sublimation temperature of the zirconium compound and a temperature environment below the sublimation temperature of the zirconium compound in the processing apparatus. Zirconium (D) and fission products (B, C) can be roughly divided.

以上、実施例1,2,3について説明した。これらの事例では混合物のフッ化装置としてフレーム炉方式もしくはバッチ方式を用いる。そして、ジルコニウム化合物としてフッ化ジルコニウムの昇華点(600℃)が不揮発性核分裂生成物の沸点に比べて低いことに着目した方式である。   The examples 1, 2, and 3 have been described above. In these cases, a flame furnace system or a batch system is used as a mixture fluorination apparatus. And it is the system which paid its attention to the sublimation point (600 degreeC) of a zirconium fluoride being low compared with the boiling point of a non-volatile fission product as a zirconium compound.

これらの処理装置構成は一部相違するところもあるが、要するに内部に200〜550℃に保温されたジルコニウム回収部を設けておく。これによりジルコニウム化合物としてフッ化ジルコニウムの昇華点(600℃)以下の温度環境を作っている。   Although some of these processing apparatus configurations are different, in short, a zirconium recovery section kept at 200 to 550 ° C. is provided inside. This creates a temperature environment below the sublimation point (600 ° C.) of zirconium fluoride as the zirconium compound.

他方において、フッ素ガスと混合物の反応部の温度を600℃以上とする。この反応部は、フレームであり、台座上である。これによりジルコニウム化合物としてフッ化ジルコニウムの昇華点(600℃)以上の温度環境を作っている。このフッ化装置を用いてフッ素ガスと混合物を反応させた場合、反応部ではUFとZrF、揮発性フッ化核分裂生成物が揮発する。 On the other hand, the temperature of the reaction part of the fluorine gas and the mixture is set to 600 ° C. or higher. This reaction part is a frame and is on a pedestal. This creates a temperature environment above the sublimation point (600 ° C.) of zirconium fluoride as the zirconium compound. When fluorine gas and the mixture are reacted using this fluorination apparatus, UF 6 , ZrF 4 , and volatile fluorinated fission products are volatilized in the reaction part.

反応部で揮発したZrFはジルコニウム回収部では凝縮して回収される。UFと揮発性フッ化核分裂生成物はジルコニウム回収部の温度では凝縮しないため、気体として分離回収される。不揮発性フッ化核分裂生成物は、フレーム炉方式の場合はフレーム炉下部に落下することで固体として回収される。 ZrF 4 volatilized in the reaction part is condensed and recovered in the zirconium recovery part. Since UF 6 and volatile fluorinated fission products are not condensed at the temperature of the zirconium recovery section, they are separated and recovered as a gas. In the case of the flame furnace method, the non-volatile fluorinated fission product is recovered as a solid by dropping to the lower part of the flame furnace.

なお、バッチ方式の場合は混合物を置いた場所に残渣として残ることで固体として回収される。UFと揮発性フッ化核分裂生成物は、例えば公知の方法である吸着材に揮発性フッ化核分裂生成物を吸着させる方法や、精留する方法で分離可能である。 In the case of the batch method, it is recovered as a solid by remaining as a residue in the place where the mixture is placed. UF 6 and the volatile fluorinated fission product can be separated by, for example, a method of adsorbing the volatile fluorinated fission product to an adsorbent, which is a known method, or a rectification method.

以下、本発明の実施形態の他の一例を図7に基づいて説明する。図7は、図5の処理装置32における一部処理のあとに、同処理装置32を用いて第2段の処理を実施する。   Hereinafter, another example of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 7, after the partial processing in the processing device 32 of FIG. 5, the second-stage processing is performed using the processing device 32.

この実施例では、ジルコニウム化合物として塩化ジルコニウム(ZrCl)の昇華点(331℃)がZrFの昇華点よりも低いことに着目した。 In this example, it was noted that the sublimation point (331 ° C.) of zirconium chloride (ZrCl 4 ) as the zirconium compound was lower than the sublimation point of ZrF 4 .

図7上部に示した第1段処理では、図5で説明した処理の一部を実施する。説明が重複するが、バッチ式フッ化装置10の内部の台座11の上に混合物3を置く。この状態で、処理装置32各部を以下の温度環境とする。   In the first stage process shown in the upper part of FIG. 7, a part of the process described in FIG. 5 is performed. Although description overlaps, the mixture 3 is put on the base 11 inside the batch type fluorination apparatus 10. In this state, each part of the processing device 32 is set to the following temperature environment.

まず、バッチ式フッ化装置10の外部ヒーター22により、バッチ式フッ化装置10面温度を200℃以上とする。また台座11上の混合物3の温度を300〜600℃に加温する。また、ジルコニウム回収部2の温度を図示せぬ内部ヒーターにより200〜300℃にしておく。   First, the surface temperature of the batch fluorination apparatus 10 is set to 200 ° C. or higher by the external heater 22 of the batch fluorination apparatus 10. Moreover, the temperature of the mixture 3 on the base 11 is heated to 300-600 degreeC. The temperature of the zirconium recovery unit 2 is set to 200 to 300 ° C. by an internal heater (not shown).

次にフッ素ガス4をバッチ式フッ化装置10へ供給する。混合物3とフッ素ガス4の反応により、図9に示されるフッ化物が生成される。   Next, the fluorine gas 4 is supplied to the batch type fluorination apparatus 10. The fluoride shown in FIG. 9 is generated by the reaction of the mixture 3 and the fluorine gas 4.

図9のフッ化物のうち、六フッ化ウランUF(A)と揮発性フッ化核分裂生成物Bの沸点は低いため、バッチ式フッ化装置10の内部では凝縮せず、気体として通気口21から回収される。六フッ化ウランUF(A)と揮発性フッ化核分裂生成物Bをウラン精製工程で処理して高純度の六フッ化ウランUFを得て、再び核燃料物質として使用することもできる。 Among the fluorides in FIG. 9, uranium hexafluoride UF 6 (A) and volatile fluorinated fission product B have low boiling points, so they do not condense inside the batch type fluorination apparatus 10 and are vented as gas 21 Recovered from. Uranium hexafluoride UF 6 (A) and volatile fluorinated fission product B can be treated in a uranium purification step to obtain high-purity uranium hexafluoride UF 6 and used again as nuclear fuel material.

なお、台座11上の混合物3の温度は300〜600℃に加温された状態なので、フッ化ジルコニウムD(ZrF)は昇華することなく、フッ化核分裂生成物Cとともに、固体として台座11の上に残っている。図7上部に示した第1段処理ではここまでの処理を実施する。 In addition, since the temperature of the mixture 3 on the pedestal 11 is a state heated to 300 to 600 ° C., the zirconium fluoride D (ZrF 4 ) is not sublimated, and is solidified with the fluorinated fission product C as a solid. Remain on top. The first stage process shown in the upper part of FIG.

図7下部に示した第2段処理では、この状態でフッ素ガス4の供給を停止し、次に塩化物ガス12をバッチ式フッ化装置10へ供給する。この時、台座11の図示せぬ内部ヒーターにより台座11上の固体を350℃以上に加温しておく。塩化物ガス12としては、例えばBClやSiClを使用する。 In the second stage process shown in the lower part of FIG. 7, the supply of the fluorine gas 4 is stopped in this state, and then the chloride gas 12 is supplied to the batch type fluorination apparatus 10. At this time, the solid on the base 11 is heated to 350 ° C. or higher by an internal heater (not shown) of the base 11. As the chloride gas 12, for example, BCl 3 or SiCl 4 is used.

フッ化ジルコニウムD(ZrF)は塩化物ガス12と反応し、ジルコニウムの塩化物F(ZrCl)を生成する。ジルコニウムの塩化物F(ZrCl)と塩化物ガス12の反応部の温度は350℃以上であるので、生成したジルコニウムの塩化物F(ZrCl)は揮発する。 Zirconium fluoride D (ZrF 4 ) reacts with the chloride gas 12 to produce zirconium chloride F (ZrCl 4 ). Since the temperature of the reaction part of zirconium chloride F (ZrCl 4 ) and chloride gas 12 is 350 ° C. or higher, the generated zirconium chloride F (ZrCl 4 ) volatilizes.

ジルコニウムの塩化物F(ZrCl)ガスは拡散してジルコニウム回収部2へ接触すると、固体として凝縮する。不揮発性核分裂生成物Cは一部が塩化物ガスと反応するものの、ほとんどが不揮発性核分裂生成物化合物Cとして台座11の上に残る。 Zirconium chloride F (ZrCl 4 ) gas diffuses and comes into contact with the zirconium recovery part 2 and condenses as a solid. Although the non-volatile fission product C partially reacts with the chloride gas, most of the non-volatile fission product C remains on the pedestal 11 as the non-volatile fission product compound C.

反応で生成した廃塩化物ガス14と廃フッ化物ガス15は回収後、冷却により凝縮回収するか、活性アルミナ等の吸着材に吸着させて処理する。上記処理後、塩化物ガス12の供給を停止した後にバッチ式フッ化装置10を開封し、不揮発性核分裂生成物化合物Gが回収される。他の実施例と同様に不揮発性核分裂生成物化合物Gは高温加水分解により酸化物に転換された後、ガラス固化処理される。   The waste chloride gas 14 and the waste fluoride gas 15 generated by the reaction are recovered and then condensed and recovered by cooling or adsorbed on an adsorbent such as activated alumina for processing. After the above treatment, after the supply of the chloride gas 12 is stopped, the batch fluorination apparatus 10 is opened, and the nonvolatile fission product compound G is recovered. As in the other examples, the non-volatile fission product compound G is converted into an oxide by high-temperature hydrolysis and then vitrified.

以上の手順により混合物は、ウランとジルコニウムと核分裂生成物に大別される。他の実施例と同様にジルコニウム回収部2に回収されたジルコニウムの塩化物F(ZrCl)は、バッチ式フッ化装置10を開封してジルコニウム回収部2を外部に取り出した後、機械的に剥ぎ取ることで個別に回収される、もしくは加熱により揮発させて回収される。 According to the above procedure, the mixture is roughly divided into uranium, zirconium and fission products. Zirconium chloride F (ZrCl 4 ) recovered in the zirconium recovery unit 2 in the same manner as in the other examples was mechanically opened after the batch type fluorination apparatus 10 was opened and the zirconium recovery unit 2 was taken out. It is recovered individually by peeling off or recovered by volatilization by heating.

図7で説明した本発明の実施例は、他の実施例とは相違する部分がある。これは2段階に処理するという点もさることながら、他の実施例ではジルコニウム化合物としてフッ化ジルコニウムの昇華温度(600度)を利用して昇華(気体化)し、逆にこの温度以下とすることで固体化させていた。   The embodiment of the present invention described in FIG. 7 is different from the other embodiments. In addition to the fact that this is a two-step process, in another embodiment, the zirconium compound is sublimated (gasified) using the sublimation temperature (600 ° C.) of zirconium fluoride, and conversely below this temperature. It was solidified.

この点に関し、図7の実施例では、ジルコニウム化合物として塩化ジルコニウム(ZrCl)の昇華温度(331度)を利用した。いずれの場合であれ、本発明ではジルコニウム化合物の昇華温度の温度環境を作ることで昇華させ、あるいは固体化することで分離を行ったものである。 In this regard, in the example of FIG. 7, the sublimation temperature (331 degrees) of zirconium chloride (ZrCl 4 ) was used as the zirconium compound. In any case, in the present invention, separation is performed by sublimation or solidification by creating a temperature environment of the sublimation temperature of the zirconium compound.

図8は、図7の処理装置32の各部(台座11、ジルコニウム回収部2、通気口21)とその機能、および各部における各種物質の状態を纏めたものである。この図は、左側から処理装置32の各部501、各部における各種物質の状態502、各部の機能503を記述している。   FIG. 8 summarizes each part (the pedestal 11, the zirconium recovery part 2, and the vent 21) of the processing apparatus 32 of FIG. 7, its function, and the state of various substances in each part. This figure describes each part 501 of the processing apparatus 32, the state 502 of various substances in each part, and the function 503 of each part from the left side.

これによれば、台座11上の混合物3(ジルコニウムを含む使用済燃料)は、核燃料物質A,揮発性フッ化核分裂生成物B,不揮発性フッ化核分裂生成物C,フッ化ジルコニウムDとして存在する。ここでは、核燃料物質Aと揮発性フッ化核分裂生成物Bがガス状であり、フッ化ジルコニウムDと不揮発性フッ化核分裂生成物Cは固体である。   According to this, the mixture 3 (spent fuel containing zirconium) on the pedestal 11 exists as nuclear fuel material A, volatile fluorinated fission product B, non-volatile fluorinated fission product C, and zirconium fluoride D. . Here, the nuclear fuel material A and the volatile fluorinated fission product B are gaseous, and the zirconium fluoride D and the non-volatile fluorinated fission product C are solid.

ガス状の核燃料物質Aと揮発性フッ化核分裂生成物Bは通気口21から取り出される。ここまでがフッ素ガスを用いて化合物を形成する第一段階の処理である。   Gaseous nuclear fuel material A and volatile fluorinated fission product B are removed from vent 21. This is the first step of forming a compound using fluorine gas.

第二段階の処理では、台座11上において塩素ガスを用いて化合物を形成する。この結果、フッ化ジルコニウムDは塩化ジルコニウムFに変化する。このときに台座11上に形成される温度環境(350度以上)は、塩化ジルコニウムFの昇華温度(331度)以上であり、塩化ジルコニウムFはガス化される。このときの台座上の温度環境が、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境となる。   In the second stage treatment, a compound is formed on the pedestal 11 using chlorine gas. As a result, zirconium fluoride D changes to zirconium chloride F. At this time, the temperature environment (350 degrees or more) formed on the pedestal 11 is equal to or higher than the sublimation temperature (331 degrees) of the zirconium chloride F, and the zirconium chloride F is gasified. The temperature environment on the pedestal at this time becomes a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound.

またジルコニウム回収部2では、塩化ジルコニウムFの昇華温度(331度)以下とされているので、塩化ジルコニウムFが吸着される。この状態は、ジルコニウム回収部2においてジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境としたことで、実現されている。   In addition, since the zirconium recovery unit 2 has a sublimation temperature (331 degrees) or less of zirconium chloride F, zirconium chloride F is adsorbed. This state is realized by setting the temperature environment below the sublimation temperature of the zirconium compound in the zirconium recovery unit 2.

このように、本発明の図7の実施例でもジルコニウム化合物(塩化物)の昇華温度以上の温度環境と、ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境を処理装置内に作ることで、混合物3をウラン(A)とジルコニウム(D)と核分裂生成物(B,C)に大別することを可能にしている。   Thus, even in the embodiment of FIG. 7 of the present invention, the mixture 3 is made uranium by creating a temperature environment above the sublimation temperature of the zirconium compound (chloride) and a temperature environment below the sublimation temperature of the zirconium compound in the processing apparatus. (A), zirconium (D), and fission products (B, C) can be roughly divided.

以上説明した実施例では、混合物のフッ化装置としてバッチ方式を用い、ジルコニウム化合物として塩化ジルコニウム(ZrCl)の昇華点(331℃)がZrFの昇華点よりも低いことに着目した。 In the embodiment described above, a batch system was used as a fluorination apparatus for the mixture, and it was noted that the sublimation point (331 ° C.) of zirconium chloride (ZrCl 4 ) as the zirconium compound was lower than the sublimation point of ZrF 4 .

そして、フッ化装置内に200〜300℃に保温されたジルコニウム回収部を設けておく。フッ素ガスと混合物の反応部の温度を300℃以上とする。この図7方式は、図1などの方式よりも、フッ化反応の温度を低くできる利点がある。   And the zirconium collection | recovery part kept at 200-300 degreeC in the fluorination apparatus is provided. The temperature of the reaction part of the fluorine gas and the mixture is set to 300 ° C. or higher. This method of FIG. 7 has an advantage that the temperature of the fluorination reaction can be lowered than the method of FIG.

このフッ化装置を用いてフッ素ガスと混合物を反応させた場合、反応部ではUFと揮発性フッ化核分裂生成物が揮発する。UFと揮発性フッ化核分裂生成物はジルコニウム回収部の温度では凝縮しないため、気体として分離回収される。 When fluorine gas and the mixture are reacted using this fluorination apparatus, UF 6 and volatile fluorinated fission products are volatilized in the reaction part. Since UF 6 and volatile fluorinated fission products are not condensed at the temperature of the zirconium recovery section, they are separated and recovered as a gas.

このとき、フッ化装置の内部にはZrFと不揮発性フッ化核分裂生成物が固体として残っている。UFと揮発性フッ化核分裂生成物は、例えば吸着材に揮発性フッ化核分裂生成物を吸着させることで分離可能である。 At this time, ZrF 4 and the non-volatile fluorinated fission product remain as solids inside the fluorination apparatus. The UF 6 and the volatile fluorinated fission product can be separated, for example, by adsorbing the volatile fluorinated fission product on the adsorbent.

次に、フッ化装置内に塩化物ガスを供給する。塩化物ガスの種類としては塩化ホウ素(BCl)と塩化ケイ素(SiCl)がある。塩化物フッ素ガスとZrF・揮発性フッ化核分裂生成物の反応部の温度を350〜600℃とする。塩化物ガスを供給するとZrFと反応してZrClが生成する。反応部の温度はZrClの昇華点以上なのでZrClは揮発し、ジルコニウム回収部で凝縮回収される。 Next, a chloride gas is supplied into the fluorination apparatus. Types of chloride gas include boron chloride (BCl 3 ) and silicon chloride (SiCl 4 ). The temperature of the reaction part of chloride fluorine gas and ZrF 4 · volatile fluorinated fission product is set to 350 to 600 ° C. When chloride gas is supplied, it reacts with ZrF 4 to produce ZrCl 4 . Since the temperature of the reaction part is higher than the sublimation point of ZrCl 4 , ZrCl 4 volatilizes and is condensed and recovered by the zirconium recovery part.

1:フレーム炉
2:ジルコニウム回収部
3:混合物(燃料被覆管のジルコニウムと混合した使用済燃料)
4:フッ素ガス
5:フレーム
10:バッチ式フッ化装置
11:台座
12:塩化物ガス
20:固体貯留室
21:通気口
22:外部ヒーター
30,31,32:処理装置
101,201,301,401,501:フッ化物の種類(分類)
102,202,302,402,502:フッ化物の化学式
103,203,303,403,503:沸点
A:六フッ化ウランUFガス
B:揮発性フッ化核分裂生成物
C:不揮発性フッ化核分裂生成物
D:フッ化ジルコニウム(ZrF
F:塩化ジルコニウム(ZrCl
1: Flame furnace 2: Zirconium recovery part 3: Mixture (spent fuel mixed with zirconium in fuel cladding)
4: Fluorine gas 5: Frame 10: Batch type fluorination device 11: Pedestal 12: Chloride gas 20: Solid storage chamber 21: Vent 22: External heaters 30, 31, 32: Processing devices 101, 201, 301, 401 , 501: Types of fluoride (classification)
102, 202, 302, 402, 502: Chemical formulas of fluoride 103, 203, 303, 403, 503: Boiling point A: Uranium hexafluoride UF 6 gas B: Volatile fluorinated fission product C: Nonvolatile fluorinated fission Product D: Zirconium fluoride (ZrF 4 )
F: Zirconium chloride (ZrCl 4 )

Claims (15)

ジルコニウムを含む使用済燃料を、核燃料物質と、ジルコニウムと、核分裂生成物に分離するためのジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置において、
ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境を前記処理装置内に得るための加熱手段と、前記ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境とされ、揮発したジルコニウム化合物を凝縮して回収するジルコニウム回収部と、前記ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境で残存した個体を貯留する固体貯留部と、気体を回収する為の通気口とを備えたジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置。
In a spent fuel processing apparatus containing zirconium for separating spent fuel containing zirconium into nuclear fuel material, zirconium and fission products,
A heating means for obtaining a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound in the processing apparatus; and a zirconium recovery portion that is a temperature environment equal to or lower than the sublimation temperature of the zirconium compound and condenses and recovers the volatilized zirconium compound; An apparatus for treating spent fuel containing zirconium, comprising a solid reservoir for storing solids remaining in a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound, and a vent for collecting gas.
請求項1に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置において、
前記加熱手段は、ジルコニウムを含む使用済燃料をフッ素ガスと反応させてフレームを形成させるための第1の加熱手段を含むことを特徴とするジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置。
In the processing apparatus of the spent fuel containing the zirconium according to claim 1,
The said heating means includes the 1st heating means for making the spent fuel containing zirconium react with fluorine gas, and forming a flame | frame, The processing apparatus of the spent fuel containing zirconium characterized by the above-mentioned.
請求項1に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置において、
前記加熱手段は、ジルコニウムを含む使用済燃料をフッ素ガスと反応させてフレームを形成させるための第1の加熱手段と、前記固体貯留部の固体を前記ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度に加熱する為の第2の加熱手段とを備えることを特徴とするジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置。
In the processing apparatus of the spent fuel containing the zirconium according to claim 1,
The heating means heats the solid in the solid reservoir to a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound by reacting spent fuel containing zirconium with fluorine gas to form a frame. And a second heating means for processing the spent fuel containing zirconium.
請求項1に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置において、
前記加熱手段は、ジルコニウムを含む使用済燃料を載置する台座を備え、台座上でフッ素ガスと反応させるときにジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境を得るための第3の加熱手段を備えることを特徴とするジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置。
In the processing apparatus of the spent fuel containing the zirconium according to claim 1,
The heating means includes a pedestal on which spent fuel containing zirconium is placed, and third heating means for obtaining a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound when reacting with fluorine gas on the pedestal. An apparatus for treating spent fuel containing zirconium.
請求項1に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置において、
前記加熱手段は、ジルコニウムを含む使用済燃料を載置する台座を備え、台座上でフッ素ガスと反応させた後に、塩素ガスと反応させるときにジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境を得るための第4の加熱手段を備えることを特徴とするジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置。
In the processing apparatus of the spent fuel containing the zirconium according to claim 1,
The heating means includes a pedestal on which spent fuel containing zirconium is placed, and after reacting with fluorine gas on the pedestal, for obtaining a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound when reacted with chlorine gas. A processing apparatus for spent fuel containing zirconium, comprising a fourth heating means.
請求項1に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置において、
ジルコニウム化合物は、フッ化ジルコニウムであることを特徴とするジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置。
In the processing apparatus of the spent fuel containing the zirconium according to claim 1,
An apparatus for treating spent fuel containing zirconium, wherein the zirconium compound is zirconium fluoride.
請求項1に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置において、
ジルコニウム化合物は、塩化ジルコニウムであることを特徴とするジルコニウムを含む使用済燃料の処理装置。
In the processing apparatus of the spent fuel containing the zirconium according to claim 1,
A processing apparatus for spent fuel containing zirconium, wherein the zirconium compound is zirconium chloride.
ジルコニウムを含む使用済燃料を、核燃料物質と、ジルコニウムと、核分裂生成物に分離するためのジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、
前記ジルコニウムを含む使用済燃料を、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境下で処理し、前記ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境下で揮発したジルコニウム化合物を凝縮して回収し、前記ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境で残存した個体と、気体に分けて回収する使用済燃料の処理方法。
In a method for treating spent fuel containing zirconium for separating spent fuel containing zirconium into nuclear fuel material, zirconium, and fission products,
The spent fuel containing zirconium is treated in a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound, and the zirconium compound volatilized in a temperature environment equal to or lower than the sublimation temperature of the zirconium compound is condensed and recovered. A method for treating spent fuel that is recovered in the form of gas and solids remaining in a temperature environment above the sublimation temperature.
請求項8に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、
前記ジルコニウムを含む使用済燃料について、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境下での第1回目の処理により気体と固体に分離し、第1回目の処理後の個体について、ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境下で第2回目の処理を行い、前記ジルコニウム化合物の昇華温度以下の温度環境下で揮発したジルコニウム化合物を凝縮して回収し、前記ジルコニウム化合物の昇華温度以上の温度環境で残存した個体と、気体に分けて回収する使用済燃料の処理方法。
The method for treating spent fuel containing zirconium according to claim 8,
The spent fuel containing zirconium is separated into gas and solid by the first treatment under a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium compound, and the solid after the first treatment has a temperature higher than the sublimation temperature of the zirconium compound. The solid was subjected to the second treatment under the temperature environment, and the zirconium compound volatilized under the temperature environment below the sublimation temperature of the zirconium compound was collected and recovered, and remained in the temperature environment above the sublimation temperature of the zirconium compound. And the processing method of the spent fuel which is divided and collected in the gas.
請求項9に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、
前記ジルコニウムを含む使用済燃料について、フッ素ガスと反応させて気体と固体に分離し、分離後の個体について、塩化ジルコニウムの昇華温度以上の温度環境下で塩素ガスと反応させ、前記塩化ジルコニウムの昇華温度以下の温度環境下で揮発した塩化ジルコニウムを凝縮して回収し、前記塩化ジルコニウムの昇華温度以上の温度環境で残存した個体と、気体に分けて回収する使用済燃料の処理方法。
The method for treating spent fuel containing zirconium according to claim 9,
The spent fuel containing zirconium is reacted with fluorine gas to be separated into a gas and a solid, and the separated solid is reacted with chlorine gas in a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of zirconium chloride to sublimate the zirconium chloride. A method for treating spent fuel that condenses and recovers zirconium chloride that has volatilized under a temperature environment below the temperature, and that collects the solid that remains in a temperature environment equal to or higher than the sublimation temperature of the zirconium chloride and separates it into a gas.
請求項8に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、
ジルコニウム化合物は、フッ化ジルコニウムであることを特徴とするジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法。
The method for treating spent fuel containing zirconium according to claim 8,
A method for treating spent fuel containing zirconium, wherein the zirconium compound is zirconium fluoride.
ジルコニウムを含む使用済燃料を、核燃料物質と、ジルコニウムと、核分裂生成物に分離するためのジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、
燃料被覆管のジルコニウムと使用済燃料を、フッ素ガスと600℃以上の温度で反応させることでフッ化ジルコニウムガスを生成し、そのフッ化ジルコニウムガスを反応装置内部に設置されたジルコニウム回収部に凝縮して回収することを特徴とするジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法。
In a method for treating spent fuel containing zirconium for separating spent fuel containing zirconium into nuclear fuel material, zirconium, and fission products,
Zirconium fluoride in the fuel cladding tube and spent fuel are reacted with fluorine gas at a temperature of 600 ° C or higher to generate zirconium fluoride gas, and the zirconium fluoride gas is condensed in the zirconium recovery unit installed inside the reactor. And then collecting the spent fuel containing zirconium.
請求項12に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、
ジルコニウム回収部に回収したフッ化ジルコニウムと塩化物ガスを反応させて塩化ジルコニウムを生成し、その塩化ジルコニウムを350℃以上で揮発させることでジルコニウム回収部からジルコニウムを分離することを特徴としたジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法。
The method for treating spent fuel containing zirconium according to claim 12,
Zirconium is characterized by separating zirconium from the zirconium recovery part by reacting zirconium fluoride recovered with the zirconium recovery part to produce zirconium chloride and volatilizing the zirconium chloride at 350 ° C. or higher. Including spent fuel treatment methods.
請求項12に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、
燃料被覆管のジルコニウムと使用済燃料を、フッ素ガスと300〜600℃の温度で反応させて使用済燃料中のウランをUFとして回収した後、固体として残ったフッ化ジルコニウムを350℃以上で塩化物ガスと反応させて塩化ジルコニウムガスを生成し、その塩化ジルコニウムガスを反応装置内部に設置されたジルコニウム回収部に凝縮して回収することを特徴とした使用済燃料の処理方法。
The method for treating spent fuel containing zirconium according to claim 12,
Zirconium in the fuel cladding tube and spent fuel are reacted with fluorine gas at a temperature of 300 to 600 ° C., and uranium in the spent fuel is recovered as UF 6 ; A method for treating spent fuel, characterized in that a zirconium chloride gas is produced by reacting with a chloride gas, and the zirconium chloride gas is condensed and recovered in a zirconium recovery part installed inside the reactor.
請求項13〜14に記載のジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法において、
塩化物ガスとして塩化ホウ素と塩化ケイ素ガスを使用することを特徴としたジルコニウムを含む使用済燃料の処理方法。
In the processing method of the spent fuel containing the zirconium according to claim 13-14,
A method for treating spent fuel containing zirconium, characterized in that boron chloride and silicon chloride gas are used as chloride gas.
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