JP2014105356A - 混合酸化物の処理システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度の混合酸化物から金属を分離回収する技術を提供する。
【解決手段】混合酸化物の処理システム１０は、混合酸化物１１を保持する導電性の保持部１２と、保持部１２を陰極として第一溶融塩１５において電解還元を行う第一電解槽１３と、第一電解槽１３において電解還元した後に、保持部１２を陽極として第二溶融塩１７において電解精製を行う第二電解槽１６と、第一電解槽１３と第二電解槽１６との間で保持部１２を搬送させる搬送部２５と、を備えることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、高密度の混合酸化物の処理技術に関する。

従来から、原子力発電における使用済み核燃料の再処理及び放射性廃棄物の処分といった、通常の核燃料サイクルにおける放射性物質を含む混合酸化物の再処理技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許第３８６８６３５号公報 特許第４４８７０３１号公報

原子力事故により冷却能力が喪失すると、核燃料の崩壊熱により、燃料集合体及び炉心構造物が過熱融解し、炉心溶融物が発生する可能性がある。

この炉心溶融物は、圧力容器や炉内外の構造物などの鉄系材料、被覆管やチャンネルボックス材料のジルコニウム材、核燃料中に含まれている酸化物燃料（酸化ウランや酸化プルトニウム）、ＦＰ（核分裂生成物）酸化物等の様々な物質が崩壊熱により不均一に溶融し混合した後に凝固した高密度の混合酸化物である。

通常、再処理技術の処理対象となる混合酸化物は、粉体または７０％程度の密度で焼結した固体である。このため、電解還元によって混合酸化物を金属に還元する際は、混合酸化物中の酸素を分離するための空間が確保されている。

しかし、炉心溶融物のような高密度の酸化物では、酸素を分離するための離脱ルートがないため、電解還元による酸素分離を混合酸化物の内部までいきわたらせることができない。このため、電解精製を行っても、その反応が混合酸化物表面でしか進まず、混合酸化物内部の金属を回収することができないという課題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、高密度の混合酸化物に対して、電解還元及び電解精製を繰り返し実施することにより、混合酸化物の全容量を分離処理することができる混合酸化物の処理システムを提供することを目的とする。

本実施形態に係る混合酸化物の処理システムは、混合酸化物を保持する導電性の保持部と、前記保持部を陰極として第一溶融塩において電解還元を行う第一電解槽と、前記第一電解槽において電解還元した後に、前記保持部を陽極として第二溶融塩において電解精製を行う第二電解槽と、第一電解槽と第二電解槽との間で前記保持部を搬送させる搬送部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、高密度の混合酸化物に含まれる金属について、混合酸化物の全容量を分離回収することができる。

本発明の第一実施形態に係る混合酸化物の処理システムを示す構成図。 本発明の第一実施形態に係る混合酸化物の処理システムの上面図。 本発明の実施形態に適用される保持部を示す構成図。 本発明の実施形態に適用される混合酸化物の処理フロー図。 本発明の第二実施形態に係る混合酸化物の処理システムを示す構成図。 本発明の第三実施形態に係る混合酸化物の処理システムを示す構成図であって、（Ａ）付着塩分離時、（Ｂ）電解精製時、における脱落物の回収を示す。 （Ａ）本発明の第四実施形態に係る混合酸化物の処理システムを示す構成図、（Ｂ）同 上面図。

（第一実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示される混合酸化物の処理システム１０（以下、単に処理システム１０とする）は、混合酸化物１１を保持する導電性の保持部１２と、保持部１２を陰極として第一溶融塩１５において電解還元を行う第一電解槽１３と、第一電解槽１３において電解還元した後に、保持部１２を陽極として第二溶融塩１７において電解精製を行う第二電解槽１６と、第一電解槽１３と第二電解槽１６との間で保持部１２を搬送させる搬送部２５と、から構成される。また、収納部２０は、その上部に上部蓋２１を備え、第一電解槽１３と第二電解槽１６とを一体として収納する。

混合酸化物１１は、金属酸化物が溶融して混合した後に凝固したものである。特に、炉心溶融物のような、様々な金属酸化物が不均一に溶融し混合した後に凝固した高密度の混合酸化物が処理の対象となる。

保持部１２は、分離処理の対象となる混合酸化物１１を装荷して保持するものである。この保持部１２は、鉄系もしくは炭素系等の導電性の材質から構成され、電解浴である第一溶融塩１５及び第二溶融塩１７に溶解しない。そして、第一電解槽１３では陰極として第一溶融塩１５に浸漬され、第二電解槽１６では陽極として第二溶融塩１７に浸漬される。

第一電解槽１３は、電解浴として第一溶融塩１５を収容している。この第一溶融塩１５において、保持部１２を陰極とし、陽極１４を浸漬させて、溶融塩電解（電解還元）を行う。
第一溶融塩１５は、収納部２０の両側に設置されている電気炉１９により加熱溶融される。なお、第一溶融塩１５として、ＬｉＣｌ等の塩を適宜選択する。

陽極１４と陰極である保持部１２とを直流電源２３に接続して電圧を印可する。これにより、保持部１２において還元反応が発生し、混合酸化物１１は金属に還元される。
次式（１）、（２）に示す反応が、陽極１４、陰極（保持部１２）のそれぞれにおいて発生する。なお、Ｍは混合酸化物１１中に含まれる金属を例示している。
陽極： ２Ｏ^２− → Ｏ_２＋ ４ｅ⁻ （１）
陰極： ＭＯ_２ ＋ ４ｅ⁻ → Ｍ ＋２Ｏ^２− （２）

したがって、保持部１２内で還元反応が発生し、混合酸化物１１の酸素が電気化学的に分離されてＯ^２−イオンとなる。そして、このＯ^２−イオンは、陽極１４に移動して、陽極１４表面で電子を与えられＯ_２ガスとなる。

この還元反応により、混合酸化物１１中の酸化物が、単体の金属に還元される。混合酸化物１１が炉心溶融物の場合は、ウラン、プルトニウム、鉄、貴金属ＦＰ等の酸化物を単体の金属に還元することができる。

第二電解槽１６は、電解浴として第二溶融塩１７を収容する。この第二溶融塩１７において、第一電解槽１３における電解還元後の保持部１２を陽極とし、陰極１８を浸漬させて、溶融塩電解（電解精製）を行う。

ここで、第二溶融塩１７は、収納部２０の両側に設置されている電気炉１９により加熱溶融されている。なお、第二溶融塩１７として、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ等の混合塩を適宜選択する。

陽極である保持部１２と陰極１８とを直流電源２４に接続して電圧を印可する。これにより、次式（３）、（４）に示す反応が、陽極（保持部１２）、陰極１８のそれぞれにおいて発生する。
陽極： Ｍ → Ｍ^４＋ ＋ ４ｅ⁻ （３）
陰極： Ｍ^４＋ ＋ ４ｅ⁻ → Ｍ （４）

したがって、陽極（保持部１２）では酸化反応が発生し、混合酸化物１１から金属イオンが、第二溶融塩１７に溶け出す。そして、溶け出した金属イオンは、陰極１８における還元反応により金属として析出する。

また、陰極１８の電位をモニターし、陰極１８の電位が貴側に変化した時点で陰極１８を交換して金属を析出させる。これにより、混合酸化物１１に含まれる特定の金属ごとに析出回収することが可能となる。混合酸化物１１が炉心溶融物の場合は、ウラン、プルトニウム、鉄、貴金属ＦＰ等を、それぞれ別の陰極１８に析出させて分離回収することができる。

搬送部２５は、第一電解槽１３と第二電解槽１６との両電解槽間で、保持部１２を搬送させるものである。搬送部２５と保持部１２とは接続され、搬送部２５の搬送に従って保持部１２は移動する。

搬送部２５は、第一電解槽１３において電解還元を行う場合は、保持部１２を第一電解槽１３まで搬送させる。そして、保持部１２を下降させて第一溶融塩１５に投入する。電解還元が終了したときは、保持部１２を上昇させて、第一溶融塩１５から引き上げる。

一方、第二電解槽１６において電解精製を行う場合は、保持部１２を第二電解槽１６まで搬送させる。そして、保持部１２を下降させて第二溶融塩１７に投入する。電解精製が終了したときは、保持部１２を上昇させて、第二溶融塩１７から引き上げる。

搬送部２５が、第一電解槽１３と第二電解槽１６との両電解槽間を繰り返し搬送することで、混合酸化物１１に対して電解還元及び電解精製を繰り返し実施することができる。

また、保持部１２は、両電解槽と上部蓋２１とで閉じられ、不活性雰囲気にした上部空間を介して、両電解槽間を行き来する。これにより、保持部１２を搬送するときに懸念される混合酸化物１１表面の再酸化を防止できるため、処理効率を高めることができる。

図２は、処理システム１０の上面図を示している。
収納部２０は、円状の形状を有し、一方には第一電解槽１３を、他方には第二電解槽１６を配置して収納する。

収納部２０の上部蓋２１には回転板２６が備えられており、この回転板２６は、上部蓋２１の中心を軸に回転する。これにより、回転板２６の回転に従って搬送部２５が移動することで、保持部１２が、第一電解槽１３と第二電解槽１６との間を相互に移動することができる。

これにより、両電解槽間を混合酸化物１１が頻繁に移動する場合でも、同一の収納部２０内で処理することができ、かつ処理システム１０全体を小型化することができる。放射性物質を含む混合酸化物１１の場合には、隔離、遮蔽を容易にする。

図３は、保持部１２の内部構造を示す。
保持部１２は、混合酸化物１１と当接する針状の電極２７を有し、これらの針状の電極２７により混合酸化物１１を一定圧力で支持する。混合酸化物１１は、複数の針状の電極２７に一定の圧力により支持され、針状の電極２７との接触を保つことにより、一定の電流が付加される。

混合酸化物１１は、不規則な形状を持つ場合が多く、また電解還元、電解精製が繰り返される過程で体積、質量とも減少し、その形状は変化する。

保持部１２が針状の電極２７を有することにより、混合酸化物１１と保持部１２自身との電気的接触を維持するのが困難な場合でも、混合酸化物１１に対して一定の電流を安定的に供給することができる。
これにより、混合酸化物１１の形状の不規則性、形状に左右されること無く混合酸化物１１に対して電流を安定的に供給して、電解還元、電解精製を行うことができる。

図４は、システム１０における処理フロー図を示す。
第一電解槽１３において、電解還元を行い、混合酸化物１１中の金属を還元する（Ｓ１０）。
次に、保持部１２において金属に還元された混合酸化物１１は、第二電解槽１６において、電解精製を行い、混合酸化物１１の金属を析出させる（Ｓ１１）。析出した金属は、蒸留工程で溶融塩を除去した後に（Ｓ１５）、回収して保管する（Ｓ１６）。この回収物は、金属燃料として再処理することができる。

電解精製反応後において、混合酸化物１１の残留物がある場合は、再び第一電解槽１３において、電解還元、電解精製を行う（Ｓ１２、Ｙｅｓ）。なお、残留物がない場合は、終了する（Ｓ１２、Ｎｏ）。

また、電解還元（Ｓ１０）、電解精製（Ｓ１１）における反応過程で、混合酸化物１１から脱落した脱落物（未還元酸化物）は、第一溶融塩１５又は第二溶融塩１７から回収する。そして、蒸留工程で溶融塩を除去した後に（Ｓ１３）、回収して保管する（Ｓ１４）。

混合酸化物１１が高密度のため、一度の電解還元では混合酸化物１１を金属に還元するのは困難である場合は、一定時間の電解還元を行った後に電解精製を行う。つまり、混合酸化物１１表面で金属に還元した還元相を、電解精製により溶解して混合酸化物１１の表面を露出させることで、再び混合酸化物１１を還元できる状態にする。

この処理を繰り返し、混合酸化物１１の表面から徐々に処理していくことにより、混合酸化物１１の全容量を分離処理することができる。したがって、金属を含む混合酸化物１１について、全容量を特定の金属ごとに分離回収することが可能となる。

（第二実施形態）
図５は、本発明の第二実施形態に係る混合酸化物の処理システムを示す構成図である。
第二実施形態における第一実施形態との相違点は、保持部１２全体を内側に格納する格納部２８を有する点にある。さらに、搬送部２５は、保持部１２を自転させる機構を備える。なお、第一実施形態と同様な構成については省略して説明する。

格納部２８は、保持部１２全体を収納することができる筒状の形状を有し、その一端が収納部２０の上部蓋２１に接し、他端が電解槽に対して開口されている。保持部１２は、この開口されている部分から格納部２８へ出入りする。

上部蓋２１は、その下面に格納部２８の水平面における移動を可能とするため、レール等の移動機構を有している。格納部２８は、上部蓋２１の下面に沿って移動を行うことで、保持部１２の両電解槽間の移動に追随する。そして、第一電解槽１３又は第二電解槽１６における溶融塩電解後の保持部１２を格納する。

電気炉２９は、格納部２８の周囲に設けられており、格納部２８を単独で加熱するものである。

具体的な動作の流れについて説明する。第一電解槽１３において溶融塩電解後、搬送部２５は、保持部１２を第一溶融塩１５から引き上げて格納部２８に搬入する。そして、搬送部２５は、第一電解槽１３上で保持部１２を高速で自転させる。

保持部１２が、高速回転することにより遠心力が生じる。この遠心力により、溶融塩電解において混合酸化物１１表面に付着した付着塩３０が表面から脱着して飛散する。飛散した付着塩３０は、保持部１２を覆う格納部２８の側壁に付着する。そして付着した塩は、格納部２８の側壁を伝って第一電解槽１３へ戻る。

同様に、第二電解槽１６において溶融塩電解反応を行った後、搬送部２５は、保持部１２を第二溶融塩１７から引き上げて格納部２８に搬入する。そして、搬送部２５は、第二電解槽１６上で保持部１２を高速回転させる。これにより、混合酸化物１１表面に付着した付着塩３０は、第二電解槽１６へ戻る。

電気炉２９は、格納部２８の直近の周囲に配置されて、格納部２８を直接加熱することにより、付着塩３０を加熱する。これにより、付着塩３０について、混合酸化物１１からの脱着や格納部２８の側壁から電解槽への回収が促進される。

各電解槽における溶融塩電解後において、保持部１２を格納部２８内で高速回転させることにより、付着塩３０を元の電解槽に戻すことができる。さらに、格納部２８を有することにより、一方の電解槽に係る溶融塩が、他方の電解槽に係る溶融塩と混合することを防止することができる。したがって、第一電解槽１３と第二電解槽１６とで用いられる組成の異なる塩が、異なる電解槽に混合することを防止することができる。

（第三実施形態）
図６は、本発明の第三実施形態に係る混合酸化物の処理システム１０の構成図である。第三実施形態における第二実施形態との相違点は、混合酸化物１１から脱落する脱落物３２を回収する回収部３１を有する点にある。なお、図６は、第一電解槽１３等は省略して表している。

図６（Ａ）は、第二実施形態で示した付着塩の分離を行う場合において、混合酸化物１１からの脱落物３２の回収を示している。
図６（Ｂ）は、第二電解槽１６での溶融塩電解反応中において、混合酸化物１１からの脱落物３２の回収を示している。なお、第一電解槽１３等については省略して示している。

脱落物３２は、電解還元反応において還元されず、混合酸化物１１の表面から崩壊して脱落するものである。特に、第二電解槽１６での電解精製において、混合酸化物１１から金属が分離されると同時に生じる。

回収部３１は、皿状の形状を有し、保持部１２の直下で一定の距離を保って設けられ、保持部１２の上下動に追従して移動する。
これにより、混合酸化物１１からの脱落物３２は、溶融塩中に落下すること無く、回収部３１により回収することができる。なお、回収部３１にて回収された脱落物３２は、蒸留により塩を分離して保管される。

なお、図６では第二電解槽１６において回収部３１を設ける場合を示したが、第一電解槽１３においても同様に回収部３１を設けて、脱落物３２を回収することができる。

（第四実施形態）
図７（Ａ）は、本発明の第四実施形態に係る混合酸化物の処理システム１０の構成図である。図７（Ｂ）は、処理システム１０の上面図を示している。なお、図７は、第一電解槽１３等は省略して表している。
第四実施形態における第三実施形態との相違点は、第二電解槽１６に陰極となる複数の電極１８ａ〜１８ｅを浸漬する点にある。なお、図７では５つの電極１８ａ〜１８ｅの場合を例示しているが、この構成に限定されるものではない。

参照電極３３は、第二電解槽１６に浸漬され、陰極の電位を測定するための基準となるものである。電圧計３４は、電解精製中において、第二電解槽１６に浸漬された参照電極３３と陰極との間の電位差を検知して陰極電位を測定する。

具体的な動作について、まず電極１８ａを陰極とした場合について説明する。
陽極である保持部１２と電極１８ａとを直流電源２４に接続して電圧を印可する。
電圧計３４をモニターして、電極１８ａの電位が貴側に変化した時点で、電極１８ａから他の電極（例えば、電極１８ｂ）に切り替えて陰極とする。
同様にして、電圧計３４をモニターし、陰極の電位が貴側に変化した時点で、電極を切り替えて行く。

陰極電位が貴側に変化した時点で電極１８ａ〜１８ｅを交換していくことで、混合酸化物１１に含まれる特定の金属ごとに分離回収することができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の混合酸化物の処理システム１０によれば、混合酸化物１１を保持する保持部１２について、第一電解槽１３と第二電解槽１６との間を相互に搬送させる搬送部２５を有することにより、電解還元及び電解精製を繰り返し実施することができる。このため、高密度の混合酸化物１１に含まれる金属について、混合酸化物１１の全容量を分離回収することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…混合酸化物の処理システム、１１…混合酸化物、１２…保持部、１３…第一電解槽、１４…陽極、１５…第一溶融塩、１６…第二電解槽、１７…第二溶融塩、１８…陰極、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ…電極、１９、２９…電気炉、２０…収納部、２１…上部蓋、２３、２４…直流電源、２５…搬送部、２６…回転板、２７…針状の電極、２８…格納部、３０…付着塩、３１…回収部、３２…脱落物、３３…参照電極、３４…電圧計。

Claims (9)

1. 混合酸化物を保持する導電性の保持部と、
   前記保持部を陰極として第一溶融塩において電解還元を行う第一電解槽と、
   前記第一電解槽において電解還元した後に、前記保持部を陽極として第二溶融塩において電解精製を行う第二電解槽と、
   第一電解槽と第二電解槽との間で前記保持部を搬送させる搬送部と、
   を備えることを特徴とする混合酸化物の処理システム。
2. 請求項１に記載の混合酸化物の処理システムにおいて、
   前記保持部は、前記混合酸化物に当接する複数の針状の電極を有し、これらの針状の電極により前記混合酸化物を一定圧力で支持することを特徴とする混合酸化物の処理システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の混合酸化物の処理システムにおいて、
   前記第一電解槽と前記第二電解槽とを一体として収納する収納部をさらに備えることを特徴とする混合酸化物の処理システム。
4. 請求項３に記載の混合酸化物の処理システムにおいて、
   前記収納部は、その上部蓋に回転板を備え、
   前記搬送部は、前記回転板の回転に従って前記保持部を搬送させることを特徴とする混合酸化物の処理システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の混合酸化物の処理システムにおいて、
   電解槽に対して開口し、前記保持部全体を内側に格納する格納部をさらに備え、
   前記搬送部は、前記保持部を自転させる機構を備えることを特徴とする混合酸化物の処理システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の混合酸化物の処理システムにおいて、
   前記保持部の直下において、前記混合酸化物からの脱落物を回収する回収部が、前記第一電解槽または前記第二溶解槽に設けられることを特徴とする混合酸化物の処理システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の混合酸化物の処理システムにおいて、
   前記第二溶解槽には、陰極となる複数の電極が設けられることを特徴とする混合酸化物の処理システム。
8. 請求項７に記載の混合酸化物の処理システムにおいて、
   前記第二溶解槽には、陰極電位を測定するための基準となる参照電極が設けられ、
   前記陰極電位の値に基づいて前記複数の電極を切り替えることを特徴とする混合酸化物の処理システム。
9. 混合酸化物を導電性の保持部により保持させるステップと、
   前記保持部を陰極として第一溶融塩により第一電解槽において電解還元を行うステップと、
   前記第一電解槽において電解還元した後に、前記保持部を陽極として第二溶融塩により第二電解槽において電解精製を行うステップと、
   前記第一電解槽と前記第二電解槽との間で前記保持部を搬送させるステップと、
   を含むことを特徴とする混合酸化物の処理方法。

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