JP3143853B2 - 使用済核燃料の回収方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、乾式再処理装置に
おける使用済核燃料からの核燃料物質の回収方法及びそ
の装置に関する。更に詳しくは、使用済核燃料からウラ
ン、プルトニウム等の有用金属を酸化物の形態で連続的
に回収する方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、使用済核燃料の再処理では、未燃
焼の核分裂性物質や新しく生成した核分裂性物質を分離
回収するために、いわゆる湿式法と呼ばれる再処理が行
われている。湿式法における前処理工程においては「剪
断リーチ法」が一般的に行われている。この剪断リーチ
法は剪断刃により使用済核燃料棒を燃料集合体の状態で
その直径方向に被覆管ごと数ｃｍの長さに切断してその
まま高温度の濃硝酸溶液中に入れ、核燃料を浸出溶解さ
せる方法である。硝酸溶液に溶解した後はいわゆる「ピ
ュレックス法」と呼ばれる溶媒抽出法で、有機溶媒への
溶解度の違いによりウランやプルトニウムを分離回収し
ている。一方、近年においては電気分解の原理を利用し
た乾式法と呼ばれる再処理技術が開発されつつある。こ
の乾式法では使用済核燃料を塩化物に転換し、この塩化
物を溶融した溶融塩浴の中で電気化学的に精製してい
る。この乾式法は従来の湿式法に比較して水を使用せ
ず、従って設備をコンパクト化できるとともに、廃液の
発生もなくすことができる利点があり、使用済核燃料か
らウランとプルトニウムを低除染で分離することができ
るため、核拡散抵抗性が高いといわれている。

【０００３】例えば、使用済核燃料を塩素化し、溶融塩
電解法によって金属として回収する方法が米国アルゴン
ヌ研究所で研究されており、また、実際に使用済核燃料
を塩素化し溶融塩電解法で酸化物として回収する方法が
ロシア原子炉科学研究所（ＲＩＡＲ）で行われている
（神山弘章，”ロシアにおける高温電気化学再処理技
術”，電気化学 第４０巻 第３１〜３９頁）。実際にロ
シア原子炉科学研究所（ＲＩＡＲ）で行われている溶融
塩電解法はバッチ型のるつぼを使用して使用済核燃料を
塩素化し、オキシクロライド化合物を生成させ、溶融塩
中に溶解させる。次ぎに、電気分解によって溶融塩中に
とけ込んだウラン化合物イオンを電極上に回収する。ウ
ランが回収された溶融塩には塩素ガス及び酸素の混合ガ
スが吹き込まれ、プルトニウムを沈殿析出させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロシア
原子炉科学研究所（ＲＩＡＲ）で行われている溶融塩電
解法ではバッチ処理を前提としており、これを連続処理
法とするためには処理装置を最低２基設け、これらを交
互に切換えて使用するか、或いは処理装置を大容量にし
て１回の処理量を増大させる必要がある。切換えて使用
する場合には切換え操作が煩雑になり、また処理装置を
大容量にする場合には装置自体が大型化するなどの問題
点がある。また、核燃料を取扱う装置は核燃料の臨界安
全管理上、核燃料の取扱量や装置の大きさ、厚み、幅等
の寸法や形状に制限があり、バッチ型の処理ではその処
理能力に限界がある。本発明の目的は、コンパクトな形
状で、かつ臨界安全管理上問題を生じることがない使用
済核燃料の回収方法及びその装置を提供することにあ
る。本発明の別の目的は、使用済核燃料から有用な金属
元素を連続的に回収する使用済核燃料の回収方法及びそ
の装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、傾斜した底面１１ａに沿って少なく
とも３室からなる反応室１５ａ〜１５ｆを有し貯えた核
燃料が臨界にならない厚さを有する平板状に密閉して形
成された回収槽１１に反応媒体である塩化物支持塩を溶
融塩として貯留し、最上位に位置する反応室１５ａより
使用済核燃料酸化物を供給し、この反応室１５ａを含む
上位に位置する反応室１５ａ，１５ｂで順次酸化物中の
放射性金属をこの塩化物溶融塩中に含まれる反応物質と
反応させることによりこの金属のオキシクロライドを含
む塩化物に転換し、中位に位置する反応室１５ｃ，１５
ｄで上記金属のオキシクロライドを溶融塩電解して電極
１３ｂに放射性金属酸化物（例えば、主として二酸化ウ
ラン）を析出回収し、下位に位置する反応室１５ｅ，１
５ｆで塩素ガス及び酸素を塩化物溶融塩に吹き込んで溶
融塩中に残存する別の放射性金属酸化物（例えば、主と
して二酸化プルトニウム）を沈殿析出させ、最下位に位
置する反応室１５ｆより上記別の放射性金属酸化物（例
えば、主として二酸化プルトニウム）の析出物を含む液
状の溶融塩を排出させ、この析出物を溶融塩から濾過分
離する使用済核燃料の回収方法である。なお、本明細書
において上記「塩化物溶融塩中に含まれる反応物質」と
は、次の式（１）〜（４）に示すようにＣｌ₂及びＣの
いずれか一方又は双方をいう。

【０００６】請求項２に係る発明は、図３に示すよう
に、請求項１に係る発明であって、使用済核燃料から放
射性金属（例えば、ウラン）のオキシクロライドを含む
塩化物に転換する塩化工程と、このオキシクロライドを
溶融塩電解して電極１３ｂに放射性金属酸化物（例え
ば、二酸化ウラン）を析出回収する電解工程とが繰返さ
れる使用済核燃料の回収方法である。使用済核燃料中に
例えばウランが多量に含まれている場合には、上記塩化
工程と上記電解工程を繰返すことにより、少ない反応室
でウラン全量を析出回収することができる。この点にお
いてバッチ処理である従来の回収装置と比較して塩化と
電解を単一の回収槽１１において簡単に行うことができ
る。

【０００７】請求項３に係る発明は、図４に示すよう
に、請求項１又は２に係る発明であって、別の放射性金
属酸化物（例えば、二酸化プルトニウム）の析出物を溶
融塩から濾過分離した後の溶融塩に沈殿剤を投入してこ
の溶融塩中に残存する放射性核分裂生成物（例えば、セ
シウム、ストロンチウムの化合物）を析出させ、この放
射性核分裂生成物を溶融塩から濾過分離し、濾過後の溶
融塩を回収槽１１の塩化物支持塩として再利用する使用
済核燃料の回収方法である。

【０００８】請求項４に係る発明は、図１に示すよう
に、傾斜した底面１１ａを有し貯えた核燃料が臨界にな
らない厚さを有する平板状に密閉して形成されかつ反応
媒体である塩化物支持塩を溶融塩として貯留可能な回収
槽１１と、この回収槽１１の内部に少なくとも３室から
なる反応室１５ａ〜１５ｆを形成しかつ上位の反応室か
ら下位の反応室に溶融塩が流れるように回収槽１１の底
面１１ａに上方に向けて設けられた下部仕切板１２と、
最下位の反応室１５ｆを除く反応室１５ａ〜１５ｅ内に
上方から下方に向けて設けられ上位の反応室から下位の
反応室への溶融塩のショートパスを防止する上部仕切板
１６と、塩化物支持塩の融点以上９００℃以下の温度に
加熱して反応室１５ａ〜１５ｆの温度をそれぞれ制御す
る温度制御手段１７と、最上位に位置する反応室１５ａ
に設けられ塩化物支持塩又は使用済核燃料酸化物と塩化
物支持塩を供給する供給口１８と、最下位に位置する反
応室１５ｆに設けられ液状の溶融塩を排出する排出口１
４と、最上位及び最下位に位置する反応室１５ａ，１５
ｆを除く１又は２以上の反応室１５ａ，１５ｂに設けら
れ貯留された溶融塩を電解してウランを析出回収する電
極１３ａ，１３ｂと、この電極１３ａ，１３ｂが設けら
れた反応室１５ｃ，１５ｄを除く反応室１５ａ，１５
ｂ，１５ｅ，１５ｆに配設されこれらの反応室に貯留さ
れた溶融塩中にガスを導入するガス導入手段１９と、そ
れぞれの反応室１５ａ〜１５ｆの廃ガスを反応室毎に排
出する廃ガス排出手段２１とを備えた使用済核燃料の回
収装置である。

【０００９】本発明の使用済核燃料酸化物（以下「原
料」という）としては、ウラン、プルトニウム、及び放
射性核分裂生成物であるセシウム、ストロンチウム等の
各種の酸化物が挙げられる。使用済核燃料の組成比に起
因して、溶融塩電解で陰極に析出される金属酸化物は主
として二酸化ウランであり、溶融塩電解後の溶融塩中に
沈殿析出する金属酸化物は主として二酸化プルトニウム
である。また反応媒体である塩化物支持塩には塩化ナト
リウム、塩化カリウムなどをそれぞれ単独使用するか、
又はこれらを併用する。併用することにより支持塩の融
点が低下し好ましい。更にこれらの支持塩に塩化リチウ
ムを加えると塩化物支持塩の融点がより一層低下し好ま
しい。複数の反応室は少なくとも３室必要であるが、図
示するように６室でも、或いは４室、５室、７室以上で
もよい。この室数は回収する使用済核燃料の単位時間当
たりの回収量、必要滞留時間（反応時間）等に応じて適
宜増減される。温度制御手段１７による加熱は塩化物支
持塩の融点以上９００℃以下の温度に加熱して反応室１
５ａ〜１５ｆの温度を制御することが必要である。電極
１３ａ及び１３ｂはそれぞれ陽極及び陰極であって、反
応室毎に一対設けられる。これらの電極１３ａ，１３ｂ
は上記加熱温度で溶融しない導電性物質であればよく、
鉄、タングステン、モリブデン、黒鉛等が例示される。
陽極は耐食性の点で特に黒鉛が望ましい。装置の供給口
１８からは始動時には塩化物支持塩が供給され、装置稼
働中には原料及び塩化物支持塩の混合物が供給される。
この原料は平均粒径が５０〜５００μｍ程度の範囲にな
るように予め粉砕しておくことが好ましい。より好まし
くは５０〜２００μｍ程度である。但し、反応室を増や
し反応させる時間を長くすれば、原料の平均粒径が５０
０μｍ以上であってもよい。

【００１０】請求項５に係る発明は、図１に示すよう
に、請求項４に係る発明であって、電極１３ａ，１３ｂ
が設けられた反応室１５ｃ，１５ｄを除く反応室１５
ａ，１５ｂ，１５ｅ，１５ｆに配設されたガス導入手段
１９により導入されるガスが塩素ガスを含み、この反応
室１５ｃ，１５ｄより下位に位置する反応室１５ｅ，１
５ｆに設けられたガス導入手段１９により導入されるガ
スが塩素ガスに加えて更に酸素を含む使用済核燃料の回
収装置である。

【００１１】(a) 塩化工程 反応室内の塩化物支持塩が溶融塩となった後で、供給口
１８から原料を供給すると、最上位の反応室で原料はガ
ス導入手段１９から導入されるガスにより溶融塩中で撹
拌され、溶融塩と混合される。導入ガスはＡｒガスのよ
うな不活性ガスである他に、この不活性ガスに塩素ガス
を含ませることにより反応が行われる。塩素ガスの不活
性ガス中の含有量は５〜５０容積％が好ましい。この時
原料中の金属酸化物は、一緒に供給される還元剤ととも
に、反応室に貯留した塩化物溶融塩中に含まれる反応物
質（Ｃｌ₂，Ｃ）と反応して塩化物に転換される。使用
済核燃料酸化物中の二酸化ウランの反応は以下の式
（１）及び式（２）に示される。また使用済核燃料酸化
物中の二酸化プルトニウムの反応は以下の式（３）及び
式（４）に示される。 ＵＯ₂＋Ｃｌ₂ → ＵＯ₂Ｃｌ₂ ……（１） ＵＯ₂Ｃｌ₂＋Ｃ＋Ｃｌ₂ → ＵＣｌ₄＋ＣＯ₂ ↑ ……（２） ＰｕＯ₂＋２Ｃｌ₂ → ＰｕＣｌ₄＋Ｏ₂ ↑ ……（３） ＰｕＯ₂＋Ｃｌ₂ → ＰｕＯ₂Ｃｌ₂ ……（４） 上記反応より、原料中の酸素は、二酸化炭素ガス又は酸
素となって、廃ガスとして廃ガス排出手段２１により排
出される。上位の反応室で上記式（１）、（３）の反応
が直ちに発生するようにする。上位の反応室が１室又は
２室では反応が完了しない場合には、上位の反応室を３
室以上に多室化する。

【００１２】(b) 電解工程 ウランやプルトニウムのような放射性金属のオキシクロ
ライドを含む塩化物は溶融塩の形態で電解工程である中
位の反応室に流下する。この中位の反応室では、ＵＯ₂
Ｃｌ₂やＰｕＯ₂Ｃｌ₂のようなオキシクロライド化合物
が電解還元され、ＵＣｌ₄やＰｕＣｌ₄のような塩化物は
未反応のまま下位の反応室に流下する。即ち、中位の反
応室に設けられた電極（陰極）１３ｂに二酸化ウラン、
二酸化プルトニウムが電気化学的に析出し回収される。
これらの反応は以下の式（５）及び式（６）に示され
る。 ＵＯ₂Ｃｌ₂ → ＵＯ₂＋Ｃｌ₂ ↑ ……（５） ＰｕＯ₂Ｃｌ₂ → ＰｕＯ₂＋Ｃｌ₂ ↑ ……（６） 上記反応より発生する塩素ガスは廃ガスとして廃ガス排
出手段２１により排出される。先の塩化工程において酸
化ウランのみオキシクロライドとなるようにして反応を
行わせる（（１）式）ため、この電解工程では主にウラ
ンのみが回収される。ここで電極１３ｂを交換可能に構
成することにより電解自体が連続的に行われ、二酸化ウ
ラン、及び一部の二酸化プルトニウム等の放射性金属酸
化物を連続的に回収できる。電極１３ｂに析出した二酸
化ウラン、二酸化プルトニウム等の放射性金属酸化物は
機械的方法で電極より剥離される。

【００１３】(c) 沈殿析出工程 上記放射性金属酸化物（主として二酸化ウラン）を回収
した後の溶融塩は沈殿析出工程である下位の反応室に流
下する。この溶融塩にはプルトニウムの塩化物（ＰｕＣ
ｌ₄）が含まれ、この下位の反応室で別の放射性金属酸
化物である二酸化プルトニウムを沈殿析出する。即ち、
溶融塩中のプルトニウムの塩化物（ＰｕＣｌ₄）は下位
の反応室に設けられたガス導入手段１９から導入される
酸素と反応して二酸化プルトニウムに転換される。これ
らの反応は以下の式（７）に示される。 ＰｕＣｌ₄＋Ｏ₂ → ＰｕＯ₂＋２Ｃｌ₂ ↑ ……（７） この反応より発生する塩素ガスは廃ガスとして廃ガス排
出手段２１により排出される。下位の反応室に設けられ
たガス導入手段１９から導入されるガスとしては反応ガ
スとしての酸素の他に撹拌用のＡｒガス及び酸素分圧調
整用の塩素ガスを含ませる。塩素ガスを含ませることに
より、酸素分圧が調整され、他の放射性核反応生成物の
金属酸化物への転換が抑制される。このために、酸素の
Ａｒガスのような不活性ガス中の含有量は５〜５０容積
％が、また塩素ガスのＡｒガス中の含有量は１〜３０容
積％が好ましい。沈殿析出した二酸化プルトニウムはガ
ス導入手段１９から導入されるガスにより溶融塩中に浮
遊し回収槽１１の底面１１ａに沈殿することなく、排出
口１４から溶融塩とともに排出される。

【００１４】次に、その他の上述した塩化工程、電解工
程及び沈殿析出工程について説明する。全般的に溶融塩
は上部仕切板１６によりショートパスすることなく、ま
た下部仕切板１２により十分な反応時間を与えられて最
上位の反応室から順次最下位の反応室まで流下する。そ
れぞれの回収槽における反応は、温度制御手段１７によ
り制御される温度により速度、収率が変化する。この場
合の溶融塩の温度としては４００〜９００℃の範囲で行
うことが好ましいが、ウランのオキシクロライドの安定
性、反応速度などから６００〜８００℃が更に好まし
い。沈殿析出工程では析出物の粒径は温度が高くなると
ともに大きくなる傾向があるため、溶融塩の温度として
は５００〜８００℃の範囲で行うことが好ましい。電解
工程では電極１３ａ，１３ｂに印加される電圧を調整す
ることにより、また塩化工程及び沈殿析出工程ではガス
導入手段１９により導入される撹拌ガスの濃度、供給量
等を調整することにより、それぞれ処理能力を変化さ
せ、また異なる種類の析出物を回収することができる。

【００１５】図４に示すように、排出口１４から排出さ
れた溶融塩は、多孔質のフィルタ等の濾過装置を用いて
濾過され、固形分である二酸化プルトニウムが回収さ
れ、再利用される。二酸化プルトニウムを濾過回収した
後の溶融塩は残存する放射性核分裂生成物を除去し、除
去後の溶融塩が回収槽の塩化物支持塩として再利用され
る。この放射性核分裂生成物の除去は、溶融塩にリン酸
等の沈殿剤を投入し溶融塩中に残存する放射性核分裂生
成物を析出させ、放射性核分裂生成物を溶融塩から濾過
分離することにより行われる。分離された放射性核分裂
生成物は放射性廃棄物処理される。この装置は、図４に
示すように、図１に示した回収装置と同様の回収槽と、
下部仕切板と、上部仕切板と、温度制御手段と、供給口
と、排出口と、ガス導入手段と、廃ガス排出手段とによ
り構成することもできる。

【００１６】請求項６に係る発明は、図１に示すよう
に、請求項５に係る発明であって、廃ガス排出手段２１
が少なくとも３室からなる反応室１５ａ〜１５ｆの頂部
にそれぞれ接続された廃ガス排出管２１ａを備え、ガス
導入手段１９が少なくとも３室からなる反応室１５ａ〜
１５ｅの頂部を貫通して先端が反応室１５ａ〜１５ｅの
底部に伸び先端にガス噴出部１９ａを有するガス導入管
１９ｂを備えた使用済核燃料の回収装置である。

【００１７】請求項７に係る発明は、請求項６に係る発
明であって、塩素ガスを含むガスが導入される反応室１
５ａ，１５ｂが２室以上設けられ、これらの反応室のう
ち下位の反応室１５ｂの頂部に接続された廃ガス排出管
２１ａと上位の反応室１５ａの頂部を貫通したガス導入
管１９ｂとを連通する第１連通管２２が廃ガス排出管２
１ａとガス導入管１９ｂとの間に第１切換弁２２ａを介
して接続され、廃ガス排出管２１ａから排出される廃ガ
スが第１連通管２２を通ってガス導入管１９ｂに連通す
るように廃ガス排出管２１ａ及びガス導入管１９ｂに第
２切換弁２１ｂ及び第３切換弁１９ｃがそれぞれ設けら
れた使用済核燃料の回収装置である。

【００１８】請求項８に係る発明は、請求項６に係る発
明であって、塩素ガスと酸素を含むガスが導入される反
応室１５ｅ，１５ｆが２室以上設けられ、これらの反応
室のうち下位の反応室１５ｆの頂部に接続された廃ガス
排出管２１ａと上位の反応室１５ｅの頂部を貫通したガ
ス導入管１９ｂとを連通する第２連通管２３が廃ガス排
出管２１ａとガス導入管１９ｂとの間に第４切換弁２３
ａを介して接続され、廃ガス排出管２１ａから排出され
る廃ガスが第２連通管２３を通ってガス導入管１９ｂに
連通するように廃ガス排出管２１ａ及びガス導入管１９
ｂに第５切換弁２１ｃ及び第６切換弁１９ｄがそれぞれ
設けられた使用済核燃料の回収装置である。原料と塩化
物支持塩を供給する際には、各反応室にガスを導入して
溶融塩を撹拌する。ガスの供給手段としては、各室に設
けたガス導入管から撹拌用のガスを独立して供給しても
よく、それぞれの第１及び第４切換弁２２ａ，２３ａを
開き、第２，第３，第５及び第６切換弁２１ｃ，２１
ｄ，１９ｃ及び１９ｄを閉じて下位の反応室の廃ガス排
出管２１ａから排出される廃ガスをそれぞれの第１及び
第２連通管２２，２３を介して上位の反応室のガス導入
管１９ｂに送り込んでもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて詳しく説明する。図１及び図２に示すように、
使用済核燃料の回収装置の回収槽１１は傾斜した底面１
１ａを有する回収槽本体１１ｂと、その上面に密閉して
設けられた蓋１１ｃとにより構成される。回収槽１１は
反応媒体である塩化物支持塩を溶融塩として貯留可能で
あって、貯えた核燃料が臨界にならない厚さを有する平
板状に形成される。この回収槽１１の内部にこの実施の
形態では６つの反応室１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５
ｄ，１５ｅ及び１５ｆを形成する５枚の下部仕切板１２
が回収槽１１の底面１１ａに間隔をあけて鉛直方向に設
けられる。これらの仕切板１２は塩化物支持塩である溶
融塩が上位の反応室から下位の反応室に流れるようにほ
ぼ同一の高さを有する。

【００２０】最下位の反応室１５ｆを除く４つの反応室
１５ａ〜１５ｅ内には上方から下方に向けて５枚の上部
仕切板１６が回収槽１１の頂面に間隔をあけて設けられ
る。これらの仕切板１６の下端は下部仕切板１２の上端
より低い位置まで延び、上位の反応室から下位の反応室
への溶融塩のショートパスを防止するようになってい
る。図２に示すように、回収槽１１の外側面には各反応
室１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ及び１５ｆ
毎に各反応室の温度を上昇させるヒータ１７ａが設けら
れる。ヒータ１７ａはコントローラ１７により温度が塩
化物支持塩の融点以上９００℃以下の温度に加熱して反
応室１５ａ〜１５ｆの温度を制御する。

【００２１】図１に示すように、最上位に位置する反応
室１５ａの上方には塩化物支持塩又は使用済核燃料酸化
物の原料のシュート１８ａが取付けられ、シュート上端
には供給口１８が設けられる。供給口１８からは、装置
の始動時に塩化物支持塩が供給され、装置の稼働中には
使用済核燃料酸化物とその還元剤との混合物及び塩化物
支持塩が供給される。還元剤を使用する場合には炭素粉
末、即ち黒鉛粉末を使用する。最下位に位置する反応室
１５ｆには液状の溶融塩を排出する排出管１４ａが取付
けられ、排出管１４ａは排出口１４を有する。

【００２２】中位に位置する２つの反応室１５ｃ，１５
ｄには、溶融塩中のオキシクロライドを電解してウラン
を析出回収する一対の電極１３ａ，１３ｂが蓋１１ｃを
貫通してその先端が底部に伸びてそれぞれ設けられ、そ
れ以外の反応室１５ａ，１５ｂ，１５ｅ，１５ｄには、
それらの反応室１５ａ〜１５ｆに貯留された溶融塩中に
ガスを導入してその溶融塩を撹拌するガス導入手段１９
がそれぞれ設けられる。また、全ての反応室１５ａ〜１
５ｆには各反応室で発生した廃ガスを反応室毎に排出す
る廃ガス排出手段２１とが設けられる。

【００２３】最上位に位置する反応室１５ａ及びその下
位に位置する反応室１５ｂに設けられたガス導入手段か
らは塩素ガスを含むＡｒガスが導入される。最下位に位
置する反応室１５ｆ及びその上位に位置する反応室１５
ｅに設けられたガス導入手段からは塩素ガスと酸素を含
むＡｒガスが導入される。廃ガス排出手段２１はそれぞ
れの反応室１５ａ〜１５ｆの頂部にそれぞれ接続された
廃ガス排出管２１ａを備え、ガス導入手段１９はそれぞ
れの反応室１５ａ〜１５ｆの頂部を貫通して先端がそれ
ぞれの反応室１５ａ〜１５ｆの底部に伸び、先端にガス
噴出部１９ａを有するガス導入管１９ｂを備える。この
ガス導入管１９にはこの例ではガスが図示しないコンプ
レッサにより供給される。

【００２４】塩素ガスを含むＡｒガスが導入される反応
室１５ａ，１５ｂに設けられたガス導入手段からは、下
位の反応室１５ｂの頂部に接続された廃ガス排出管２１
ａと上位の反応室１５ａの頂部を貫通したガス導入管１
９ｂとの間にはこれらを連通する第１連通管２２が接続
され、第１連通管２２には第１切換弁２２ａが設けられ
る。第１連通管２２が接続された廃ガス排出管２１ａと
ガス導入管１９ｂには第２切換弁２１ｂ及び第３切換弁
１９ｃがそれぞれ設けられ、第２切換弁２１ｂ及び第３
切換弁１９ｃを閉止して第１切換弁２２ａを開放するこ
とにより廃ガス排出管２１ａから排出される廃ガスが連
通管２２を通ってガス導入管１９ｂに連通するように構
成される。

【００２５】同様に酸素と塩素ガスを含むＡｒガスが導
入される反応室１５ｅ，１５ｆに設けられたガス導入手
段からは、下位の反応室１５ｆの頂部に接続された廃ガ
ス排出管２１ａと上位の反応室１５ｅの頂部を貫通した
ガス導入管１９ｂとの間にはこれらを連通する第２連通
管２３が接続され、第２連通管２３には第４切換弁２３
ａが設けられる。第２連通管２３が接続された廃ガス排
出管２１ａとガス導入管１９ｂには第５切換弁２１ｃ及
び第６切換弁１９ｄがそれぞれ設けられ、第５切換弁２
１ｃ及び第６切換弁１９ｄを閉止して第４切換弁２３ａ
を開放することにより廃ガス排出管２１ａから排出され
る廃ガスが第２連通管２３を通ってガス導入管１９ｂに
連通するように構成される。

【００２６】このように構成された装置の動作を説明す
る。先ず、所定量の塩化物支持塩を供給口１８から最上
位の反応室１５ａに供給する。コントローラ１７はヒー
タ１７ａを制御して反応室１５ａの温度を塩化物支持塩
の融点以上に加熱して維持する。この加熱により反応室
１５ａに塩化物支持塩が溶融塩として貯留された後、更
に塩化物支持塩を供給口１８から反応室１５ａに供給す
る。下部仕切板１２を越えて溶融塩が次の反応室１５ｂ
に流入し、更に塩化物支持塩を供給し続けて加熱を続け
ると、やがて全ての反応室１５ａ〜１５ｆが溶融塩で満
たされる。次に使用済核燃料酸化物である原料とその還
元剤との混合物及び追加の塩化物支持塩を供給口１８か
ら反応室１５ａに供給する。供給された原料は噴出部１
９ａから噴出するガスにより最上位の反応室１５ａで溶
融塩中に撹拌混合される。原料中のウラン及びプルトニ
ウムは、前述した式（１）〜（４）に示すように、塩化
物溶融塩、導入ガス中の塩素ガス、還元剤の黒鉛粉末な
どと反応してウランやプルトニウムのオキシクロライド
又は塩化物に転換される。

【００２７】原料の供給を継続すると、図の実線矢印に
示すように、溶融塩は反応室１５ａから下部仕切板１２
を越えて反応室１５ｂに流入する。ここで上部仕切板１
６によって、溶融塩は上位の反応室１５ａから下位の反
応室１５ｂにショートパスすることなく、十分に時間を
かけて反応が行われる。この下位の反応室１５ｂにおい
ても、上位の反応室１５ａの場合と同様に、ガス噴出部
１９ａから撹拌用のガスが導入され溶融塩は撹拌され、
それぞれの反応室１５ａ，１５ｂで反応が持続されて原
料中の二酸化ウラン、二酸化プルトニウムがウランやプ
ルトニウムのオキシクロライド又は塩化物となる。反応
時に発生する二酸化炭素ガスや酸素は廃ガスとして廃ガ
ス排出管２１ａにより外部に排出される。

【００２８】転換を終えたウランやプルトニウムのオキ
シクロライド及び塩化物は溶融塩として反応室１５ｂか
ら下部仕切板１２を越えて上部仕切板１６によりショー
トパスすることなく反応室１５ｃに流入する。この電解
室の反応室１５ｃでは、前述した式（５）に示すように
ウランのオキシクロライドが二酸化ウランに転換され陰
極１３ｂに析出される。式（６）に示すようにプルトニ
ウムのオキシクロライドも二酸化プルトニウムに転換さ
れ陰極１３ｂに析出される。電解しきれなかった上記オ
キシクロライド（特にウランのオキシクロライド）は、
次の反応室１５ｄにおいて同様に二酸化ウラン、二酸化
プルトニウムが陰極１３ｂに析出され、特に原料中のウ
ランはその全量が回収される。反応室１５ｃ及び１５ｄ
で反応時に発生する塩素ガスは廃ガスとして廃ガス排出
管２１ａにより外部に排出される。

【００２９】ウランを回収した後の溶融塩は反応室１５
ｄから下部仕切板１２を越えて上部仕切板１６によりシ
ョートパスすることなく反応室１５ｅに流入する。この
反応室１５ｅではプルトニウムの塩化物が二酸化プルト
ニウムとなって沈殿析出される。即ち、下位の反応室に
設けられたガス導入手段１９から導入される塩素ガス及
び酸素ガスにより溶融塩中のプルトニウムの塩化物は反
応室に貯留した塩化物溶融塩中に導入される反応ガスと
前述した式（７）に示すように反応して二酸化プルトニ
ウムに転換される。この反応より発生する塩素ガスは廃
ガスとして廃ガス排出手段２１により排出される。二酸
化プルトニウムに転換されなかった未反応の塩化物はそ
の全量が更に反応室１５ｆで二酸化プルトニウムとなっ
て沈殿析出する。溶融塩中に析出された二酸化プルトニ
ウムは、ガス導入手段１９から導入されるガスにより溶
融塩中で撹拌され、沈殿することなく排出口１４から排
出される。排出口１４から排出された溶融塩は濾過さ
れ、固形分の二酸化プルトニウムが回収され、再利用さ
れる。濾液の溶融塩は残存する放射性核分裂生成物を除
去した後、回収され回収槽１１の塩化物支持塩として再
利用される。

【００３０】図３に本発明の別の実施の形態を示す。図
中の記号中上述した実施の形態と同一符号は同一構成部
品を示す。回収槽１１の内部にこの実施の形態では６つ
の反応室１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ及び
１５ｆを形成する５枚の下部仕切板１２が回収槽１１の
底面１１ａに間隔をあけて鉛直方向に設けられ、溶融塩
を電解してウランを析出回収する一対の電極１３が中位
に位置する２つの反応室１５ｂ，１５ｄに設けられる。
電極１３は先端が蓋１１ｃを貫通して底部に伸びてそれ
ぞれ設けられ、それ以外の反応室１５ａ，１５ｃ，１５
ｅ，１５ｆには、それらの反応室に貯留された溶融塩中
にガスを導入してその溶融塩を撹拌するガス導入手段１
９がそれぞれ設けられる。これ以外の構成は上述した実
施の形態と同一であるので繰り返しての説明を省略す
る。このように構成された回収装置では、塩化工程と電
解工程を交互に２回繰返すことができ、二酸化ウラン及
び二酸化プルトニウムのそれぞれの回収、特に電解によ
るウランの回収を、より効率よく行うことができる。

【００３１】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。この例では
回収槽は黒鉛製であって３室の反応室からなる。上位の
反応室は塩化工程、中位の反応室は電解工程、下位の反
応室は沈殿析出工程にそれぞれ相当する。中位の反応室
にはウラン回収用の一対の電極を設けた。回収槽の厚さ
Ａ（図２）は約５ｃｍ、高さＢ（図１）は約４０ｃｍ、
長さＣ（図１）は約９０ｃｍであり、各反応室は５００
ｃｃの溶融塩を貯えるように仕切り板を配設した。先ず
上位の反応室に１ｋｇの塩化ナトリウムと塩化カリウム
の混合塩（共晶塩）を供給し、７００℃で溶融させた。
溶融後、徐々に同一の混合塩を追加補充し、合計６ｋｇ
の混合塩を供給して３室のすべてに溶融塩を貯留した。
次いで、上位及び下位の２室についてガス導入管よりＡ
ｒガスを約０．７リットル／分の割合で溶融塩中に噴出
させ溶融塩を撹拌した。

【００３２】一方、使用済核燃料に模した二酸化ウラン
粉末５０ｇ（平均粒径１００μｍ）、酸化ストロンチウ
ム粉末０．０５ｇ（平均粒径２０μｍ）及び酸化セリウ
ム０．５ｇ（平均粒径２０μｍ）を用意した。酸化セリ
ウムは酸化プルトニウムの代わりに用いた。次いで塩化
ナトリウムと塩化カリウムの混合塩（共晶塩）１２，０
００ｇと、上記模擬使用済核燃料を上位の反応室に間欠
的に９．２ｇ／分の速さで供給口より供給した。この供
給と同時に、図示しない切換弁を切換えて１０容積％の
塩素ガスを含んだＡｒガスをガス導入管より約０．７リ
ットル／分の割合で上位の反応室に貯留された溶融塩中
に噴出し、上位の反応室で塩化反応を行った。塩素ガス
の供給量は、ウランモル数とほぼ同じ量で停止させた。

【００３３】中位の反応室では一対の電極に電流１Ａ、
電圧０．５〜３．０Ｖの定電圧を印加した。上位の反応
室で塩化反応を終了した溶融塩は、中位の反応室で電解
され、陰極に析出物を生じた。下位の反応室では、図示
しない切換弁を切換えて、１０容積％の塩素ガス、２０
容積％の酸素を含んだＡｒガスをガス導入管より約０．
７リットル／分の割合で下位の反応室に貯留された溶融
塩中に噴出し、酸化セリウムの沈殿析出を行った。上位
の反応室における塩化反応の反応収率及び下位の反応室
の排出口における塩化反応の反応収率を未反応酸化ウラ
ン量を測定することにより評価した。塩化反応条件及び
これらの反応収率の結果を表１に示す。また中位の反応
室の陰極に析出した物質を電子吸光等により測定した結
果、大部分の二酸化ウラン（析出量３ｇ）と極一部のセ
リウム（析出量６ｍｇ）を回収したことを確認した。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は次の多くの
優れた効果を奏する。 供給した核燃料が上位の反応室から下位の反応室に
順次移動して回収されるため、塩素化、電解回収、沈殿
析出の各操作を同一の装置で行わせ、更に濾過と組み合
わせることにより簡単な工程で連続してウラン及びプル
トニウムを酸化物の形態で回収することができ、その安
定処理と処理能力の向上を図ることができる。 回収槽が貯留する核燃料の臨界にならない平板状で
あるため、臨界安全管理上問題を生じない。 回収槽の長さＣ（図１）を延長してもその厚さＡ
（図２）を変えなければ臨界安全性は保たれるため、回
収槽の長さを変えて反応室を増減することにより、回収
に必要な滞留時間や処理能力に合致した連続した回収装
置を容易に製作でき、反応室を増加することにより処理
能力を向上することもできる。 上部仕切板により、溶融塩はショートパスすること
がない。このために下位の反応室に流れ落ちるまでの間
に各反応室内で十分な反応時間が与えられる。 各反応室に温度制御手段を設けたので、各反応室の
反応温度を制御することにより、各反応室における最適
な反応条件を容易に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の使用済核燃料の転換装置の構成図。

【図２】そのＤ−Ｄ線断面図。

【図３】本発明の別の転換装置の構成図。

【図４】溶融塩から核分裂生成物を析出する装置を示す
図。

【符号の説明】

１１ 回収槽 １１ａ 底面 １２ 下部仕切板 １３ａ，１３ｂ 電極 １４ 排出口 １５ａ〜１５ｆ 反応室 １６ 上部仕切板 １７ コントローラ（温度制御手段） １７ａ ヒータ １８ 供給口 １９ ガス導入管（ガス導入手段） ２１ 廃ガス排出管（廃ガス排出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高澤 寛 茨城県那珂郡那珂町大字向山字六人頭 1002番地の14 三菱マテリアル株式会社 那珂エネルギー研究所内 (72)発明者 山上 純夫 茨城県那珂郡那珂町大字向山字六人頭 1002番地の14 三菱マテリアル株式会社 那珂エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 平６−265689（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 19/44

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 傾斜した底面(11a)に沿って少なくとも
   ３室からなる反応室(15a,15b,15c,15d,15e,15f)を有し
   貯えた核燃料が臨界にならない厚さを有する平板状に密
   閉して形成された回収槽(11)に反応媒体である塩化物支
   持塩を溶融塩として貯留し、 最上位に位置する反応室(15a)より使用済核燃料酸化物
   を供給し、 前記最上位に位置する反応室(15a)を含む上位に位置す
   る反応室(15a,15b又は15a,15c)で順次前記酸化物中の放
   射性金属を前記塩化物溶融塩中に含まれる反応物質と反
   応させることにより前記金属のオキシクロライドを含む
   塩化物に転換し、 中位に位置する反応室(15c,15d又は15b,15d)で前記オキ
   シクロライドを溶融塩電解して電極(13b)に放射性金属
   酸化物を析出回収し、 下位に位置する反応室(15e,15f)で酸素を塩化物溶融塩
   に吹き込んで前記溶融塩中に残存する別の放射性金属酸
   化物を沈殿析出させ、 最下位に位置する反応室(15f)より前記別の放射性金属
   酸化物の析出物を含む液状の前記溶融塩を排出させ、 前記析出物を前記溶融塩から濾過分離することを特徴と
   する使用済核燃料の回収方法。
2. 【請求項２】 使用済核燃料から放射性金属のオキシク
   ロライドを含む塩化物に転換する塩化工程と、前記オキ
   シクロライドを溶融塩電解して電極(13b)に放射性金属
   酸化物を析出回収する電解工程とが繰返される請求項１
   記載の使用済核燃料の回収方法。
3. 【請求項３】 別の放射性金属酸化物の析出物を溶融塩
   から濾過分離した後の前記溶融塩に沈殿剤を投入して前
   記溶融塩中に残存する放射性核分裂生成物を析出させ、
   前記放射性核分裂生成物を前記溶融塩から濾過分離し、
   濾過後の前記溶融塩を回収槽(11)の塩化物支持塩として
   再利用する請求項１又は２記載の使用済核燃料の回収方
   法。
4. 【請求項４】 傾斜した底面(11a)を有し貯えた核燃料
   が臨界にならない厚さを有する平板状に密閉して形成さ
   れかつ反応媒体である塩化物支持塩を溶融塩として貯留
   可能な回収槽(11)と、 前記回収槽(11)の内部に少なくとも３室からなる反応室
   (15a,15b,15c,15d,15e,15f)を形成しかつ上位の反応室
   から下位の反応室に前記溶融塩が流れるように前記回収
   槽(11)の底面(11a)に上方に向けて設けられた下部仕切
   板(12)と、 最下位の反応室(15f)を除く前記反応室(15a,15b,15c,15
   d,15e)内に上方から下方に向けて設けられ上位の反応室
   から下位の反応室への前記溶融塩のショートパスを防止
   する上部仕切板(16)と、 前記塩化物支持塩の融点以上９００℃以下の温度に加熱
   して前記反応室(15a,15b,15c,15d,15e,15f)の温度をそ
   れぞれ制御する温度制御手段(17)と、 最上位に位置する反応室(15a)に設けられ前記塩化物支
   持塩又は使用済核燃料酸化物と前記塩化物支持塩を供給
   する供給口(18)と、 最下位に位置する反応室(15f)に設けられ液状の溶融塩
   を排出する排出口(14)と、 最上位及び最下位に位置する反応室(15a,15f)を除く１
   又は２以上の中位に位置する反応室(15a,15b又は15a,15
   c)に設けられ貯留された溶融塩を電解して放射性金属酸
   化物を析出回収する電極(13a,13b)と、 前記電極(13a,13b)が設けられた反応室(15c,15d又は15
   b,15d)を除く反応室(15a,15b,15e,15f又は15a,15c,15e,
   15f)に配設されそれぞれの反応室に貯留された溶融塩中
   にガスを導入するガス導入手段(19)と、 それぞれの反応室(15a,15b,15c,15d,15e,15f)の廃ガス
   を反応室毎に排出する廃ガス排出手段(21)とを備えたこ
   とを特徴とする使用済核燃料の回収装置。
5. 【請求項５】 電極(13a,13b)が設けられた反応室(15c,
   15d又は15b,15d)を除く反応室(15a,15b,15e,15f又は15
   a,15c,15e,15f)に配設されたガス導入手段(19)により導
   入されるガスが塩素ガスを含み、 前記電極(13a,13b)が設けられた反応室(15c,15d又は15
   b,15d)より下位に位置する反応室(15e,15f)に設けられ
   たガス導入手段(19)により導入されるガスが前記塩素ガ
   スに加えて更に酸素を含む請求項４記載の使用済核燃料
   の回収装置。
6. 【請求項６】 廃ガス排出手段(21)は少なくとも３室か
   らなる反応室(15a,15b,15c,15d,15e,15f)の頂部にそれ
   ぞれ接続された廃ガス排出管(21a)を備え、 ガス導入手段(19)は少なくとも３室からなる反応室(15
   a,15b,15c,15d,15e,15f)の頂部を貫通して先端が前記反
   応室(15a,15b,15c,15d,15e,15f)の底部に伸び前記先端
   にガス噴出部(19a)を有するガス導入管(19b)を備えた請
   求項５記載の使用済核燃料の回収装置。
7. 【請求項７】 塩素ガスを含むガスが導入される反応室
   (15a,15b又は15a,15c)が２室以上設けられ、 前記２室以上の反応室のうち下位の反応室(15b又は15c)
   の頂部に接続された廃ガス排出管(21a)と上位の反応室
   (15a)の頂部を貫通したガス導入管(19b)とを連通する第
   １連通管(22)が前記廃ガス排出管(21a)と前記ガス導入
   管(19b)との間に第１切換弁(22a)を介して接続され、 前記廃ガス排出管(21a)から排出される廃ガスが前記第
   １連通管(22)を通って前記ガス導入管(19b)に連通する
   ように前記廃ガス排出管(21a)及び前記ガス導入管(19b)
   に第２切換弁(21b)及び第３切換弁(19c)がそれぞれ設け
   られた請求項６記載の使用済核燃料の回収装置。
8. 【請求項８】 塩素ガスと酸素を含むガスが導入される
   反応室(15e,15f)が２室以上設けられ、 前記２室以上の反応室のうち下位の反応室(15f)の頂部
   に接続された廃ガス排出管(21a)と上位の反応室(15e)の
   頂部を貫通したガス導入管(19b)とを連通する第２連通
   管(23)が前記廃ガス排出管(21a)と前記ガス導入管(19b)
   との間に第４切換弁(23a)を介して接続され、 前記廃ガス排出管(21a)から排出される廃ガスが前記第
   ２連通管(23)を通って前記ガス導入管(19b)に連通する
   ように前記廃ガス排出管(21a)及び前記ガス導入管(19b)
   に第５切換弁(21c)及び第６切換弁(19d)がそれぞれ設け
   られた請求項６記載の使用済核燃料の回収装置。