JP4064862B2 - ウラン酸化物の金属転換及びろ過回収装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウラン酸化物の金属転換及びろ過回収装置に関するものである。より詳細には、塩化リチウム溶融塩媒質内でウラン酸化物をリチウム金属と反応させ、ウラン金属粉末に転換し、転換されたウラン金属粉末を多孔性フィルターを利用した直接ろ過によって塩化リチウム溶融液と分離して回収する装置に関するものである
【0002】
【従来の技術】
発電用及び研究用原子炉等で使用後に排出された使用後核燃料には、多量のウラン酸化物が含まれている。実際に、使用後核燃料は、大部分がウラン酸化物であり、使用後核燃料を取扱う分野ではウラン酸化物をウラン金属に転換することが、重要な研究テーマの一つになっていて、ウラン金属への転換と関連した多様な技術が開発されている。
【0003】
一例として、ウラン酸化物とフッ酸を反応させて得られる四フッ化ウラン(UF4)をマグネシウムまたはカルシウムを利用した還元反応を通してウラン金属を得る方法が使用されてきた。
【0004】
しかし、この方法は、反応物に使用されるフッ素の腐食性が強く取扱いが容易ではないだけではなく、反応による副産物と発生するフッ化マグネシウム(MgF2)またはフッ化カルシウム(CaF2)には、ウランが含まれているため処理が複雑で工程の効率性が低下し、処理費用が多くかかるため経済的な方法とは言えなかった。
【0005】
上述した方法の欠点を補完するために登場したものとして、中間物質としてウラン塩化物を製造した後、ウラン金属に転換する方法が紹介されたことがある。
その一例として、フッ酸を使用する代わりに三酸化ウランを水素で還元して二酸化ウランにした後、炭素粉末と混合して600℃以上の温度を維持した流動式反応器で塩素等のガスと反応させ四塩化ウラン(UCl4)を製造した後、電気分解によって陰極でウラン金属を析出させる方法が開発されたことがある(特許文献1参照)。
【0006】
また異なる例として、やはり600℃以上の温度で維持された反応器に二酸化ウランと炭素の混合物を入れ、塩素ガスを注入して反応させることによって四塩化ウランを製造した後、第3の金属を使用して金属ウランを回収する方法が開発されたことがある(特許文献2参照)。
【0007】
最近になって、ウラン酸化物の金属転換反応は、塩化リチウム溶融塩を媒質にしたウラン酸化粉末と溶融リチウム金属との固体-液体-液体反応を通してウラン金属を回収する方法が使用されている。しかし、溶融塩を反応媒質に利用する工程は、高温の運転条件と溶融塩取扱い上の難しさによって工程開発に多くの制約を受けている。言い換えれば、溶融塩系工程は、溶融塩の空気中吸収特性の為、必ず不活性雰囲気でおこなわなければならず、溶融点以下の温度で固化する特性があるため必ず使用しようとする溶融塩の融点温度以上で作業が進行されなければならない等の制約がともなう。
【0008】
実際に、空気中の酸素または水分との酸化反応が爆発的に起きるリチウム金属を使用するため、不活性雰囲気が維持された密閉条件で遂行しなければならず、塩化リチウムの融点以上の650℃程度の温度で反応がなされなければならない。また、生成されたウラン金属粉末を回収するためには、反応媒質の塩化リチウム溶融塩との分離作業もやはり融点温度以上の高温で遂行しなければならない。
【0009】
ウラン酸化物をリチウムとの還元反応により金属に転換する従来の方法をもう少し詳しく見てみると、ウラン酸化物としてUO2ペレット(pellet)を使用してリチウムと反応させウラン金属に転換させる方法は、反応表面積が小さいUO2ペレットの使用するため50時間以上の長い反応時間が所要される問題点があり、それにもかかわらず金属転換率が相対的に低いという短所があった。また、使用するUO2ペレットに微細な気孔が存在するため、生成されたウラン金属の気孔内に塩化リチウム及び酸化リチウムの反応残溜物が不純物として存在する問題点があった。
【0010】
一方、反応時間の短縮と微細な気孔の影響から逃れるために、ウラン酸化物として反応表面積が大きいウラン酸化粉末(UO2 粉末またはU3O8 粉末)を使用する方法は、生成されたウラン金属が微細な粉末形態であるためこれを高温の溶融塩系から分離しなければならないという易しくない問題点があった。金属転換装置に遠心分離機を装着して転換されたウラン金属粉末を遠心分離機により分離回収する方法が提示されたことがあるが、遠心分離機を高温の固体-液体溶融塩系に適用するのには多くの制約が付きまとい実用化には限界がある。
【0011】
結局、反応時間を短縮させるためには、反応表面積が大きい粉末形態のウラン酸化物を使用することが有利であるが、金属に転換されたウランもまた粉末形態で生成されるため、高温の溶融塩からこれらを分離するという難しい問題点を解決すれば実用化が可能である。
【0012】
【特許文献1】
米国特許第5,164,050号明細書
【特許文献2】
米国特許第5,421,855号明細書
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような従来技術の問題点を解消するため、本発明の目的は、不活性雰囲気の密閉された反応条件で塩化リチウム溶融塩を媒質にしてウラン酸化粉末をリチウムとの還元反応によりウラン金属粉末に転換させ、ウラン酸化物-塩化リチウム溶融塩-溶融リチウム反応系から生成された微細なウラン金属粉末を直接ろ過方式で塩化リチウム溶融塩と分離して回収できる装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
これを実現するために本発明は、ウラン酸化物をウラン金属に転換する装置において、高温の反応条件を維持させるための加熱手段を備えた加熱炉と、下部中心に排出口を設け下部形状を排出口に向かって下降する傾斜を持った円錐形に形成された反応容器と反応容器を密閉する密閉蓋とアルゴンガスを注入及び排出させるための注入管及び排出管とを含む反応器と、前記排出口を開閉するバルブアセンブリーと、反応容器内部の混合物を均一に混合するための一台以上の撹拌機と、独立した加熱手段を含み、前記密閉蓋に脱着可能に設置されリチウム金属を溶融状態で反応器に供給するリチウム金属供給機と、圧縮空気の循環によって断熱効果を発生させるために密閉蓋に内蔵される冷却ジャケットと、加熱炉内部の反応器下部に位置し反応器から排出される混合物をろ過する多孔性フィルターと、加熱炉内部の多孔性フィルターの下部に位置し、多孔性フィルターを透過した溶融塩を回収する溶融塩回収タンクとを備えることを特徴とするウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置を提供する。
【0015】
前記加熱炉は、個別に温度制御が可能で、各々上下に間隔をおいて順々に内蔵された多数の加熱手段を含むことを特徴とし、前記多孔性フィルターは、マグネシア材質で形成され反応器で生成された微細なウラン金属粉末を分離回収できることを特徴とし、前記バルブアセンブリーは、密閉蓋上部の空気圧シリンダーと空気圧シリンダーの出力端に連結され排出口を開閉する棒形態のバルブを含むことを特徴とする。
【0016】
そして、反応器の中心を基準に対称の位置に設置された一対の前記撹拌機を含むことを特徴とし、該撹拌機は気密性維持のためにマグネチックドライブを使用して動力伝達がなされる反応器外部のモーター及び反応器内部の駆動軸を含むことを特徴とする。
【0017】
さらに、加熱炉の内壁と加熱炉内部の反応器の外壁及び溶融塩回収タンクの外壁間に位置する反応器補助タンクを含むことを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい一実施形態を添付した図面に基づいてさらに詳細に説明する。
【0019】
図1は、本発明のウラン酸化物の金属転換及びろ過回収装置の全体構成図である。本発明の実施例によるウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置は、大きく分けて、高温の反応条件を維持させるための加熱炉10と、加熱炉上部に配置される反応器20と、反応器20下部に位置し反応器から排出される混合物質をろ過する多孔性フィルター40と、多孔性フィルターの下部に位置し多孔性フィルターを透過した溶融塩を回収する溶融塩回収タンク50等を含んだ構成で成り立っている。
【0020】
加熱炉10は、内部に円筒形空間を備え、反応器20と多孔性フィルター40及び溶融塩回収タンク50を内蔵した状態で、工程上要求される温度条件を維持させるものであり、個別に温度制御が可能な複数の加熱手段(非図示)が各々上下に間隔をおいて順々に内蔵されている。例えば、3段に区分する場合、上段、中段、下段に各々加熱手段を装着し、PID方式により個別に温度を制御することによって、加熱炉10の円筒形空間内部を高さによる上下間の温度偏差を最小にして全体的に温度を均一に維持でき、これにより反応媒質に使用される塩化リチウムを融点以上の温度に維持させるのに適合する。言い換えれば、反応媒質に使用される塩化リチウムを反応時だけではなく、ろ過工程を含む最終的な工程が終わるまで溶融状態に維持するために内部に位置する反応器20、溶融塩回収タンク50等を650℃程度の温度に均一に維持できるようにする。
【0021】
反応器20は、加熱炉10によって温度条件が維持された状態で、ウラン酸化物とリチウム間の還元反応を発生させるものであり、大きく分けて、ウラン酸化物と反応媒質に使用される溶融塩化リチウム及び溶融リチウムが混合された状態で収容される反応容器25と、反応容器25の上部を覆い内部空間を密閉する密閉蓋35を含む。もちろん、反応器20は反応容器25と密閉蓋35が一体化した圧力タンク形に形成することも可能である。
【0022】
反応容器25は、金属転換工程を終わった混合物を下部に位置する多孔性フィルター40に排出できるように下段部中心に形成される排出口21を備え、排出を円滑にするために円錐形の下段部形状を持つように形成する。この円錐形下段部23の傾斜は35°以上にすることが好ましい。
【0023】
反応器内部には、固体-液体の溶融塩反応系を均一に混合するために一つ以上の撹拌機30を設置する。ウラン酸化物-塩化リチウム-リチウム溶融塩は、650℃で固体-液体-液体の3相で存在し、これらの反応物間の密度差が大きいため混合に難しさが伴うため、反応物を混合して反応効率を高めるために撹拌機30を設置する。
【0024】
この撹拌機30は、一般的な撹拌機が貫通する形態の駆動軸を使用すれば気密性が下がるので、外部空気が反応器20内部に引入れられる可能性があり、反応器外部のモーター(非図示)と反応器内部の駆動軸29の気密性維持が保障された状態でモーターと駆動軸29間の動力伝達がなされるように、密閉蓋35に装着されたマグネチックドライブ27、及び反応物に漬る駆動軸29の端部に設置された撹拌用プロペラ33を含んで構成する。マグネチックドライブ27と反応器外部のモーター(非図示)間を直接連結することもできるけれど、付加的なモーター装着に対する便宜性を考慮して連結用フレキシブルジョイント(非図示)を使用する。
【0025】
また、駆動時液面に発生する渦巻き(Vortex)を防止するために、一対の撹拌機30を備え、これらを反応器20の中心を基準にしてお互いに対称の位置に設置することが好ましい。
【0026】
反応容器25の排出口21は、空気圧シリンダー37と棒形態のバルブ39で構成されたバルブアセンブリーにより開閉される。空気圧シリンダー37は、反応器20外部に露出するように密閉蓋35上部に設置し、空気圧シリンダー37の出力端にバルブ39が密閉蓋35を貫通する形態で装着し、上昇時にバルブ39の下段部が排出口21を開放し、下降時にバルブ39の下段部が排出口21を閉鎖する。
【0027】
密閉蓋35には、冷却ジャケット(非図示)が内蔵されていて、冷却ジャケットの入口43と出口44を通して持続的に圧縮空気を注入し排出することによって断熱効果を発生させる。これによって、高温に維持された反応器20内部の熱から密閉蓋35上部に設置された各種機器と作業者を保護できる。
【0028】
また、反応器20には、アルゴンガスを注入及び排出させるための注入管46と排出管47を設置する。これを通して反応器20内部の圧力が大気圧より若干高い状態を維持するようにアルゴンガスを継続して流し送ることによって反応器内部を不活性雰囲気に維持できる。
【0029】
一方、リチウム金属供給機60を密閉蓋35に脱着可能に設置し、反応器20内部が不活性雰囲気に維持され密閉された条件でリチウム(Li)金属を取扱えるようにする。リチウム金属供給機60は、独立した加熱手段(非図示)と熱電対61を備えている。ゆえに固体状態で充填されるリチウム金属を溶融させ液体状態で反応器に供給できる。つまり、リチウム金属を不活性雰囲気のグローブボックス内で計量しリチウム金属注入口63を通してリチウム金属供給機に充填した後、リチウム金属供給機60をグローブボックスから取りだし反応器20上部の密閉蓋35に結合し、この状態で独立に(別個に)備えた加熱手段によってリチウム金属を溶融させ反応器20に供給する。
【0030】
前記多孔性フィルター40は、反応器下部にフィルターアダプター45によって装着し、バルブ上昇による排出口21開放時、反応器から排出される混合物をろ過して金属転換反応で生成されるウラン金属粉末と溶融塩を分離する。多孔性フィルターは、気孔の大きさが10μm程度で高温の溶融塩系で耐腐食及び熱的安定性が良好なマグネシア材質を使用し、床面と縁面(側面)を持った容器形態に形成する。
【0031】
前記溶融塩回収タンク50は、多孔性フィルター40の下部に位置し、多孔性フィルターを透過した溶融塩を貯蔵する。
以上のような構成に合わせて、ウラン酸化物及び塩化リチウムを注入するための試料注入口11を密閉蓋35に備えていて、反応器20内部の温度と圧力を測定するための熱電対15と圧力計17を備えている。
【0032】
さらに、加熱炉10の内壁と加熱炉内部の反応器20の外壁及び溶融塩回収タンク50の外壁間に位置する反応器補助タンク70を含むことができる。反応器補助タンク70は、反応が終了後、反応器から溶融塩回収タンク50に排出される混合物が溶融塩回収タンク50外部に漏出した場合にも、漏出した混合物によって加熱炉10内部が汚染されることを防止する。
【0033】
以上、上述した本発明によるウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置を利用してウラン金属粉末を製造し回収する過程を説明する。
まず、試料注入口11を通して一定量の塩化リチウムとウラン酸化粉末を反応器20に注入し、加熱手段を制御して反応器内部温度を650℃まで加熱して塩化リチウムを溶融させる。加熱する過程で、反応器20内部の温度が600℃に到達したら注入管46と排出管47を利用してアルゴンガスの高圧充填と排出を反復することによって空気及び塩化リチウムに含有された水分を除去し、反応器20内部を不活性雰囲気にする。
【0034】
塩化リチウムが溶融し温度が650℃に一定に維持されると、リチウム金属供給機60に前もって準備しておいた溶融したリチウム金属を反応器20に注入した後、一対備えられた撹拌機30を250rpmの速度で作動させ、ウラン酸化物とリチウムとの還元反応が起きるようにする。
【0035】
リチウム金属供給機60により供給されるリチウム金属は、初期に総注入量の50 %を注入し、反応時間が2時間経過するにしたがって10%ずつ追加供給する。リチウム金属は、塩化リチウム溶融塩に対する溶解度(650℃で0.5mol%)と密度(0.511g/cm3)がとても低いため、金属転換反応中に過剰供給された大部分のリチウム金属は、液状の塩化リチウム溶融塩上部に浮遊し、これにより相当量の蒸発したリチウム金属が反応器20外部に排出される心配がある。このような現象を防止するために、リチウム金属を初期に全量注入しないで反応時間が経過するにしたがってリチウム金属を一定量ずつ注入する。
【0036】
反応器20の温度を650℃、撹拌速度を250rpmの状態で反応を継続進行させ、この時アルゴンガスが反応器を通して継続して流れるようにすることによって不活性雰囲気を維持できるようにする。
【0037】
金属転換反応に必要な時間は、10時間程度であり、時間が経過して反応が終了すると、空気圧シリンダー37によりバルブ39を上昇させ反応容器25下部の排出口21を開放させる。排出口開放と同時に生成されたウラン金属粉末と液状の溶融塩が排出口下部に位置したマグネシア材質の多孔性フィルター40に排出され、また多孔性フィルター40でろ過による混合物の分離が発生する。
【0038】
最終的に、ろ過が終わると加熱炉10の電源を遮断し常温で冷却させた後、反応器20と多孔性フィルター40を解体して多孔性フィルターにろ過されたウラン金属粉末と溶融塩回収タンク50に集められた溶融塩を回収することによって、ウラン酸化物の金属転換及びろ過回収作業が終わる
【0039】
【発明の効果】
以上の本発明によるウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置を提供することによって、高温の溶融塩系でリチウムとの反応によりウラン酸化物をウラン金属に転換し、転換された金属を溶融塩から分離回収可能にする。反応物質に微細なウラン酸化粉末を使用可能になり反応時間を短縮させ反応効率を高める効果を得られる。合わせて、ウラン酸化粉末に適用された本発明は、窮極的には、ウラン酸化物が大部分を占める使用後核燃料の酸化粉末にも適用して使用後核然料を金属に転換するために使用できる等の広い活用範囲を持っている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のウラン酸化物の金属転換及びろ過回収装置の全体構成図である。
【符号の説明】
10: 加熱炉 11: 試料注入口
15、61: 熱電対 17: 圧力計
20: 反応器 21: 排出口
23: 円錐形下段部 25: 反応容器
27: マグネチックドライブ 29: 駆動軸
30: 撹拌機 33: 撹拌用プロペラ
35: 密閉蓋 37: 空気圧シリンダー
39: バルブ 40: 多孔性フィルター
43: 冷却ジャケットの入口 44: 冷却ジャケットの出口
45: フィルターアダプター 46: 注入管
47: 排出管 50: 溶融塩回収タンク
60: リチウム金属供給機 63: リチウム金属注入口
70: 反応器補助タンク
Claims (3)
- ウラン酸化物をウラン金属に転換する装置において、
高温の反応条件を維持させるための加熱手段を備えた加熱炉と、
下部中心に排出口を設け下部形状を排出口に向かって下降する傾斜を持った円錐形に形成した反応容器と、反応容器を密閉する密閉蓋と、アルゴンガスを注入及び排出させるための注入管及び排出管とを含む反応器と、
前記排出口を開閉するバルブアセンブリーと、
反応器外部のモーター、反応器内部の駆動軸、及び前記モーターから前記駆動軸に動力伝達すると共に前記反応器の内部と外部との間の気密を維持するマグネチックドライブからなり、反応容器内部の混合物を均一に混合するための一台以上の撹拌機と、
独立した加熱手段を含み、前記密閉蓋に脱着可能に設置されリチウム金属を溶融状態で反応器に供給するリチウム金属供給機と、
圧縮空気の循環により断熱効果を発生させるために密閉蓋に内蔵される冷却ジャケットと、
加熱炉内部の反応器下部に位置し反応器から排出される混合物をろ過する多孔性フィルターと、
加熱炉内部の多孔性フィルターの下部に位置し、多孔性フィルターを透過した溶融塩を回収する溶融塩回収タンクと
を備えることを特徴とするウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。 - 前記バルブアセンブリーが、密閉蓋上部の空気圧シリンダーと空気圧シリンダーの出力端に連結され排出口を開閉する棒形態のバルブを含むことを特徴とする請求項1記載のウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。
- ウラン金属粉末と溶融塩の混合物が前記多孔性フィルターに流入するときの傾斜であって、前記反応容器の円錐形下端部の傾斜が、水平面から35°以上であることを特徴とする請求項1又は2記載のウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。
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