JP4504247B2 - マイナーアクチニドリサイクル方法 - Google Patents

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Description

本発明は使用済み酸化物原子燃料を処理して酸化ウラン、酸化プルトニウムおよび酸化マイナーアクチニドを回収するマイナーアクチニドリサイクル方法に関する。
従来、使用済み酸化物原子燃料は、硝酸に溶解して有機溶媒により核分裂生成物を除去し、価数を調整することにより、酸化ウランや酸化プルトニウムを分けて回収するピューレックス法が開発されていた。また、溶融塩電解法を用いて使用済み酸化物原子燃料を処理する方法では、酸化ウランを陰極に回収した後、塩素ガスと酸素ガスの混合ガスにより酸化プルトニウムを回収する方法や、陰極に酸化ウランと酸化プルトニウムを共析させる方法が知られている(特許文献1参照)。
特開平11−64577号公報
使用済み酸化物原子燃料を処理して酸化ウラン、酸化プルトニウムおよび酸化マイナーアクチニドを同時に回収する技術については知られていない。
本発明はかかる従来技術の課題を解決するためになされたもので、使用済み酸化物原子燃料を処理して酸化ウラン、酸化プルトニウムおよび酸化マイナーアクチニドを回収するマイナーアクチニドリサイクル方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、使用済み酸化物原子燃料を処理して酸化ウラン、酸化プルトニウムおよび酸化マイナーアクチニドを回収するマイナーアクチニドリサイクル方法において、使用済み酸化物原子燃料を陽極として溶融塩電解法により溶解し、酸化ウランを第1の陰極に析出させる第1の溶融塩電解工程と、前記第1の溶融塩電解工程の後に、前記第1の陰極を第2の陰極と取り替える第1の陰極取替え工程と、前記第1の陰極取替え工程の後に、前記陽極および溶融塩を取り替えずに溶融塩電解法により溶解し、酸化ウランと酸化ネプツニウムを含む第1の混合酸化物を第2の陰極に析出させる第2の溶融塩電解工程と、前記第2の溶融塩電解工程の後に、前記第2の陰極を第3の陰極と取り替える第2の陰極取替え工程と、前記第2の陰極取替え工程の後に、前記陽極および溶融塩を取り替えずに溶融塩電解法により溶解し、塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを吹き込みながら酸化ウラン、酸化ネプツニウム、酸化プルトニウムおよび酸化アメリシウムを含む第2の混合酸化物を第3の陰極に析出させる第3の溶融塩電解工程と、前記第1の陰極取替え工程の後に、前記第1陰極に析出した酸化ウランに付着した溶融塩を分離する第1の溶融塩分離工程と、前記第2の陰極取替え工程の後に、前記第2陰極に析出した前記第1の混合酸化物に付着した溶融塩を分離する第2の溶融塩分離工程と、前記第3の溶融塩電解工程の後に、前記第3陰極に析出した前記第2の混合酸化物に付着した溶融塩を分離する第3の溶融塩分離工程と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、UO/NpOを同時に混合酸化物として回収できるので、従来、高レベル放射性廃棄物もしくはマイナーアクチニドを含んだ廃棄物として処分されるNp,Amなどを燃料として原子炉に入れて燃焼させることができ、廃棄物発生量を低減できる。
また、発熱性で半減期が比較的短いキュリウムを他のマイナーアクチニドと分けて回収できるので、高レベル放射性廃棄物もしくはマイナーアクチニドを含んだ廃棄物として処分される廃棄物発生量を低減できる。
以下、使用済み酸化物原子燃料を処理して酸化ウラン、酸化プルトニウムおよび酸化マイナーアクチニドを回収する本発明に係るマイナーアクチニドリサイクル方法の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は本実施形態のマイナーアクチニドリサイクル方法の手順を示すフロー図であり、図2は図1の溶融塩電解工程の詳細を示すフロー図であり、図3は図2の溶融塩電解工程で使用される装置を模式的に示す斜視図である。
図1において、原子炉で燃焼させた使用済み燃料(使用済み酸化物原子燃料)1は、脱被覆工程2で被覆管を取り除かれた後、溶融塩電解工程3に移される。溶融塩電解工程3では、図2および図3を参照して後述するように、使用済み燃料1が陽極に接続され、溶融塩電解法により陽極で使用済み燃料1が溶解される。溶融塩電解工程3は、第1、第2および第3の溶融塩電解工程の三つの工程に分かれており、各工程ごとに陰極を取り替えて、それぞれ、第1、第2、第3の陰極が用いられる。溶融塩電解るつぼとその中の溶融塩、ならびに陽極は、継続して同じものが用いられる。
図2に示すように、第1の溶融塩電解工程4では、第1の陰極に酸化ウランのみ析出させ、第1の陰極で酸化ウランを80%程度回収する。次に、第1の陰極を溶融塩電解るつぼから取り出して、代わりに第2の陰極を挿入する(第1の陰極取り替え工程30)。そして、第2の溶融塩電解工程5で、第2の陰極に電位を制御すると共に塩素と酸素の混合ガスを吹き込みながら、酸化ウランと酸化ネプツニウムの混合物である第1の混合酸化物を第2の陰極に析出させる。
次に、第2の陰極を溶融塩電解るつぼから取り出して、代わりに第3の陰極を挿入する(第2の陰極取り替え工程31)。そして、第3の溶融塩電解工程6で、混合ガスの組成を変化させて第3の陰極に、酸化ウラン、酸化ネプツニウム、酸化プルトニウムおよび酸化アメリシウムの混合物である第2の混合酸化物を析出させる。このとき、キュウリウムは溶融塩中にイオンで残留させる。
次に、溶融塩分離工程8で、第2および第3の陰極に回収した混合酸化物に付着した塩を除去する。その後、粉砕工程9で適当な粒径の顆粒燃料とする。さらに、振動充填工程10でマイナーアクチニド燃料11とし、原子炉(軽水炉、プルサーマル炉もしくは高速炉)12にターゲット燃料(マイナーアクチニドを消滅させることを目的とした燃料)として装荷する。
次に、図3を参照して、溶融塩電解工程3で使用される溶融塩電解装置を説明する。前述のように、第1、第2、第3の溶融電解工程それぞれで陰極17を交換して第1、第2、第3の陰極を用いるが、図3に示す溶融電解装置は、第1、第2、第3の溶融電解工程で使用される溶融電解装置を共通に表している。
電解槽るつぼ14には溶融塩18が収容される。電解槽るつぼ14は上部に開口を有し、この開口を閉じるように上蓋13が被せられている。陽極15、陰極17、参照電極20、攪拌機19およびガス吹き込み管30が、上蓋13を貫通して、電解槽るつぼ14内の溶融塩18中に挿入されている。陽極15および陰極17の数は、適宜変更できるようになっている。
陽極15の下部の周囲の溶融塩18中に陽極バスケット16が取り付けられ、陽極バスケット16内に使用済みの酸化物原子燃料(図示せず)が収納される。
電解槽るつぼ14は、耐食性を高くするために、表面が緻密な珪酸ジルコニウムZrSiOもしくはパイログラファイトを用いて炭素材と組み合わせた材料のものとする。電解槽るつぼ14は電極として使用しない。
陽極15および陰極17は、パイログラファイト製の閉管円筒型であり、多数が電解槽るつぼ14に挿入される。これらの陽極15および陰極17のうちで陽極端子または陰極端子に接続する本数を、溶融塩中のウランやネプツニウムなどのマイナーアクチニドイオンの溶解状態に依存して自由に変えることができる。接続する電極の本数を変えることにより、陽極15と陰極17の電極面積の割合を変化することができるので、アメリシウム等の微量の元素が溶解した場合にも電解条件を幅広く選択することができる。
使用済み燃料を、たとえば、パイログラファイト製の側面に孔のあいた陽極バスケット16に入れる。陽極バスケット16の中心には、陽極バスケット16を保持する保持棒31を設ける。保持棒31を陽極15に接続し、リードとして使用する。陽極バスケット16を攪拌する場合には、保持棒31を回転軸として陽極バスケット16を回転させることも可能である。他の例として、陽極15は陽極バスケット16を付けずに陰極17と同様な円筒型のパイログラファイトを使用することも可能である。
一方、溶融塩電解槽るつぼ14には、たとえば塩化ナトリウムと塩化セシウムの混合塩を入れ、たとえばパイログラファイト製の円筒型陰極17を挿入する。円筒型陰極17には析出物の落下を防ぐためのセラミック製の受け皿(図示せず)を付けることも可能である。陽極バスケット16に装荷された使用済み燃料は陽極溶解により、たとえばUO 2+イオンが陽極バスケット16の孔を通して溶融塩18中に溶ける。一方、陰極17に、たとえば酸化ウランなどを析出させて回収する。
次に、第1、第2、第3の溶融塩電解工程それぞれを順に説明する。
第1の溶融塩電解工程で、使用済みの酸化物原子燃料は陽極バスケット16に入れられ、陽極15に接続される。一方、第1の陰極17は、多数挿入された電極のうちから、陽極と陰極の面積比に基づいた本数を選択し、接続する。このとき、次の反応式に従って、使用済み燃料は溶融塩中に溶解する。また、第1の陰極の電位を制御しながら、第1の陰極に酸化ウランのみを析出させることができる。
陽極 UO → UO 2+ + 2e
陰極 UO 2+ + 2e → UO
次に、酸化ウランのみを析出した第1の陰極を電解槽るつぼ14から取り出し、第2の陰極17を電解槽るつぼ14に吹き込む。そして、第2の溶融塩電解工程5として、電位をポジティブに制御するか、もしくは溶融塩中にガス吹き込み管30を通じて塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを吹き込むことにより、ネプツニウムイオンをネプツニルNpO 2+とし、溶融塩中に溶解させる。第2の陰極17の電位を制御しながら、酸化ウランと酸化ネプツニウムを同時に第1の混合酸化物として第2の陰極に析出させ、回収する。このときの反応式は次のようになる。
陽極 UO → UO 2+ + 2e
NpO → NpO 2+ + 2e
陰極 UO 2+ + 2e → UO
NpO 2+ + 2e → NpO
この場合、塩素ガスと酸素ガスの混合ガスの割合を制御し、プルトニウムは4価のPu4+イオンの状態で存在するため、陰極に析出せず、溶融塩中に残留する。
次に、第1の混合酸化物が析出した第2の陰極を電解槽るつぼ14から取り出し、第3の陰極17を電解槽るつぼ14に挿入する。そして、第3の溶融塩電解工程6を行なう。すなわち、塩素ガスと酸素ガスの混合ガスの酸素ガスの割合を増やした混合ガスを吹き込むことにより、プルトニウムイオンをプルトニルPuO 2+とし、かつアメリシウムイオンをAmO 2+の形態で溶融塩中に溶解させる。まず、第3の陰極17の電位を制御しながら、残留している酸化ウランと酸化ネプツニウム、および酸化プルトニウムを第3の陰極17に共析させて溶融塩中のプルトニウムイオンをほとんど回収する。その後、塩素ガスと酸素ガスの混合ガス中の酸素の割合を高くして、残留しているウラニルイオン、ネプツニルイオン、プルトニルイオンとAmO 2+イオンを同時に、酸化ウランと酸化ネプツニウム、および酸化プルトニウム、酸化アメリシウムの混合物である第2の混合酸化物の形で第3の陰極17に析出させ、回収する。このときの反応式は次のようになる。
陽極 PuO → PuO 2+ + 2e
1/2 Am → Am3+ + 3/
Am3+ + O + e → AmO 2+
2 Cl → Cl + 2e
陰極 UO 2+ + 2e → UO
NpO 2+ + 2e → NpO
PuO 2+ + 2e → PuO
AmO 2+ + 2e → AmO
残留している酸化ウランと酸化ネプツニウム、および酸化プルトニウムを第3の陰極に共析させる塩素ガスと酸素ガスの混合の割合は1:1程度が適当であるが、1:2〜2:1までは可能である。
この場合、塩素ガスと酸素ガスの混合ガスの割合を制御しても、キュリウムはCm3+の状態で、6価のCmO 2+イオンにはならないため、溶融塩中に溶解した状態で第3の陰極17に析出せず、溶融塩中に残留する。
次に、溶融塩中に酸素ガスを吹き込むことにより、残留したCm3+は酸化物Cmの形態になり、沈殿する(酸化Cm沈殿工程7)。酸化キュリウム(Cm)の沈殿は、遠心式回収装置(図示せず)などを用いて選択的に回収することができる。
また、塩素ガスと酸素ガスの混合ガス中の酸素ガスの割合を高くして、残留しているウラニルイオン、ネプツニルイオン、プルトニルイオンとAmO 2+イオンを同時に、酸化ウランと酸化ネプツニウム、および酸化プルトニウム、酸化アメリシウムの第2の混合酸化物の形で陰極17に析出させ、回収する場合、溶融塩中は極めて腐食性の強い高酸化雰囲気pO2−(log(O2−濃度))が7以下になる。そのため、パイログラファイトのようなるつぼ材料では腐食量が増加し、るつぼの交換頻度が増加する。この実施形態では、表面が緻密な珪酸ジルコニウムZrSiOを電解槽るつぼ14の材料として用いる。また、パイログラファイトを用いる場合は炭素材と組み合わせた形とする。ここで、電解槽るつぼ14は電極として使用せず、外部から挿入した陽極15および陰極17を用いることか、電解槽るつぼ14は非導電性材料である珪酸ジルコニウムを使用することが可能である。
図2の溶融塩電解装置において、電解槽るつぼ14を陽極として用いないので、陽極端子または陰極端子に接続する電極の本数を、溶融塩中のウランやネプツニウムなどのマイナーアクチニドイオンの溶解状態などに応じて変更し、電解条件を自由に変えることができる。接続する電極の本数を変えることにより、陽極と陰極の電極面積の割合を変化することができるので、アメリシウム等の微量の元素が溶解した場合にも電解条件を幅広く選択することができる。
電解槽に入れる溶融塩としては、塩化カリウムと塩化リチウムの混合塩だけでなく、塩化ナトリウムと塩化ルビジウムの混合塩、塩化セシウムと塩化リチウムの混合塩、塩化ナトリウムと塩化マグネシウムの混合塩、塩化ナトリウムと塩化カリウムの混合塩、塩化リチウムと塩化ストロンチウムの混合塩、塩化リチウムと塩化カルシウムの混合塩も使用可能である。さらに、AmO 2+イオンを安定化させるフッ化物を混合したフッ化ナトリウムとフッ化カリウムの混合塩、フッ化リチウムとフッ化カリウムの混合塩、フッ化ナトリウムとフッ化リチウムの混合塩、塩化ナトリウムとフッ化ナトリウムの混合塩、塩化カリウムとフッ化カリウムの混合塩のいずれかの混合塩も使用可能である。
第1の溶融塩電解工程4において回収した酸化ウランに付着した塩は、溶融塩分離工程8において、温度を1200℃以上にして蒸発させて除去する。蒸発させる温度は、圧力を負圧にしながら蒸発させる場合は900℃以上でも可能である。
溶融塩分離工程8で付着した塩を分離した酸化ウランは、使用済み燃料貯蔵用のキャスクに入れて貯蔵する。ここには発熱性の核種であるPuおよびAmが含まれていないので、キャスク間の距離を縮めて貯蔵できる。そのため酸化ウランの貯蔵施設は、使用済み燃料をそのまま貯蔵する施設に比較して施設規模を1/3にすることができる。
第2の溶融塩電解工程5において、第2の陰極に析出、回収した第1の混合酸化物(酸化ウランと酸化ネプツニウム)、および第3の溶融塩電解工程6で第3の陰極に析出、回収した第2の混合酸化物(酸化ウランと酸化ネプツニウムと酸化プルトニウムおよび酸化アメリシウム)は、溶融塩分離工程8において、付着した塩を温度1200℃以上にして蒸発させて除去する。その後、粉砕工程9で、第1および第2の混合酸化物は適当な大きな顆粒に粉砕される。さらに、振動充填工程10で、ターゲット燃料の形に成型加工される。成型加工されたターゲット燃料はマイナーアクチニド燃料11として、原子炉(軽水炉、プルサーマル炉または高速炉)12の燃料として装荷され、燃焼することにより燃料として使用される。その結果、使用済み燃料が廃棄物とされずに、超ウラン元素廃棄物(マイナーアクチニドを含んだ廃棄物)を1/2以下に低減することができる。
本実施形態におけるマイナーアクチニドリサイクルシステムでは、溶融塩電解工程3、溶融塩分離工程8および振動充填工程10を行なう装置を各々1基ずつ設置することにより使用済み酸化物原子燃料の処理量を増加することができる。また、追加設置した後の前記溶融塩電解工程、溶融塩分離工程および振動充填工程の一部の装置を使用しないことにより、使用積み燃料の処理量の変化に柔軟に対応することができる。特に、使用済み酸化物原子燃料の処理量を毎年決まった量、たとえば、400トンずつ増す場合にはその量に合わせて増設することができるので、プラントを建設した後の処理量の変化に対応することができる。
本発明に係るマイナーアクチニドリサイクル方法の実施形態の手順を示すフロー図。 図1の溶融塩電解工程の詳細を示すフロー図。 図2の溶融塩電解工程で使用される溶融塩電解装置を模式的に示す斜視図。
符号の説明
1…使用済み燃料
2…脱被覆工程
3…溶融塩電解工程
4…第1の溶融塩電解工程
5…第2の溶融塩電解工程
6…第3の溶融塩電解工程
7…酸化キュリウム沈殿工程
8…溶融塩分離工程
9…粉砕工程
10…振動充填工程
11…マイナーアクチニド燃料
12…原子炉
13…上蓋
14…電解槽るつぼ
15…陽極
16…陽極バスケット
17…陰極
18…溶融塩
19…攪拌機
20…参照電極
30…第1の陰極取り替え工程
31…第2の陰極取り替え工程

Claims (10)

  1. 使用済み酸化物原子燃料を処理して酸化ウラン、酸化プルトニウムおよび酸化マイナーアクチニドを回収するマイナーアクチニドリサイクル方法において、
    使用済み酸化物原子燃料を陽極として溶融塩電解法により溶解し、酸化ウランを第1の陰極に析出させる第1の溶融塩電解工程と、
    前記第1の溶融塩電解工程の後に、前記第1の陰極を第2の陰極と取り替える第1の陰極取替え工程と、
    前記第1の陰極取替え工程の後に、前記陽極および溶融塩を取り替えずに溶融塩電解法により溶解し、酸化ウランと酸化ネプツニウムを含む第1の混合酸化物を第2の陰極に析出させる第2の溶融塩電解工程と、
    前記第2の溶融塩電解工程の後に、前記第2の陰極を第3の陰極と取り替える第2の陰極取替え工程と、
    前記第2の陰極取替え工程の後に、前記陽極および溶融塩を取り替えずに溶融塩電解法により溶解し、塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを吹き込みながら酸化ウラン、酸化ネプツニウム、酸化プルトニウムおよび酸化アメリシウムを含む第2の混合酸化物を第3の陰極に析出させる第3の溶融塩電解工程と、
    前記第1の陰極取替え工程の後に、前記第1陰極に析出した酸化ウランに付着した溶融塩を分離する第1の溶融塩分離工程と、
    前記第2の陰極取替え工程の後に、前記第2陰極に析出した前記第1の混合酸化物に付着した溶融塩を分離する第2の溶融塩分離工程と、
    前記第3の溶融塩電解工程の後に、前記第3陰極に析出した前記第2の混合酸化物に付着した溶融塩を分離する第3の溶融塩分離工程と、
    を有することを特徴とするマイナーアクチニドリサイクル方法。
  2. 前記第1、第2および第3の溶融塩分離工程で得られた酸化ウラン、酸化プルトニウム、酸化ネプツニウムおよび酸化アメリシウムを回収して燃料被覆管に充填して原子燃料を製造する原子燃料製造工程をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のマイナーアクチニドリサイクル方法。
  3. 前記第3の溶融塩電解工程の後に、溶融塩中に塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを吹き込むことにより、その溶融塩中に残留したキュリウムを沈殿させる沈殿工程と、
    前記沈殿工程の後に、前記キュリウム沈殿を回収するキュリウム回収工程と、
    を有することを特徴とする請求項1または2に記載のマイナーアクチニドリサイクル方法。
  4. 前記第1、第2および第3の溶融塩電解工程は、珪酸ジルコニウムを含む非導電性材料からなる溶融塩電解槽るつぼを用いることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のマイナーアクチニドリサイクル方法。
  5. 前記第1、第2および第3の溶融塩電解工程は、非導電性材料からなる溶融塩電解槽るつぼと、溶融塩電解槽るつぼ内の溶融塩中に出し入れ可能に挿入された陽極および陰極とを用いることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のマイナーアクチニドリサイクル方法。
  6. 前記第1の溶融塩分離工程は、前記第1の陰極に析出した酸化ウランに付着している塩を蒸発させる塩蒸発工程を含み、
    前記塩蒸発工程の後に前記第1の陰極に残留した酸化ウランをキャスクに入れて、酸化ウランが燃料として必要となるまで貯蔵する貯蔵工程をさらに有すること、を特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のマイナーアクチニドリサイクル方法。
  7. 前記第2および第3の溶融塩分離工程の後に、前記第1および第2の混合酸化物を各々燃料被覆管に充填して原子燃料を製造する原子燃料製造工程と、
    前記第2および第3の溶融塩分離工程の後に、製造された原子燃料を、マイナーアクチニド燃料として、軽水炉、プルサーマル炉もしくは高速炉に装荷して燃焼させる工程と、
    を有することを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のマイナーアクチニドリサイクル方法。
  8. 前記第1、第2および第3の溶融塩電解工程で使用される溶融塩は、マイナーアクチニドイオンを溶融塩中で安定化することのできるイオン半径の大きいカチオンから構成される塩化ナトリウムと塩化セシウムの混合塩、塩化ナトリウムと塩化ルビジウムの混合塩、塩化セシウムと塩化リチウムの混合塩、塩化ナトリウムと塩化マグネシウムの混合塩、塩化ナトリウムと塩化カリウムの混合塩、塩化リチウムと塩化ストロンチウムの混合塩、塩化リチウムと塩化カルシウムの混合塩、フッ化ナトリウムとフッ化カリウムの混合塩、フッ化リチウムとフッ化カリウムの混合塩、フッ化ナトリウムとフッ化リチウムの混合塩、塩化ナトリウムとフッ化ナトリウムの混合塩、塩化カリウムとフッ化カリウムの混合塩のいずれかの混合塩であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載のマイナーアクチニドリサイクル方法。
  9. 前記第1、第2および第3の溶融塩分離工程は、前記第1、第2および第3の陰極に析出した前記各酸化物を加熱し、これらの酸化物に付着している溶融塩を溶融してこの溶融塩を分離して除去する工程を含むこと、を特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載のマイナーアクチニドリサイクル方法。
  10. 前記第1、第2および第3の溶融塩分離工程は、前記第1、第2および第3の陰極に析出した前記各酸化物を加熱し、これらの酸化物に付着している溶融塩を蒸発させてこの溶融塩を分離して除去する工程を含むこと、を特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載のマイナーアクチニドリサイクル方法。
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