JP4840618B2

JP4840618B2 - Ｔｒｕ合金燃料の製造方法

Info

Publication number: JP4840618B2
Application number: JP2009035249A
Authority: JP
Inventors: 義昭舘; 健男浅賀; 裕二有田
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2029-02-18
Also published as: JP2010190727A

Description

本発明は、軽水炉及び高速炉の使用済み燃料から発生する超ウラン元素（ＴＲＵ）を含むＴＲＵ合金燃料の製造方法、ＴＲＵ合金燃料の製造工程を検討する上で有効となるＴＲＵ合金燃料製造工程の模擬方法に関する。

軽水炉及び高速炉の使用済み燃料から出される使用済燃料の中には、ネプツニウム２３７（²³⁷Ｎｐ）、アメリシウム−２４１（²⁴¹Ａｍ）、アメリシウム２４３（²⁴³Ａｍ）、
キュリウム−２４２（²⁴²Ｃｍ）やキュリウム−２４４（²⁴⁴Ｃｍ）等の超ウラン元素（Ｔｒａｎｓ−Ｕｒａｎｉｕｍ：以下ＴＲＵ元素という。）が含まれており、このＴＲＵ元素からプルトニウム（Ｐｕ）を除いたマイナーアクチノイド元素（以下、ＭＡ元素という。）の中には、²³⁷Ｎｐや²⁴¹Ａｍ、²⁴³Ａｍのように半減期が各々２１４万年、４３２年、
７３８０年と極めて長く、短期間にて消滅処理させることができない核種（マイナーアクチノイド核種）が存在する。

現在、軽水炉の使用済み燃料は硝酸で溶解した後、リン酸トリブチル（ＴＢＰ）を抽出剤として用いる溶媒抽出法によりＵやＰｕを抽出分離して回収しているが、抽出後の溶解液中には、種々の核分裂生成物や先の超ウラン元素が残っており、この抽出残液は高レベル放射性廃液となる。このような高レベル放射性廃液については、硝酸回収工程や蒸発濃縮工程を経て、最終的にガラス固化体の形態に加工してから地層深部に貯蔵することによる処分が行われる。このような処分を行うのは、上記のようにＴＲＵ元素の半減期が極めて長く、処分を行う際に、超長期間にわたって環境への影響がないように配慮する必要があるからであり、これにより処理のためのコストは非常に大きなものとなってしまう。

一方、ＴＲＵ元素は高速炉燃料として有効利用できる可能性があり、上記のような高レベル放射性廃液からＴＲＵ元素を回収して燃料に混入して利用すれば処分負担が軽減できると共に、エネルギー資源の利用効率の向上を図ることも可能となる。ＴＲＵ元素を新たに燃料として用いてリサイクルするためには、ウランを含む合金体、或いはこれにさらにプルトニウムを加えた合金体に、ネプツニウム、アメリシウム及びキュリウムを添加して数１０ｃｍの棒状に成型加工したスラグと呼ばれるものとする。このようなＴＲＵ元素が添加された燃料のことを、本明細書ではＴＲＵ合金燃料と称することとする。なお、ＴＲＵ元素のリサイクルについては、例えば特許文献１（特開平９−４３３８９号公報）に記載されている。
特開平９−４３３８９号公報

ところで、高速炉中においてＴＲＵ合金燃料が溶融しないように、燃料の融点を上げるために、重量割合でおよそ１０％程度のジルコニウム（Ｚｒ）が添加されるが、このジルコニウムとＴＲＵ元素のうちのアメリシウムとの間の固溶性が悪く、均質なＴＲＵ合金燃料を製造する上での障害となっていた。また、アメリシウムはウランとの固溶性も悪く、ウランを含む合金へのアメリシウムの添加も難しいとされていた。ＴＲＵ合金燃料の均質性が劣ると核燃料としての性能が悪化することとなり問題であった。

さらに、ＴＲＵ元素の中でアメリシウムは高蒸気圧性を有しており、ＴＲＵ合金燃料の製造工程の中で、合金化のための溶融工程において、この高蒸気圧性のアメリシウムが蒸発することに伴う蒸発損失が発生してしまい、最終的なＴＲＵ合金燃料中のアメリシウム
収量（含有量）が減少し問題であった。

上記のような問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、プルトニウムとアメリシウムとを溶解し第１合金を作製する第１工程と、前記第１工程によって作製されたプルトニウムとアメリシウムとを含む第１合金と、少なくともジルコニウムを含む１種又は複数種の材料とを溶解し第２合金を作製する第２工程と、を有することを特徴とするＴＲＵ合金燃料の製造方法である。

本発明の請求項１に係るＴＲＵ合金燃料の製造方法によれば、ジルコニウムとアメリシウムとの間の固溶性の悪さにも関わらず、均質なＴＲＵ合金燃料が製造できる可能性がある。また、製造工程におけるアメリシウムの蒸発損失を抑制し、ＴＲＵ合金燃料中のアメリシウム収量（含有量）の向上を期待できる。

本発明の実施形態に係るＴＲＵ合金燃料の製造方法における製造ステップを説明する図である。本発明の実施形態に係るＴＲＵ合金燃料の製造方法における各原子の挙動を模式的に示す図である。比較例に係るＴＲＵ合金燃料の製造方法における各原子の挙動を模式的に示す図である。Ｚｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金の製造装置の概略を示す図である。Ｚｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金の溶解時の挙動を模式的に示す図である。Ｚｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金の溶解時の挙動を模式的に示す図である。

以下、本発明のＴＲＵ合金燃料の製造方法、ＴＲＵ合金燃料製造工程の模擬方法の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るＴＲＵ合金燃料の製造方法における製造ステップを説明する図である。高速炉においてＴＲＵ元素を燃焼させるためには、ウランやプルトニウムを主原料とするＴＲＵ元素を添加した合金とする必要がある。このとき、本発明ではＴＲＵ元素を添加する手順を考慮することによって、ＴＲＵ合金燃料の均質性の改善、及び、ＴＲＵ合金燃料中のアメリシウム収量（含有量）の向上を図るものである。

ＴＲＵ合金燃料を作製する際には、ウランやプルトニウムを主原料とした合金とするが、アメリシウムとプルトニウムとの固溶性がよいことに着目して、まず、ステップＳ１０１に示すように、プルトニウムとアメリシウムとを溶解し第１の合金を作製するようにす
る。そして、次にステップＳ１０２で、第１合金、ジルコニウム、ウラン及びアメリシウムを除くＴＲＵ元素を溶解し、第２の合金を作製する。続くステップＳ１０３で、この第２合金をスラグ形状に成型加工してＴＲＵ合金燃料を得るようにする。このような手順にてＴＲＵ合金燃料を製造すると、ＴＲＵ合金燃料の均質性を改善することができると共に、最終的なＴＲＵ合金燃料中のアメリシウム収量（含有量）減少も防止できるものと期待することができる。これは図２及び図３に示すような模式図にて説明することができる。図２は本発明の実施形態に係るＴＲＵ合金燃料の製造方法における各原子の挙動を模式的に示す図であり、図３は比較例に係るＴＲＵ合金燃料の製造方法における各原子の挙動を模式的に示す図である。

図２は第２合金化するステップＳ１０２における各原子の様子を模式的に示したものである。これに対して、図３はアメリシウム、プルトニウム、ジルコニウム、ウラン全てを同時に溶解して合金化するときの様子を模式的に示している。

本発明の手順によれば、まずアメリシウムとプルトニウムとを溶解して第１合金を作製するが、このときお互いの固溶性がよいために、高蒸気圧性のアメリシウムの蒸発確率が減少するものと推定される。さらに、アメリシウムは第１合金化された上で、ジルコニウム、ウラン及びアメリシウムを除くＴＲＵ元素（図２及び図３では図示省略）と溶解されるので、アメリシウムとプルトニウムとが図２に示すようにお互いに近接した形態で存在する確率が大きくなる。そして、アメリシウムは、固溶性の悪いジルコニウムやウランと接する確率が減少しアメリシウムの均質性が向上するものと見込まれる。また、アメリシウムはプルトニウムと近接しジルコニウムやウランとは近接しない確率が高まるため、蒸発確率も減少するものと予想される。

これに対して、アメリシウム、プルトニウム、ジルコニウム、ウラン全てを同時に溶解して合金化すると、アメリシウムと固溶性の悪いジルコニウムやウランとが近接する確率が大きくなり、アメリシウムの蒸発確率が増大する可能性が高まると共に、アメリシウムの分散状態も悪化するものと考えられる。

上記のようなＴＲＵ合金燃料を製造する過程でのアメリシウムの挙動は、以下に説明するような模擬実験によって予想することができた。次に、本発明のＴＲＵ合金燃料製造工程の模擬方法について説明する。本発明のＴＲＵ合金燃料製造工程の模擬方法では、プルトニウムとアメリシウムとジルコニウムとを含むＴＲＵ合金燃料の製造工程を、プルトニウムを銅で、アメリシウムをサマリウム（Ｓｍ）で置換して模擬している。

サマリウムはアメリシウムと同様に高蒸気圧性を有しており、合金化する際の溶解の工程で、蒸発しやすい物質である。プルトニウムとアメリシウムとの間の固溶性は良く、これは銅とサマリウムとの固溶性についても同様である。また、ジルコニウムやウランとアメリシウムとの間の固溶性は悪く、これはジルコニウムとサマリウムとの固溶性についても同様である。また、プルトニウムとジルコニウムとの間の固溶性は良く、これは銅とジルコニウムとの固溶性についても同様である。また、ウラン、プルトニウム、アメリシウム及びジルコニウムからなる合金体と銅、サマリウム及びジルコニウムからなる合金体は同程度の融点を有している。

上記のような関係があるために、プルトニウムとアメリシウムとジルコニウムとを含むＴＲＵ合金燃料の製造工程は、プルトニウムを銅で、アメリシウムをサマリウムで置換したＺｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金によって、特にアメリシウムの挙動を把握することができるものと予想される。このような模擬方法によれば、強い放射線のため取り扱いが困難なプルトニウムとアメリシウムを、それぞれ取り扱いの容易な銅及びサマリウムで置換して模擬し、ＴＲＵ合金燃料製造における挙動を解明する上でのヒントとなし、これを実際のＴＲ
Ｕ合金燃料製造にフィードバックすることで、均質なＴＲＵ合金燃料の製造、アメリシウムの蒸発損失抑制に伴うＴＲＵ合金燃料中のアメリシウム収量（含有量）の向上を期待することができる。

次に、Ｚｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金によって、特にアメリシウムの挙動を把握するために行った実験について説明する。合金燃料製造時の多相溶湯中でのアメリシウム挙動の把握のため、アメリシウムをサマリウムで代替しＴＲＵ合金組成をＺｒ−Ｃｕ−Ｓｍで模擬した溶湯を高周波誘導加熱によって製造した。Ｚｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金を製造した際の製造装置を図４に示す。図４において、２０はチャンバー、２１は坩堝、２２は高周波誘導加熱用コイル、２３はターゲットをそれぞれ示している。

Ｚｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金を製造するときにおいては、チャンバー２０内はＡｒ雰囲気（室温で―１０ｋＰａＧ）とし、高周波誘導加熱用コイル２２に１０ｋＨｚ、１０ｋＷの電力を供給することによって、黒鉛坩堝２１を１４００℃の温度におよそ１０分間保持し、坩堝２１内の材料を溶融した。原料金属としては、Ｚｒについては円柱状で、純度が９９．２ｗｔ％のものを、また、Ｃｕについては円柱状や板状で、純度が９９．９９９ｗｔ％のものを、また、Ｓｍについては粒子状で、純度が９９．９ｗｔ％のものをそれぞれ用いた。

溶湯製造時の合金溶融手順によるＳｍ挙動の違いを確認するため、（１）原料金属を全て同時に溶融する方法と、（２）Ｃｕ−Ｓｍの溶湯製造後にＺｒを添加して再度溶融する方法によってＺｒ−Ｃｕ−Ｓｍ溶湯の製造を行った。

図４に示すような製造装置で得られたＺｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金の組成分析を実施し合金内のＳｍの混合状態を調べた。また、溶湯製造時の蒸発物質をチャンバー２０内に設置したＰｔ箔のターゲット２３に付着させ、その重量変化から蒸発物質の量を調査した。

（１）の方法によって得られた合金の組成はＺｒ−４０Ｃｕ−５Ｓｍ（ｗｔ％）であった。ここで、蒸発指数を
（ターゲット２３上のＳｍ量［μｇ］×１００）／Ｓｍ溶解量［ｇ］
によって定義すると、（１）の方法によって製造された合金の蒸発指数は４．９であった。

一方、（２）の方法では、まずＣｕ−５Ｓｍの合金を製造しておき、この合金とジルコニウムを溶解することによって組成がＺｒ−６８Ｃｕ−３．６Ｓｍ（ｗｔ％）の合金を得た。この方法によって製造された蒸発指数は１．０より小さかった。このように、まず、お互いに固溶性の良い銅とサマリウムとで合金を製造しておくことによって、高蒸気圧元素であるサマリウムの蒸発を抑制することが可能となるものと考えられる。

上記のようなＺｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金の製造手順の違いによるサマリウムの蒸発量の相違は、図５及び図６に示すような模式図にて説明することができる。図５は（２）の方法によって製造されるＺｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金を模式的に示すものであり、図６は（１）の方法によって製造されるＺｒ−Ｃｕ−Ｓｍ系合金を模式的に示すものである。

（２）の手順によれば、まずサマリウムと銅とを溶解して第１の模擬合金を作製するが、このときお互いの固溶性がよいために、高蒸気圧性のサマリウムの蒸発確率が減少するものと推定される。さらに、サマリウムは第１模擬合金化された上で、ジルコニウムと溶解されるので、サマリウムと銅とが図５に示すようにお互いに近接した形態で存在する確率が大きくなる。そして、サマリウムは、固溶性の悪いジルコニウムやウランと近接する確率が減少しサマリウムの均質性が向上するものと見込まれる。また、サマリウムは銅と
近接しジルコニウムやウランとは近接しない確率が高まるため、蒸発確率も減少するものと予想される。

これに対して、サマリウム、銅、ジルコニウム全てを同時に溶解して合金化すると、サマリウムと固溶性の悪いジルコニウムやウランとが近接する確率が大きくなり、サマリウムの蒸発確率が増大する可能性が高まると共に、サマリウムの分散状態も悪化するものと考えられる。

以上、本発明のＴＲＵ合金燃料の製造方法によれば、ジルコニウムやウランとアメリシウムとの間の固溶性の悪さにも関わらず、均質なＴＲＵ合金燃料が製造できる可能性がある。また、製造工程におけるアメリシウムの蒸発損失を抑制し、ＴＲＵ合金燃料中のアメリシウム収量（含有量）の向上を期待できる。

また、本発明のＴＲＵ合金燃料製造工程の模擬方法によれば、強い放射線のため取り扱いが困難なプルトニウムとアメリシウムを、それぞれ取り扱いの容易な銅及びサマリウムで置換して模擬し、ＴＲＵ合金燃料製造における挙動を解明する上でのヒントとなし、これを実際のＴＲＵ合金燃料製造にフィードバックすることで、均質なＴＲＵ合金燃料の製造、アメリシウムの蒸発損失抑制に伴うＴＲＵ合金燃料中のアメリシウム収量（含有量）の向上を期待することができる。

２０・・・チャンバー
２１・・・坩堝
２２・・・高周波誘導加熱用コイル
２３・・・ターゲット

Claims

プルトニウムとアメリシウムとを溶解し第１合金を作製する第１工程と、
前記第１工程によって作製されたプルトニウムとアメリシウムとを含む第１合金と、少なくともジルコニウムを含む１種又は複数種の材料とを溶解し第２合金を作製する第２工程と、を有することを特徴とするＴＲＵ合金燃料の製造方法。