JP5016964B2 - 溶融塩電解精製装置及び溶融塩電解精製方法 - Google Patents

Description

本発明は使用済み核燃料の乾式再処理技術に関し、特に、使用済み核燃料中に含まれるウラン（Ｕ）及び超ウラン元素（ＴＲＵ）を電解精製により同時に回収し再利用するための溶融塩電解精製装置及び溶融塩電解精製方法に関する。

従来、使用済み核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。しかしながらピューレックス法に代表される湿式再処理技術は、大規模な設備を必要とし、また、廃棄物が大量に発生するので、最近では設備の小型化が可能で廃棄物の発生量も少ない乾式再処理技術が開発されてきている。

乾式再処理技術の中で、溶融塩電解精製法により使用済み核燃料を処理する方法は、溶融塩中に設置され、陽極として機能する使用済み核燃料が収納される容器と、固体陰極と、Ｃｄ等の溶融金属からなる液体金属陰極と、から構成される電解精製装置を用い、使用済み核燃料を電解で陽極溶解した後、金属ウランを固体陰極に回収し、さらに、溶融塩中に残存するウラン（Ｕ）、プルトニウム（Ｐｕ）およびマイナーアクチニド（ＭＡ：ネプツニウム（ＮＰ）、アメリシウム（Ａｍ）、キュリウム（Ｃｍ））を液体金属陰極で回収する（特許文献１の図４参照）。

しかしながら、このような溶融塩電解法による電解精製装置では、電解が進行すると液体金属陰極中のＵ及びＴＲＵ濃度が上昇し、その濃度が飽和濃度を超えると液体金属陰極の界面にＵ及びＴＲＵの固体析出物が析出し始める。この状態になると液体金属陰極は固体陰極として作用することになって、Ｕのみが選択的に析出することになり、その結果、回収効率が低下するとともにＵ及びＴＲＵの同時回収が出来なくなる。

この問題に対処し、液体金属陰極表面にウラン、プルトニウムが過度に析出蓄積するのを防ぐため、従来からいろいろな対策が検討されてきた。例えば、液体金属陰極に液体金属を攪拌するための攪拌手段を設ける（特許文献１〜３）、又は析出したウラン、プルトニウムを微粒子化（パウンダリング）するための微粒子化手段（特許文献４）を設ける等の対策が講じられている。
特開平７−１６７９８５号公報 特開平９−２５７９８６号公報 特開平１０−２９３１９３号公報 特開平１１−１４８９９６号公報

上記従来の方法は、液体金属陰極の界面を操作するものであり、電解精製中、頻繁に撹拌装置等を操作しなければならないとともに、液体金属陰極の界面に析出する固体析出物をその界面から実質的に除去するものではなく、精製が進行するにつれて回収効率が低下し、その結果、Ｕ及びＴＲＵを同時にかつ大量に回収することが困難となっていた。

さらに、溶融塩電解精製装置の商業的稼働を可能とするためには、液体金属陰極界面へのＵ、ＰｕおよびＭＡ金属の析出蓄積を防止しつつ液体金属陰極へのＵ、ＰｕおよびＭＡの液体金属への回収量を高くする必要があるが、上記従来の方法では対応できなかった。

また、従来の溶融塩電解精製方法は、電解精製が進行具合に応じて液体金属陰極を液体金属陰極ルツボごと取り出し、後処理によりＵ及びＴＲＵを回収する方法であり、液体金属陰極ルツを取り出す度に電解槽の運転を停止する必要があり、Ｕ及びＴＲＵの回収効率が低下させ、回収コストも高いものとなっていた。

本発明の目的は、Ｕ及びＴＲＵを使用済み核燃料から分離し、低融点の液体金属陰極を用いてＵ、ＴＲＵを同時に回収する溶融塩電解精製装置及びその方法において、液体金属陰極の界面に析出蓄積する固体析出物を圧縮分離する新規な圧縮装置構造を採用したことにより、常に液体金属電極の界面を本来の液体金属陰極組成に定常的に維持し、陰極として使用する液体金属量を増大させることなく大量のＵ、ＴＲＵを回収できる溶融塩電解精製装置及びその方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は溶融塩が収容された電解槽と、使用済み核燃料が装荷された陽極容器と、液体金属陰極が収容された液体金属ルツボと、を有する溶融塩電解精製装置において、前記液体金属陰極の界面に発生する固体析出物を液体金属陰極底部に圧縮する昇降可能な圧縮装置と、前記液体金属ルツボの内側に設けられた内側容器と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明は溶融塩が収容された電解槽と、使用済み核燃料が装荷された陽極容器と、液体金属陰極が収容された液体金属ルツボと、を有する使用済み核燃料の溶融塩電解精製方法において、下部にメッシュまたは焼結金属からなるフィルターが設けられた圧縮装置を前記液体金属陰極内に下降させ、前記圧縮装置と前記液体金属ルツボの内側に設けられた内側容器とを係合し、前記圧縮装置と前記内側容器を係合させた状態で前記圧縮装置を引き上げることを特徴とする。

本発明による使用済み核燃料の溶融塩電解精製装置及びその方法によれば、常に液体金属電極の界面を本来の液体金属陰極組成に定常的に維持し、陰極として使用する液体金属量を増大させることなく大量のＵ及びＴＲＵを効率的に回収できる。また、液体金属陰極に使用する液体金属の単位体積あたりのＵ及びＴＲＵの回収量を格段に向上させることができるので回収コストを大幅に低くすることができ、その結果、本発明に係る装置を商業的に稼働させることが可能となる。

以下、本発明に係る溶融塩電解精製装置及びその方法の実施の形態について図を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明に係る第１の実施の形態を図１および図２を用いて説明する。
図１は、本発明に係る溶融塩電解精製装置の構成を示したものである。
図１において、加熱溶融状態の溶融塩３は電気炉１内に設置された電解槽２中に収容されている。この溶融塩３中に使用済み核燃料４が装荷された陽極容器５と絶縁材料で形成され液体金属陰極６を収容する液体金属ルツボ７が設置されている。

液体金属陰極６の内部には下部がメッシュまたは焼結金属等からなるフィルター８ａを具備する内側容器８が設置されている。また、液体金属陰極ルツボ７は同様の絶縁材料で形成されたルツボ外容器９に収納される。当該液体金属陰極ルツボ７の直上には下部がメッシュまたは焼結金属等からなるフィルター１０ａを具備する圧縮装置１０が設置され、図示しない駆動装置により昇降可能となっている。陽極容器５と液体金属陰極６の間には電源１１が接続されこれにより過電圧を加えることで陽極−陰極間に電流が流れ、陽極ではＵ、ＴＲＵが溶解され液体金属陰極６ではＵ、ＴＲＵが精製還元される。

このように構成された装置において、陽極容器５中の使用済み核燃料４から溶融し溶融塩３中に拡散したＵ、ＴＲＵイオンは陰極で金属に還元され速やかに溶融金属陰極６に溶解するが、電解が進行し溶融金属陰極６中のＵ、ＴＲＵ濃度が上昇して飽和濃度を超えると溶融金属陰極６の界面にＵ、ＴＲＵの固体析出物１２が析出し始める。この状態が進むと液体金属陰極６は析出蓄積された固体析出物１２の存在により固体陰極として作用することになって、Ｕのみが選択的に析出することになり、その結果、Ｕ、ＴＲＵの同時回収ができなくなる。

本発明の第１の実施の形態では、溶融金属陰極６の界面に析出した固体析出物１２を取り除くために、圧縮装置１０を図示しない駆動装置により降下させ液体金属陰極ルツボ７内内側容器小野８の中に挿入し、固体析出物１２を内側容器８の底部に圧縮する。このとき液体金属ルツボ７内の液体金属は圧縮装置１０の底部に設けられたメッシュまたは焼結金属等からなるフィルター１０ａを通って圧縮装置１０の内側に入り込む（図２（ａ））。そして、液体金属中の固形化した固体析出物１２のみが液体金属陰極ルツボ７内の内側容器８の底部に圧縮される（図２（ａ））。

次に圧縮装置１０を引き上げたときには圧縮装置１０の底部に設けられたメッシュまたは焼結金属等からなるフィルター１０ａを通して、液体金属は再び陰極ルツボ７内に戻されることになる（図２（ｂ））。この操作により液体金属陰極６の界面は、金属Ｕ、ＴＲＵの固体析出物１２が存在しない状態を回復する。

この第１の実施の形態によれば、圧縮装置１０の昇降動作により固体析出物１２を効率的に界面から除去できるので、常に液体電極陰極６の界面を固体析出物のない液体金属陰極組成に維持することが可能となり、これにより液体金属量を増大させることなく大量のＵ、ＴＲＵを同時に回収することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態を、図３を用いて説明する。
液体金属陰極ルツボ７内に配置された内側容器８に対し、上記圧縮装置１０による圧縮動作を繰り返し行うと、固体析出物１２は内側容器８の底部に徐々に堆積することになり、その結果、液体金属陰極界面はルツボ７内を次第に上昇する。この上昇した界面がルツボの縁を超えると回収したＵ、ＴＲＵは液体金属陰極ルツボ７の外側に落下しＵ、ＴＲＵの回収が困難になる。そこで液体金属陰極ルツボ７を収納するルツボ外容器９を液体金属陰極ルツボ７の周囲に設置することにより、液体金属陰極ルツボ７からあふれたＵ、ＴＲＵを含む液体金属をルツボ外容器９に回収する。

本第２の実施の形態によれば、液体金属陰極ルツボ７からあふれた液体金属を回収するルツボ外容器９を設けたことにより、さらに効率よく多くのＵ、ＴＲＵを回収することが可能となる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態を図４を用いて説明する。
内側容器８の底部に圧縮された固体析出物１２は、析出量が多くなると液体金属陰極の回収効率に悪影響を及ぼすので、適宜、電解槽２の外部に取り出す必要がある。そのために、圧縮装置１０と内側容器８とを図示しない着脱可能な係合手段により係合／取外し可能とする。なお、係合手段はフック等、通常の係合手段が用いられる。そして、固体析出物１２を電解槽２の外部に取り出すときは、圧縮装置１０と内側容器８を前記係合手段により係合し、固体析出物１２を内側容器８とともに液体金属陰極６内から引き上げ、固体析出物１２を回収する。これにより電解槽２の運転を停止することなく固体析出物１２を回収することができる。内側容器８の引き上げの際に、内側容器８内の液体金属は内側容器８下部に設けたメッシュまたは焼結金属等からなるフィルター８ａを通し陰極ルツボ内に戻され、再度陰極としての使用が可能となる。

本第３の実施の形態によれば、内側容器８の底部に圧縮された固体析出物１２を、適宜、電解槽２の外部に取り出すことにより、良好な回収効率を維持することができ、陰極ルツボ７のサイズや装荷する液体金属量を増加することなく、より多くのＵ、ＴＲＵを効率的に回収することが可能となる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態を図５を用いて説明する。
固形析出物１２は上述した第１、第２及び第３の実施の形態で示した操作を繰り返すことにより圧縮、回収されるが、電解精製が進行するにつれ液体金属陰極ルツボ７内の液体金属はルツボ外容器９にあふれ出るため液位が低下する。この液位を回復するため液体陰極材導入管１３を設置し、ここから液体金属材料１４を導入することで液体金属陰極の液位を回復する。

本第４の実施の形態によれば、電気炉１を停止することなく液体金属材料を補充することで、液体金属陰極の液位を適正に保ち、定常的に液体陰極をＵ、ＴＲＵ同時回収及び電解可能な状態に維持することが出来る。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態を図６を用いて説明する。
上述した第１、第２、第３及び第４の実施の形態で説明した操作を繰り返すことにより、固体析出物の圧縮、回収及び液位の回復を行うが、電解精製が進行するにつれ液体金属陰極ルツボ７からあふれ出したＵ、ＴＲＵの溶解した液体金属はルツボ外容器９に溜まっていく。そこで液体金属はルツボ外容器９に溜まった液体金属の液面がある程度上昇したら、液体金属吸い出し管１５をルツボ外容器９内に挿入し、液体金属吸い出し管１５の逆の端部を減圧ポンプまたは減圧容器１６に接続することで、ルツボ外容器９内の液体金属を電解槽外に回収する。

本第５の実施の形態によれば、電気炉１を停止することなくルツボ外容器９に貯留されたＵ、ＴＲＵ溶解液体陰極を回収することができる。
なお、本発明に用いられ液体金属陰極６は、低融点の金属であれば、カドミウム、亜鉛、鉛、錫、マグネシウム、ビスマスおよびこれらの金属の混合物が使用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る溶融塩電解精製装置の全体構成図。 図２（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係る圧縮装置の挿入及び引き上げ状態を示す図。 本発明の第２の実施の形態に係る液体金属陰極及び圧縮装置の構成図。 本発明の第３の実施の形態に係る液体金属陰極及び圧縮装置の構成図。 本発明の第４の実施の形態に係る溶融塩電解精製装置の全体構成図。 本発明の第５の実施の形態に係る液体金属陰極及び圧縮装置の構成図。

符号の説明

１…電気炉、２…電解槽、３…溶融塩、４…使用済み核燃料、５…陽極容器、６…液体金属陰極、７…液体金属陰極ルツボ、８…内側容器、８ａ…フィルター、９…ルツボ外容器、１０…圧縮装置、１０ａ…フィルター、１１…電源、１２…固体析出物、１３…液体陰極材導入管、１４…液体金属材料、１５…液体金属吸い出し管、１６…ポンプ又は減圧容器。

Claims (9)

1. 溶融塩が収容された電解槽と、使用済み核燃料が装荷された陽極容器と、液体金属陰極が収容された液体金属ルツボと、を有する溶融塩電解精製装置において、前記液体金属陰極の界面に発生する固体析出物を液体金属陰極底部に圧縮する昇降可能な圧縮装置と、前記液体金属ルツボの内側に設けられた内側容器と、を備えたことを特徴とする溶融塩電解精製装置。
2. 前記圧縮装置の下部にメッシュまたは焼結金属からなるフィルターが設けられていることを特徴とする請求項１記載の溶融塩電解精製装置。
3. 前記内側容器の下部にメッシュまたは焼結金属からなるフィルターが設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の溶融塩電解精製装置。
4. 液体金属陰極ルツボに液体金属陰極材料を供給する液体金属陰極材料供給管を設けたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の溶融塩電解精製装置。
5. 前記圧縮装置と前記内側容器とを着脱可能に係合する係合手段を設けたことを特徴とする請求項２乃至４いずれか１項記載の溶融塩電解精製装置。
6. 前記液体金属陰極ルツボの外側にルツボ外容器を設けたことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の溶融塩電解精製装置。
7. 前記ルツボ外容器に前記ルツボ外容器内の液体金属を吸い出す吸い出し管を設けたことを特徴とする請求項６記載の溶融塩電解精製装置。
8. 前記液体金属陰極がカドミウム、亜鉛、鉛、錫、マグネシウム、ビスマス又はこれらの金属の混合物からなることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の溶融塩電解精製装置。
9. 溶融塩が収容された電解槽と、使用済み核燃料が装荷された陽極容器と、液体金属陰極が収容された液体金属ルツボと、を有する使用済み核燃料の溶融塩電解精製方法において、下部にメッシュまたは焼結金属からなるフィルターが設けられた圧縮装置を前記液体金属陰極内に下降させ、前記圧縮装置と前記液体金属ルツボの内側に設けられた内側容器とを係合し、前記圧縮装置と前記内側容器を係合させた状態で前記圧縮装置を引き上げることを特徴とする溶融塩電解精製方法。

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