JP5238546B2

JP5238546B2 - 使用済み酸化物燃料の処理方法、金属酸化物の処理方法及び処理装置

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Publication number: JP5238546B2
Application number: JP2009046065A
Authority: JP
Inventors: 等中村; 浩司水口; 行基布施; 祥平金村; 孝大森; 玲子藤田; 一博宇都宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010197360A

Description

本発明は、使用済み酸化物燃料の処理方法、処理装置及び酸化物の処理方法に係り、特に、軽水炉から発生する使用済み酸化物燃料を金属に還元し精製することで、ＦＢＲ燃料として再利用可能な使用済み酸化物燃料の処理方法、金属酸化物の処理方法及び処理装置に関する。

軽水炉から発生する酸化物燃料を金属燃料に転換しＦＢＲ（Fast Breeder Reactor）燃料として再利用する場合、使用済み酸化物燃料は、脱被覆により被覆管から分離され再処理されることになる。このとき脱被覆された酸化物燃料は粉砕され顆粒または粉末状で回収される。顆粒または粉末状の状態の酸化物燃料を陰極容器に保持し電解還元に供する場合、陰極容器は開口率を大きくとった方が還元効率がよく、一方粉末を保持し収率を向上させるためには細かいメッシュ構造とすることが必要になる。この矛盾を解消するために、一度粉砕した酸化物燃料を再度ペレット化して還元に供する等の対策が講じられているが、この場合、工程の増加による効率の低下は否めない。また、電解還元槽に持ち込まれた酸化物燃料の一部が陰極容器から拡散してしまうという課題もある。

なお、使用済み金属燃料からウラン、プルトニウムを回収する溶融塩電解精製装置として、使用済み金属燃料を陽極バスケットに収容して溶融カドミウム中に浸漬し溶解させ、この溶融カドミウムを陽極として作用させて陰極にウラン、プルトニウムを析出させる装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法でも使用済み金属燃料を陽極バスケットに収容するため、工数が多いという課題がある。

特開平１１−１４８９９５号公報

上記したとおり、従来の使用済み酸化物燃料の処理においては、工程数の増加による効率の低下が生じるという課題があり、また、電解還元槽に持ち込まれた酸化物燃料の一部が陰極容器から拡散してしまい、再処理プロセスの計量管理において一つの課題となっている。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、使用済み酸化物燃料等の金属酸化物を効率よく処理することができるとともに、金属を損失することなく回収することのできる使用済み酸化物燃料の処理方法、金属酸化物の処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。

本発明の使用済み酸化物燃料の処理方法の一態様は、溶融塩電解法を用いた使用済み酸化物燃料の処理方法において、溶融塩と、金属ウラン及び超ウラン元素を溶解する溶融金属とを二層にして収容し前記溶融塩中に固体陽極を保持した電解槽を用意する工程と、使用済み酸化物燃料を、前記電解槽の溶融塩と前記溶融金属との界面に比重差により保持し、前記溶融金属を前記陽極の対極として用いて、前記使用済み酸化物燃料を電気化学的に金属ウラン及び超ウラン元素に還元し前記溶融金属中に溶解させる電解還元工程と、前記電解還元工程で前記金属ウラン及び超ウラン元素を溶解した前記溶融金属から前記金属ウラン及び超ウラン元素を電気化学的に回収する電解精製工程とを備えることを特徴とする。

本発明の使用済み酸化物燃料の処理方法の他の一態様は、溶融塩電解法を用いた使用済み酸化物燃料の処理方法において、溶融塩と、金属ウラン及び超ウラン元素を溶解する溶融金属とを二層にして収容し前記溶融塩中に固体陽極を保持した電解槽と、溶融塩を収容し前記溶融塩中に固体または液体金属からなる陰極を設置した電解精製槽とを用意する工程と、使用済み酸化物燃料を、前記電解槽の溶融塩と前記溶融金属との界面に比重差により保持し、前記溶融金属を前記陽極の対極として用いて、前記使用済み酸化物燃料を電気化学的に金属ウラン及び超ウラン元素に還元し前記溶融金属中に溶解させる電解還元工程と、前記金属ウラン及び超ウラン元素を溶解した前記溶融金属を前記電解精製槽に移送する移送工程と、前記電解精製槽に移送された前記金属ウラン及び超ウラン元素を溶解した前記溶融金属を陽極とし前記陰極との間に通電して、前記金属ウラン及び超ウラン元素を前記陰極に回収する工程とを備えることを特徴とする。

本発明の金属酸化物の処理方法の一態様は、溶融塩電解法を用いた金属酸化物から有用金属を回収する金属酸化物の処理方法において、溶融塩と前記金属酸化物から前記有用金属を溶解抽出する溶融金属とを二層にして収容する電解槽を用意する工程と、前記金属酸化物を、前記電解槽の溶融金属と前記溶融塩との界面に比重差により保持し、前記溶融金属を前記溶融塩中に保持された陽極の対極として用いて、前記金属酸化物を電気化学的に有用金属に還元する電解還元工程と、前記有用金属を、前記溶融金属と接触させて前記溶融金属中に溶解抽出する抽出工程と、前記有用金属を溶解抽出した前記溶融金属から前記有用金属を電気化学的に回収する電解精製工程とを備えることを特徴とする。

本発明の金属酸化物の処理装置の一態様は、溶融塩電解法を用い、金属酸化物から有用金属を回収する金属酸化物の処理装置において、前記金属酸化物から還元された前記有用金属を溶解する溶融金属及び溶融塩を二層にして収容し前記溶融塩中に固体陽極を保持した電解槽であって、前記金属酸化物を前記溶融塩と前記溶融金属との界面に比重差により保持し、前記溶融金属を前記陽極の対極として用いて、前記金属酸化物を電気化学的に前記有用金属に還元し前記溶融金属中に溶解させる電解槽と、前記溶融金属中の前記金属を電気化学的に回収するための電解精製槽とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、使用済み酸化物燃料等の金属酸化物を効率よく処理することができるとともに、金属を損失することなく回収することのできる使用済み酸化物燃料の処理方法、金属酸化物の処理方法及び処理装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る酸化物燃料の処理装置の構成を示す縦断面図。本発明の一実施形態に係る電解還元槽の構成を示す縦断面図。本発明の一実施形態に係る電解精製槽の構成を示す縦断面図。本発明の一実施形態に係る溶融カドミウムの移送を説明するための模式図。本発明の他の実施形態に係る酸化物燃料の処理装置の構成を示す縦断面図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る酸化物燃料の処理装置の概略構成を模式的に示す縦断面図であり、図２は図１に示す電解還元槽１を拡大して示す縦断面図であり、図３は図１に示す電解精製槽９を拡大して示す縦断面図である。

本実施形態は、溶融塩電解法を用い、軽水炉から発生した使用済み酸化物燃料から金属を回収するための使用済み酸化物燃料の処理に関するものであって、次の工程を含んでいる。すなわち、溶融塩電解法によって酸化物燃料を構成する金属酸化物を金属ウラン（Ｕ）、超ウラン元素（ＴＲＵ）などの金属に還元し溶融金属（本実施形態では溶融カドミウム）中に溶解させる電解還元工程、及び溶融金属（本実施形態では溶融カドミウム）中のＵ、ＴＲＵを、電解精製により金属として精製・回収する電解精製工程である。

図１に示すように、本実施形態に係る使用済み酸化物燃料の処理装置は、電解還元槽１と電解精製槽９とを具備している。

図１，２に示すように、電解還元槽１は、電解槽容器２を具備しており、電解槽容器２内には、その下部に溶融カドミウム３が、溶融カドミウム３の上部に溶融塩４が、二層に収容されている。溶融カドミウム３中には、胴部を絶縁管６で絶縁された電流導入用金属棒７が挿入され、溶融塩４中には、固体陽極８が設置されている。固体陽極８は、溶融塩４中に浸漬された部分の表面積が十分大きくなるよう構成されている。なお、電解還元槽１には、電流導入用金属棒７及び固体陽極８を介して通電するための図示しない電源が設けられている。

図１、３に示すように、電解精製槽９は、電解精製容器１０を具備している。電解精製容器１０内には、その下部に電解還元槽１から移送された溶融カドミウム３が収容され、溶融カドミウム３の上部に電解精製用の溶融塩１１が収容されている。

溶融カドミウム３中には、胴部を絶縁管１２で絶縁された電流導入用金属棒１３が挿入されている。電解精製用の溶融塩１１中には、陰極として作用する固体陰極１４、液体金属陰極１５が配設されている。なお、図１において、符号１８は絶縁管、１９は液体金属陰極１５用の電流導入棒、２３は液体金属陰極１５用の絶縁容器を示している。また、電解精製槽９には、電流導入用金属棒１３及び固体陰極１４または液体金属陰極１５を介して通電するための図示しない電源が設けられている。

図１に示すように、上記電解還元槽１と電解精製槽９との間には、電解還元槽１から電解精製槽９へ溶融カドミウム３を移送するための第１移送管２９と、電解精製槽９から保持容器２８を介して電解還元槽１へ溶融カドミウム３を移送するための第２移送管２７Ａ，２７Ｂが設けられている。上記保持容器２８は、電解精製槽９から電解還元槽１へ移送される溶融カドミウム３を一時的に保持するためのものであり、溶融カドミウム３を加熱可能とされている。

図１、２に示すように、上記構成の使用済み酸化物燃料の処理装置において、電解還元槽１の電解槽容器２内に使用済み酸化物燃料５が投入されると、溶融塩４より比重が重く、溶融カドミウム３より比重の軽い使用済み酸化物燃料５は、溶融塩４と溶融カドミウム３との界面に比重差により保持され、これによって、溶融カドミウム３と接触した状態となる。なお、使用済み酸化物燃料５は、顆粒状であっても、粉末状であっても、どのような形態であってもよい。

この状態で、溶融カドミウム３中に挿入された電流導入用金属棒７と、溶融塩４中に保持された陽極８との間に図示しない電源から電流を供給すると、陰極として作用する溶融カドミウム３と同電位となる使用済み酸化物燃料５から、例えば、ＵＯ_２＋４ｅ⁻→Ｕ＋２Ｏ^２−等の電気化学的反応により酸素が離脱し、金属へと還元される。

上記のようにして還元された金属ウラン等は、溶融カドミウム３と接触しているため、還元と同時に溶融カドミウム３と反応し、ＵＣｄ_１１もしくはＰｕＣｄ_１１といった金属間化合物を形成して溶融カドミウム３中に溶解する。

上記電解還元は、必ず溶融カドミウム３との界面で起きるため、使用済み酸化物燃料５を容器に保持する従来型の電解還元のように、容器から脱落した使用済み酸化物燃料５が電解槽の底部に堆積したまま回収不能になるようなことがなく、プロセスの収率を高く保つことができる。

また、溶融カドミウム３の界面に使用済み酸化物燃料５と金属が混在した状態で維持されることがなく、さらに常に使用済み酸化物燃料５の表面が陽極８と対向した状態となっているため、酸素の酸化物組織内への拡散に要する時間等を短縮でき還元速度を向上することができる。また金属に還元された燃料成分は、直ちに溶融カドミウム３中に溶解するため、陰極で発生する酸素による再酸化等の影響も受けにくくなる。

上記のように、電解還元槽１において金属に還元された使用済み酸化物燃料５中のＵ及びＴＲＵ（超ウラン元素：プルトニウム、ネプツニウム、アメリシウム、キュリウム等）が、溶融カドミウム３中に溶解し、溶融カドミウム３中のＵ及びＴＲＵの濃度が飽和すると、還元されたＵ及びＴＲＵが溶融カドミウム３中に溶解されなくなる。このため、溶融カドミウム３中のＵ及びＴＲＵの濃度が飽和又は飽和に近くなった状態で、溶融カドミウム３を第１移送管２９により電解精製槽９に移送する。溶融カドミウム３の移送は、例えば、第１移送管２９に設けられた移送用ポンプ（図示せず）等により行う。

なお、図４に示すように、電解還元槽１から電解精製槽９への溶融カドミウム３の移送に先立って、Ｕ及びＴＲＵを分離した電解精製槽９内の溶融カドミウム３を、第２移送管２７Ｂにて保持容器２８に移送しておく。また、電解還元槽１から電解精製槽９へのＵ及びＴＲＵが溶解した溶融カドミウム３の移送が終了すると、保持容器２８内のＵ及びＴＲＵを含まない溶融カドミウム３の半分を、第２移送管２７Ａにて電解還元槽１へ移送する。このように溶融カドミウム３の移送を行うことによって、移送時間以外は電解還元・電解精製を継続でき、プロセスの運転効率の向上を図ることができる。

電解精製槽９では、電解還元槽１から移送された溶融カドミウム３を電解精製により処理する。その際、溶融カドミウム３を陽極とし、固体陰極１４または液体金属陰極１５を用いて、図示しない電源から陽極と陰極との間に電流を流す。これによって、溶融カドミウム３に含まれるＵ、ＴＲＵを、固体陰極１４または液体金属陰極１５において金属として回収する。

次に、図５を参照して他の実施形態について説明する。図５は、本実施形態に係る使用済み酸化物燃料の処理装置の縦断面概略構成を模式的に示すもので、図１と対応する構成には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。この実施形態では、上述した実施形態で説明した電解還元及び電解精製の処理を、仕切り板で仕切った単一の容器内で実現しようとするものである。

図５に示すように、本実施形態では、電解還元槽１と電解精製槽９は、単一の電解槽容器３１を、隔壁（仕切り板）３３で仕切って構成され、かつ仕切り板の下部には底板との間に電解還元槽１と電解精製槽９を直接連通する溶融金属移送路３９が形成されている。電解槽容器３１内には、その下部に位置するよう溶融カドミウム３が収容されており、隔壁３３は、この溶融カドミウム３中にまで延在するよう配設されている。溶融カドミウム３は、電解還元槽１側及び電解精製槽９側の双方において元素濃度が一定に保たれる。

溶融カドミウム３の上部には、隔壁３３で仕切られた状態で、電解還元槽１側の溶融塩３５と、電解精製槽９側の溶融塩３７が収容されている。電解還元側の溶融塩３５としては、例えば、塩化リチウム塩＋酸化リチウム等を用いることができる。また、電解精製槽９側の溶融塩３７としては、例えば、塩化リチウム＋塩化カリウム＋塩化ウラン等を用いることができる。なお、胴部を絶縁管２６で絶縁され溶融カドミウム３中に浸漬された電流導入用金属棒２４は、電解還元槽１及び電解精製槽９の双方に用いられ、電解還元の場合には陰極として、電解精製の場合には陽極として用いられる。

本実施形態では、使用済み酸化物燃料を、電解還元槽１側の溶融塩３５と溶融カドミウム３との界面に比重差により保持した状態で、陽極８と溶融カドミウム３との間に電流を流して、電解還元を行う。

そして、電解還元によって溶融カドミウム３中のＵ、ＴＲＵの濃度が上昇した後に、溶融カドミウム３の極性を切り替えて陽極とし、電解精製槽９側の固体陰極１４または液体金属陰極１５を陰極としてこれらの間に電流を流すことによって電解精製を行う。これにより、同一槽で電解還元と電解精製の双方を実施でき、工程のコンパクト化を図ることができるとともに、溶融カドミウム３の移送システムを省略することができる。

なお、上記の各実施形態では、溶融金属として溶融カドミウム３を用いた場合について説明したが、溶融金属は、回収するＵ及びＴＲＵ等の有用金属を溶解するものであればよく、例えば、Ｚｎ−Ｍｇ、Ｃｄ−Ｌｉ、Ｃｄ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｍｇ等の合金やＳｂ、Ｐｂ等の低融点金属を使用することができる。

また、上記実施形態では、使用済み酸化物燃料５からＵ及びＴＲＵを回収する場合について説明したが、その他の金属酸化物から有用金属を回収する場合、例えば、酸化ジルコニウム、酸化銅、酸化チタン等の酸化物からこれらの金属を回収する場合についても同様にして適用することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。

１…電解還元槽、２…電解槽容器、３…溶融カドミウム、４…溶融塩、５…使用済み酸化物燃料、６…絶縁管、７…電流導入用金属棒、８…固体陽極、９…電解精製槽、１０…電解精製容器、１１…溶融塩、１２…絶縁管、１３…電流導入用金属棒、１４…固体陰極、１５…液体金属陰極、２８…保持容器、２７Ａ，２７Ｂ…第２移送管、２９…第１移送管。

Claims

溶融塩電解法を用いた使用済み酸化物燃料の処理方法において、
溶融塩と、金属ウラン及び超ウラン元素を溶解する溶融金属とを二層にして収容し前記溶融塩中に固体陽極を保持した電解槽を用意する工程と、
使用済み酸化物燃料を、前記電解槽の溶融塩と前記溶融金属との界面に比重差により保持し、前記溶融金属を前記陽極の対極として用いて、前記使用済み酸化物燃料を電気化学的に金属ウラン及び超ウラン元素に還元し前記溶融金属中に溶解させる電解還元工程と、
前記電解還元工程で前記金属ウラン及び超ウラン元素を溶解した前記溶融金属から前記金属ウラン及び超ウラン元素を電気化学的に回収する電解精製工程と
を備えることを特徴とする使用済み酸化物燃料の処理方法。
請求項１に記載の使用済み酸化物燃料の処理方法において、
前記電解精製工程では、溶融塩を収容し前記溶融塩中に固体または液体金属からなる陰極を設置した電解精製槽に、前記金属ウラン及び超ウラン元素を溶解した前記溶融金属を収容し、前記金属ウラン及び超ウラン元素を溶解した前記溶融金属を陽極として電解精製が行われることを特徴とする使用済み酸化物燃料の処理方法。
溶融塩電解法を用いた使用済み酸化物燃料の処理方法において、
溶融塩と、金属ウラン及び超ウラン元素を溶解する溶融金属とを二層にして収容し前記溶融塩中に固体陽極を保持した電解槽と、溶融塩を収容し前記溶融塩中に固体または液体金属からなる陰極を設置した電解精製槽とを用意する工程と、
使用済み酸化物燃料を、前記電解槽の溶融塩と前記溶融金属との界面に比重差により保持し、前記溶融金属を前記陽極の対極として用いて、前記使用済み酸化物燃料を電気化学的に金属ウラン及び超ウラン元素に還元し前記溶融金属中に溶解させる電解還元工程と、
前記金属ウラン及び超ウラン元素を溶解した前記溶融金属を前記電解精製槽に移送する移送工程と、
前記電解精製槽に移送された前記金属ウラン及び超ウラン元素を溶解した前記溶融金属を陽極とし前記陰極との間に通電して、前記金属ウラン及び超ウラン元素を前記陰極に回収する工程と
を備えることを特徴とする使用済み酸化物燃料の処理方法。
請求項２又は３記載の使用済み酸化物燃料の処理方法において、
前記電解槽の溶融金属貯留部と前記電解精製槽の溶融金属貯留部とは、溶融金属保持容器を介して移送管で連結されていることを特徴とする使用済み酸化物燃料の処理方法。
請求項２又は３記載の使用済み酸化物燃料の処理方法において、
前記電解槽と前記電解精製槽とは、単一の容器を仕切り板で仕切って構成され、かつ仕切り板の下部には底板との間に両槽を直接連通する溶融金属移送路が形成されていることを特徴とする使用済み酸化物燃料の処理方法。
請求項１〜５のいずれか１項記載の使用済み酸化物燃料の処理方法において、
前記溶融金属が、Ｃｄ、Ｚｎ−Ｍｇ、Ｃｄ−Ｌｉ、Ｃｄ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｍｇ、Ｓｂ及びＰｂからなる群より選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする使用済み酸化物燃料の処理方法。
溶融塩電解法を用いた金属酸化物から有用金属を回収する金属酸化物の処理方法において、
溶融塩と前記金属酸化物から前記有用金属を溶解抽出する溶融金属とを二層にして収容する電解槽を用意する工程と、
前記金属酸化物を、前記電解槽の溶融金属と前記溶融塩との界面に比重差により保持し、前記溶融金属を前記溶融塩中に保持された陽極の対極として用いて、前記金属酸化物を電気化学的に有用金属に還元する電解還元工程と、
前記有用金属を、前記溶融金属と接触させて前記溶融金属中に溶解抽出する抽出工程と、
前記有用金属を溶解抽出した前記溶融金属から前記有用金属を電気化学的に回収する電解精製工程と
を備えることを特徴とする金属酸化物の処理方法。
請求項７に記載の金属酸化物の処理方法において、
前記金属酸化物が、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化銅及び酸化チタンから選ばれた１種または２種以上の金属酸化物からなることを特徴とする金属酸化物の処理方法。
請求項７または８に記載の金属酸化物の処理方法において、
前記溶融金属が、Ｃｄ、Ｚｎ−Ｍｇ、Ｃｄ−Ｌｉ、Ｃｄ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｍｇ、Ｓｂ及びＰｂからなる群より選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする金属酸化物の処理方法。
溶融塩電解法を用い、金属酸化物から有用金属を回収する金属酸化物の処理装置において、
前記金属酸化物から還元された前記有用金属を溶解する溶融金属及び溶融塩を二層にして収容し前記溶融塩中に固体陽極を保持した電解槽であって、前記金属酸化物を前記溶融塩と前記溶融金属との界面に比重差により保持し、前記溶融金属を前記陽極の対極として用いて、前記金属酸化物を電気化学的に前記有用金属に還元し前記溶融金属中に溶解させる電解槽と、
前記溶融金属中の前記金属を電気化学的に回収するための電解精製槽と
を具備したことを特徴とする金属酸化物の処理装置。
請求項１０記載の金属酸化物の処理装置において、
前記電解精製槽は、溶融塩及び前記有用金属を溶解した前記溶融金属を収容するとともに、前記溶融塩中に設置された固体または液体金属からなる陰極を具備し、前記有用金属を溶解した前記溶融金属を陽極として電解精製を行うよう構成されたことを特徴とする金属酸化物の処理装置。
請求項１１記載の金属酸化物の処理装置において、
前記電解槽の溶融金属貯留部から前記電解精製槽の溶融金属貯留部へ前記溶融金属を移送するための第１移送管と、
前記電解精製槽の溶融金属貯留部から溶融金属保持容器を介して前記電解槽の溶融金属貯留部へ前記溶融金属を移送するための第２移送管と
を具備したことを特徴とする金属酸化物の処理装置。
請求項１１記載の金属酸化物の処理装置において、
前記電解槽と前記電解精製槽が、単一の容器を仕切り板によって仕切ることによって構成され、かつ前記仕切り板の下部には底板との間に両槽を直接連通する溶融金属移送路が形成されている
ことを特徴とする金属酸化物の処理装置。
請求項１０〜１３のいずれか１項記載の金属酸化物の処理装置において、
前記金属酸化物が、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化銅及び酸化チタンから選ばれた１種または２種以上の金属酸化物、又は、使用済み酸化物燃料からなることを特徴とする金属酸化物の処理装置。
請求項１０〜１４のいずれか１項記載の金属酸化物の処理装置において、
前記溶融金属が、Ｃｄ、Ｚｎ−Ｍｇ、Ｃｄ−Ｌｉ、Ｃｄ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｍｇ、Ｓｂ及びＰｂからなる群より選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする金属酸化物の処理装置。