JP5483867B2 - Method for recovering metallic fuel material from spent fuel and method for reprocessing spent fuel - Google Patents
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Description
本発明は、使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法及び使用済燃料の再処理方法に係り、特に、金属燃料を得るのに好適な使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法及び使用済燃料の再処理方法に関する。 The present invention relates to a method for recovering metallic fuel material from spent fuel and a method for reprocessing spent fuel, and more particularly to a method for recovering metallic fuel material from spent fuel suitable for obtaining metallic fuel, and spent fuel. The present invention relates to a fuel reprocessing method.
ウランを核燃料物質として用いる軽水炉の炉心内ではウラン238の中性子吸収によってプルトニウム(主にプルトニウム239)が生成される。軽水炉に装荷されていた使用済み燃料集合体は、軽水炉から取り出されて再処理される。この使用済燃料集合体の再処理によって取り出されたプルトニウムを核燃料物質として使用して発電しつつ、併せて装荷したプルトニウムよりも多いプルトニウムを生産する原子炉として、高速増殖炉が存在する。この高速増殖炉に、核燃料物質としてウラン及びプルトニウムを含む金属燃料を用いるタイプの原子炉がある。
この金属燃料を含む燃料集合体が装荷された高速増殖炉から取り出された使用済燃料集合体を、溶融塩電解法により再処理し、回収したPuを金属燃料に成型して再利用することが提案されている(例えば、小山正史他、「乾式再処理技術」、電中研レビューNo.37、ページ26−37、(2000)を参照)。しかし、現在、運転されている原子炉は、ほとんどが核燃料物質として酸化物核燃料を用いた軽水炉である。軽水炉から取り出された使用済燃料集合体は、約1%のPuを含む酸化物核燃料を含んでいる。このため、金属燃料が適用される高速増殖炉に最初に装荷される燃料集合体に用いる金属燃料を酸化物核燃料から製造する一例が、宇佐美剛他「酸化物燃料への乾式再処理技術の適用」、電中研レビューNo.37、ページ40−46、(2000)に記載されている。この金属燃料の製造方法では、軽水炉の使用済燃料集合体の酸化ウランがリチウムで還元され、生成された金属ウランが回収されている。
Plutonium (mainly plutonium 239) is generated by neutron absorption of uranium 238 in the core of a light water reactor using uranium as a nuclear fuel material. The spent fuel assembly loaded in the light water reactor is taken out of the light water reactor and reprocessed. There is a fast breeder reactor as a nuclear reactor that generates power by using plutonium extracted by reprocessing of the spent fuel assembly as a nuclear fuel material and producing more plutonium than the loaded plutonium. As this fast breeder reactor, there is a reactor of a type using a metal fuel containing uranium and plutonium as nuclear fuel materials.
The spent fuel assembly taken out from the fast breeder reactor loaded with the fuel assembly containing the metal fuel is reprocessed by the molten salt electrolysis method, and the recovered Pu is molded into the metal fuel for reuse. (For example, see Masafumi Koyama et al., “Dry-type reprocessing technology”, Denchu Ken review No. 37, pages 26-37, (2000)) However, most of the currently operated nuclear reactors are light water reactors using oxide nuclear fuel as nuclear fuel material. The spent fuel assembly removed from the light water reactor contains an oxide nuclear fuel containing about 1% Pu. For this reason, an example of producing metal fuel used for a fuel assembly initially loaded in a fast breeder reactor to which metal fuel is applied from oxide nuclear fuel is Takeshi Usami et al. “Application of dry reprocessing technology to oxide fuel. ”Denchu Research Review No. 37, pages 40-46, (2000). In this method for producing a metal fuel, uranium oxide in a spent fuel assembly of a light water reactor is reduced with lithium, and the produced metal uranium is recovered.
使用済燃料の再処理方法として、使用済の核燃料物質に含まれているウラン及びプルトニウムをフッ化物にして、揮発性の差を利用して、ウラン、及びウラン及びプルトニウムの混合物を分離して回収することが提案されている(特開2000-284089号公報)。この再処理方法は、使用済の核燃料物質に含まれているウランの大部分を第1のフッ化剤を用いたフッ化処理により揮発させて分離する。その後、残りのウラン、及びプルトニウムを第2のフッ化剤を用いて揮発させて回収し、回収したウラン及びプルトニウムを酸化している。これにより、ウラン及びプルトニウムの混合酸化物が生成される。 As a method of reprocessing spent fuel, uranium and plutonium contained in spent nuclear fuel materials are converted to fluorides, and uranium and a mixture of uranium and plutonium are separated and recovered using the difference in volatility. It has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-284089). In this reprocessing method, most of uranium contained in the spent nuclear fuel material is volatilized and separated by fluorination using a first fluorinating agent. Thereafter, the remaining uranium and plutonium are recovered by volatilization using a second fluorinating agent, and the recovered uranium and plutonium are oxidized. Thereby, a mixed oxide of uranium and plutonium is generated.
特開2004-233066号公報も、フッ化処理による使用済燃料の再処理方法を記載する。この再処理方法は、使用済の核燃料物質とフッ素ガスを反応させてUF6及びPuF6の形態で揮発させる。これらの混合ガスを粒状のUO2F2を充填したPu回収トラップに供給し、PuF6をUO2F2にPuF4の形態で吸着させて分離する。UF66はUO2に変換され、UO2F2及びPuF4はUO2及びPuO2の混合酸化物に変換される。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-233066 also describes a method for reprocessing spent fuel by fluorination. This reprocessing method causes spent nuclear fuel material and fluorine gas to react and volatilize in the form of UF 6 and PuF 6 . These mixed gases are supplied to a Pu collection trap filled with granular UO 2 F 2 , and PuF 6 is adsorbed to UO 2 F 2 in the form of PuF 4 and separated. UF6 6 is converted to
特開2002-257980号公報は、ピューレックス法により使用済の核燃料物質からウラン及びプルトニウムの混合酸化物核燃料を得る使用済燃料の再処理方法を記載する。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-257980 describes a spent fuel reprocessing method for obtaining a mixed oxide nuclear fuel of uranium and plutonium from spent nuclear fuel material by the Purex method.
溶融塩電解法を用いた他の使用済燃料の再処理方法が、特開2003-43187号公報に説明されている。使用済の核燃料物質である酸化物核燃料を、容器に充填された溶融塩内に投入し、溶融塩内に塩素ガスを吹き込む。酸化物核燃料に含まれるUO2及びPuO2は、溶融塩内で塩化物として溶解する。陽極及び陰極が溶融塩内に付けられている。陽極と陰極の間に通電すると、UO2及びPuO2が陰極に析出する。溶融塩電解法を用いた使用済燃料の再処理方法は、特開2000-284089号公報にも記載されている。 Another spent fuel reprocessing method using a molten salt electrolysis method is described in JP-A-2003-43187. Oxide nuclear fuel, which is a used nuclear fuel material, is put into a molten salt filled in a container, and chlorine gas is blown into the molten salt. UO 2 and PuO 2 contained in the oxide nuclear fuel are dissolved as chlorides in the molten salt. An anode and a cathode are attached in the molten salt. When energized between the anode and the cathode, UO 2 and PuO 2 are deposited on the cathode. A method for reprocessing spent fuel using the molten salt electrolysis method is also described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-284089.
発明者らは、高速増殖炉に装荷する燃料集合体に用いる金属燃料を得るための、軽水炉から取り出した使用済の燃料集合体に含まれている酸化物核燃料の再処理方法を検討した。この結果、発明者らは、使用済の酸化物核燃料から金属燃料を得るために、溶融塩電解法を用いればよいとの結論に達した。 The inventors examined a method for reprocessing the oxide nuclear fuel contained in the spent fuel assembly taken out from the light water reactor in order to obtain a metal fuel used in the fuel assembly loaded in the fast breeder reactor. As a result, the inventors have come to the conclusion that the molten salt electrolysis method may be used to obtain the metal fuel from the spent oxide nuclear fuel.
しかしながら、高速増殖炉の炉心に装荷される新燃料集合体内に存在する金属燃料に含まれるウランの量はその金属燃料に含まれるプルトニウムの3〜4倍であるのに対し、軽水炉から取り出された使用済の燃料集合体内の酸化物核燃料に含まれるウランの量はその酸化物核燃料に含まれるプルトニウムの約100倍である。このため、溶融塩電解工程の前に、使用済の酸化物核燃料から、大部分の余剰ウランを除去しなければならない。 However, the amount of uranium contained in the metal fuel present in the new fuel assembly loaded in the fast breeder reactor core is 3 to 4 times the amount of plutonium contained in the metal fuel, but was removed from the light water reactor. The amount of uranium contained in the oxide nuclear fuel in the spent fuel assembly is about 100 times that of plutonium contained in the oxide nuclear fuel. For this reason, most of the excess uranium must be removed from the spent oxide nuclear fuel before the molten salt electrolysis process.
発明者らは、金属燃料を得る溶融塩電解工程の前で余剰ウランを除去するために、特開2000-284089号公報、特開2004-233066号公報及び特開2002-257980号公報に記載されているように、使用済の酸化物核燃料を予めフッ化処理することに思い至った。使用済の酸化物核燃料に対して予め弗化処理を行うことによって、大部分のウランをフッ化物にして揮発させて除去することができる。さらに、特開2000-284089号公報及び特開2004-233066号公報に記載されているように、残りのウラン、及びプルトニウムの各フッ化物をそれぞれの酸化物に転換する。得られたウラン及びプルトニウムの酸化物を容器内の溶融塩内に投入し、これらの酸化物に対して溶融塩電解を実施する。この結果、金属ウラン及び金属プルトニウムを含む金属燃料を生成することができる。使用済の酸化物核燃料から余剰ウランを除去することができるので、ウラン及びプルトニウムの酸化物に対して溶融塩電解を実施する装置をコンパクト化することができる。さらに、溶融塩電解によって金属燃料を得るのに要する時間を短縮することができる。 The inventors described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2000-284089, 2004-233066, and 2002-257980 in order to remove excess uranium before the molten salt electrolysis step for obtaining the metal fuel. As shown in the figure, it has been thought that the spent oxide nuclear fuel is previously fluorinated. By fluorinating the spent oxide nuclear fuel in advance, most of the uranium can be converted into a fluoride and volatilized and removed. Further, as described in JP-A-2000-284089 and JP-A-2004-233066, the remaining uranium and plutonium fluorides are converted into respective oxides. The obtained oxides of uranium and plutonium are put into the molten salt in the container, and molten salt electrolysis is performed on these oxides. As a result, a metal fuel containing metal uranium and metal plutonium can be generated. Since excess uranium can be removed from the spent oxide nuclear fuel, the apparatus for performing molten salt electrolysis on uranium and plutonium oxides can be made compact. Furthermore, the time required to obtain a metal fuel by molten salt electrolysis can be shortened.
発明者らは、金属燃料の原料となる金属燃料物質を使用済の酸化物核燃料から回収する工程をさらに簡素化する必要があるとの新たな課題を見出した。 The inventors have found a new problem that it is necessary to further simplify the process of recovering the metal fuel material as the raw material of the metal fuel from the spent oxide nuclear fuel.
本発明の目的は、使用済の酸化物核燃料から金属燃料物質を回収する工程を簡素化することができる使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法及び使用済燃料の再処理方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for recovering metal fuel material from spent fuel and a method for reprocessing spent fuel that can simplify the process of recovering metal fuel material from spent oxide nuclear fuel. It is in.
上記した目的を達成する本発明の特徴は、原子炉から取り出された使用済の酸化物核燃料をフッ素と反応させて核燃料フッ化物を生成し、
この核燃料フッ化物のうち、フッ化ウランの一部を除去し、
残りの核燃料フッ化物、及び酸化物をフッ化物溶融塩に溶解し、
前記酸化物として、前記フッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有して前記酸化物核燃料とは異なる酸化物を用い、及び
このフッ化物溶融塩に浸漬された陽極である第1電極及び陰極である第2電極に通電してフッ化物溶融塩に溶解している金属燃料物質を第2電極に析出させることにある。
A feature of the present invention that achieves the above-described object is that a spent oxide nuclear fuel taken out of a nuclear reactor is reacted with fluorine to produce a nuclear fuel fluoride,
Of this nuclear fuel fluoride, part of the uranium fluoride is removed,
The remaining nuclear fuel fluoride and oxide are dissolved in the fluoride molten salt,
As the oxide, an oxide having a cation common to the fluoride molten salt and different from the oxide nuclear fuel is used, and a first electrode and a cathode which are anodes immersed in the fluoride molten salt The purpose is to deposit a metal fuel substance dissolved in a fluoride molten salt on the second electrode by energizing a certain second electrode.
核燃料フッ化物及び酸化物をフッ化物溶融塩に溶解し、このフッ化物溶融塩に浸漬された陽極である第1電極及び陰極である第2電極に通電してフッ化物溶融塩に溶解している金属燃料物質を第2電極に析出させるので、フッ化物溶融塩電解の前処理として、生成された核燃料フッ化物を酸化物にする転換処理が不要になる。このため、使用済の酸化物核燃料から金属燃料物質を回収する方法の工程を簡素化することができる。フッ化物溶融塩に溶解する酸化物としてフッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有して酸化物核燃料とは異なる酸化物を用いるため、陽極である第1電極付近でのフッ素ガスの発生を防止でき、第1電極の腐食を防止することができると共に、フッ化物溶融塩の組成を維持することができる。 Nuclear fuel fluoride and oxide are dissolved in fluoride molten salt, and the anode first electrode and cathode second electrode immersed in the fluoride molten salt are energized and dissolved in the fluoride molten salt. Since the metal fuel substance is deposited on the second electrode, a conversion process for converting the produced nuclear fuel fluoride into an oxide is unnecessary as a pretreatment for fluoride molten salt electrolysis. For this reason, the process of the method for recovering the metal fuel material from the spent oxide nuclear fuel can be simplified. Since the oxide dissolved in the fluoride molten salt has an cation common to the fluoride molten salt and is different from the oxide nuclear fuel, generation of fluorine gas in the vicinity of the first electrode as the anode is prevented. The corrosion of the first electrode can be prevented, and the composition of the fluoride molten salt can be maintained.
本発明によれば、使用済の酸化物核燃料から金属燃料物質を回収する工程を簡素化することができる。 According to the present invention, the process of recovering the metal fuel material from the spent oxide nuclear fuel can be simplified.
発明者らは、新たに見出した、使用済の酸化物核燃料の再処理方法の工程、すなわち、使用済の酸化物核燃料の弗化処理、得られたウラン及びプルトニウムの各フッ化物の酸化物への転換、及びウラン及びプルトニウムの各酸化物の溶融塩電解という処理の流れについて検討した。この結果、発明者らは、酸化物核燃料のフッ化処理で得られたウラン及びプルトニウムの各フッ化物を溶融塩電解することによって、使用済の酸化物核燃料の再処理工程をさらに簡素化することができるという考えに到達した。これを実現するためには、(a)溶融塩電解に用いる溶融塩としてフッ化物溶融塩を使用する、及び(b)弗化物溶融塩に酸化物を添加する必要があることが、新たに分かった。 The inventors have newly found a step of a method for reprocessing spent oxide nuclear fuel, that is, fluorination treatment of spent oxide nuclear fuel, and the resulting oxides of uranium and plutonium fluorides. And the flow of treatment of molten salt electrolysis of uranium and plutonium oxides. As a result, the inventors further simplified the reprocessing process of spent oxide nuclear fuel by performing molten salt electrolysis of each uranium and plutonium fluoride obtained by fluorination of the oxide nuclear fuel. Reached the idea that In order to realize this, it has been newly found that it is necessary to add (a) a fluoride molten salt as a molten salt used in molten salt electrolysis and (b) an oxide to the fluoride molten salt. It was.
フッ化物溶融塩としては、例えば、LiF及びBeF2の混合物を用い、添加する酸化物としては、例えば、Li2O及びBeOの混合物を用いる。これによって、酸化物核燃料のフッ化処理で得られたウラン及びプルトニウムの各フッ化物を溶融塩電解することが可能になった。したがって、溶融電解の前処理であるウラン及びプルトニウムの各フッ化物の酸化物への転換処理が不要になり、使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法において、使用済の酸化物核燃料から金属燃料物質を回収する工程を簡素化することができる。 As the fluoride molten salt, for example, a mixture of LiF and BeF 2 is used, and as the oxide to be added, for example, a mixture of Li 2 O and BeO is used. As a result, it has become possible to carry out molten salt electrolysis of uranium and plutonium fluorides obtained by fluorination treatment of oxide nuclear fuel. Therefore, it is not necessary to convert uranium and plutonium into oxides of oxides, which is a pretreatment for molten electrolysis. In the method for recovering metallic fuel material from spent fuel, the spent fuel from spent oxide nuclear fuel to metallic fuel The process of collecting the substance can be simplified.
上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。 Examples of the present invention reflecting the above examination results will be described below.
本発明の好適な一実施例である実施例1の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法を、図1に基づいて説明する。
A method for recovering a metal fuel material from spent fuel according to
軽水炉の炉心に装荷されていた使用済の燃料集合体は、軽水炉の原子炉圧力容器から取り出されて、燃料貯蔵プール内に所定期間保管される。この使用済の燃料集合体は、燃料貯蔵プールから取り出されて、軽水炉が設置されている原子力発電所から核燃料再処理施設まで移送される。核燃料再処理施設において、使用済の燃料集合体に含まれる核燃料物質、すなわち、酸化物核燃料が再処理される。 The spent fuel assembly loaded in the core of the light water reactor is taken out from the reactor pressure vessel of the light water reactor and stored in the fuel storage pool for a predetermined period. This spent fuel assembly is removed from the fuel storage pool and transferred from the nuclear power plant where the light water reactor is installed to the nuclear fuel reprocessing facility. In the nuclear fuel reprocessing facility, the nuclear fuel material contained in the spent fuel assembly, that is, the oxide nuclear fuel is reprocessed.
脱被覆により燃料棒内から酸化物核燃料を取り出して粉砕した後、この使用済の酸化物核燃料に対してフッ化処理が実施される(フッ化処理工程1)。酸化物核燃料が、1トン、軽水炉の炉心に装荷されると、軽水炉の運転中における核分裂によって1つの運転サイクル終了時点では、表1に示すように、0.994トンに減少している。軽水炉から取り出された使用済燃料集合体に含まれている使用済の酸化物核燃料は、表1の使用済酸化物核燃料の欄に示す組成を有しており、主な成分として、ウラン、ウランから生成されたプルトニウム、ネプツニウム、アメリシウム及びキュリウムなどの超ウラン元素、及び核分裂生成物(以下、FPという)を含んでいる。表1の使用済酸化物核燃料の欄には、約1トンの使用済の酸化物核燃料に含まれている各元素の重量、物質量(モル数)及び放射能を示している。 After the oxide nuclear fuel is taken out from the fuel rod by decoating and pulverized, the spent oxide nuclear fuel is subjected to fluorination treatment (fluorination treatment step 1). When 1 ton of nuclear fuel is loaded into the core of the light water reactor, it decreases to 0.994 ton as shown in Table 1 at the end of one operation cycle due to nuclear fission during the operation of the light water reactor. The spent oxide nuclear fuel contained in the spent fuel assembly taken out from the light water reactor has the composition shown in the spent oxide nuclear fuel column of Table 1, and includes uranium and uranium as main components. And transuranium elements such as plutonium, neptunium, americium, and curium produced from the above, and fission products (hereinafter referred to as FP). In the column of spent oxide nuclear fuel in Table 1, the weight, substance amount (number of moles) and radioactivity of each element contained in about 1 ton of spent oxide nuclear fuel are shown.
フッ化処理工程1において、酸化物核燃料は、フッ素と反応させられ、気体状の六フッ化ウラン(UF6)、及び固体状の転換フッ化物に分けられる。フッ化処理工程1で発生したUF6は、UF6処理工程7に送られて精製され、UO2に転換される。このUO2は軽水炉用の新燃料集合体の燃料棒内に装填される。
In the
フッ化処理工程1では、フレーム炉(または流動床)が用いられる。酸化物核燃料がフレーム炉内に供給された後、フレーム炉内にフッ素が供給され、フレーム炉内で酸化物核燃料のフッ化処理が実施される。フレーム炉内に供給するフッ素(F2)の流量を制御することによって、フッ化処理工程1においてウランが揮発する比率を80%から98%の間に調節することができる。
In the
ウランが揮発する比率を調整することによって、固体状の転換フッ化物に残るウランの量を調節できる。表1の使用済酸化物核燃料の欄に記載された組成を有する使用済の酸化物核燃料にフッ化処理を施し、98%のウランを揮発させて得られた転換フッ化物の組成を、表1の転換フッ化物の欄に示している。フッ化処理前に使用済の酸化物核燃料に含まれていた各化合物は、フッ化処理後において表1の転換フッ化物の欄における形態の欄に示す各化合物に転換される。ウランは、大部分がフッ化処理時においてUF6として除去されるため、使用済みの酸化物核燃料に含まれたウランの量の2%まで減少する。また、使用済みの酸化物核燃料に含まれているH、Br、Kr、I及びXeは、気体であるため、フッ化処理工程1において除去され、フッ化処理工程1の生成物である転換フッ化物には含まれていない。Se、Nb、Tc、Mo、Ru、Sbのフッ化物は揮発性であるため、転換フッ化物には10%程度しか残らない。
By adjusting the rate at which uranium volatilizes, the amount of uranium remaining in the solid converted fluoride can be adjusted. Table 1 shows the composition of the converted fluoride obtained by subjecting the spent oxide nuclear fuel having the composition described in Table 1 to the fluorination treatment and volatilizing 98% of uranium. In the column of conversion fluoride. Each compound contained in the spent oxide nuclear fuel before the fluorination treatment is converted into each compound shown in the form column in the column of converted fluoride in Table 1 after the fluorination treatment. Most of the uranium is removed as UF 6 during the fluorination treatment, so it is reduced to 2% of the amount of uranium contained in the spent oxide nuclear fuel. In addition, since H, Br, Kr, I, and Xe contained in the spent oxide nuclear fuel are gases, they are removed in the
流動床を用いたフッ化処理工程はバッチ処理になるため、ウランが必要な量だけ揮発した時点で流動床内へのフッ素の供給を停止して流動床から残渣を取り出す。このような操作を行うことによって、流動床を用いた場合でも、ウランが揮発する比率を調節することができる。 Since the fluorination treatment step using the fluidized bed is a batch treatment, when a necessary amount of uranium has volatilized, the supply of fluorine into the fluidized bed is stopped and the residue is taken out from the fluidized bed. By performing such an operation, even when a fluidized bed is used, the ratio of volatilization of uranium can be adjusted.
以上に述べたフッ化処理工程1が終了した後、フッ化物溶融塩電解工程3が実行される。フッ化処理工程1で生成された転換フッ化物は、フッ化物溶融塩電解工程3に用いられる電解槽内に供給される。フッ化物溶融塩電解工程3で用いられるフッ化物溶融塩電解装置は、電解槽内に、フッ化物溶融塩を充填しており、陽極である第1電極及び陰極である第2電極が電解槽に設けられている。第1電極及び第2電極がフッ化物溶融塩内に浸漬されている(後述の図5参照)。転換フッ化物は、フッ化物溶融塩内に投入される。フッ化物溶融塩としては、例えば、LiF及びBeF2の混合物が用いられる。LiF及びBeF2の混合物の替りに、フッ化物溶融塩としてLiF、NaF及びKFを含む混合物を用いてもよい。
After the
フッ化物溶融塩を用いることによって、転換フッ化物に含まれる、UO2F2の形態で存在するウランと、NpO2F2の形態で存在するネプツニウムは、以下に示す反応によりフッ化物溶融塩に溶解する。 By using the fluoride molten salt, uranium existing in the form of UO 2 F 2 and neptunium existing in the form of NpO 2 F 2 contained in the converted fluoride are converted into the fluoride molten salt by the reaction shown below. Dissolve.
UO2F2(固体)→UO2 2+(溶融塩中)+2F-(溶融塩中) …(1)
NpO2F2(固体)→NpO2 2+(溶融塩中)+2F-(溶融塩中) …(2)
フッ化処理工程1で生成された他の転換フッ化物はAnFmの形態で存在するので、例えば、Pu,La,Sr及びCsは以下の反応式でフッ化物溶融塩に溶解する。
UO 2 F 2 (solid) → UO 2 2+ (in molten salt) + 2F − (in molten salt) (1)
NpO 2 F 2 (solid) → NpO 2 2+ (in molten salt) + 2F − (in molten salt) (2)
Since the other converted fluoride produced in the
PuF4(固体)→Pu4+(溶融塩中)+4F-(溶融塩中) …(3)
LaF3(固体)→La3+(溶融塩中)+3F-(溶融塩中) …(4)
SrF2(固体)→Sr2+(溶融塩中)+2F-(溶融塩中) …(5)
CsF(固体)→Cs+(溶融塩中)+F-(溶融塩中) …(6)
第1電極及び第2電極に通電して、電解槽内のフッ化物溶融塩を電気分解すると、フッ化物溶融塩内において以下の(7)式から(10)式の各反応が生じ、陰極である第2電極にウラン金属が析出する。すなわち、電極間に通電している間に、フッ化物溶融塩は、塩化物溶融塩と異なりO2−イオンの溶解度が高いため(8)式の反応が生じ、ウランは、U4+からU3+を経由してウラン金属となる。
PuF 4 (solid) → Pu 4+ (in molten salt) + 4F − (in molten salt) (3)
LaF 3 (solid) → La 3+ (in molten salt) + 3F − (in molten salt) (4)
SrF 2 (solid) → Sr 2+ (in molten salt) + 2F − (in molten salt) (5)
CsF (solid) → Cs + (in molten salt) + F − (in molten salt) (6)
When the first electrode and the second electrode are energized to electrolyze the fluoride molten salt in the electrolytic cell, the following reactions (7) to (10) occur in the fluoride molten salt, and at the cathode Uranium metal is deposited on a certain second electrode. That is, while current between the electrodes, the fluoride molten salt is caused reaction for the high solubility of unlike chloride molten salt O 2- ions (8) is, uranium, U 3+ from U 4+ Via uranium metal.
UO2 2+(溶融塩中)+2e-(陰極)→UO2(陰極近傍) …(7)
UO2(陰極近傍)→U4+(溶融塩中)+2O2-(溶融塩中) …(8)
U4+(溶融塩中)+e-(陰極)→U3+(溶融塩中) …(9)
U3+(溶融塩中)+3e-(陰極)→U(陰極に析出) …(10)
(7)式から(10)式をまとめると、第2電極上で生じる反応は(11)式の反応になる。
UO 2 2+ (in molten salt) + 2e − (cathode) → UO 2 (near the cathode) (7)
UO 2 (near the cathode) → U 4+ (in molten salt) + 2O 2- (in molten salt) (8)
U 4+ (in molten salt) + e − (cathode) → U 3+ (in molten salt) (9)
U 3+ (in molten salt) + 3e − (cathode) → U (deposited on the cathode) (10)
When formulas (7) to (10) are put together, the reaction occurring on the second electrode becomes the reaction of formula (11).
UO2 2+(溶融塩中)+6e-→U(陰極に析出)+2O2-(溶融塩中)…(11)
NpO2F2はUO2F2と同様にNpとして陰極に析出する。AnFmの形態で存在するフッ化物は下記の反応により金属が陰極に析出する。
UO 2 2+ (in molten salt) + 6e − → U (deposited on cathode) + 2O 2− (in molten salt) (11)
NpO 2 F 2 is deposited on the cathode as Np in the same manner as UO 2 F 2 . The fluoride present in the form of An F m is deposited on the cathode by the following reaction.
Pu4+(溶融塩中)+4e-(陰極)→Pu(陰極に析出) …(12)
La3+(溶融塩中)+3e-(陰極)→La(陰極に析出) …(13)
Sr2+(溶融塩中)+2e-(陰極)→Sr(陰極に析出) …(14)
Cs+(溶融塩中)+e-(陰極) →Cs(陰極に析出) …(15)
先にフッ化物溶融塩を電気分解すると述べたが、このまま、電気分解を行った場合には、(11)式の反応に対して陽極である第1電極では(16)式の反応が生じ、第1電極付近でフッ素ガスが発生する。このため、第1電極が腐食し易くなる。
Pu 4+ (in molten salt) + 4e− (cathode) → Pu (deposited on the cathode) (12)
La 3+ (in molten salt) + 3e− (cathode) → La (deposited on the cathode) (13)
Sr 2+ (in molten salt) + 2e− (cathode) → Sr (deposited on the cathode) (14)
Cs + (in molten salt) + e − (cathode) → Cs (deposited on the cathode) (15)
Although it was stated that electrolysis of the fluoride molten salt was previously performed, when electrolysis is performed as it is, the reaction of the formula (16) occurs in the first electrode that is the anode with respect to the reaction of the formula (11), Fluorine gas is generated near the first electrode. For this reason, the first electrode is easily corroded.
6F-(溶融塩)→3F2+6e-(陽極) …(16)
本実施例では、第1電極付近でのフッ素の発生を防ぐため、電解槽内のフッ化物溶融塩に予め酸化物を溶解させている。フッ化物溶融塩に添加する酸化物としては、フッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有する酸化物を使用することが好ましい。これは、フッ化物溶融塩と共通の酸化物を用いることによって、例えば、後述の(19)式に示されるように、フッ化物溶融塩内で余剰なフッ素と反応して生成されるフッ化物がフッ化物溶融塩と同じ組成になる。このため、フッ化物溶融塩の組成を維持することができる。本実施例では、フッ化物溶融塩としてLiF及びBeF2の混合物を用いるので、添加する酸化物としてLi2O及びBeOの混合物を使用する。Li2O及びBeOの混合物を用いることによって、(19)式の反応に基づいて、本実施例で用いるフッ化物溶融塩の組成であるLiF及びBeF2が生成される。本実施例では、第1電極として炭素陽極を用い、(11)式の反応を促進させている。したがって、第1電極における陽極反応は、(17)及び(18)式のようになる。
Li2O+BeO→2Li+(溶融塩)+Be2+(溶融塩)+2O2-(溶融塩)…(17)
3O2-(溶融塩)+3/2C(陽極材)→3/2CO2+6e-(陽極) …(18)
(18)式の反応では第1電極から二酸化炭素が発生する。しかしながら、フッ化物溶融塩の温度によっては、発生した二酸化炭素が分解して一酸化炭素が生成される場合もある。
6F − (molten salt) → 3F 2 + 6e − (anode) (16)
In this embodiment, in order to prevent the generation of fluorine in the vicinity of the first electrode, the oxide is dissolved in advance in the fluoride molten salt in the electrolytic cell. As the oxide added to the fluoride molten salt, an oxide having a cation common to the fluoride molten salt is preferably used. This is because, by using an oxide common to the fluoride molten salt, for example, as shown in the following formula (19), the fluoride produced by reacting with excess fluorine in the fluoride molten salt is produced. It becomes the same composition as fluoride molten salt. For this reason, the composition of the fluoride molten salt can be maintained. In this embodiment, since a mixture of LiF and BeF 2 is used as the fluoride molten salt, a mixture of Li 2 O and BeO is used as the oxide to be added. By using a mixture of Li 2 O and BeO, LiF and BeF 2 that are the composition of the fluoride molten salt used in this example are generated based on the reaction of the formula (19). In this example, a carbon anode is used as the first electrode, and the reaction of the formula (11) is promoted. Therefore, the anodic reaction at the first electrode is expressed by the equations (17) and (18).
Li 2 O + BeO → 2Li + (molten salt) + Be 2+ (molten salt) + 2O 2− (molten salt) (17)
3O 2− (molten salt) + 3 / 2C (anode material) → 3/2 CO 2 + 6e − (anode) (18)
In the reaction of formula (18), carbon dioxide is generated from the first electrode. However, depending on the temperature of the fluoride molten salt, the generated carbon dioxide may be decomposed to produce carbon monoxide.
UO2F2からウラン金属をフッ化物溶融塩電解によって回収する(11)式の反応では、O2−イオンが2個生成されるので、第1電極で(18)式の反応を生じる。このため、Li2O及びBeOは、UO2F2のモルあたり、O2−イオンが1モル生成する量だけ、フッ化物溶融塩であるLiF及びBeF2の混合物に添加すればよい。全体の反応は以下の式で表される。 In the reaction of the formula (11) in which uranium metal is recovered from UO 2 F 2 by fluoride molten salt electrolysis, two O 2− ions are generated, and thus the reaction of the formula (18) occurs at the first electrode. Therefore, Li 2 O and BeO may be added to the mixture of LiF and BeF 2 that is a fluoride molten salt in an amount that produces 1 mole of O 2− ions per mole of UO 2 F 2 . The overall reaction is represented by the following formula:
1/2(Li2O+BeO)+UO2F2 +3/2C
→ Li++1/2 Be2++2F-+U+3/2CO2 …(19)
(11)式は、この回収したウラン金属にどのような物質が同伴するかを示している。(7)式から(10)式で表される各反応のうち、最も第2電極を負の値にしなければならない反応は(10)式の反応である。フッ化物溶融塩での析出反応の電位はデータが少ないので、以下、塩化物溶融塩における電位を用いて説明する。
1/2 (Li 2 O + BeO) + UO 2 F 2 + 3 / 2C
→ Li + +1/2 Be 2+ + 2F − + U + 3 / 2CO 2 (19)
Equation (11) shows what kind of substance is accompanied with the recovered uranium metal. Among the reactions represented by the equations (7) to (10), the reaction that requires the second electrode to be the most negative is the reaction of the equation (10). Since there is little data on the potential of the precipitation reaction with the fluoride molten salt, the following description will be made using the potential of the chloride molten salt.
フッ化物溶融塩と塩化物溶融塩では析出反応の電位が異なるが、各イオンが析出する電位(析出電位)の順番は両者で変わらない。すなわち U3+イオンがウラン金属になる電位E1と、La3+イオンがLa金属になる電位E2は溶融塩の種類によって異なるが、溶融塩が異なっても電位E2が電位E1よりも負の値であるということは変わらない。 The potential of the precipitation reaction differs between the fluoride molten salt and the chloride molten salt, but the order of the potential at which each ion precipitates (precipitation potential) does not change between the two. That is, the potential E1 at which U 3+ ions become uranium metal and the potential E2 at which La 3+ ions become La metal differ depending on the type of molten salt, but the potential E2 is more negative than the potential E1 even if the molten salt is different. That doesn't change.
表2は、塩化物溶融塩内に溶けている各化合物を析出電位の大きい順番にまとめたものである。行番1から行番19までの各元素は、ウランよりも析出電位が正であり、ウランよりも析出し易い。このため、ウランが第2電極に析出するときには、行番1から行番19までの各元素も第2電極に析出する。表2において行番21以降の元素は、ウランよりも析出電位が負であるためウランよりも析出し難く、ウランが第2電極に析出した時には、電解槽内の溶融塩に含まれている。Se及びTcは析出電位のデータがないが、保守的にはウランが第2電極に析出するときにはSe及びTcも第2電極に析出している。当然ながら、プルトニウムも第2電極に析出している。
Table 2 summarizes the compounds dissolved in the molten chloride salt in descending order of precipitation potential. Each element from
本実施例におけるフッ化物溶融塩電解工程3では、電解槽に設けられた第1電極と第2電極の電位差が、製造される金属燃料に必要な元素のうちフッ化物溶融塩内での析出電位が最も低くなる元素(ウラン)の析出電位に等しくなるように、第1電極と第2電極に通電する。これによって、析出電位が最も低くなる元素の析出電位以上である元素が陰極である第2電極に析出する。
In the fluoride molten
フッ化処理工程1で使用済の酸化物核燃料に含まれていたウランの98%を取り除いたので、第2電極に析出した金属ウラン及び金属プルトニウムに対する金属プルトニウムの割合(富化度)は、表2によれば、0.32になる。すなわち、本実施例によれば、使用済の酸化物核燃料から余剰のウランを除去した後、残りのウランとプルニウムを、プルトニウムの富化度が0.25以上の金属燃料に転換することができる。この回収された金属燃料物質(金属ウラン及び金属プルトニウム等の表2に示す行番1から行番20までの各金属元素)が付着している第2電極が、本実施例の金属燃料物質の回収方法を実施するプラントとは、別の場所に設置された精製工程4を実施する他のプラントまで搬送される。
Since 98% of the uranium contained in the spent oxide nuclear fuel in the
表3は、Puを6.93kg/月の割合で回収しようとした場合、表2に示す行番1から行番20までの各金属元素がどれだけ一緒に回収されるかをまとめて表示したものである。表3において、MAはマイナーアクチニド、REはレアアース、AMはアルカリ金属、AEMはアルカリ土類金属、及びNMは貴金属である。表2において、MAはAm,Cm及びNp、REはTb,Dy及びSm、NMは行番1から行番11の各元素である。AEM及びNMは、表2に示された行番21以降の元素であり、第2電極に析出しなくフッ化物溶融塩内に残っている。
Table 3 summarizes how much each of the metal elements from
(14)式の反応を行わせる目的でフッ化物溶融塩にLi2O及びBeOを添加するので、電解槽内のフッ化物溶融塩の量が増加する。そこで、フッ化物溶融塩電解後に、増加した分のフッ化物溶融塩(余剰のフッ化物溶融塩)が、FPと共に電解槽から抜き取られて廃塩処理工程6に送られる。 Since Li 2 O and BeO are added to the fluoride molten salt for the purpose of performing the reaction of the formula (14), the amount of the fluoride molten salt in the electrolytic cell increases. Therefore, after the fluoride molten salt electrolysis, the increased amount of fluoride molten salt (excess fluoride molten salt) is extracted from the electrolytic cell together with the FP and sent to the waste salt treatment step 6.
表4は、高レベル廃棄物のガラス固化体のモデルガラスであるP0798 模擬ガラスの組成をモル分率に換算して示している。ガラスの母剤は、SiO2のようなネットワーク構造を作る酸性酸化物母剤、及びネットワークを切断して融点を下げる塩基性酸化物母剤を含んでいる。酸性酸化物母剤は、フッ化物を分解するホウ素を含んでいる。 Table 4 shows the composition of P0798 simulated glass, which is a model glass of vitrified high-level waste, in terms of mole fraction. The glass base material includes an acidic oxide base material that forms a network structure such as SiO 2 , and a basic oxide base material that cuts the network and lowers the melting point. The acidic oxide base material contains boron that decomposes fluoride.
電解槽から抜き取られた、FP、Li2O及びBeOを含む余剰のフッ化物溶融塩(LiF及びBeF2)が、高レベル放射性廃棄物処理装置に供給される。高レベル放射性廃棄物処理装置において、FP及び余剰のフッ化物溶融塩が固化容器内に注入され、さらに、固化容器内に酸性酸化物母剤及び塩基性酸化物母剤が注入されて、それらが撹拌される。その後、固化容器が密封され、固化容器は密封状態で貯蔵室内に保管される。 Excess fluoride molten salt (LiF and BeF 2 ) containing FP, Li 2 O and BeO extracted from the electrolytic cell is supplied to the high-level radioactive waste treatment apparatus. In a high-level radioactive waste treatment apparatus, FP and excess fluoride molten salt are injected into a solidification container, and further, an acidic oxide base material and a basic oxide base material are injected into the solidification container. Stir. Thereafter, the solidification container is sealed, and the solidification container is stored in the storage chamber in a sealed state.
本実施例におけるFP、Li及びBe等の質量バランスの例を、以下に説明する。表5は、表2に示す転換フッ化物の反応に係る電子の数、フッ化物溶融塩電解時に第1電極(陽極)で消費するO2−の量、及び約1tの使用済の酸化物核燃料を処理するごとにフッ化物溶融塩内に蓄積する物質量をまとめたものである。 An example of the mass balance of FP, Li, Be, etc. in this example will be described below. Table 5 shows the number of electrons involved in the reaction of the converted fluoride shown in Table 2, the amount of O 2− consumed at the first electrode (anode) at the time of fluoride molten salt electrolysis, and the spent oxide nuclear fuel of about 1 t. This is a summary of the amount of substances that accumulate in the fluoride molten salt each time the is treated.
FP、Li及びBeの質量バランスの要約が、図2に示される。軽水炉で発生した約1tの使用済の酸化物核燃料から、1.6×10−1kMolのFPが、フッ化物溶融塩電解工程3でフッ化物溶融塩に導入される、このFPのうち、6.12×10−2kMolは、フッ化物溶融塩工程3で回収された金属燃料物質(金属ウラン及び金属プルトニウム等)と共に後述の実施例2(または実施例3)の精製工程4を実施する他のプラントまで搬送される。残りの9.84×10−2kMolのFPが、フッ化物溶融塩電解工程3から廃塩処理工程6に排出される。
A summary of the mass balance of FP, Li and Be is shown in FIG. Of this FP, 1.6 × 10 −1 kmol FP is introduced into the fluoride molten salt in the fluoride molten
フッ化物溶融塩電解工程3では、金属燃料物質(金属ウラン及び金属プルトニウム等)の回収によって2.78×10−1kMolのO2−イオンが消費される。このO2−イオンを補うために、Li2O及びBeOをそれぞれ1.39×10−1kMolだけフッ化物溶融塩に添加する。これらの酸化物は、フッ化物溶融塩電解の結果、それぞれフッ化物溶融塩の主成分であるLiF及びBeF2に変化する。フッ化物溶融塩は、LiFにより2.78×10−1kMol、及びBeF2により1.39×10−1kMol、合計4.17×10−1kMolの量が増加する。このフッ化物溶融塩の増加分(4.17×10−1kMol)が廃塩処理工程6に送られる。
In the fluoride molten
廃塩処理工程6により生じた放射性廃棄物をガラス固化するためには、表4によれば、3.5%のFPに対して約65%の酸性ガラス母剤及び約30%の塩基性ガラス母剤が必要である。9.84×10−2kMolのFPに対しては、1.83kMolの酸性ガラス物母剤及び8.79×10−1kMolの塩基性ガラス母剤が必要である。フッ化物溶融塩電解工程3が終了した後に電解槽から排出されるLi及びBeは塩基性ガラス母剤として作用するので、フッ化物溶融塩電解工程3で電解槽内に供給すべき塩基性ガラス母剤は4.62×10−1kMolである。
In order to vitrify the radioactive waste produced by the waste salt treatment step 6, according to Table 4, about 65% acidic glass matrix and about 30% basic glass with respect to 3.5% FP A parent drug is required. For an FP of 9.84 × 10 −2 kmol, an acidic glass matrix of 1.83 kmol and a basic glass matrix of 8.79 × 10 −1 kmol are required. Since Li and Be discharged from the electrolytic cell after completion of the fluoride molten
フッ化処理工程1で生成されたフッ化転換物をFPが含まれていない新しいフッ化物溶融塩を用いて金属燃料物質に転換した場合には、フッ化物溶融塩内のFPの濃度が薄いので、廃塩処理工程6に送られるFPの量は9.84×10−2kMolより少ない。しかし、フッ化物溶融塩電解工程3の処理を重ねることによってFPの濃度が増加すると、定常的には、9.84×10−2kMolのFPが電解槽から排出されて廃塩処理工程6に送られる。フッ化物溶融塩電解工程3の処理回数と電解槽から廃塩処理工程6に送られるFPの量の関係を図3に示す。フッ化物溶融塩が、初期組成として、2kMolのLiF及び1kMolのBeF2を含んでいる。このため、本実施例では、F−が4kMolとなる。塩化物溶融塩電解法では、塩化物溶融塩におけるウラン及びプルトニウムの濃度は1〜5%程度としている。1tの使用済の酸化物核燃料をフッ化物溶融塩電解工程3において処理する場合において、その酸化物核燃料から生成されたフッ化転換物に含まれてフッ化物溶融塩に溶解されるフッ化ウラン及びフッ化プルトニウムの物質量は、表1の、転換フッ化物の「物質量(kMol)」の欄より、合計1.17×10−1kMolであるので、必要とするフッ化物溶融塩の量は約2〜10kMolである。したがって、本実施例における前述の4kMolは適切な量である。
When the fluorinated conversion product generated in the
本実施例によれば、フッ化処理工程1で大部分のウランを除去して生成された転換フッ化物及び酸化物を電解槽内のフッ化物溶融塩内に供給し、フッ化物溶融塩電解を行うので、フッ化物溶融塩電解の前で、フッ化処理工程1において生成されたフッ化ウラン及びフッ化プルトニウム等の転換フッ化物の酸化物への転換処理が不要になる。このため、使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法の工程を簡素化することができる。
According to the present embodiment, the converted fluoride and oxide produced by removing most of the uranium in the
本実施例は、フッ化物溶融塩電解を行うので、軽水炉で発生した使用済の酸化物核燃料をフッ化物溶融塩に溶かすことができ、この酸化物核燃料に含まれている金属ウラン及び金属プルトニウムを容易に回収することができる。 In this embodiment, fluoride molten salt electrolysis is performed, so that spent oxide nuclear fuel generated in a light water reactor can be dissolved in fluoride molten salt, and metal uranium and metal plutonium contained in the oxide nuclear fuel can be dissolved. It can be easily recovered.
本実施例は、フッ化物溶融塩電解工程3の前処理としてフッ化処理工程1を有しているので、使用済の酸化物核燃料に含まれているウランの大部分を事前に除去することができる。このため、フッ化物溶融塩電解工程3で用いるフッ化物溶融塩電解装置をコンパクト化することができ、フッ化物溶融塩の使用量も減らすことができる。
Since the present embodiment has the
本実施例では、フッ化物溶融塩内に酸化物を添加しているので、陽極である第1電極付近でのフッ素ガスの発生を防止することができ、第1電極付近で炭酸ガスを発生させることができる。このため、第1電極の腐食が防止でき、第1電極の寿命を伸ばすことができる。特に、本実施例では、フッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有する酸化物を用いているので、例えば、(19)式に示されるように、フッ化物溶融塩内で余剰のフッ素と反応して生成するフッ化物がフッ化物溶融塩と同じ組成のものになる。このため、フッ化物溶融塩の組成が維持できる。フッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有しない酸化物を用いた場合には、フッ化物溶融塩の組成が変わってしまう。 In this embodiment, since the oxide is added to the fluoride molten salt, generation of fluorine gas in the vicinity of the first electrode as the anode can be prevented, and carbon dioxide gas is generated in the vicinity of the first electrode. be able to. For this reason, corrosion of the first electrode can be prevented and the life of the first electrode can be extended. In particular, in this example, since an oxide having a cation common to the fluoride molten salt is used, for example, as shown in the equation (19), it reacts with excess fluorine in the fluoride molten salt. The resulting fluoride has the same composition as the fluoride molten salt. For this reason, the composition of the fluoride molten salt can be maintained. When an oxide having no cation common to the fluoride molten salt is used, the composition of the fluoride molten salt is changed.
また、本実施例では、陽極である第1電極として炭素電極を用いるので、陽極である第1電極から二酸化炭素(または一酸化炭素)が発生する。このため、第1電極からフッ素ガスが発生することを防止できる。 In this embodiment, since a carbon electrode is used as the first electrode that is the anode, carbon dioxide (or carbon monoxide) is generated from the first electrode that is the anode. For this reason, generation of fluorine gas from the first electrode can be prevented.
実施例1の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法を適用した、本発明の他の実施例である実施例2の使用済燃料の再処理方法を、図4を用いて説明する。本実施例の使用済燃料の再処理方法は、実施例1の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法の全ての工程、すなわち、フッ化処理工程1、UF6処理工程2、フッ化物溶融塩電解工程3及び廃塩処理工程6に、精製工程4及び金属燃料製造工程5を付加したものである。本実施例におけるフッ化処理工程1、UF6処理工程2、フッ化物溶融塩電解工程3及び廃塩処理工程6は、実施例1におけるこれらの工程と同じ処理を行うので説明を省略する。精製工程4及び金属燃料製造工程5について説明する。
A spent fuel reprocessing method according to the second embodiment, which is another embodiment of the present invention, to which the method for recovering metallic fuel material from the spent fuel according to the first embodiment is applied will be described with reference to FIG. The spent fuel reprocessing method of the present embodiment is the same as that of the recovery method of the metallic fuel material from the spent fuel of the first embodiment, that is, the
精製工程4では、例えば、小山正史他、「乾式再処理技術」、電中研レビューNo.37、ページ26−37、(2000)に示される塩化物溶融塩電解を利用した乾式再処理により、回収された金属燃料物質を精製する。この塩化物溶融塩電解を利用した乾式再処理を行うことによって、表3に示す組成の金属燃料物質から放射能レベルが高いNMが全て除去された組成の金属燃料を得ることができる。得られた金属燃料は、表6に示す組成を有する。 In the purification step 4, for example, Masafumi Koyama et al., “Dry-type reprocessing technology”, Denchu Research Review No. 37, pages 26-37, (2000), the recovered metal fuel material is purified by dry reprocessing using chloride molten salt electrolysis. By performing dry reprocessing using this chloride molten salt electrolysis, a metal fuel having a composition in which all NM having a high radioactivity level is removed from the metal fuel material having the composition shown in Table 3 can be obtained. The obtained metal fuel has the composition shown in Table 6.
表6は、新炉心燃料集合体の製造に用いられる金属燃料の組成を示している。この表6に示す組成の金属燃料は、小山正史他、「乾式再処理技術」、電中研レビューNo.37、ページ26−37、(2000)の37頁、図4-5-1に示されている。 Table 6 shows the composition of the metal fuel used for manufacturing the new core fuel assembly. The metal fuel having the composition shown in Table 6 is disclosed in Masafumi Koyama et al. 37, pages 26-37, (2000), page 37, and FIG. 4-5-1.
表7は、表6に示された金属燃料の組成を、Puの量を1として書き直したものである。表6に示された組成の金属燃料を有する新炉心燃料集合体は、Puの3.82倍のUが含まれている。フッ化処理工程1では、フッ化物溶融塩電解工程3に供給される転換フッ化物に含まれるUの量がPuの量の3.82倍以下になるように、Uを除去する。
Table 7 shows the composition of the metal fuel shown in Table 6 rewritten with the amount of Pu as 1. The new core fuel assembly having the metal fuel having the composition shown in Table 6 contains 3.82 times U of Pu. In the
精製工程4で得られた金属燃料(表3においてNMを0にした組成を有する金属燃料)は、高速増殖炉で用いられる新炉心燃料集合体に含まれる各燃料棒に充填される核燃料物質となる。精製工程4で得られた金属燃料の組成と新炉心燃料集合体で必要とする金属燃料の組成(表6)を比較すると、精製工程4で得られた金属燃料はU及びZrが表6のそれらよりも少なくなっている。精製工程4で得られた金属燃料では、Pu,MA及びREが表6に示す仕様を満足している。 The metal fuel obtained in the refining step 4 (metal fuel having a composition in which NM is 0 in Table 3) is a nuclear fuel material filled in each fuel rod included in the new core fuel assembly used in the fast breeder reactor. Become. When the composition of the metal fuel obtained in the refining process 4 and the composition of the metal fuel required in the new core fuel assembly (Table 6) are compared, the metal fuel obtained in the refining process 4 has U and Zr of Table 6 Less than them. In the metal fuel obtained in the refining step 4, Pu, MA and RE satisfy the specifications shown in Table 6.
金属燃料製造工程5で、金属燃料製造装置を用いてその燃料棒が製造される。すなわち、精製工程4で得られたその金属燃料、及び表6に示すU及びZrの各量になるように追加された金属ウラン及金属ジルコニウムを用いて、複数の燃料ペレットが製造される。これらの燃料ペレットが被覆管内に充填され、その後、この被覆管が密封されることによって、燃料棒が製造される。追加する金属ウランには、例えば、フッ化処理工程1で発生したUF6の一部を金属ウランにしたものを用いる。ウラン濃縮によって発生する劣化ウランを基に製造された金属ウランを、追加の金属ウランとして用いることも可能である。
In the metal
複数の燃料棒が複数の燃料スペーサに束ねられて下部タイプレートに取り付けられ、燃料棒の束をラッパー管内に通してラッパー管の下端部を下部タイプレートに取り付ける。このようにして、高速増殖炉の炉心に装荷される新炉心燃料集合体が製造される。
本実施例も、実施例1で得られる各効果を得ることができる。実施例1の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法を適用している本実施例は、使用済燃料の再処理方法の工程も簡素化することができる。
A plurality of fuel rods are bundled with a plurality of fuel spacers and attached to the lower tie plate, a bundle of fuel rods is passed through the wrapper tube, and the lower end of the wrapper tube is attached to the lower tie plate. In this way, a new core fuel assembly loaded in the fast breeder reactor core is manufactured.
Also in this embodiment, each effect obtained in the first embodiment can be obtained. In the present embodiment, in which the method for recovering metallic fuel material from spent fuel according to the first embodiment is applied, the process of the spent fuel reprocessing method can be simplified.
実施例1の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法を適用した、本発明の他の実施例である実施例3の使用済燃料の再処理方法を、図5及び図6を用いて説明する。本実施例の使用済燃料の再処理方法は、図4に示す各工程を実施する。本実施例におけるフッ化物溶融塩電解工程3を図5により、精製工程4を図6により詳細に説明する。
A spent fuel reprocessing method according to
本実施例のフッ化物溶融塩電解工程3では、図5に示すフッ化物溶融塩電解装置10が用いられる。フッ化物溶融塩電解装置10は、電解槽11、陽極である第1電極(電解用電極)13及び陰極である第2電極(第1回収電極)14を備えている。例えば、環状の堰12が電解槽11の底面に設置されている。第2電極14が電解槽11内で堰12の内側に配置されている。第1電極13が、第2電極14に対向し、電解槽11内で堰12の上方に配置されている。第1電極13及び第2電極14は堰12と接触していない。第1電極13として例えば炭素電極を用い、第2電極14として例えば鉄電極を用いる。LiF及びBeF2の混合物であるフッ化物溶融塩15が電解槽11内に充填され、フッ化物溶融塩15の液面が堰12の上端よりも上方に位置している。第1電極13及び第2電極14がフッ化物溶融塩15に浸漬されている。フッ化処理工程1で得られた転換フッ化物17は、電解槽11内の堰12よりも外側の領域に投入される。転換フッ化物17は、フッ化物溶融塩15内に溶解する。
In the fluoride molten
フッ化物溶融塩15には酸化物であるLi2OとBeOの混合物が添加されている。実施例1と同様に、電解槽に設けられた第2電極14の電位が、製造される金属燃料に必要な元素のうちフッ化物溶融塩内での析出電位が最も低くなる元素(ウラン)の析出電位に等しくなるように、第2電極14の間に電圧を印加する。析出電位が最も低くなる元素の析出電位以上である元素が第2電極14に析出する。第2電極14に析出する金属燃料物質の組成は、表3に示す通りである。第1電極13から炭酸ガスが発生する。
A mixture of Li 2 O and BeO, which are oxides, is added to the
フッ化物溶融塩電解工程3が終了した後、第2電極14に析出した不純物金属(表2に示す行番1のTeから行番11のCd)を除去するために、精製工程4が実行される。この精製工程4を実行する前に、フッ化物溶融塩電解工程3で用いた第1電極13を取り外して新たな第1電極(第2回収電極)16を電解槽11に取り付ける(図5参照)。第1電極16もフッ化物溶融塩15に浸漬される。
After the fluoride molten
フッ化物溶融塩電解工程3において第2電極14に析出する金属燃料物質ではウランの量が最も多い。精製工程4において、第1電極16及び第2電極16に電圧を印加しない状態では、第2電極14の電位はウランの析出電位に近くなっている。そこで、第1電極16と第2電極14の間に、第1電極16が負になるようにわずかに電位差をかけると第2電極14の電位はウランの析出電位よりわずかに正になる。このため、第2電極14に析出していたウランがフッ化物溶融塩15に溶解し始める。第1電極16は第2電極14より負であるため、フッ化物溶融塩15に溶解したウランが第1電極16に析出し始める。第1電極16と第2電極14にかける電位差を大きくしていくと、第2電極14の電位は次第に正になっていき、Npの析出電位より高くなる。このとき、第2電極14に析出していたNpが、フッ化物溶融塩15に溶解し、溶解したNpが第1電極16に析出する。このように、第2電極14の電位がTbの析出電位より正でCdの析出電位より負な値になるように、第1電極16と第2電極14の間にかける電位差を調節することによって、第2電極14に析出していた、析出電位がTbからUまでの各元素が、フッ化物溶融塩15に溶解して第1電極16に析出する。このとき、析出電位がTeからCdまでの各元素は第2電極14に析出したまま残留する。本実施例の精製工程4では、第1電極16が陰極になり、第2電極14が陽極になる。以上によって、精製工程4が終了し、実施例1の精製工程4の終了時と同じ組成を有する金属燃料を得ることができる。精製工程4で第2電極14に残留した各元素は、必要であれば第2電極14を電解槽11から取り出して洗浄し、回収してもよい。
The metal fuel material deposited on the
精製工程4の終了後、電解槽11から第1電極16を取り外し、この第1電極16を金属燃料製造工程5の金属燃料製造装置まで搬送する。第1電極16に析出している金属燃料を用いて、実施例1と同様に、金属燃料製造装置によって新炉心燃料集合体が製造される。
After the purification step 4 is completed, the
本実施例は、実施例2で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、フッ化物溶融塩電解工程3で用いたフッ化物溶融塩電解装置10の電解槽11内にフッ化物溶融塩15を充填したまま、第1電極13を第1電極16に替え、第1電極16を陰極、第2電極14を陽極として電位差をかけることによって、フッ化物溶融塩電解装置10を用いて精製工程4を行うことができる。すなわち、本実施例は、フッ化物溶融塩電解工程3及び精製工程4をフッ化物溶融塩電解装置10で行うことができるので、フッ化物溶融塩電解工程3をフッ化物溶融塩電解装置で行い、精製工程4を塩化物溶融塩電解装置で行う実施例1よりも使用済燃料の再処理方法の工程をさらに簡素化することができる。本実施例は、実施例1のように異なる溶融塩電解装置を用いる必要がない。
In the present embodiment, each effect produced in the second embodiment can be obtained. In this example, the
フッ化物溶融塩電解工程3及び精製工程4に用いられるフッ化物溶融塩電解装置10は、一例であり、フッ化物溶融塩電解によって第2電極14に析出した金属を陽極溶解しつつ別の電極に析出させられる装置であればよい。例えば、フッ化物溶融塩電解装置10では第1電極13を第1電極16に交換したが、第1電極13,16及び第2電極14を電解槽11に設けたフッ化物溶融塩電解装置を用いることも可能である。この場合は、フッ化物溶融塩電解工程3では前述したように第1電極13と第2電極14の電位差を調節し、精製工程4では前述したように第1電極16と第2電極14の電位差を調節しても良い。
The fluoride molten
実施例3の原理を整理すると以下のようになる。使用済の酸化物核燃料が溶解されたフッ化物溶融塩が、回収したい複数の元素(A群の元素という)、A群の各元素よりフッ化物溶融塩に溶解しやすい複数の元素(B群の元素という)、及びA群の各元素よりフッ化物溶融塩に溶解しにくい複数の元素(C群の元素という)を含んでいる。第1電極が陽極になり且つ第2電極が陰極になるようにこれらの電極間に電圧を印加してA群の元素をフッ化物溶融塩から陰極である第2電極に析出させるとき、C群の元素も第2電極に析出し、B群の元素が第2電極に析出しない。この第2電極が陽極になり且つ他の第1電極が陰極になるようにこれらの電極間に電圧を印加すると、第2電極に付着しているA群の各元素はフッ化物溶融塩に溶解した後に他の第1電極に析出する。しかしながら、C群の各元素は第2電極に付着したままでフッ化物溶融塩に溶解しない。すなわち、一旦、ある電極に析出させた金属のうち回収したい金属を電解によって別の電極へ移動させることによって、使用済の酸化物核燃料に含まれている回収したい元素群の各元素を金属の状態で分離することができる。 The principle of the third embodiment is summarized as follows. A fluoride molten salt in which spent oxide nuclear fuel is dissolved is a plurality of elements to be recovered (referred to as group A elements), a plurality of elements that are more easily dissolved in the fluoride molten salt than elements in group A (group B elements) Element) and a plurality of elements (referred to as elements of group C) that are more difficult to dissolve in the fluoride molten salt than the elements of group A. When a voltage is applied between these electrodes so that the first electrode becomes the anode and the second electrode becomes the cathode, and the group A element is deposited from the fluoride molten salt to the second electrode as the cathode, the group C These elements are also deposited on the second electrode, and the group B elements are not deposited on the second electrode. When a voltage is applied between these electrodes so that the second electrode becomes the anode and the other first electrode becomes the cathode, each element of group A adhering to the second electrode is dissolved in the fluoride molten salt. And then deposited on another first electrode. However, each element of Group C remains attached to the second electrode and does not dissolve in the fluoride molten salt. In other words, once the metal to be recovered from the metal deposited on one electrode is moved to another electrode by electrolysis, each element of the element group to be recovered contained in the spent oxide nuclear fuel is in a metal state. Can be separated.
1…フッ化処理工程、2…UF6処理工程、3…フッ化物溶融塩電解工程、4…精製工程、5…金属燃料製造工程、6…廃塩処理工程、10…フッ化物溶融塩電解装置、11…電解槽、13,16…第1電極、14…第2電極、15…フッ化物溶融塩、17…転換フッ化物。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記核燃料フッ化物のうち、フッ化ウランの一部を除去し、
残りの前記核燃料フッ化物、及び酸化物をフッ化物溶融塩に溶解し、
前記酸化物として、前記フッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有して前記酸化物核燃料とは異なる酸化物を用い、及び
前記フッ化物溶融塩に浸漬された陽極である第1電極及び陰極である第2電極に通電して前記フッ化物溶融塩に溶解している金属燃料物質を前記第2電極に析出させることを特徴とする使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法。 Reacting spent oxide nuclear fuel removed from the reactor with fluorine to produce nuclear fuel fluoride,
Removing a part of the uranium fluoride from the nuclear fuel fluoride,
Dissolving the remaining nuclear fuel fluoride and oxide in a fluoride molten salt;
As the oxide, an oxide having a cation common to the fluoride molten salt and different from the oxide nuclear fuel is used, and a first electrode and a cathode which are anodes immersed in the fluoride molten salt A method for recovering a metal fuel material from spent fuel, comprising energizing a second electrode to deposit a metal fuel material dissolved in the fluoride molten salt on the second electrode.
前記核燃料フッ化物のうち、フッ化ウランの一部を除去し、
残りの前記核燃料フッ化物、及び酸化物をフッ化物溶融塩に溶解し、
前記酸化物として、前記フッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有して前記酸化物核燃料とは異なる酸化物を用い、
前記フッ化物溶融塩に浸漬された陽極である第1電極及び陰極である第2電極に通電して前記フッ化物溶融塩に溶解している金属燃料物質を前記第2電極に析出させ、及び
前記第2電極に析出した前記金属燃料物質を精製することを特徴とする使用済燃料の再処理方法。 Reacting spent oxide nuclear fuel removed from the reactor with fluorine to produce nuclear fuel fluoride,
Removing a part of the uranium fluoride from the nuclear fuel fluoride,
Dissolving the remaining nuclear fuel fluoride and oxide in a fluoride molten salt;
As the oxide, an oxide having a cation common to the fluoride molten salt and different from the oxide nuclear fuel is used,
The first electrode as the anode and the second electrode as the cathode immersed in the fluoride molten salt are energized to deposit the metal fuel substance dissolved in the fluoride molten salt on the second electrode; and A method for reprocessing spent fuel, comprising purifying the metal fuel material deposited on the second electrode.
前記第2電極に析出した前記金属燃料物質を前記フッ化物溶融塩に浸漬させた状態で、第3電極が前記フッ化物溶融塩に浸漬されており、及び前記第2電極が陽極に前記第3電極が陰極になるように前記第2電極及び前記第3電極に通電させて、前記金属燃料物質に含まれる物質のうち金属燃料の製造に用いられる複数の物質を前記第3電極に析出させることによって、行われる請求項3に記載の使用済燃料の再処理方法。 Refining the metal fuel material,
In a state in which the metal fuel material deposited on the second electrode immersed in the fluoride molten salt, the third electrode are immersed before Symbol fluoride molten salt, and the second electrode is an anode the The second electrode and the third electrode are energized so that the three electrodes become cathodes, and a plurality of substances used for manufacturing the metal fuel among the substances contained in the metal fuel substance are deposited on the third electrode. The spent fuel reprocessing method of Claim 3 performed by this.
前記第2電極に析出した前記金属燃料物質を前記フッ化物溶融塩に浸漬させた状態で、第3電極が前記フッ化物溶融塩に浸漬されており、
前記第2電極に析出している前記第1金属物質が前記フッ化物溶融塩に溶解して且つ前記第2電極に析出している前記第2金属物質が前記フッ化物溶融塩に溶解しなく、そして、前記フッ化物溶融塩に溶解した前記第1金属物質が前記第3電極に析出し且つ前記第3物質が前記第3電極に析出しない電位を、通電により前記第2電極と前記第3電極の間に発生させることによって、前記金属燃料物質の精製が行われる請求項3に記載の使用済燃料の再処理方法。 The metal fuel material deposited on the second electrode is less soluble in the fluoride molten salt than the first metal material used in the production of the metal fuel and the first metal material. When an unnecessary second metal material is included and the fluoride molten salt includes a third material that is more easily dissolved in the fluoride molten salt than the first metal material,
In a state in which the metal fuel material deposited on the second electrode immersed in the fluoride molten salt, and a third electrode is immersed in the prior SL fluoride molten salt,
The first metal material deposited on the second electrode is dissolved in the fluoride molten salt and the second metal material deposited on the second electrode is not dissolved in the fluoride molten salt; Then, the second electrode and the third electrode are energized by applying a potential at which the first metal material dissolved in the fluoride molten salt is deposited on the third electrode and the third material is not deposited on the third electrode. The spent fuel reprocessing method according to claim 3 , wherein the metal fuel material is refined by being generated during the period.
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