JP5628522B2 - ２種類の非混和液体を混合することなく接触させる方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、２種類の非混和液体を混合することなく接触させる方法および装置に関する。
特に、本発明は、可能ならば、例えば８００℃に達する高温で溶融金属と溶融塩とを接触させる方法および装置に関する。
本発明の技術分野を、一般に質量移動の技術分野、さらに詳しくは化学分離の技術分野および接触反応の技術、さらに詳しくは非混和液体に関する抽出技術に限定してもよい。
限定する訳ではないが、本発明の技術分野は、さらに正確には、パイロコンタクター（加熱接触）とも呼ばれる溶融塩相と溶融金属相とを互いに接触した状態とした高温での液体−液体抽出装置に関する技術分野である。

高温で燃え尽きた核燃料の、従来の「湿式精錬」による再処理では、放射性分解現象に関与する放射性物質の含有量を減少させるのに数年の冷却時間が必要となる。

パイロテクノロジー（加熱処理技術）による高温の再処理には、放射性分解性が低いというメリットと燃料冷却時間がほんの数ヶ月であるというメリットとがある。

例えば、液体−液体抽出によるパイロテクノロジー的再処理のためのパイロコンタクターについては、非特許文献１、非特許文献２、特許文献１、特許文献２、および、特許文献３に記載されている。

これらのパイロコンタクターにおいて、液体相と溶融金属相との接触は、通常、連続的に実行される。

非特許文献１、非特許文献２には、緩くパッキングされたカラム（バルクパッキングを有するカラム）（円筒状の容器）、あるいはビスマス−溶融塩化物系を使用するプレートカラム（板状の容器）が記載されている。

上記の文献に記載された抽出カラムの使用は、交換反応における速度によって制限される。

これらのカラムのＨＥＴＰ（height equivalent of a theoretical plate：１理論段数あたりのカラム長さ）は、通常、１〜２ｍの間である。

特許文献３には、特に、プルトニウムを含むカリウム塩化物−アルミニウム塩化物の溶融塩相とウラン・アルミニウム合金との接触に使用されるロータリーパッキングカラムが記載されている。

特許文献２には、湿式精錬に由来し、その技術が、特にパイロテクノロジー分野に向けに変更されてきたミキサーセトラー抽出器が記載されている。

これらのミキサーセトラー抽出器の使用は、ほとんど等しい比重を有する２相の沈殿効率によって制限される。

また、このタイプの装置では、大きな死容積（滞留容積）のために、大量の反応剤を使用する必要がある。

特許文献３には、非混和液体塩と液体金属とを混合してから、それらを分離するための遠心式パイロコンタクターが記載されている。

上記液体は環状の撹拌ゾーンの中に導入され、そらせ（偏向）板と共にローターに固定された垂直な羽根を利用して積極的に混合される。

上記液体は７００〜８００℃の温度で上記の装置の中に導入され、ローター内で高密度相と低密度相とに分離され、上記装置から取り除かれる。

この装置は、電気精錬処理の結果として得られる溶融塩化物槽を扱うために使用される。

上記の文献に記載された遠心抽出機は有効な装置であるが、溶融塩化物溶媒内で数百時間を超えない短い時間においてのみテストされている。

したがって、その信頼性は十分な時間に亘って確かめられていない。

また、それらの装置の処理能力を急速に劣化させる腐食の問題もあるので、これらの装置の利用が制限されている。

さらに、パイロコンタクターと核産業との分野以外では、特許文献４および特許文献５には、特に水に含まれている油を抽出するという状況での非混和液体の分離が記載されている。

これらの方法では、溶融された混合物を選択的に抽出する目的ではなく、単純に２種類の流体の物理的な分離を行う目的で金属スクリーンとポンプ装置とを備えた複合装置が使用されている。

したがって、上述の内容を考慮すると、簡易で信頼性が高く、稼動が安全かつ容易な２種類の非混和流体を接触させるパイロコンタクターのような方法と装置とが必要となる。

また、多くの種類の液体、特に溶融塩および溶融金属が、最適な反応速度で、非常に効率的に使用可能な方法と装置も必要となる。

結局、非混和流体を接触させるための、流体を支配する加速度を制限するような、そして、可動部品の数だけが制限され、要求された方法と装置とが必要となる。

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本発明の一つの目的は、特に、これらの要求を満たす２種類の非混和液体を接触させるための方法および装置を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、従来技術の方法および装置の問題点を解決し、従来技術の方法および装置の欠点、不具合、制限および不利益がない方法および装置を提供することにある。

これらの目的および更なる目的は、以下の連続する工程が実行される間に、本発明によって第１および第２の非混和液体を混合することなく接触させる方法により達成される。すなわち、
ａ） １個以上の挿通穴を有し、かつ、第１の液体と第２の液体とが化学反応しない固体材料から構成された壁を備える少なくとも１個のコンテナ内に第１の液体を収容して該第１の液体と壁との接触角が９０°より大きい角度で接触するようにし、
ｂ） 第１の液体が前記挿通穴の高さで第２の液体と接触するように、前記第１のコンテナを第２の液体中に浸漬し、
ｃ） 第１の液体と第２の液体との間で質量交換、質量移動が起こるのに十分な時間だけ、第１の液体を第２の液体と接触した状態とし、
ｄ） そして、前記第１のコンテナを第２の液体から引き出す。この場合、第１の液体の密度と第２の液体の密度とを、第１の液体の密度を基準に、実質的に等しくするようにする。

ここで、「等しくする密度」とは、一般に、第１の液体と第２の液体との２つの密度の違いが、第１の液体の密度を基準に、１０％以下、なるべくなら５％以下、さらに、なるべくなら１％以下という意味である。

また、本明細書において、第１の液体が壁の材料を濡らさないとは、一般に、その前記壁との接触角θが９０°より大きく、好ましくは、１２０°〜１８０°の角であるという意味である。

第２の液体は、壁を濡らしているかも知れないし、濡らしていないかも知れないが、なるべくならむしろ、壁を構成する材料を濡らすようにした方がよい。

本発明に係る方法は、単純で信頼性が高く、実施が容易である。

本発明に係る方法は、上記で列挙された必要と要求とに対処し、上述された従来技術の問題点を解決する。

本発明に係る方法は、接触している液体の性質や温度がどうであっても、例えば、それらが溶融塩や溶融金属のときでも、容易に実施することができる。

本発明に係る方法は効率的であり、引き起こされる２つの液体の移動は最低限となる。

本発明に係る方法は、開口（切り欠き）が形成された坩堝の接触領域によって、熱平衡状態が短時間で達成可能となるので、比較的短い時間、例えば、３〜２４時間で実施可能である。

特に、工程ｃ）の接触に足る持続時間は、当業者によって容易に決定可能であり、通常、それは２〜１０分であり、場合によっては１時間に達することもある。

本発明に係る方法は、連続処理によって実施するよりは、バッチ処理によって実施した方がよい。

本発明では、第１の液体および第２の液体と固体壁の物質（材料）との間の界面張力は、なるべく大きい方がよい。

好適には、第１の液体および第２の液体と固体壁の物質との間の界面張力は、０．３Ｎ／ｍより大きい方がよく、好ましくは、０．６Ｎ／ｍより大きい方がよい。

さらに、好適には、第１の液体は、０．３Ｎ／ｍより大きい表面張力を有する方がよく、好ましくは、０．８Ｎ／ｍより大きい方がよい。

コンテナを第２の液体から移動したときに、このような大きい表面張力によって、第１の液体をコンテナ内に保持することができ、液体が毛管流によりコンテナから失われるのが防止される。

これは、１ｍｍオーダーの特徴的な大きさを有する挿通開口または挿通穴によって達成可能となる。

第１の液体は、溶融状態の純金属あるいは数種類の金属の合金であってもよい。

前記金属としては、例えば、アルミニウムと銅とから選択されてもよい。

特に、第１の液体が１種類以上の溶融金属からなる場合には、第２の液体は溶融塩または数種類の溶融塩の混合物であってもよい。

例としては、これらの溶融塩は、通常、例えば、ＬｉＣｌ，ＡｌＣｌ₃などのアルカリ金属塩化物、アルカリ土類金属塩化物、アルミニウム塩化物および、例えば、ＬｉＦ，ＡｌＦ₃などのアルカリ金属フッ化物、アルカリ土類金属フッ化物、アルミニウムフッ化物から選択される。

例えば、ＬｉＣｌ−ＡｌＣｌ₃混合物またはＬｉＦ−ＡｌＣｌ₃混合物を使用してもよい。

また、第１の液体は、水および水−アルコール溶液とから選択され、第２の液体は、灯油から選択されてもよい。

本発明に係る方法の上記最終工程ｄ）の後に、上記工程ｂ）〜ｄ）を繰り返してもよい。

すなわち、その後、コンテナは、再度、第２の液体とは種類が異なる第３の液体中に浸漬される。

工程ｃ）の間に生じる質量移動（または質量交換）は、２つの液体の間で生じる、どんな質量移動作用であってもよい。

好ましくは、前記質量移動は、第２の液体の構成要素のうち一方が第１の液体に移る間の液体と液体との抽出であるか、第１の液体の構成要素のうち一方が第２の液体に移る間の液体と液体との抽出であるかの何れかである。

特に、液体−液体抽出を実施するとき、１種類以上のアクチノイドフッ化物と１種類以上のランタノイドフッ化物とが融けた塩の中で、前記第１の液体は溶融アルミニウムであってもよいし、第２の液体はアルミニウムフッ化物を含む溶融フッ化物塩からなるものであってもよい。

そして、工程ｃ）の間に、溶融アルミニウムと接触することによって、（反応しない）ランタノイドフッ化物が第２の液体中に残るのに対して、前記アクチノイドフッ化物は、結果的として第１の液体中の溶液に移る（金属状態の）前記アクチノイドに化学的に還元される。

工程ｄ）の後に、溶融アルミニウムおよびアクチノイド（金属）が導入された前記第１のコンテナを、１種類以上の溶融アルカリ金属またはアルミニウム塩化物を含むアルカリ土類金属塩化物からなる第３の液体中に浸漬することによって、前記溶融フッ化物に接触することにより、アクチノイドを（酸化された塩化物の状態の）第３の液体に移るアクチノイド塩化物に化学的に酸化することによって、工程ｂ）〜ｄ）を繰り返してもよい。

そして、溶融アルミニウムは、再生成され、可能な限り、新しい抽出−逆抽出サイクルのために再利用することができる。

本発明の方法の工程ｂ）を、２つの液体が接触している間は２つの液体間の「密接した」接触を保障するように、なるべくなら、２×１０^-2〜１０^-1絶対ミリバールの範囲の粗引き（ラフ）な真空中で実行する。

すなわち、どうしても２相間に生じる前記ガス溜まりが、これによって除去される。

それから、本発明に係る方法の工程ｃ）を、なるべくなら、アルゴン雰囲気などの不活性ガス雰囲気中で、そして、特に、溶融塩が蒸発するのを防止するために、なるべくなら、大気圧に近い圧力で実行する。

さらに、本発明は、上述したような方法を実施するための装置に関連しており、この装置は、
・ 第１の液体を収容すると共に、第１および第２の非混和液体とは反応しない固体材料からなる壁を有する１個以上の第１のコンテナと、
・ 第２の液体を収容する第２のコンテナと、
・ 前記コンテナを、第２の液体に浸漬し、そして、その後に、それらを第２の液体から引き上げるために、前記第１の液体が導入された前記第１のコンテナを支持する手段と、によって構成され、前記壁は、１個以上の挿通穴を有し、前記第１の液体は、前記壁の材料を濡らさない、即ち前記第１の液体は壁との接触角度が９０°より大きい角度で接触するようにされていることを特徴としている。

本発明に係る装置は、本発明に係る方法を実施することによる利点と効果を全て有している。

本発明に係る装置は、特に簡易で信頼性が高く、最大の効率を得るための最小の可動部品を有している。

そのエネルギー消費量は最小限である。

本発明に係る装置を、例えば、遮蔽されたチャンバー型の核封じ込め用の容器の中で使用するために、容易に遠隔操作できるように設計してもよい。

前記コンテナは、一般に、それの実験条件下での耐性および、それの第１の液体に対する濡れにくさによって選択された物質（材料）からなる。

したがって、前記コンテナを、グラファイトとホウ素窒化物とから選択された物質によって構成してもよい。

前記コンテナは、側壁および基部あるいは底壁を有する円形断面の円筒形状を呈していてもよい。

好ましくは、第２の液体を第１の液体の下で拡散可能とすることが生じるのを避けるために、言い換えれば、第２の液体の蓄積を抑制するために、この底部は丸みを帯びた形状を呈しているとよい。

前記穴または開口は、円や、正方形、長方形などの多角形、特に大きい長さ対幅の比を有する長方形から選択可能とされる断面形状を呈している。

特に、第１のコンテナが円筒形状のコンテナである場合には、前記穴の好ましい形状は、前記コンテナの底部に形成され、前記コンテナの側壁に沿って伸びるスロット形状である。

第１のコンテナを第２の液体中に浸漬し、第２の液体から引き上げるための前記第１のコンテナを支持する手段は、第１のコンテナを支持している部品が固定されている下端部に垂直なロッドによって構成することができる。

前記第１のコンテナを支持している部品は、前記垂直なロッドの伸びる方向に沿う中心軸を有している円形の回転ラックまたはバレルとして形成可能である。

前記コンテナは、その回転ラックまたはバレルの中心軸と同心円をなして円形状に配置されている。

前記コンテナは、キーなどの公知の手段によって、前記コンテナ支持部材に固定してもよい。

好適には、第１のコンテナ支持部材は、その中心に、好ましくは、第１のコンテナの基部を超えて下方に突出すると共に、浸漬する深さを調整し、第２の液体が導入されたコンテナ内の容積を抑制し、熱対流による第２の液体の移動を可能とするために、結果的には低温部分の形成を可能にする円筒形状の部品を有している方がよい。

前記第１および第２の（第３の）液体を加熱しなければならない場合には、前記装置は、例えば、シャフト式の溶鉱炉などの溶鉱炉内に設置され、垂直なロッドの上端部は、それを操作可能とするために、かつ、それが可能な限り低温となるように、なるべくなら、溶鉱炉の外側に位置するようにする。

以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しつつ、詳細に説明する。

本発明に係る、溶融塩などの液体溶媒に浸漬された穴（切り欠き）が形成されたバスケットを有するパイロコンタクターなどの装置の横断面図である。 穴（切り欠き）が形成された６個のバスケットを備えた図１の装置の、バレルまたは回転ラックの平面図である。 異なる形状の開口を有する、穴（切り欠き）が形成された６個のバスケットを備えた図１の装置の、バレルまたは回転ラックの斜視図である。 図１，２，３の回転ラックまたはバレルの、穴の開いたバスケットのうちの１個の横断面図である。 第１の液体（媒質１）と、溶鉱炉内のアルゴンなどの気体雰囲気と、穴（切り欠き）が形成されたバスケットのうちの１個の、さらに、このバスケットの中のスロットのうちの１個の固体壁とによって規定される「３重点」の接触角θを示す概略断面図である。 第１の液体（媒質１）と、第２の液体（媒質２）と、穴（切り欠き）が形成されたバスケットのうちの１個の、さらに、このバスケットの中のスロットのうちの１個の固体壁とによって規定される「３重点」の接触角θ´を示す概略断面図である。

まず、高温液体の接触が実行されるとき、図１に示される装置は、コンテナと、グラファイト、ホウ素窒化物あるいは別のそのような物質からなる坩堝（１）とによって構成されている。

この坩堝（１）は、前記液体のうちの一方（第２の液体（２））の収容を前提としている。

その液体は、溶融塩または溶融塩の混合物から成っていてもよい。

これらの溶融塩は、特に、溶融塩化物あるいはフッ化物であってもよい。

図１の装置は、特に、溶融フッ化物溶液に含まれており、前記穴の開いたバスケット内に含まれる溶融アルミニウム金属と接触して金属状態に還元されるウラン、プルトニウム、アメリシウム、および、キュウリウムのようなアクチノイドのグループ抽出に使用することができる。

溶融塩のような第２の液体（２）は、坩堝（１）内の高さ（レベル）（３）まで上昇する。

第２の液体が溶融塩および溶融金属と作用するとき、図１に記載された装置は、溶鉱炉（不図示）のような加熱装置内に配置される。

図１に示される実施例での本発明に係る装置は、数個の開口（切り欠き）と、坩堝（１）内に収容された第２の液体（２）と接触する「第１の」液体（５）が収容された穴の開いたバスケット（４）とを有している。

これらの開口または穴の開いたバスケット（４）は、回転ラックまたはバレル（６）と呼ばれることがある支持部材に固定されている。

図２および図３において、回転ラックまたはバレル（６）は、開口（切り欠き）または穴の開いた６個のバスケット（４）を支持しているが、もちろん、増やしたり、減らしたり、異なる個数のバスケットが設けられていてもよい。

このような回転ラックは、例えば、１〜６個のバスケットを支持することができ、その場合、適正に制御された液体の高さおよび交換面を維持するために、１個以上の使用されないバスケットを、固体物質（グラファイトなど）からなる対応する数のバスケットに置き代える必要がある。

また、前記バスケットを支持している回転ラックまたはバレル（６）は、溶融塩のような第２の液体に沈められ、坩堝の内側に配置された図１に示される中心部または中心部品（７）を有している。

この中心部品（７）は、一般に円筒形状を呈し、前記コンテナあるいはバスケット（４）の底部より突出している。

バレルまたは回転ラックの図示された装置では、穴の開いたバスケットの形状と特徴により、それらのそれぞれは単純な鍵部により支持され、迅速な交換を可能としている。

回転ラック（６）の中心部または中心部品（７）には、くり抜き（８）が形成されており、必要なときに熱伝対やサーマルブリッジを収容できるようになっている。

これらの目的のため、例えば、回転ラックまたはバレル（６）の、このくり抜かれた中心部（８）に金属性のロッド（９）を設置してもよい。

穴の開いたバスケットの中心部または中心部品の支持体、あるいは、バレルまたは回転ラック（６）は、その液体を局所的に数℃だけ冷却するために溶融塩のような「第２の」液体中に浸漬される。

この技術的特徴によって、前記支持体の中心部のくり抜き（８）内に位置する金属性のロッド（９）の、物理的、形状的、および絶縁特性を利用して制御する方法でもって上記の温度が冷却される。

このように、ロッド（９）と突出している中心部品（７）によって、溶鉱炉の内側と外側との間にサーマルブリッジが形成される。

このことにより、一層冷えた第２の液体の中心部と溶鉱炉に接触することにより一層高温になった坩堝の端部との間の温度勾配によって自然な対流が生じる。

その対流は、上記の温度勾配が大きい程、そして、第２の液体により形成された液体溶媒の熱伝導率が小さい程大きい。

上記の自然対流を生じさせ、かつ、それを制御することにより、境界面での入れ替わりによって、互いに接触している２つの液体相（第１の液体および第２の液体）間の質量移動が改善される。

このように、２相間の接触の反応速度（反応率）、例えば、抽出の反応速度（反応率）は、もはや拡散現象だけに依るものではない。

また、浸漬された中心部品（７）は、溶融塩のような第２の液体を含んでいる坩堝内の「死」容積（滞留容積）を減少させるという利点を有する。

穴の開いたバスケットと坩堝との容積比を、その設計によって、ほとんど１にすることができる。

また、中心部品（７）は、安全な停止手段を備えており、その停止手段は、温度装置、すなわち、作業温度、特に各液体のそれぞれの金属相と塩相とが溶融状態にあることを保障する温度になるように加熱された装置内で、回転ラックが位置する高さを規制する。

浸漬された中心部品（７）の形状を修正することによって、接触している相の体積比または質量比を変え、本方法の処理条件を最適化することができる。

例としては、前記バレルまたは回転ラックの浸漬された中心部品（７）は、多角形あるいは星形の形状を有してもよい。

前記バレルまたは回転ラックと前記開口または穴（切り欠き）が形成されたバスケットとによって形成された組立部品は、ピンを使用してロッド（１８）の適当な位置に保持される。

回転ラックの上端部がインコネル製ロッド（１８）と（１９）との環状の空間に挿通され、これにより固定位置に保持される。

シャフト式の溶鉱炉のような溶鉱炉を使用した本発明に係る装置が設置される場合、リフティングロッドと呼ばれることもあるロッドが、このロッドに固定された回転ラックとバスケットとを異なる液体媒質、例えば、様々な溶融塩の溶液中に沈め、あるいは引き上げるために設けられて使用される。

バレルおよびバスケットによって形成された組立部品を支持するためのロッド（１８）（１９）が、坩堝に含まれる液体溶媒をダイナミックに撹拌できる遠隔回転装置に接続されてもよい。

このような撹拌を実行することにより前記装置の効率は高まる。

穴の開いたバスケット（４）は、図３に示されるように、大体、円形の断面を呈し、上部開口（１０）と前記バスケットの低壁または底部（１１）とを有する一般に円筒形状を呈している。

その円筒形状は、あらゆる死容積を避け、結果的に第２の液体の蓄積を防止するように、その内部（１２）が丸みを帯びるように、できるだけ機械で形成される。

言い換えれば、バスケット（４）の側壁（１３）は、丸みを帯びた壁体部を介して後者の底部（１１）に接合される。

また一方で、その高さ（１４）に収容された例えば溶融金属などの液体が、坩堝の「低部」に収容された例えば溶融塩の第２の液体相に由来する蒸気と凝縮液とによって汚濁するのを避けるために、穴（切り欠き）が形成されたバスケットの上端部を塞いでもよい。

また、バスケットの上端を、そのバスケットに収容された液体を凝固させることによって、封止されてもよい。

本発明によれば、バスケットの壁体および底部は、前記２つの液体と反応しない不活性物質からなる。

バスケットの内側の液体相（すなわち、第１の液体）が液体金属からなり、かつ、坩堝内の液体相（第２の液体）が溶融塩からなる場合には、具体的には、溶融Ａｌと溶融塩化物との接触による逆抽出が後に続くような溶融Ａｌと溶融フッ化物との接触による抽出の場合には、その材料としてグラファイトを選択するとよい。

また、耐薬品性のために、前記物質を、パイロカーボン（熱分解炭素）またはホウ素窒化物の保護層でコーティングしてもよい。

もちろん、高温にされてない２つの液体が接触する場合には、前記バスケットの壁体用の物質の選択幅は、ずっと広くなる。

すなわち、その物質は、特に、それらの親水性または親油性に対応して選択された、例えば、ガラス、パイレックス（登録商標）、さらには高分子物質からなるものであってもよい。

もちろん、（収容された）第１の液体あるいは液体１による、９０°より大きい角θで表された、この物質の低い濡れ性の条件を重視すべきである。

一般に、開口または穴（切り欠き）が形成されたバスケットの利用に基づいた本発明に係る装置は、最適な物質を選択することによって、例えば、周辺温度から１０００℃までの、さらには、それを超えて広い温度範囲で利用することができる。

本発明では、バスケットの壁体（底部を含む）には、穴または開口（１５）が設けられている。

そこでは、穴または開口（切り欠き）が形成されたバスケットの内に収容された第１の液体相と、坩堝内で、これらのバスケットの外側にある第２の液体相とが混合することなく接触する。

特に、２つの液体媒質間の接触領域を調整するために、バスケット内の開口（１５）の数、位置、形状および大きさを変更してもよい。

例えば、これらの変更によって、液体−液体抽出工程の交換反応の速度を改善することができる。

他の形状的な変更によって、抽出工程と逆抽出工程とにおける溶媒の入れ替え工程中に、穴の開いたバスケットの各開口での液体保持力を制限するようにしてもよい。

例えば、円筒状のバスケットの場合には、開口の断面を、円形、正方形あるいは長方形のような多角形、できれば一方向に長い長方形、すなわち、スロットの形とすることができる。

これらの開口は、円筒のコンテナの側壁や、さらには、例えば円筒のコンテナの底部に設けてもよい。

これらの穴または開口がとり得る様々な形状を図２および図３中に見ることができる。

そこでは、回転ラックによって支持された６個のバスケットが、それぞれ形状も数も異なる開口を有している。

それの取り扱いと作業を容易にするために、全てのバスケットが同一の形状で、かつ同一の数の開口を有していてもよいことは明らかである。

例えば、具体的に１００ｍｍの高さで、かつ２１．５ｍｍの直径を有する円筒状のバスケットの場合の開口の大きさに関しては、円形の開口は１ｍｍの直径を有し、スロットは１９ｍｍの長さで、かつ１ｍｍの幅を有する。

多くの可能な形状の中で、バスケットの基壁に、端部から、例えば、０．８ｃｍの隙間を空けて始まり、（円筒状のバスケットが、例えば、１００ｍｍの高さで、かつ２１．５ｍｍの直径を有する）側壁（１３）上で高さ１５ｍｍまで伸びる、１ｍｍの幅の貫通したスロットあるいはウインド（１６）からなる図４に示されるバスケットの開口の形状によって、制御された気圧中の２つの溶融媒質の接触処理の間に気泡が排出可能となる。

この開口の特有の外形形状が、開口または穴（切り欠き）が形成された、例えば、円形などのシンプルな形状の開口を有するバスケットに対する変更点である。

２つの液体のうち、一方、なるべくなら、穴の開いたバスケットの内側の液体が、大きい表面張力、すなわち、０．３Ｎ／ｍより大きい表面張力を有するとき、本発明に係る方法の実施が容易となる。

これは、例えば、０．８７Ｎ／ｍの表面張力を有する９３３Ｋの溶融アルミニウムの場合である。（非特許文献３）

その表面張力は、液体の表面、あるいは、むしろ、液体と溶鉱炉内の気体雰囲気との界面での表面張力であるということを思い出すべきである。

この表面張力は、この表面を拡張するのに、平衡状態の液体の表面に垂直な線に沿う単位長さ当たりに加えるべき力として定義されるか、あるいは、この力によって及ぼされる単位面積当たりの仕事として定義されている。

表面張力（Ｎ／ｍ）の単位は、ジュール／平方メートル（Ｊ／ｍ²）と等価であり、表面エネルギーの単位に対応している。

例えば、（上述されたように、溶鉱炉の金属性のロッドにより、それらを引き上げることによる）アルゴン雰囲気のような雰囲気中でのバスケットの移動、および、例えば、溶融塩化物媒質における各逆抽出処理が後に続くような、フッ化物溶液中に存在するアクチノイドを抽出する工程を実行するために使用される溶融塩などの様々な液体媒質中に浸漬している間で溶鉱炉の移動中に、バスケット内で第１の液体を損失も流出も無く保持可能とする特徴は重要である。

本発明において使用される穴の開いたバスケットに収容可能な最大の静圧ヘッドは、第１の液体のカラムの最大の高さに対応し、この静圧ヘッドは、特にバスケットの穴または開口の形状に依存している。

最大の静圧ヘッドは、以下の２つの場合に計算可能である。

すなわち、第１の場合は、バスケットが引き上げられ、すなわち、浸漬されず、これらのバスケットに収容され溶融Ａｌされた第１の液体あるいは液体１が、溶鉱炉の雰囲気を構成するアルゴンのような気体と接触する場合である。

第２の場合は、穴の開いたバスケットが下方に下げられ、すなわち、溶融塩などの第２の液体または（第３の）液体に浸漬される場合である。

この最大の静圧ヘッドは、液体表面での表面張力というよりはむしろ、バスケットの引き上げ工程と移動工程との間で、バスケットに収容された溶融アルミニウムなどの液体１と溶鉱炉内の気体雰囲気との間の界面張力を含む単純化ヤング・ラプラス方程式とも呼ばれるヤング・ラプラス方程式を利用して前記の第１の場合に計算できる。

この雰囲気は、例えば、粗引きの真空またはアルゴンからなる。（図５）

単純化ヤング−ラプラス方程式が以下に与えられる。（非特許文献４）

ただし、
ρ： 第１の液体の密度［ｋｇ／ｍ³］
ｇ： ９．８１［ｍ／ｓ］
ｈ： 液体の高さ［ｍ］
γ： 液体の表面張力［Ｎ／ｍ］（または［Ｊ／ｍ²］）
ｒ：（細い）穴の半径または２平行面間の距離
θ： 固体壁と液体界面との接触角（平行面または（細い）穴などの開口の形状に依存する。）

数式１は、例えば、溶融塩などの液体の背圧が加わることなく、溶融Ａｌなどの第１の液体が様々な高さに収容可能となるような、穴の開いたバスケットの開口の大きさを計算するのに使用される。

以下の表１に、０．８７Ｎ／ｍの界面張力を考慮したグラファイトの坩堝中にＡｌが収容された場合の開口形状の例が与えられている。

表１に与えられた高さは、数式１を使って計算されたものである。

ここで、Δｈの絶対値だけが重要である。

それによって、５〜１０ｃｍの液体カラムを使用した作業が可能となる。

これは、アルミニウムはグラファイトを濡らさないので、解析計算では負のΔｈ値が得られるからである。

Ａｌ−グラファイト系の場合には、これらの結果は指針値と考えねばならない。

これは、Ａｌは急激に支持体およびＡｌカーバイドと酸化物とが形成する酸素不純物と反応するので、Ａｌと炭素接触マトリックスとの接触角の測定が困難だからである。（非特許文献５，６）

前記の第２の場合を考慮すると、溶融Ａｌなどの第１の液体が収容されたバスケットが、溶融塩槽などの第２の（または第３の）液体中に浸漬されるとき、金属−塩−固体間の界面張力の特性は、金属−気体−固体間の表面張力の特性に置き代えられる。

また、上記の計算に使用される新しい接触角の値θ´では、図６に示すような、この新しい３重点を考慮しなければならない。

結局、以下の数式２によって、３重点での静圧を釣り合わせることが必要となる。

ただし、
ρ： 密度［ｋｇ／ｍ³］（例えば、ρ₁＝Ａｌの密度、ρ₂＝溶融塩の密度）
ｇ： ９．８１［ｍ／ｓ］
ｈ： 液体の高さ［ｍ］（例えば、ｈ₁＝Ａｌの高さ、ｈ₂＝溶融塩の高さ）
γ₁₂： 界面張力［Ｎ／ｍ］（または［Ｊ／ｍ²］）例えば、塩−金属−固体支持体間の界面張力
ｅ： （細い）穴の半径または２行面間の距離［ｍ］
θ´： 固体壁（平行面または（細い）穴）と液体界面との接触角

Ａｌ−溶融フッ化物系で実施する場合には、ρ₁＃ρ₂＃ρとし、ｈ₂＝ｈ₁＋Δｈとすることによって、数式２は以下のようになる。

上述された場合では、開口または穴（切り欠き）が形成されたバスケット内に収容されたＡｌの静圧ヘッドの各開口形状の関数としての制限を計算することができる。

以下の表２に、固体アルミナ支持体中で、ＮａＦ−ＡｌＦ₃と接触するＡｌに対して、γ₁₂が１０００℃で、０．４６０［Ｎ／ｍ］の値を取る、いくつかの例を与える。（非特許文献７）

すなわち、静圧ヘッドを制限する開口形状の効果

与えられた物質を使用したときは、静圧ヘッド、すなわち、扱われている物質の総量と、開口または穴（切り欠き）が形成されたバスケットの交換領域、すなわち、移動効率との最良の折衷案を作る必要がある。

そのうえ、抽出が進むにつれて、接触処理が抽出からなる場合には、バスケットに収容された液体の密度に（質量移動による）変化が観測される。

この現象を、穴の開いたバスケットの開口を設計あるいは配置決めするときに考慮しなければならない。

上述されたような本発明に係る方法および装置、例えば、図１〜図４に記載されたような装置は、２つの液体間のあらゆる質量移動作用が実現されるように実施することができる。

この処理は、例えば、液体−液体抽出処理であってもよく、さらには、高温の液体−液体抽出処理であってもよい。

本方法は高温冶金法と関連しており、したがって、本発明に係る装置はパイロコンタクターと呼んでもよいであろう。

この高温冶金法と、このパイロコンタクターとは、特に使用核燃料の再処理の分野に適用可能である。

したがって、本パイロコンタクターは、ＬｉＦ−ＡｌＦ₃などの溶融フッ化物の溶液中に含まれるアクチノイドのグループ抽出のために利用される。

例えば、ＬｉＦ−ＡｌＦ₃のような溶融塩と、溶融アルミニウムなどの溶融金属が収容される開口または穴（切り欠き）が形成されたバスケットとの接触によって、最初はフッ化物状態であったアクチノイドを化学的に金属状態に還元し、アルミニウム相から回収することができる。

２つの液体相の接触時間は、数分間から数時間である。

本パイロコンタクターは、塩相と金属相との間のあらゆる混合を防止する。

２つの液体相が熱平衡状態にあるとき、アクチノイドの逆抽出工程を実行するために、バスケットを第２の塩溶媒（第３の液体）、例えば、ＬｉＣｌ−ＡｌＣｌ₃溶媒中に位置させるように回転ラックを引き上げることが可能になる。

この第２の接触工程に続いて、本パイロコンタクターを、再び、再処理された燃料の新たな補給分を含んだ最初の塩鋼浴槽中に位置させることができる。

開口または穴（切り欠き）が形成されたバスケットに収容された液体Ａｌなどの液体は、逆抽出工程の後にリサイクルすることができる。

このように、混合物の抽出は、上記工程では、決して遣り尽くせないので、バスケットの装置は「化学的な」ポンプとして作用する。

沈殿あるいは遠心分離の工程が接触している相を分離するために実行されるときと同様に、この「化学的な」ポンプは、重力あるいは加速度を利用することなく、溶液中の１つ以上の混合物の抽出と再構成（復元）に利用される。

この特徴は、抽出の実行を一層容易にし、高温処理での実際の長所を表している。

本装置の熱的環境を制御して、溶液を撹拌する手段を備えることにより自由対流（力を加えない対流）を制御することによって、抽出の反応速度を改善することもできる。

特に、中心部品（７）やロッド（９）に低温源を備えることにより自由対流を制御することができる。

提案された装置の形状（図１参照）は、実際には、例えば、その形状をシャフト式溶鉱炉（不図示）に適合させることが可能である。

溶融塩などの第２の液体が収容された坩堝の上部を、断熱カバー（１７）によって、塞ぐことができる。

図１に示すように、二重に突出したロッド（１８）、（１９）が、このカバー（１７）を挿通（「貫通」）する。

ロッド（１９）の外側の被筒に固定するための穴（２０）がカバーを挿通する場合には、穴（２０）は、キーによって、パイロコンタクターの回転ラックの組立部品全体を、ある高さに位置させることができる。

例えば、図１に記載されたような本発明に係る装置を、特に少量の物質（例えば、１００〜１０００ｇの溶融塩および溶融金属）を有する遮蔽されたチャンバー（容器）内で使用するのに非常に適した不連続モードで機能させてもよい。

しかしながら、連続処理が実行可能とされるような変更がなされた場合には、本装置は、大量のものが使用可能となる。

以下、本発明は、図面に示された実施例を参照しつつ、これら実施例になんら限定されることなく説明される。

ここで示され、図１〜図４に関連して、上述された抽出装置は、溶液中のＮｄＦ₃からネオジウム（Ｎｄ）を回収するに当たり実施された試行の間に使用された。

処理方法は、１０ｇのＮｄＦ₃を３００ｇのＬｉＦ−ＡｌＦ₃に溶かすことにある。

このようにして得られた塩混合物は、１リットルの容量のグラファイト製の坩堝中に収容され、それから、シャフト式溶鉱炉中で、７００〜８００℃の温度で融解された。

溶媒の抽出に関しては、バスケットの開口形状は、図３に対応しており、１００ｇのＡｌが、開口または穴（切り欠き）が形成された容量０．１４リットルの６個のバスケットの中に収容され、そして、８００℃で、塩の上方で真空溶融されていた。

そのとき、塩の過度の蒸発を避けるように、アルゴンが気圧下で溶鉱炉の内側全体に及ぶ前に、溶融金属と塩媒質との接触が粗引きの真空中で生じていた。

この試行での抽出時間は、２つの媒質の接触していた２４時間であった。

この２４時間の後で、溶融塩を溶鉱炉の溶融ゾーンの中にいっぱいに滴下できるように、６個のバスケットを有する回転ラックの支持体を１／２時間当たり１０ｃｍの割合でゆっくりと上昇させた。

ひとたび、２０ｃｍ上の凝固ゾーンに到達すると（すなわち、上昇開始１時間後）、本装置（図３）は、穴の開いたバスケットが冷却可能となるように、溶鉱炉の上部に位置された。

組立部品の冷却速度を、上昇されたパイロコンタクターの上端部で、２０℃のアルゴンを使って、それをどっと流すことによって、速めることができた。

アルミニウムによって抽出され、Ｘ線回折によって決定されたネオジウムの総量は１〜２重量％であった。

このように、本発明に係るパイロコンタクターでの、このような試行は、理論的なネオジウムの分配係数（Ｋｄ＝０．３）の達成を可能にし、結果的に、開口、窓を有するものは何でも、開口または穴（切り欠き）が形成されたバスケットの技術の検証を可能にする。

開口または穴（切り欠き）が形成されたバスケットに収容されたアルミニウムに対して行われた溶融・冷却サイクルを含む３つの実験では、アルミニウムを損失することなく塩から外に回転ラックを移動させる可能性を検証することも必要となる。

これらの実験は、開口形状に依存する数式１から計算された最大の高さを１０％下回るＡｌの高さを有するアルミニウムが収容された坩堝で実行された。

このようにして、Ａｌの高さは、１．５〜８ｃｍであった。

それぞれの坩堝上で実行された重量の損失の測定では、約０．５％の重量変化が示された。

この優れた結果により、アルゴン雰囲気中で、溶融塩の静背圧を受けることなく、液体アルミニウムを保持する可能性が確認された。

３つの溶融・冷却サイクルの後で、アルミニウムが収容された坩堝に損傷が無いことが確認された。

したがって、本装置の設計は、それが、物質の膨張差（熱サイクル）の問題に対応した優れた機械的動作を可能とするようなものである。

これらの結果により、パイロコンタクターの全般的な優れた動作と、装置が劣化することもアルミニウムが損失することもなく、周辺温度であると同時に高温で本装置が操作される可能性とが確認された。

Claims (28)

1. 第１および第２の非混和液体を混合することなく接触させる方法であって、
   ａ）１個以上の挿通穴を有し第１の液体と第２の液体とが化学反応しない固体材料から構成された壁を備える少なくとも１個のコンテナ内に第１の液体を収容して該第１の液体と前記壁との接触角度が９０°より大きい角度で接触するようにする工程と、
   ｂ）第１の液体が前記挿通穴の高さで第２の液体と接触するように、前記第１のコンテナを第２の液体中に浸漬する工程と、
   ｃ）第１の液体と第２の液体との間で質量交換、質量移動が起こるのに十分な時間だけ、第１の液体を第２の液体と接触した状態とする工程と、
   ｄ）前記第１のコンテナを第２の液体から引き上げる工程と、
   が連続して実行されることを特徴とする第１および第２の非混和液体を混合することなく接触させる方法。
2. 前記第１の液体と前記第２の液体とが実質的に同じ密度を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の液体の密度と前記第２の液体の密度とが第１の液体の密度を基準として、１０％以下相違していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 第１の液体と固体壁の物質との間の界面張力が第２の液体と固体壁の物質との間の界面張力より大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項３のうち何れか１項に記載の方法。
5. 第１の液体および第２の液体と固体壁の物質との間の界面張力が０．３Ｎ／ｍより大きいことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記第１の液体の表面張力が０．３Ｎ／ｍより大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記第１の液体が、溶融状態の純金属あるいは数種類の金属の合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のうち何れか１項に記載の方法。
8. 前記金属がアルミニウムと銅とから選択されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第２の液体が溶融塩または数種類の溶融塩の混合物であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の方法。
10. 前記溶融塩が、アルカリ金属塩化物、アルカリ土類金属塩化物、アルミニウム塩化物および、アルカリ金属フッ化物、アルカリ土類金属フッ化物、アルミニウムフッ化物から選択されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記第１の液体が、水および水とアルコールとの溶液から選択され、前記第２の液体が、灯油から選択されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のうち何れか１項に記載の方法。
12. 工程ｄ）の後に、前記コンテナを前記第２の液体とは異なる第３の液体中に浸漬することによって、工程ｂ）〜ｄ）が繰り返されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のうち何れか１項に記載の方法。
13. 前記第１の液体と前記第２の液体との間の質量移動が、第２の液体の構成要素のうち一方が第１の液体に移る間の液体と液体との抽出であるか、第１の液体の構成要素のうち一方が第２の液体に移る間の液体と液体との抽出であるかの何れかであることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のうち何れか１項に記載の方法。
14. 前記第１の液体が溶融アルミニウムであり、前記第２の液体が溶融アルカリ金属またはアルミニウムフッ化物を含んでいるアルカリ土類金属フッ化物塩からなり、
    １種類以上のアクチノイドフッ化物と１種類以上のランタノイドフッ化物との塩が溶融され、
    工程ｃ）の間に、前記溶融アルミニウムと接触することによって、前記ランタノイドフッ化物が第２の液体中に残るのに対して、前記アクチノイドフッ化物が、第１の液体中の溶液に移るアクチノイドに化学的に還元されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 工程ｄ）の後に、溶融アルミニウムおよびアクチノイドが収容された前記第１のコンテナを、１種類以上の溶融アルカリ金属またはアルミニウム塩化物を含むアルカリ土類金属塩化物からなる第３の液体中に浸漬することによって、前記溶融塩化物に接触することにより、アクチノイドを第３の液体に移るアクチノイド塩化物に化学的に酸化することによって、工程ｂ）〜ｄ）を繰り返すことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 工程ｂ）を２×１０^-2〜１０^-1ミリバールの範囲の真空中で実行することを特徴とする請求項１ないし請求項１５のうち何れか１項に記載の方法。
17. 工程ｃ）をアルゴン雰囲気などの不活性ガス雰囲気中で実行することを特徴とする請求項１ないし請求項１３のうち何れか１項に記載の方法。
18. ・ 第１の液体を収容すると共に、第１の液体および第２の液体とは反応しない固体物質からなる壁体を有する１個以上の第１のコンテナと、
    ・ 第２の液体を収容するようにした第２のコンテナと、
    ・ 前記第１のコンテナを第２の液体に浸漬し、そして、その後に、第１のコンテナを第２の液体から引き上げるために、前記第１の液体が収容された前記第１のコンテナを支持する手段と、を備え、前記壁体は、１個以上の挿通穴を有し、前記第１の液体は、前記固体壁との接触角が９０°より大きい角度で接触するようにされていることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のうち何れか１項に記載の方法を実施するための装置。
19. 前記第１のコンテナまたは第２のコンテナがグラファイトとホウ素窒化物とから選択された物質からなることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記第１のコンテナまたは第２のコンテナが、側壁および基部あるいは底壁を有する円形断面の円筒形状を呈していることを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載の装置。
21. 前記第１の液体が収容された前記第１のコンテナの底部の形状が丸みを帯びた形状を呈していることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
22. 前記穴が、円および多角形から選択された断面形状を有していることを特徴とする請求項１８ないし請求項２１のうち何れか１項に記載の装置。
23. 第２の液体中に浸漬され、第２の液体から引き上げられる前記第１のコンテナを支持する手段が、第１のコンテナを支持している部品を下端部に固定する垂直なロッドを備えていることを特徴とする請求項１８ないし請求項２２のうち何れか１項に記載の装置。
24. 前記第１のコンテナを支持している部品が、前記垂直なロッドの伸びる方向に沿う中心軸を有している円形の回転ラックまたはバレルとして形成され、
    前記第１のコンテナが、その回転ラックまたはバレルの中心軸と同心円をなして円形状に配置されていることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. 前記第１のコンテナまたは第２のコンテナが、前記コンテナ支持部材に固定されていることを特徴とする請求項２３または請求項２４に記載の装置。
26. 前記コンテナ支持部材が、その中心に、第１のコンテナの基部を超えて下方に突出していることを特徴とする請求項２４と請求項２５のうち何れか１項に記載の装置。
27. 前記装置が、シャフト式の溶鉱炉などの溶鉱炉内に設置され、垂直なロッドの上端部が、それを操作可能とするために、かつ、それが低温となるように、溶鉱炉の外側に位置することを特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. 溶融アルミニウムを再生成して再利用することを特徴とする請求項１５に記載の方法。