JP5849099B2 - 電気化学還元用のアノードカソード電力分配システムおよびその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学還元用のアノードカソード電力分配システムおよびその使用方法に関する。

単一ステップおよび多重ステップの電気化学プロセスは、金属酸化物をその対応する金属（非酸化）状態へと還元するために使用可能である。かかるプロセスは、純粋でない原材料から１つもしくは複数の高純度金属を回収するために、および／または金属をその金属酸化物鉱石から抽出するために従来は使用されている。

従来、多重ステッププロセスは、金属または鉱石を電解質へと溶解した後に、電解析出ステップまたは選択的エレクトロトランスポートステップが続き、酸化されていない金属を回収する。例えば、使用済み核酸化物燃料からのウランの抽出では、ウラン酸化物の化学還元は、溶融したＬｉＣｌ中に溶解したＬｉなどの還元剤を使用して６５０℃で実行され、ウランおよびＬｉ₂Ｏを生成する。溶液は、次に電解採取を受け、そこでは、溶融したＬｉＣｌ中に溶解したＬｉ₂Ｏを電解析出させてＬｉを再生する。ウラン金属は、商業用原子炉における核燃料などの次の使用のために調製される。

単一ステッププロセスでは、一般に、カソードおよびアノードとともに、金属酸化物と相溶性になるように選択された溶融した電解質中に金属酸化物を浸漬する。カソードを金属酸化物と電気的に接触させ、アノードおよびカソード（そしてカソードを介して金属酸化物）を帯電させることによって、金属酸化物は、溶融した電解質を介した電気分解変換およびイオン交換を通して還元される。

単一ステッププロセスは、一般に、溶融した塩および金属の取り扱いおよび移送の際により数の少ない構成要素および／またはステップを使用し、自由に浮遊するまたは過剰な還元剤金属の量を制限し、プロセス制御を向上させ、様々な開始状態での／混合物中の様々な金属酸化物との適合性があり、多重ステッププロセスと比較して、高純度が得られる。

米国特許第７，７９９，１８５号明細書

例の実施形態は、電解還元システムにおいて使用可能な電力分配システムを含む。例の実施形態は、標準化した接続部構成を使用することによって弾力的なモジュラアセンブリ数および配置を可能にするいくつかのカソードアセンブリ電気接点およびアノードアセンブリ電気接点を含むことができる。カソードアセンブリ電気接点およびアノードアセンブリ電気接点を、連続してまたは交互に配置することができる。例のアノードアセンブリ電気接点およびカソードアセンブリ電気接点は、モジュラアセンブリからナイフエッジ電気接点を機械的に受けるために絶縁されたフォーク形状を有することができる。アノードアセンブリ接点およびカソードアセンブリ接点は、所望の位置のところでより大きな還元システム中へと接点を固定する据え付けアセンブリを含むことができ、電力がこのアセンブリに取り付けられた電力ケーブルを介して供給される。

等しいが反対の電力を供給する対のアノードアセンブリ電気接点およびカソードアセンブリ電気接点を含む例のシステム内のカソードアセンブリ電気接点およびアノードアセンブリ電気接点は、任意の所望のレベルで電力を供給することができる。同様に、異なるカソードアセンブリ電気接点は、同じモジュラカソードアセンブリに接続される場合でさえ、異なるレベルの電力を供給することができる。例のシステムは、アノードアセンブリ接点またはカソードアセンブリ接点に共通の電力を供給するバスバーを含むことができる。例の方法は、電解還元システムに電力を供給するためにカソードアセンブリ電気接点およびアノードアセンブリ電気接点を介して任意の所望のレベルの電力を供給するステップを含むことができる。

例の実施形態の電気システムを、電解質を保有する電解質容器と組み合わせて使用することができ、モジュラカソードアセンブリおよびモジュラアノードアセンブリが例の電気システムのそれぞれの接点に機械的かつ電気的に接続する状態で、モジュラカソードアセンブリおよびモジュラアノードアセンブリが、電解質容器中へと延伸し、かつ上方に支持される。モジュラアノードアセンブリは、アノードロッドが中に据えられるアノードブロック、アノードアセンブリ電気接点に電気的に接続するバス、およびバスにアノードブロックを電気的に結合するスリップジョイントを含むことができる。スリップジョイントは、アノードブロックおよびバスとの電気的接触を維持したままで、高温下で膨張することができる複数の横方向部材を含む。

一例の実施形態の電解酸化物還元システムの説明図である。 代替構成の図１の例の実施形態の電解酸化物還元システムのもう１つの説明図である。 一例の実施形態の電力分配システムの説明図である。 図３の例の実施形態の電力分配システムのもう１つの視点の説明図である。 例の実施形態のカソードアセンブリ接点およびアノードアセンブリ接点の詳細な説明図である。 一例の実施形態のアノードアセンブリの説明図である。

以降、例の実施形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。しかしながら、本明細書において説明する具体的な構造および機能の詳細は、例の実施形態を説明する目的のための単に代表例である。例の実施形態を、多くの代替の形式で具体化することができ、本明細書において説明する例の実施形態だけに限定するようには解釈すべきではない。

第１、第２、等の用語を、様々な要素を記載するために本明細書において使用することがあるが、これらの要素をこれらの用語によって限定すべきでないことが、理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素をもう１つの要素と区別するためにだけ使用される。例えば、例の実施形態の範囲から逸脱せずに、第１の要素は、第２の要素と言うことができ、同様に、第２の要素は、第１の要素と言うことができる。本明細書中で使用するように、「および／または」という用語は、関連する列挙した項目のうちの１つまたは複数の任意の組み合わせおよびすべての組み合わせを含む。

ある要素がもう１つの要素に「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「連結される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「結合される（ｍａｔｅｄ）」、「取り付けられる（ａｔｔａｃｈｅｄ）」、または「固定される（ｆｉｘｅｄ）」と呼ばれるときには、他の要素に直接接続または連結される場合もあるし、介在する要素が存在する場合もあることが、理解されるであろう。対照的に、ある要素がもう１つの要素に「直接接続される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」または「直接連結される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」と呼ばれるときには、介在する要素は存在しない。複数の要素間の関係を説明するために使用する他の語（例えば、「間に（ｂｅｔｗｅｅｎ）」と「直接間に（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｅｔｗｅｅｎ）」、「隣接して（ａｄｊａｃｅｎｔ）」と「直接隣接して（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ）」、等）を、同様に解釈すべきである。

本明細書中で使用するように、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、言いまわしが、別なように明確に示さない限り、同様に複数形を含むものとする。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書において使用するときには、言及した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはこれらのグループが存在することまたは追加することを排除しないことが、さらに理解されるであろう。

一部の代替の実装形態では、記された機能／行為が、図または明細書中の説明において記したものとは異なる順番で起きる場合があることに、やはり留意すべきである。例えば、連続して示した２つの図またはステップが、伴う機能／行為に応じて、順に、同時に実際には実行される場合がある、または逆の順番でもしくは繰り返して時には実行される場合もある。

発明者は、既知のプロセスが、少なくとも一部は限定された固定カソードサイズおよび構成のために、商業的な規模でまたは柔軟性のある規模で大量の還元した金属製品を生成できないという、既存の単一ステップ電解還元プロセスにおける問題を認識した。単一ステップ電解還元プロセスは、部品の規則性および置換性などの構成の柔軟性、および電力レベル、動作温度、作業電解質、等などの動作パラメータの柔軟性が、さらに欠如することがある。下記に説明する例のシステムおよび方法は、下記に論じようとも論じなくても、これらの問題および他の問題を一意的に取り扱う。
例の実施形態の電解酸化物還元システム
図１は、一例の実施形態の電解酸化物還元システム（ＥＯＲＳ）１０００の説明図である。例の実施形態のＥＯＲＳ１０００の態様が以下に説明され、関係する例の実施形態の構成要素を用いて使用可能であるが、ＥＯＲＳ１０００は、下記の同時係属出願中にさらに記載されている。

出願番号 出願日 代理人整理番号
１２／９９７７９１ ２０１０年１２月２３日 ２４ＡＲ２４６１３５（８５６４−０００２２４）
１２／９７７９１６ ２０１０年１２月２３日 ２４ＡＲ２４６１３８（８５６４−０００２２６）
１２／９７８００５ ２０１０年１２月２３日 ２４ＡＲ２４６１３９（８５６４−０００２２７）
１２／９７８０２７ ２０１０年１２月２３日 ２４ＡＲ２４６１４０（８５６４−０００２２８）
上に列挙した同時係属出願の開示は、その全体が本明細書中に引用によって援用されている。

図１に示したように、例の実施形態のＥＯＲＳ１０００は、柔軟性のある規模または商業的な規模のベースでいくつかの異なるタイプの金属酸化物の電解還元を可能にするいくつかのモジュラ構成部品を含む。例の実施形態のＥＯＲＳ１０００は、電解質容器１０５０を含み、容器１０５０中で電解質を溶融するおよび／または溶解することが要求される場合には、ヒータ１０５１と接触するまたはそうでなければヒータ１０５１によって加熱される。電解質容器１０５０は、還元しようとする材料のタイプに基づいて選択されるハロゲン塩、または可動酸化物イオンを与える可溶性酸化物を含有する塩などの適切な電解質で満たされる。例えば、ＣａＣｌ₂およびＣａＯ、またはＣａＦ₂およびＣａＯ、またはある種の他のＣａ系電解質、またはＬｉＣｌおよびＬｉ₂Ｏなどのリチウム系電解質混合物を、希土類酸化物、またはウラン酸化物またはプルトニウム酸化物などのアクチニド酸化物、または使用済み核燃料などの複雑な酸化物を還元する際に使用することができる。電解質を、その融点に基づいてさらに選択することができる。例えば、ＬｉＣｌおよびＬｉ₂Ｏの電解質塩混合物は、標準気圧において６１０℃付近で溶融するようになる、ところがＣａＣｌ₂およびＣａＯの混合物は、ほぼ８５０℃の動作温度を必要とすることがある。溶解した酸化物種の濃度を、電気化学的手段または他の手段によって可溶性の酸化物または塩化物を添加することにより還元中に制御することができる。

ＥＯＲＳ１０００は、フレームを包含させるためのいくつかの支持部材および構造部材を、ならびにそれ以外では支持部および構造の他の構成部品を含むことができる。例えば、１つまたは複数の側面支持部１１０４は、天板１１０８まで延伸し、天板を支持することができ、天板１１０８は電解質容器１０５０へのアクセスを可能にするために電解質容器１０５０の上方に開口部（図示せず）を含むことができる。天板１１０８を、天板１１０８に接続しその周りのグローブボックス（図示せず）によってさらに支持するおよび／または分離することができる。いくつかの標準化された電気接点１４８０（図２）および冷却源／ガス排気部を、天板１１０８上にまたはその近くに設けることができ、アノード構成部品およびカソード構成部品がモジュラ位置のところでＥＯＲＳ１０００によって支持され、ＥＯＲＳ１０００を介して動作可能になることを可能にする。リフトバー１１０５および／またはガイドロッド１１０６を含むリフトバスケットシステムを、カソードアセンブリ１３００に接続するおよび／または吊り下げることができ、カソードアセンブリ１３００は、電解質容器１０５０中の溶融した電解質中へと下へ延伸する。かかるリフトバスケットシステムは、ＥＯＲＳ１０００の残りの部分および関係する構成部品を動かさずにカソードアセンブリ１３００の選択的なリフトまたは他の操作を可能にすることができる。

図１では、ＥＯＲＳ１０００を、様々な支持要素によって支持され、電解質容器１０５０中へと延伸するいくつかのアノードアセンブリ１２００と交互に配置されるいくつかのカソードアセンブリ１３００を有する状態で示す。アセンブリを、さらに、ＥＯＲＳ１０００中の対応する供給源への標準化された接続部を介して電力を与えるまたは冷却することができる。１０個のカソードアセンブリ１３００および１１個のアノードアセンブリ１２００を図１には示したが、エネルギーリソース、還元すべき材料の量、生成すべき金属の所望の量、等に応じて、任意の数のアノードアセンブリ１２００およびカソードアセンブリ１３００をＥＯＲＳ１０００内で使用することができる。すなわち、順応性があり、可能性として大きく、商業的な規模の電解還元システムを形成するために、個々のカソードアセンブリ１３００および／またはアノードアセンブリ１２００を追加するまたは削除することができる。このようにして、例の実施形態のＥＯＲＳ１０００、アノードアセンブリ１２００およびカソードアセンブリ１３００のモジュラ設計を介して、例の実施形態は、早く、簡略化した単一ステージ還元動作で、材料製造要求およびエネルギー消費制限をより良く満足させることができる。モジュラ設計は、さらに、例の実施形態の迅速な修理および標準化した製造、より低い製造および改装のコストおよび時間消費を可能にすることができる。

図２は、アクセスのために電解質容器１０５０からモジュラカソードアセンブリ１３００だけを選択的にリフトするように、上昇したリフトバー１１０５およびガイドロッド１１０６を含むバスケットリフトシステムを有し、反応物質金属酸化物のローディングまたはカソードアセンブリ１３００から生成した還元金属のアンローディングを可能にするための、代替構成のＥＯＲＳ１０００の説明図である。図２の構成では、いくつかのモジュラ電気接点１４８０は、天板１１０８中の開口部の周りのモジュラ位置のところに整列して示される。例えば、電気接点１４８０を、ＥＯＲＳ１０００の内部のモジュラカソードアセンブリ１３００および／またはアノードアセンブリ１２００のいくつかの異なる配列および位置を可能にするナイフエッジ接点とすることができる。

図１に示したように、バスバー１４００、アノード電力ケーブル１４１０、および／またはカソード電力ケーブル１４２０を含む電力配送システムは、電気接点（図示せず）を介して、アノードアセンブリ１２００および／またはカソードアセンブリ１３００へ個別の電荷を供給することができる。動作中には、電解質容器１０５０中の電解質を、加熱するおよび／もしくは溶解することによって、またはそれ以外では還元しようとする酸化物と相溶性の液体電解質材料を供給することによって、液化させることができる。液化した電解質材料の動作温度は、使用する材料に基づいて、ほぼ４００〜１２００℃の範囲であってもよい。例えば、Ｎｄ₂Ｏ₃、ＰｕＯ₂、ＵＯ₂、使用済み酸化物核燃料などの複合酸化物、または希土類鉱石、等を含む酸化物材料を、カソードアセンブリ１３００中へとロードし、カソードアセンブリ１３００が、液体電解質中へと延伸し、その結果、酸化物材料は、電解質およびカソードアセンブリ１３００と接触する。

カソードアセンブリ１３００およびアノードアセンブリ１２００は、反対の電荷または極性を与えるように電源に接続され、所望の電気化学的に発生した還元電位が、カソードにおいて金属酸化物中へと流れる還元体電子によってカソードのところに作られるように、電流制御電気化学プロセスが生じる。発生した還元電位のために、カソードアセンブリ１３００内の酸化物材料中の酸素が、酸化物イオンとして液体電解質中へと放たれ、溶解する。酸化物材料中の還元された金属は、カソードアセンブリ１３００中に留まる。カソードアセンブリにおける電解反応を、式（１）によって表すことができ、
（金属酸化物）＋２ｅ^-→（還元した金属）＋Ｏ^2- （１）
ここでは、２ｅ^-は、カソードアセンブリ１３００によって供給される電流である。

アノードアセンブリ１２００のところでは、電解質中に溶解した負の酸素イオンは、アノードアセンブリ１２００へ負電荷を移動させることができ、酸素ガスへと変換する。アノードアセンブリにおける電解反応を、式（２）によって表すことができ、
２Ｏ^2-→Ｏ₂＋４ｅ^- （２）
ここでは、４ｅ^-は、アノードアセンブリ１２００中へと入る電流である。

例えば、溶融したＬｉ系塩が電解質として使用される場合には、上のカソード反応を、式（３）によって言い換えることができ、
（金属酸化物）＋２ｅ^-＋２Ｌｉ⁺→（金属酸化物）＋２Ｌｉ
→（還元した金属）＋２Ｌｉ⁺＋Ｏ^2- （３）
しかしながら、この具体的な反応系列は、生じないことがあり、リチウム堆積が生じる電位よりも小さな負電位のところにカソードアセンブリ１３００が維持される場合などの、中間電極反応が可能である。可能性のある中間電極反応は、式（４）および（５）によって表される反応を含み、
（金属酸化物）＋ｘｅ^-＋２Ｌｉ⁺→Ｌｉ_x（金属酸化物） （４）
Ｌｉ_x（金属酸化物）＋（２−ｘ）ｅ^-＋（２−ｘ）Ｌｉ⁺
→（還元した金属）＋２Ｌｉ⁺＋Ｏ^2- （５）
（４）および（５）に示した中間反応における金属酸化物結晶構造中へのリチウムの取り込みは、金属酸化物の導電性を向上させることができ、還元に好ましい。

基準電極ならびに他の化学モニタおよび電気的モニタを、電極電位および還元の速度を制御するために使用することができ、したがって、アノードまたはカソードの損傷／腐食／過熱／等を制御するために使用することができる。例えば、基準電極を、カソード表面の近くに設置することができ、電極電位をモニタし、アノードアセンブリ１２００およびカソードアセンブリ１３００への電圧を調節することができる。所望の還元反応のためにだけ十分な定常電位を与えることは、塩素放出などのアノード反応およびリチウムまたはカルシウムなどの電解質金属の自由浮遊液滴などのカソード反応を回避することができる。

液体電解質中の溶解した酸化物イオン種、例えば、電解質として使用する溶融したＬｉＣｌ中のＬｉ₂Ｏの効率的な輸送は、例の実施形態のＥＯＲＳ１０００における還元速度および非酸化金属の製造を向上させることができる。交互に配置したアノードアセンブリ１２００およびカソードアセンブリ１３００は、大量生産用のアノードおよびカソードの表面積を増加させると同時に、溶解した酸化物イオンの飽和および電解質全体の均一さを改善することができる。例の実施形態のＥＯＲＳ１０００は、攪拌機、混合器、振動機、等をさらに含むことができ、溶解した酸化物イオン種の拡散による輸送を増進させる。

化学的および／または電気的なモニタリングは、アノードアセンブリ１２００とカソードアセンブリ１３００との間の電位が増加するまたは溶解した酸化物イオンの量が減少するときなどで、上に説明した還元プロセスが完了したことを示すことができる。所望の程度の完了で、保持されている還元した金属を含むカソードアセンブリ１３００を容器１０５０内の電解質から持ち上げることによって、上に論じた還元プロセスにおいて作られた還元した金属を、カソードアセンブリ１３００から採取することができる。プロセス中にアノードアセンブリ１２００のところに集められた酸素ガスを、アセンブリによって定期的にまたは連続的に取り去ることができ、さらに使用するために排出するまたは集めることができる。

例の実施形態のＥＯＲＳ１０００の構造および動作を上に示し、説明してきたが、援用した文書中にまたはどこかに記載されているいくつかの異なる構成要素は、例の実施形態で使用可能であり、ＥＯＲＳ１０００の具体的な動作および特徴を、さらに詳細に説明することができることが理解される。同様に、例の実施形態のＥＯＲＳ１０００の構成要素および機能性は、上に与えられたまたは援用した文書における具体的な詳細に限定されないだけでなく、当業者の必要性および制限にしたがって変えることができる。
例の実施形態の電力分配システム
図３および図４は、例の実施形態の電力分配システム４００の説明図であり、図３が側面の模式図であり、図４がシステム４００の等角図である。例の実施形態のシステム４００を、ＥＯＲＳ１０００（図１〜図２）からの構成要素でおよびＥＯＲＳ１０００で使用可能なものとして図示する、しかしながら、例の実施形態が、他の電解還元システムにおいて使用可能であることが理解される。同様に、一例のシステム４００を図３〜図５に示しているが、複数の例のシステム４００が、電解還元装置で使用可能であることが理解される。ＥＯＲＳ１０００（図１〜図２）では、例えば、いくつかのモジュラアノードアセンブリおよび／またはモジュラカソードアセンブリにバランスの取れた電力を供給するために、複数の電力分配システムを、ＥＯＲＳ１０００各々の側で使用することができる。

図３に示したように、例の実施形態の電力分配システム４００は、複数のカソードアセンブリ接点４８５を含み、そこでは、モジュラカソードアセンブリ１３００などのモジュラカソードアセンブリを、機械的かつ電気的に接続することができ、電力を受電することができる。カソードアセンブリ接点４８５を、標準プラグおよび／もしくはケーブル、または、例のシステム４００では、例のカソードアセンブリ１３００からナイフエッジ接続部を受けるように成形されたフォークタイプ接点を含む、多様な形状およびサイズとすることができる。例えば、カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂは、不慮の電気的接触のリスクを軽減するために、絶縁体によって囲まれたフォークタイプ導電性接点を含むことができる。各カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂを、モジュラカソードアセンブリに対して利用可能になるように望まれる（１つまたは複数の）任意の位置のところで天板１１０８内に据え付けることができる。

カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂは、相互に異なるレベルの電力、電圧、および／または電流を供給することができる。例えば、接点４８５ｂは、アノード接点４８０とは反対の極性で、下記に論じるアノード接点４８０（図５）を介して供給されるレベルと一致するより高い電力を供給することができる。接点４８５ａは、接点４８５ｂと比較して、より小さく反対の電圧および／または電流によって、より低い二次電力を供給することができ、すなわち、接点４８５ａの極性は、アノード接点４８０（図５）の極性と一致するが、より低いレベルである場合がある。このようにして、反対かつ可変の電力を、カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂに接触する１つのカソードアセンブリに供給することができる。加えて、電力の一次レベルおよび二次レベルの両方を、または例の還元システムを動作させるための任意の他の所望のレベルもしくは可変レベルの電力を、接点４８５ｂを介して供給することができる。

各カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂを、還元システムの反対側にある他の接点と平行にし、かつ位置を合わせることができ、その結果、モジュラカソードアセンブリに接続するモジュラカソードアセンブリ用の平坦で、薄型の電気接点領域を形成することができる。あるいは、カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂを互い違いにずらせて配置するまたは交互の位置に設置することができ、様々なカソードアセンブリ電気接続部構成に一致させることができる。繰り返し、柔軟性のある位置決め、可変の電気供給、および標準化した設計によって、カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂは、モジュラカソードアセンブリを使用する際のモジュールのスケーリングおよび商業的なスケーリングを可能にする。このようにして、例の実施形態の電力分配システム４００は、電解還元システムにおけるカソードアセンブリの選択的な追加、削除、再配置、および電力供給を可能にする。

図５は、ＥＯＲＳ１０００（図１および図２）で使用可能な例の実施形態の電力分配システム４００中の天板１１０８の上方のカソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂおよびアノードアセンブリ接点４８０の詳細の説明図である。図５に示したように、アノードアセンブリ接点４８０を、上に論じたカソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂと実質的に同じにすることができ、例えば、モジュラアノードアセンブリ１２００（図１）からのナイフエッジ接続部に機械的かつ電気的に接続するように構成されたフォークタイプ接点を囲む絶縁性カバーを有する。アノードアセンブリ接点４８０をやはり、モジュラアノードアセンブリ用途のために利用可能な位置のところで例の還元システムのいずれかの側に配置することができる。例えば、図５に示したように、アノードアセンブリ接点４８０を、カソードアセンブリ接点４８５と互い違いにずらせて交互にすることができる。モジュラアノードアセンブリ電力供給のために任意の所望の位置のところに順番にまたは交互に設置した１つまたは複数のアノードアセンブリ接点４８０を含むいくつかの他の構成が、同様に可能である。柔軟に位置決めすることおよび／または標準化した設計によって、アノードアセンブリ接点４８０は、モジュラアノードアセンブリを使用する際のモジュールのスケーリングおよび商業的なスケーリングを可能にする。アノードアセンブリ接点４８０を含む例の実施形態の電力分配システム４００は、電解還元システムにおいてアノードアセンブリの選択的な追加、削除、再配置、および電力供給を可能にする。

図３および図４に示したように、各接点４８０、４８５ａ、および４８５ｂは、例の実施形態の電力分配システム４００では別個に電力を与えることができ、その結果、各接点は所望の電力レベル、電圧レベル、および／または電流レベルを供給し、したがって、還元システムへの電位を低下させる。接点４８０、４８５ａ、４８５ｂ、等は、絶縁された据え付けアセンブリ４５０を含むことができ、これは、天板１１０８またはいずれかの他の構造を通り抜け、これらの内部に接点を位置決めする。据え付けアセンブリ４５０は、アノード接点またはカソード接点中のフォークタイプ接続部またはいずれかの他の端子に接続することができ、しかも、据え付けアセンブリ４５０に電力を供給する電気接続部４１５に接続することができる。電気接続部４１５を、例えば、図３および図４に示したような固定された導電性リード配置、スライスしたワイア、および／またはプラグ−レセプタタイプのインターフェースを含む、任意のタイプの電気的インターフェースとすることができる。

電力ケーブル４１０、４２０ａ、および４２０ｂを電気接続部４１５に接続することができ、その結果、それぞれ、据え付けアセンブリ４５０ならびに接点４８０、４８５ａ、および４８５ｂに所望の電力を供給することができる。電力ケーブル４１０、４２０ａ、および４２０ｂを、例の実施形態の電力分配システム４００内の、それぞれ、電気接点４８０、４８５ａ、４８５ｂに供給するように望まれる電力のレベルに基づいて任意のタイプまたは任意の容量の電線とすることができる。電力ケーブル４１０、４２０ａ、および４２０ｂを、還元システムを動作させるための任意の共有電源または別個の電源に接続することができる。例えば、電力ケーブル４２０ａおよび４２０ｂに可変の電気的特性を与える調節可能な電源に、電力ケーブル４２０ａおよび４２０ｂを接続することができ、一方で、電力ケーブル４１０に等しい電流および／または電圧を供給する共有バスバー４２５に、複数の電力線４１０を各々接続することができる。例えば、バスバー４２５を、１つの電源およびＥＯＲＳ１０００の所与の側にある各電力ケーブル４１０に接続することができる。還元装置の外部部分にある１つまたは複数の受け皿４０５は、個々の電力ケーブル４１０、４２０ａ、および４２０ｂを分けるおよび／またはまとめることができる。

個々の電気接点４８０、４８５ａ、４８５ｂが、例の実施形態の電力供給システム４００内の個々の供給源から供給される電力を受けることができるという理由で、各モジュラアノードアセンブリとモジュラカソードアセンブリとの間で異なる電気的特性を有する例の実施形態の電力供給システム４００を含む還元システムを動作させることが可能である。例えば、それぞれアノード接点４８０およびカソード接点４８５ｂに電力を供給するケーブル４１０および４２０ｂを、等しいが反対のより高い電力／極性で動作させることができる。それぞれの接点４８５ｂおよび４８０に接続されたモジュラカソードアセンブリ１３００およびモジュラアノードアセンブリ１２００は、したがって等しい電力レベルで動作させることができ、バランスの取れた還元電位を供給することができる。すなわち、（電流の観点で決まる）実質的に等しい電流が４２０ｂへと流れ込み、４１０から流れ出るように、回路をモジュラカソードアセンブリとモジュラアノードアセンブリとの間で完結させることができる。電力ケーブル４２０ａへの電力を、二次電力レベル（例えば、２．３Ｖおよび２２５Ａ）で供給することができ、一方で、電力ケーブル４１０または４２０ｂに、反対の極性で一次レベル電力（例えば、２．４Ｖおよび９５０Ａ）を供給することができる。電力ケーブル４２０ａに供給する電力の極性を、電力ケーブル４１０に供給する極性と同じで、４２０ｂに供給する極性と反対にすることができる。このようにして、カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂは、異なる電力レベルを使用することができるモジュラカソードアセンブリの構成部品用に、カソードアセンブリ接点に接続されたモジュラカソードアセンブリに異なる電力レベルまたは反対の電力レベルを供給することができる。電解還元システムの反対側にあるマッチング電気システムまたは様々な電気システムを、類似の方式または異なる方式で動作させることができ、複数の電気接点を有するモジュラアセンブリに電力を供給することができる。下記の表１は、各接点および各接点への電力線についての電力供給の例を示し、任意の接点４８０、４８５ａ、および４８５ｂが、様々な個別に決められる電力レベルおよび／または反対の極性を供給することができることが理解される。

個々の電気接点４８０、４８５ａ、４８５ｂが例の実施形態の電力供給システム４００では個々の供給源から供給される電力を受けることができるという理由で、各モジュラアノードアセンブリとバスケットアセンブリとの間で異なる電気的特性を有する例の実施形態の電力供給システム４００を含む還元システムを動作させることが可能である。例えば、それぞれ、カソードアセンブリ接点４８５ａおよびカソードアセンブリ接点４８５ｂに電力を供給するケーブル４２０ａおよび４２０ｂを、反対の極性で動作させることができ、電解質を調整するためにカソードアセンブリ１３００の内部の二次回路として作動させることができる。同様に、接点４８５ａおよび４８５ｂを逆にすることができ、その結果、接点４８５ｂがカソードバスケットに二次アノード電力レベルを供給し、接点４８５ａがカソード電極板に一次カソード電力レベルを供給する。それぞれの接点４８５ａまたは４８５ｂおよび４８０を介してカソードアセンブリ１３００内に収容された材料を還元するために十分な一次電力レベルを、モジュラカソードアセンブリ１３００およびモジュラアノードアセンブリ１２００に供給することができる。電解還元システムの反対側にあるマッチング電気システムまたは様々な電気システムを、類似の方式または異なる方式で動作させることができ、複数の電気接点を有するモジュラアセンブリに電力を供給することができる。

図６は、例の実施形態のアノードアセンブリ２００説明図であり、アノードアセンブリ２００内でおよび例の実施形態の電力分配システム４００で使用可能な電気内部構成部品を示す。アセンブリ２００の内部での位置または向きに拘わらずアノードロッド２１０は、例の実施形態のモジュラアノードアセンブリ２００の電気システムによって電力を与えられる。例えば、電気システムは、アノードブロック２８６、スリップ接続部２８５、および１つまたは複数のアノードロッド２１０に電流および／または電圧を供給するバス２８０を含むことができる。図６に示した例では、アノードロッド２１０を、アノードブロック２８６中の挿入部または孔の中に接続するまたは据え付け、その結果、アノードブロック２８６とアノードロッド２１０との間の接触表面積を最大にする。アノードブロック２８６は、スリップ接続部２８５のところの横方向接点を介してバス２８０に電気的に接続される。アノードブロック２８６、スリップ接続部２８５、およびバス２８０を、チャネルフレーム２０１およびアノードガード（図示せず）とはそれぞれ絶縁することができる、および／またはそうでなければ電気的に接続しないことがある。例えば、図６に示したように、スリップ接続部２８５、アノードブロック２８６、およびバス２８０を、チャネルフレーム２０１からそれぞれ高くし、かつ分離する。これらの要素がチャネルフレーム２０１のところでアノードブロック２８６に接合するアノードロッド２１０などの他の帯電した構成部品と接触する場合、またはバス２８０のナイフエッジ接点がチャネルフレーム２０１を通って延伸する場合には、絶縁体を接点とチャネルフレーム２０１との間に挟むことができる。

スリップ接続部２８５は、アノードロッド２１０を移動させずにまたは結果として損傷させずに、アノードブロック２８６および／またはバス２８０の熱膨張を許容する。すなわち、アノードブロック２８６および／またはバス２８０は、横方向に電気的に接触したままで、スリップ接続部２８５内で相互に横方向に進み膨張するおよび／または収縮することができる。例の電気システムの各構成部品は、銅または鉄合金、等などの電気的に導電性の材料から製造される。任意の数の構成要素を、電気システムの内部で繰り返すことができる。例えば、アノード接点４８０（図３〜図５）の形式で対応する同期した電圧源に接続することができる例の実施形態のモジュラアノードアセンブリ２００のいずれかの端部のところで複数のバス２８０に各々を接続したままで、いくつかのアノードブロック２８６を、いくつかの対応するアノードロッド２１０に接続するように配置することができる。

チャネルフレーム２０１およびアノードガード（図示せず）とは絶縁された電気システムを、外部電源４８０（図３〜図５）にそれにも拘らず接続することができる。例えば、バス２８０は、チャネルフレーム２０１を貫通して延伸し、かつこれとは絶縁されたナイフエッジ接点を含むことができる。例の実施形態のモジュラアノードアセンブリ２００を設置することができる所定の位置のところでアノードアセンブリ接点４８０中のフォークタイプ電気接続部などのナイフエッジ受け部中へと、バス２８０のナイフエッジ接点を据えることができる。所望のレベルの別個の電流および／または電圧を、バス２８０、スリップ接続部２８５、およびアノードブロック２８６を介してアノードロッド２１０に供給することができ、その結果、アノードロッド２１０が還元システム内の酸素ガスに酸化電位を供給し／酸化物イオン酸化を行うことができる。例の実施形態のアセンブリ２００内の電気システムによって供給される電圧および／または電流を、やはり例の実施形態のアノードアセンブリ２００によって供給される場合があるシステムの物理的なパラメータおよび計測機器からのフィードバック、に基づいて、手動でまたは自動的に、例の実施形態のシステム４００（図３〜図５）に供給される電力により変えることができる。

電流または電圧のいずれかで測定した所望の電力レベルを、アノードアセンブリにアセンブリの電気システムを介して印加し、その結果、例の方法ではアノードアセンブリ内のアノードロッドを帯電させる。この帯電させることは、アノードロッドが、電解質と接触しながら、近くのカソード内の金属酸化物または電解質中で近くのカソードと接触している金属酸化物を減少させ、一方で、電解質中へと溶解した酸化物イオンを酸化させる。例の方法は、修理の必要性またはシステム構成の必要性に基づいて還元システムの内部のアセンブリのモジュラ部品またはアセンブリ全体をさらに交換することができ、可変量の還元した金属を生成することができ、ならびに／または所望の電力レベル、電解質温度、および／もしくはモジュラ構成に基づくいずれかの他のシステムパラメータで動作することができる、柔軟性のあるシステムを提供する。還元に続いて、還元した金属を取り出すことができ、還元した金属の個々の特性に基づいて様々な化学プロセスにおいて使用することができる。例えば、還元したウラン金属を、核燃料へと再処理することができる。

例の実施形態がこのように説明され、例の実施形態を、ありきたりの実験を介しておよびさらなる独創的な活動をせずに変えることができることが、当業者には認識されるであろう。例えば、電気接点を例の還元システムの一方の側のところに例の実施形態では図示しているが、他の数および構成の電気接点を、予想されるカソードアセンブリおよびアノードアセンブリの配置、電力レベル、必要な陽極酸化電位、等に基づいて使用することができることが、当然のことながら理解される。変形形態は、例の実施形態の精神および範囲から乖離するようには見なされず、当業者には明らかであるようなすべてのかかる変更は、別記の特許請求の範囲の範囲内に含まれるものとする。

２００ モジュラアノードアセンブリ
２０１ チャネルフレーム
２１０ アノードロッド
２８０ バス
２８５ スリップ接続部
２８６ アノードブロック
４００ 電力分配システム
４０５ （１つまたは複数の）受け皿
４１０ 電力ケーブル
４１５ 電気接続部
４２０ａ 電力ケーブル
４２０ｂ 電力ケーブル
４２５ 共有バスバー
４５０ 絶縁された据え付けアセンブリ
４８０ アノード接点
４８５ カソードアセンブリ接点
４８５ａ カソードアセンブリ接点
４８５ｂ カソードアセンブリ接点
１０００ 電解酸化物還元システム（ＥＯＲＳ）
１０５０ 電解質容器
１０５１ ヒータ
１１０４ 側面支持部
１１０５ リフトバー
１１０６ ガイドロッド
１１０８ 天板
１２００ アノードアセンブリ
１３００ モジュラカソードアセンブリ
１４００ バスバー
１４１０ 電力ケーブル
１４２０ カソード電力ケーブル
１４８０ 標準化された電気接点

Claims (8)

1. 電解質を収容する電解質容器と、
   前記電解質容器の上方に支持され、かつ前記電解質中へと延伸する少なくとも１つのモジュラカソードアセンブリと、
   前記モジュラカソードアセンブリの側にある少なくとも１つのモジュラアノードアセンブリと、
   複数のカソードアセンブリ電気接点であって、前記カソードアセンブリ電気接点の各々が、前記少なくとも１つのモジュラカソードアセンブリとの機械的かつ電気的な接続を可能にする同じ物理的構成を有する、複数のカソードアセンブリ電気接点と、
   複数のアノードアセンブリ電気接点であって、前記アノードアセンブリ電気接点の各々が、前記少なくとも１つのモジュラアノードアセンブリとの機械的かつ電気的な接続を可能にする同じ物理的構造を有する、複数のアノードアセンブリ電気接点と
   を備え、
   前記複数のカソードアセンブリ接点が、同じモジュラカソードアセンブリに電気的に接続するように構成された少なくとも２つのカソードアセンブリ接点を含み、
   前記少なくとも２つのカソードアセンブリ接点が、異なる電力レベルを供給するように構成された、
   電解酸化物還元システム。
2. 前記カソードアセンブリ電気接点のうちの少なくとも１つおよび前記アノードアセンブリ電気接点のうちの対応する１つが、前記モジュラアノードアセンブリおよび前記モジュラカソードアセンブリに極性が反対で絶対値が等しい電力を供給する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記モジュラアノードアセンブリが、
   アノードロッドが据えられ、かつ電気的に接続されるアノードブロックと、
   前記アノードブロックに電力を供給するバスと、
   前記バスに前記アノードブロックを電気的に結合するスリップジョイントと、
   を含む、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記バスが、前記アノードアセンブリ電気接点のうちの１つに電気的かつ機械的に接続するように前記モジュラアノードアセンブリチャネルフレームから延伸するナイフエッジ接点を含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記スリップジョイントが、第２の方向の少なくとも１つの他の横方向部材と電気的に接触したままで、各他の横方向部材に対して第１の方向に移動可能な複数の横方向部材を含む、請求項３または４に記載のシステム。
6. 前記複数のカソードアセンブリ電気接点および前記複数のアノードアセンブリ電気接点が、それぞれ、前記モジュラアノードアセンブリのうちの１つおよび前記モジュラカソードアセンブリのうちの１つからのナイフエッジ電気接点を機械的に受けるためにフォーク形状を有する、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
7. 戦記複数のカソードアセンブリ電気接点が、第１の電源に電気的に接続された第１のカソードアセンブリ接点と、第１の電源とは別個の第２の電源に電気的に接続された第２のカソードアセンブリ接点とを含む、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記複数のカソードアセンブリ電気接点および前記複数のアノードアセンブリ電気接点が、アノードアセンブリ接点のそれぞれに対して２つのカソードアセンブリ接点を含む、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。