JPH0375597A - 溶融塩電解精製装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、原子力発電所から発生する使用済金属燃料を
再処理して、使用済金属燃料中に含まれる有用な原子燃
料を濃縮・回収し、かつ不要な核分裂生成物を分離する
技術に関する。更に詳述すする。

（従来の技術） 従来、原子力発電所から発生する使用済金属燃料を再処
理して使用済金属燃料に含まれる有用な原子燃料成分を
濃縮・回収し、かつ不要な核分裂生成物を分離する技術
としては、例えば第４図に示すような溶融金属を陽極と
する溶融塩電解精製装置が用いられている。この溶融塩
電解精製装置は、溶融陽極金属１及び溶融塩電解質２を
内蔵する電解槽３と、適当な大きさに切断した使用済金
属燃料片４を収容し溶融陽極金属１中に浸漬させる多孔
性のかご状容器５と、溶融電解質２中に浸漬された陰極
６、電解槽３を加熱・保温するヒーター７と、電解槽３
の放熱を抑制する断熱材８と、陰極６及び陽極１に電気
を供給する導線９．１０と、電解槽３を被う蓋１１及び
溶融陽極金属１と溶融塩電解質２を撹拌する撹拌装置１
２とで構成されている。

この溶融塩電解精製装置は、例えば溶融陽極金属１とし
てカドミウムを、溶融塩電解質２として塩化物を用い、
かご状容器５に収納された使用済金属燃料片４からその
中に含まれる有用な原子燃料成分および不要な核分裂生
成物を溶融陽極カドミウム１に溶解するようにしている
。このとき、被覆管の材料成分および不要な核分裂生成
物成分のうち溶融陽極カドミウム１に対して溶解度の低
い物質（例えば鉄、クロム、モリブデン等）は溶解せず
に残滓として残る。更に、溶融陽極カドミウム１に溶解
した有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成物のう
ち、塩化物生成自由エネルギーの絶対値が大きい物質即
ち塩化物になり易い物質（例えば、バリウム、カリウム
、ナトリウム、セリウム、ネオジウム、キュリウム、プ
ルトニウム、ウラニウム、ジルコニウム等）は酸化され
て溶融陽極カドミウム１から溶は出し溶融塩電解質２中
で塩化物となる。逆に溶融陽極カドミウム１に溶解した
有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成物のうち、
塩化物生成自由エネルギーの絶対値が小さい物質即ち塩
化物になり難い物質（例えば、ロジウム、パラジウム等
）は、酸化されず溶融陽極カドミウム１中に残留する。

一方、溶融塩電解質２中の陰極６と溶融陽極カドミウム
ｌとの間に通電すると溶融陽極カドミウム１から溶は出
し溶融塩電解質２中で塩化物となっている有用な原子燃
料成分および不要な核分裂生成物成分のうち塩化物生成
自由エネルギーの絶対値が小さい物質即ち塩化物になり
難い物質（例えば、キュリウム、プルトニウム、ウラニ
ウム、ジルコニウム等）は還元されて′＃Ｒｆ！６の表
面に析出する。逆に壕化物生成自由エネルギーの絶対値
が大きい物質即ち塩化物になり易い物質（例えば、バリ
ウム、カリウム、ナトリウム、セリウム、ネオジウム等
）は還元されずそのまま溶融塩電解質２中に塩化物とし
て残留する。このとき塩化物生成自由エネルギーに対応
した電位を電極に印加することによって陰ｆ！６の表面
に析出する物質２５の種類を制御することができる。斯
くして有用な原子燃料成分と不要な核分裂生成物とか混
合された状態で含まれている使用済金属燃料からプルト
ニウム、ウラニウム、ジルコニウム等の有用な原子燃料
成分のみを濃縮・回収できる。

しかし、これによると、使用済金属燃料片４がらその中
に含まれる有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成
物を溶融陽極カドミウム１に溶解させるため、その溶解
速度が一般に固体を液体に溶解する場合と同様に使用済
金属燃料に含まれる有用な原子燃料成分および不要な核
分裂生成物の溶融陽極カドミウム中における拡散係数と
濃度勾配の関数として決定される。そのため、溶融陽極
カドミウム１を十分に撹拌し溶解中の使用済金属燃料４
の周囲の有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成物
の濃度をできるだけ下げて使用済金属燃料の表面の濃度
勾配を大きくする工夫や、操業温度を上げて拡散係数を
大きくする工夫がなされている。しかし、操業温度は他
の条件も考慮する必要があるためにむやみに上げること
ができず、また濃度差も溶解開始直後の濃度ゼロの時の
濃度勾配が最大である。したがって、溶解速度には限界
があり、それが操業の速度を撹拌する場合には何らかの
工夫が必要となる。

そこで、一つの対策として、陽極溶解法の応用が考えら
れる。陽極溶解法を応用した溶融塩電解Ｍ製装置は第５
図に示されるように、溶融塩電解質２中に使用済金属燃
料片４を収めたがご状容器１３と、陰極６とを配置し、
かご状容器１３と溶融金属ｌとの間及び陰極６と溶融金
属１との間に選択的に通電するようにしている。尚、図
中符号９．１０．１４は導線、１５及び１６はスイッチ
であり、第４図と同一符号を付すものは同一部材、構成
を示すものであって説明を省く。

この陽極溶解法を応用した溶融塩電解法は、例えばかご
状容器１３に使用済金属燃料片４を収納して溶融塩電解
質２の層に陰極６共ども浸漬し、スイッチ１５を閉じる
ことによって使用済金属燃料片４と溶融カドミウム１と
の間に通電し、使用済金属燃料片４に正の電位を、溶融
カドミウムに負の電位を印加する。このときスイッチ１
６は開かれており、陰極６は電気的に中性とされている
。

この場合、溶融塩電解質２には使用済金属燃料に含まれ
る有用な原子燃料成分の塩化物をあらかじめ混合してお
く。この結果、使用済金属燃料片４に含まれる有用な原
子燃料成分および不要な核分裂生成物は電気的に酸化さ
れて溶融塩化物電解質２中に塩化物として溶は出す。そ
して、更にこれら有用な原子燃料成分および不要な核分
裂生成物は、陰極たる溶融カドミウム１で還元され、金
属状態で溶融カドミウム１中に溶解分散する。この結果
、前述の通常溶解法によって、使用済金属燃料片４に含
まれる有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成物を
陽極カドミウム中に溶解する場合と同じ状態が達成され
る。次に陰極６と溶融カドミウム１との間に溶融カドミ
ウム１を陽極として通電し、溶融カドミウム１中に溶解
していた有用な原子燃料成分及び不要な核分裂生成物を
再び溶融電解質２中に取込み、有用な原子燃料成分のみ
を陰極６に析出させる。この手順を繰返し有用な成分を
回収する。この陽極溶解法を応用した溶融塩電解法の場
合では電気的に強制的に溶解させるために溶解速度を大
きくできる利点があり、また通常溶解法では陽極カドミ
ウム１中に高々飽和濃度までしか溶解できないのに対し
て、このＭ＆溶解法を応用した溶融塩電解法の場合では
過飽和状態まで送り込むことができる利点もある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、陽極溶解法を応用した溶融塩電解法の場
合、電気的酸化によって使用済金属燃料片から溶融塩電
解質中に一旦溶かされた有用な原子燃料成分および不要
な核分裂生成物を更に還元によって溶融陰極金属例えば
溶融カドミウムに溶解する工程と、溶融金属に溶解した
有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成物を再度溶
融塩電解質中に酸化し更に有用な原子燃料成分のみを陰
極に析出させる工程を時間的に別々に分けて操業する必
要があり、操業時間が長くなるという問題がある。また
、使用済金属燃料片に含まれる有用な原子燃料成分およ
び不要な核分裂生成物を溶融陰極金属に溶解する工程で
還元されずに溶融塩中に残留する不要な核分裂生成物〈
例えば、セリウム等）が有用な原子燃料成分のみを陰極
に析出させる次の工程で分離できず、有用な原子燃料成
分に随伴して析出するという問題がある。

本発明は、使用済金属燃料の乾式再処理の電解精製工程
における処理速度を向上させ、有用な原子燃料成分に不
要な核分裂生成物が随伴して析出することがない溶融塩
電解Ｍ製装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） かかる目的を達成するため、本発明は不純物を含んだ使
用済金属燃料を再処理する溶融塩電解精製装置において
、電解槽の下部にある溶融金属相を共通にして上部の溶
融塩相を電気絶縁性隔壁で使用済金属燃料を浸漬するも
のと陰極を浸漬するものとの２槽に分割する一方、使用
済金属に対しては溶融金属相が陰極になり、かつこの溶
融金属相は溶融塩電解質中の陰極に対しては陽極となる
ように通電し、使用済金属燃料のｌ［ｉ極溶解と、精製
金属燃料の陰極への電析回収とを同時に行なうようにし
ている。

（作用） したがって、使用済金属燃料片に含まれる有用な原子燃
料成分および不要な核分裂生成物は電気的に酸化されて
溶融塩相中に塩化物として溶は出す、この塩化物として
溶は出した有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成
物は使用済金属燃料の周囲の溶融塩相に対して陰極とな
る溶融金属相で還元され、金属状態で溶融金属相中に溶
解分散する。この溶融金属相に溶解した有用な原子燃料
成分および不要な核分裂生成物のうち、塩化物生成自由
エネルギーの絶対値が大きい物質即ち塩化物になりやす
い物質は、酸化されて溶融金属相から溶は出し陰極の周
囲の溶融塩相中で塩化物となる。また溶融金属相に溶解
したもののうち、塩化物生成自由エネルギーの絶対値が
小さい物質即ち塩化物になりにくい物質は、酸化されず
溶融金属相中に残留する。一方、酸化されて溶融金属相
から溶は出し陰極周囲の溶融塩相中で塩化物となってい
る有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成成分のう
ち、塩化物生成自由エネルギーの絶対値が小さい物質即
ち塩化物になり難い物質は還元されて陰極の表面に析出
する０反面、塩化物生成自由エネルギーの絶対値が大き
い物質即ち塩化物になりやすい物質は還元されずそのま
ま溶融塩相中に塩化物として残留する。

（実賄例） 以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳細
に説明する。

第１図に本発明の溶融塩電解精製装置の原理を示す、こ
の溶融塩電解精製装置は、溶融金属１と、陽極溶解工程
に使用する溶融塩電解質２ａと、電析回収工程に使用す
る溶融塩電解質２ｂと、その溶融陽極金属１および溶融
塩電解質２ａおよび２ｂを電気的に分離して内蔵するた
めの絶縁物でできた隔壁２０を有する電解槽３と、被覆
管に覆われたままあるいは被覆管を取り除いて適当な大
きさに切断した使用済金属燃料片４を収容するかご状容
器１３と、陰極６と、電解槽３を加熱・保温するヒータ
ー７と、電解槽３の放熱を抑制する断熱材８と、導線９
，１０．１４と、電流を断続するスイッチ１５および１
６、電源１７．１８と、電解槽３を被う蓋１１、溶融陽
極金属１と、溶融塩電解質２ａ、２ｂを撹拌する撹拌装
置１２とで構成され、使用済金属４に対しては溶融金属
相１が陰極になり、かつこの溶融金属相１は溶融塩電解
質２ｂ中の陰極６に対しては陽極となるように通電され
る。

溶融金属１としては、例えばカドミウム、ビスマス、鉛
、すす、亜鉛等が挙げられ、カドミウムの使用が最も好
ましい、また、溶融塩電解質２ａ。

２ｂとしては、例えばＣａＣｆｆ１２−ＢａＣｊ！２−
ＬｌＣｊｌ−ＫＣｌやＫＣｊ！　　ＬｌＣｊｌ−ＮａＣ
ｊ！等の塩化物系溶融塩が挙げられ、ＫＣｌ−Ｌ　ｉ　
Ｃ１−Ｎａ０党の使用が好ましい。

かご状容器１３は収容する使用済金属燃料片４が外部に
出ないような大きさの多数の孔を有する金網あるいは多
孔板等でできた導電性の容器であり、溶融塩電解質２ａ
中に浸漬されている。また、陰極６は、例えば電気伝導
性のある固体あるいは電気的に絶縁体である材料ででき
た容器にいれられた溶融金属で構成され、溶融塩電解質
２ｂに浸漬されている。尚、第１図では固体陰極６が示
されている。この第１図中に示すように、電気絶縁性隔
壁２０によって溶融塩電解質相２を陽極溶解工程に使用
する溶融塩電解質相２ａと電析回収工程に使用する溶融
塩電解質２ｂとの２つに分け、下層の溶融金属相１を共
・用するように設けられている。

この溶融塩電解精製装置を更に具体的にしたものを第２
図及び第３図に示す、この溶融塩電解精製装置は、溶解
槽３の￥１１１に移送用キャスク２１が着脱自在に装着
されており、かご状容器１３および陰Ｉｆ！６を移送用
キャスク２１ごと出入れ自在に設けられている。また、
溶解槽３は環状の電気絶縁性隔壁２０によって使用済燃
料４を浸漬する溶融塩電解質２ａと陰極６を浸漬する溶
融塩電解質２ｂとを分離して収容するように設けられ、
かつ底部の溶融金属相１ｓ分を共通させるように設けら
れている。溶解槽３の底部は中央に残留物が集められる
ように円錐面とされ、その中央に接続された排出管２２
によって残留物を排出し得るように設けられている。尚
、図中符号２３はバッフル板、２４はかご状容器工３あ
るいは陰極６を移送用キャスク２１内に引込んだり移送
用キャスク２１から繰出す出し入れ装置である。

斯様に構成された溶融塩電解装置において、溶融陽極金
属１としてカドミウムを、溶融塩電解質２ａおよび２ｂ
として塩化物を用いた場合を例にとって本発明の使用済
燃料の再処理を説明する６かご状容器１３に使用済金属
燃料片４を収納し、スイッチ１５．１６を閉じることに
よって使用済金属に対しては溶融金属相が陰極になり、
かつこの溶融金属相は溶融塩電解質中の陰極に対しては
Ｆｎ極となるように通電する。このとき、溶融塩電解質
２ａに使用済金属燃料４に含まれる有用な原子燃料成分
の塩化物を予め混合しておく、この結果、かご状容器１
３に収納された使用済金属燃料片４に含まれる有用な原
子燃料成分および不要な核分裂生成物が電気的に酸化さ
れて溶融塩化物電解質２ａ中に塩化物として溶は出す、
一方、溶融塩化物電解質２ａに塩化物として溶は出した
有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成物は溶融カ
ドミウム１（陰極）で還元され、金属状態で溶融カドミ
ウム１中に溶解分散する。この結果、適正な電圧を印加
することによって、被覆管の材料成分および不要な核分
裂生成物成分のうち、例えば鉄、クロム、モリブデン等
は溶解させずに残滓として残すことができる。また、例
えばセリウム等の卑な物質は溶融塩化物電解質２ａ中に
塩化物として残留する。更に例えば、バリウム、カリウ
ム、ナトリウム、ネオジウム、キュリウム、プルトニウ
ム、ウラニウム、ジルコニウム等の有用な原子燃料成分
および不要な核分裂生成物の成分を：／ｌｊ融カドミウ
ム１中に過飽和状態まで溶解することができる。

同時に、溶融塩電解質２ｂ中の陰極６に対しては陽極と
なる溶融カドミウム１に溶解した有用な原子燃料成分お
よび不要な核分裂生成物のうち、塩化物生成自由エネル
ギーの絶対値が大きい即ち塩化物になりやすい物質例え
ば、バリウム、カリウム、ナトリウム、ネオジウム、キ
ュリウム、プルトニウム、ウラニウム、ジルコニウム等
は酸化されて溶融カドミウム１から溶は出し溶融塩電解
質２ｂ中で塩化物となる。また、溶融カドミウム１に溶
解した有用な原子燃料成分および不要な核分裂生成物の
うち、塩化物生成自由エネルギーの絶対値が小さい物質
即ち塩化物になり難い物質間えば、ロジウム、パラジウ
ム等は、酸化されず溶融陽極カドミウム１中に残留する
。更に前記の酸化されて溶融カドミウム１から溶は出し
溶融塩電解質２ｂ中で塩化物となっている有用な原子燃
料成分および不要な核分裂生成物成分のうち塩化物生成
自由エネルギーの絶対値が小さい物質即ち塩化物になり
難い物質例えば、キュリウム、プルトニウム、ウラニウ
ム、ジルコニウム等は還元されて陰ｔｆ、６の表面に析
出する。そして、塩化物生成自由エネルギーの絶対値が
大きい物質即ち塩化物になりやすい物質例えば、バリウ
ム、カリウム、ナトリウム、ネオジウム等は還元されず
そのまま溶融塩電解質２中に塩化物として残留する。こ
のとき塩化物生成自由エネルギーに対応した電位を！極
に印加することによって陰極６の表面に析出する物質２
５の種類を制御することができる。したがって、有用な
原子燃料成分と不要な核分裂生成物とが混合された状態
で含まれている使用済金属燃料からプルトニウム、ウラ
ニウム、ジルコニウム等の有用な原子燃料成分のみを：
ａＷＩ・回収できる。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明の溶融塩電解精
製装置は、陽極溶解工程と電析回収工程とを同時に進行
可能にしたので、従来の溶融塩電解精製装置と陽極溶解
法とを組合せた場合より、操業時間を大幅に短縮するこ
とができるし、またセリウムなどのような不要な核分裂
生成物のうち多量に発生し電解精製における溶融塩の寿
命を短くし、かつ有用な原子燃料成分の分離回収を妨げ
るような物質を電解工程から分離することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶融塩電解精製装置の原理図、第２図
は本発明の溶融塩電解精製装置の具体例を示す平面図、
第３図は第２図のＩ−Ｉ線断面図、第４図は従来の溶融
塩電解精製装置の原理図、第５図は陽［ｉ溶解法を応用
した従来の溶融塩電解精製装置の原理図である。 １・・・溶融金属相、 ２・・・溶融塩電解質相、 ２ａ・・・使用済金属燃料周囲の溶融塩電解質、２ｂ・
・・陰極周囲の溶融塩電解質、 ３・・・電解槽、 ４・・・使用済金属燃料片、 ６・・・陰極、 １３・・・かご状容器、 ２０・・・隔壁、 ２５・・・析出した有用な原子燃料成分。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 不純物を含んだ使用済金属燃料を再処理する溶融塩電解
   精製装置において、電解槽の下部にある溶融金属相を共
   通にして上部の溶融塩相を電気絶縁性隔壁で使用済燃料
   を浸漬するものと陰極を浸漬するものとの２槽に分割す
   る一方、使用済金属に対しては溶融金属相が陰極になり
   、かつこの溶融金属相は溶融塩電解質中の陰極に対して
   は陽極となるように通電し、使用済金属燃料の陽極溶解
   と、精製金属燃料の陰極への電析回収とを同時に行なう
   ことを特徴とする溶融塩電解精製装置。