JPH0559463A - アクチノイド金属の製造法 - Google Patents

アクチノイド金属の製造法

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JPH0559463A
JPH0559463A JP3298595A JP29859591A JPH0559463A JP H0559463 A JPH0559463 A JP H0559463A JP 3298595 A JP3298595 A JP 3298595A JP 29859591 A JP29859591 A JP 29859591A JP H0559463 A JPH0559463 A JP H0559463A
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JP
Japan
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actinide
metal
nitride
production
actinoid
Prior art date
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JP3298595A
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English (en)
Inventor
Muneo Handa
宗男 半田
Takashi Iwai
孝 岩井
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Japan Atomic Energy Agency
Original Assignee
Japan Atomic Energy Research Institute
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Publication date
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  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【発明の名称】 アクチノイド金属の製造法 〔目的〕製造工程においてアルファ放射性プロセス廃棄
物を生成することのないアクチノイド金属の製造方法を
提供する。 〔構成〕アクチノイド酸化物を出発物質とし、これに炭
素粉末を混合してグリーンペレットを形成し、このペレ
ットをアルゴン等の不活性ガス−窒素ガス及び不活性ガ
ス−水素ガスの混合気流中で1300℃以上の高温に加
熱して、アクチノイド窒化物を製造し、この窒化物を塩
化ナトリウム、塩化リチウム等の溶融塩中で電解精製を
行う。これらの2段階の反応工程は、いずれもアルファ
放射性プロセス廃棄物を発生しない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアクチノイド金属の製造
法に関する。詳しくは、本発明はアルファ放射性プロセ
ス廃棄物を発生しないアクチノイド金属の製造方法に関
する。
【0002】原子番号89番のアクチニウムから同10
3番のローレシウムまでの15元素は、元素周期律表
で、III族、第7周期の同一場所に属し、アクチノイ
ド元素と呼ばれている。この中には、トリウム、ウラ
ン、プルトニウム等の原子炉燃料として有用な元素が含
まれている。これらの元素は、原子炉燃料としては、金
属、酸化物、炭化物、窒化物、ケイ化物等の化学形で用
いられている。通常、鉱物から種々の方法で精練され
て、最終的には、化学的に最も安定な酸化物の形で取り
出される。
【0003】本発明は、この酸化物を、熱伝導度が最も
大きく、かつ、核分裂性物質密度も高く、高速増殖炉、
アクチノイド専焼炉等の燃料として非常に優れた特性を
有する金属に転換する方法に関するものである。
【0004】
【従来の技術】アクチノイド金属の製造法としては、従
来、表1の文献1−5に記載されたハロゲン化物還元
法、酸化物還元法、炭化物還元法、ファンアルケル法
(ヨウ化物法)及び炭化物の溶融塩電解精製又はハロゲ
ン化物の溶融電解法がある。以下これについて説明す
る。
【0005】(1)ハロゲン化物還元法 アクチノイド酸化物とフッ素ガス、塩化ガス、フッ酸、
塩酸を反応させて、次式によりAnX、AnXに転
換する(ここに、Anはアクチノイド、XはF(フッ
素)、またはCl(塩素)等のハロゲン元素である。)
(アクチノイド元素の原子価はIII価及びIV価が安
定であるので、代表的反応式のみを示す。以下について
も同じ。)
【化1】
【化2】 得られたハロゲン化物を次式により活性な金属で還元す
る。
【化3】
【化4】 この方法の特徴は、原料のハロゲン化物及び反応生成物
の融点が比較的低いために反応を低温度で行うことがで
きることであり、ほとんどのアクチノイド金属の製造に
利用されているが、1モルのアクチノイド金属の製造で
2−3モルのアルファ放射性プロセス廃棄物を発生する
欠点がある。
【0006】(2)酸化物還元法 最も汎用的に用いられている方法で、マイクログラムか
らキログラム量のアクチノイド金属の製造に利用されて
いる。
【化5】
【化6】
【化7】 反応式(5)及び(6)では、生成したアクチノイド金
属を蒸発させてその他の反応生成物と分離する。どちら
の反応を利用するかは、アクチノイド金属の蒸気圧によ
る。アクチノイド金属1モルの製造で、0.5−2モル
のアルファ廃棄物を発生する。これらの方法は少量の金
属製造に利用されている。反応式(7)は、大規模で大
量のアクチノイド金属の製造に適しており、特にプルト
ニウム金属の製造において実用化されている。この方法
は、酸化物直接還元法(Direct Oxide R
eduction Method)と呼ばれている。反
応は塩化カルシウム溶融塩中で行われ、反応生成物の酸
化カルシウムは、塩化カルシウム中に約20%まで溶解
する。従って、1モルのプルトニウム金属の製造で約1
1モルの混合酸化カルシウム−塩化カルシウムのアルフ
ァ放射性プロセス廃棄物を発生する。
【0007】(3)炭化物還元法 アクチノイド酸化物と炭素粉末の混合物を、真空中で高
温に加熱する炭素熱還元法で、アクチノイド炭化物を製
造する。この炭化物をアクチノイド炭化物よりも安定な
炭化物を生成するタンタル金属で還元する。得られたア
クチノイド金属は、反応生成物から蒸発して分離され
る。
【化8】
【化9】 この方法は、少量のアクチノイド金属の製造に利用され
ているが、1モルのアクチノイド金属の製造で1モルの
アルファ放射性プロセス廃棄物炭化タンタルを発生す
る。
【0008】(4)ヨウ化物法 初めに、アクチノイド炭化物とヨウ素を反応させて、ア
クチノイドヨウ化物を製造する。次に、得られたヨウ化
物を加熱分解させて金属を得る。
【化10】
【化11】 この方法の適用は、安定なヨウ化物を形成するプロトア
クチニウム、トリウム等の一部のアクチノイド金属の製
造に限定される。アクチノイド金属1モルの製造により
1モルのアルファ放射性プロセス廃棄物炭素を生成す
る。
【0009】(5)炭化物の溶融塩電解精製又はフッ化
物の電解法 アクチノイド炭化物を塩化ナトリウム等の溶融塩中で電
解精製することによりアクチノイド金属を製造すること
ができる。
【化12】 アルファ放射性プロセス廃棄物炭素1モルを生成する。
アクチノイドハロゲン化物を溶融塩電解することにより
アクチノイド金属を化学反応的には製造することが考え
られ、かつ、プロセス廃棄物の発生もないが、溶融塩及
びハロゲンガスの共存下では、高温で使用可能なルツボ
材料がなく、実用化されていない。
【化13】 以上に記載のごとく、従来報告されたアクチノイド金属
の製造法は、反応に伴って、アルファ放射能を有するプ
ロセス廃棄物を生成するという問題点がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】多くのアクチノイド核
種は、非常に強いアルファ放射能を有しており、かつ、
半減期も長い(例えば、239Puは2万年、237
pは2百万年、243Amは7千年)。このため、アク
チノイド金属の製造によって発生したアルファ放射性プ
ロセス廃棄物を人間の生活圏から隔離して安全に管理、
保管するためには、多大の費用を必要とする。本発明の
目的は、製造の工程においてアルファ放射性プロセス廃
棄物を生成しないアクチノイド金属の製造方法を提供す
ることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本願発明者は、この目的
達成のため鋭意研究の結果、アクチノイド酸化物を出発
物質として、これに炭素粉末を混合してグリーンペレッ
トを形成し、このペレットをアルゴンガス等の不活性ガ
ス−窒素ガス及び不活性ガス−水素ガスの混合気流中で
1300℃以上の高温に加熱して、アクチノイド窒化物
を製造する工程及びこのアクチノイド窒化物を、塩化ナ
トリウム、塩化リチウム等の溶融塩中で電解精製を行う
工程においては、いずれもプロセス廃棄物を発生しない
ことを見出し、この知見に基づいて、本願発明に到達し
た。
【0012】プルトニウム窒化物及び電解精製の反応式
は次の通りである。二つの反応の生成物は、一酸化炭素
ガスと窒素ガスのみであり、これらのガスは高性能のフ
イルターでロ過することにより容易に処理することがで
きる。固体状のアルファ放射性プロセス廃棄物の発生は
ない。
【化14】 陽極反応
【化15】 陰極反応
【化16】 正味の反応
【化17】
【0013】これまで報告されているアクチノイド金属
の製造法では、アクチノイド金属の生産量の0.5−1
0倍のアルファ放射性プロセス廃棄物が発生する。本発
明のアクチノイド金属の製造法では、装置の清掃時に使
用するウエス等の廃棄物の発生は認められるが、アクチ
ノイド金属の製造に伴うアルファ放射性プロセス廃棄物
の発生はない。このため、アクチノイド金属製造時のア
ルファ放射性プロセス廃棄物の発生量を1/10−1/
100に低減することができる。この低減による廃棄物
の処理及び保管管理費用の節減は計り知れない程大き
い。
【0014】
【実施例】アクチノイドの炭化物と窒化物は、結晶構
造、化学結合、核分裂性物質密度、熱伝導度、熱力学関
数の生成自由エネルギー、融点、化学的性質等において
極めて類似した特性を有している。本発明における最初
の反応であるウラン、プルトニウム混合窒化物の製造に
ついては、これまでに、高速炉用新型燃料としての製造
が詳細に行われており、多くの報告と実績がある。(表
1の文献6−7)。本発明における第2段階の反応であ
る電解精製については、ウラン炭化物に関しての報告は
あるが(表1の文献8参照)、窒化物についての報告は
ない。本願発明において使用したウラン窒化物の電解精
製の装置及び実験条件を、それぞれ図1及び表2に示
す。溶融塩電解精製は約800℃の高温で行われるた
め、その反応速度は、水溶液中の電解反応速度に比較し
て、一般に10倍程度速く、しかも800℃程度の温度
であるので使用するルツボ材にも問題はなく、本発明は
技術的にも容易に実施することができる。
【0015】
【発明の効果】本発明により、アクチノイド金属を安価
で製造する技術が確立され、現在原子力の燃料サイクル
において技術的に今後開発が必要とされているバックエ
ンドの経済性確立に大きく貢献することが期待される。
すなわち、高速炉金属燃料サイクルの導入により、発電
のみならず超長寿命核種を有するアクチノイド核種の原
子炉での消滅処理技術の経済性に大きなインパクトを与
えることが期待される。さらに、これまで日本ではほと
んど行われていないマイナーアクチノイド金属(ネプツ
ニウム、アメリシウム、キュリウム等)の科学的研究も
加速されることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明における窒化ウランの電解精製装置の
概要説明図である。
【符号の説明】
1 電気炉 2 パイレックス容器 3 電解セル容器 4 セラミックス管 5 熱電対 6 黒鉛棒(陽極) 7 モリブデン棒(陰極) 8 金属棒 9 ゴム栓 10 不活性ガス入口 11 不活性ガス出口 12 窒化ウラン 13 溶融塩バス 14 陽極に析出したウラン金属
【表1】
【表2】
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成3年10月21日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0004
【補正方法】変更
【補正内容】
【0004】
【従来の技術】アクチノイド金属の製造法としては、従
来、表1の文献1−5に記載されたハロゲン化物還元
法、酸化物還元法、炭化物還元法、ファンアルケル法
(ヨウ化物法)及び炭化物の溶融塩電解精製又はハロゲ
ン化物溶融電解法がある。 以下これについて説明する。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0014
【補正方法】変更
【補正内容】
【0014】
【実施例】本発明における最初の反応であるウラン、プ
ルトニウム混合窒化物の製造については、これまでに、
高速炉用新型燃料としての製造が詳細に行われており、
多くの報告と実験がある(表2の文献1−2)。 本発明における第2段階の反応であるウラン窒化物の電
解精製について、装置及び実験条件をそれぞれ図1及び
表3に示す。
【図1】
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0015
【補正方法】変更
【補正内容】
【0015】
【発明の効果】本発明により、アクチノイド金属を安価
で製造する技術が確立され、現在原子力の燃料サイクル
において技術的に今後開発が必要とされているバックエ
ンドの経済性確立に大きく貢献することが期待される。
すなわち、高速炉金属燃料サイクルの導入により、発電
のみならず超長寿命核種を有するアクチノイド核種の原
子炉での消滅処理技術の経済性に大きなインパクトを与
えることが期待される。さらに、これまで日本ではほと
んど行われていないマイナ−アクチノイド金属(ネプツ
ニウム、アメリシウム、キュリウム等)の科学的研究も
加速されることが期待される。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【符号の説明】 1 電気炉 2 石英ガラス容器 3 電解セル容器(アルミナ) 4 セラミックス管 5 熱電対 6 黒鉛棒 7 モリブデン棒(陰極) 8 金属棒 9 ゴム栓 10 不活性ガス入口 11 不活性ガス出口 12 窒化ウラン 13 溶融塩バス 14 陰極に析出したウラン金属 15 すり合わせ
【手続補正5】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アクチノイド酸化物及び炭素粉末を機械的
    に混合した後、これをグリーンペレットに形成し、不活
    性ガス−窒素ガス及び不活性ガス−水素ガスの混合気流
    中において1300℃以上の高温に加熱してアクチノイ
    ド窒化物を合成し、得られたアクチノイド窒化物を塩化
    カルシウム、塩化ナトリウム等の溶融塩中で電解精製す
    ることから成るアルファ放射性プロセス廃棄物を発生し
    ないアクチノイド金属の製造法。
JP3298595A 1991-08-30 1991-08-30 アクチノイド金属の製造法 Pending JPH0559463A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9845542B2 (en) 2012-06-15 2017-12-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Method of recovering nuclear fuel material

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9845542B2 (en) 2012-06-15 2017-12-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Method of recovering nuclear fuel material
US10323330B2 (en) 2012-06-15 2019-06-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Method of recovering nuclear fuel material

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Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Effective date: 20040120

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02