JPH09178888A - 核燃料物質の回収方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトな形状で、かつ臨界安全管理上問
題を生じることがなく、使用済核燃料から有用な金属元
素を連続的に回収する。 【解決手段】 傾斜した底面１１ａに沿って少なくとも
５室からなる反応室１５ａ〜１５ｅを有し臨界にならな
い厚さを有する回収槽１１に塩化物支持塩を貯留し、最
上位の反応室に使用済核燃料酸化物を供給し、上位に位
置する反応室で放射性金属を塩化物溶融塩中の反応物質
と反応させて塩化物に転換し、次に位置する反応室で電
極に放射性金属酸化物を析出回収し、次に位置する反応
室で塩素ガスと一酸化炭素ガスを塩化物溶融塩に吹き込
んで残存する酸化物イオンを金属イオン化し、次に位置
する反応室で金属イオン化した放射性物質を溶融塩電解
して陰極の第１溶融金属に析出回収し、最下位に位置す
る反応室で還元剤を混合して溶融塩中に残存する金属イ
オンを第２溶融金属に還元抽出回収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、乾式再処理装置に
おける核燃料物質の回収方法及びその装置に関する。更
に詳しくは、使用済核燃料からウラン、プルトニウム等
の有用金属を連続的に回収する方法及び装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、使用済核燃料の再処理では、未燃
焼の核分裂性物質や新しく生成した核分裂性物質を分離
回収するために、いわゆる湿式法と呼ばれる再処理が行
われている。湿式法における前処理工程においては「剪
断リーチ法」が一般的に行われている。この剪断リーチ
法は剪断刃により使用済核燃料棒を燃料集合体の状態で
その直径方向に被覆管ごと数ｃｍの長さに切断してその
まま高温度の濃硝酸溶液中に入れ、核燃料を浸出溶解さ
せる方法である。硝酸溶液に溶解した後はいわゆる「ピ
ュレックス法」と呼ばれる溶媒抽出法で、有機溶媒への
溶解度の違いによりウランやプルトニウムを分離回収し
ている。一方、近年においては電気分解の原理を利用し
た乾式法と呼ばれる再処理技術が開発されつつある。こ
の乾式法では使用済核燃料を塩化物に転換し、この塩化
物を溶融した溶融塩浴の中で電気化学的に精製してい
る。この乾式法は従来の湿式法に比較して水を使用せ
ず、従って設備をコンパクト化できるとともに、廃液の
発生もなくすことができる利点があり、使用済核燃料か
らウランとプルトニウムを低除染で分離することができ
るため、核拡散抵抗性が高いといわれている。

【０００３】例えば、使用済核燃料を塩素化し、溶融塩
電解法によって金属として回収する方法が米国アルゴン
ヌ研究所やロシア原子炉科学研究所（ＲＩＡＲ）で行わ
れている。米国アルゴンヌ研究所における溶融塩電解法
は金属製の容器を使用し、使用済核燃料を金属還元し、
還元した金属からウランを回収し、その後継続して更に
プルトニウム等の核燃料物質をバッチ操作により回収し
ている（常磐井 守恭，”ＦＢＲ金属燃料の乾式再処理
技術”，原子力工学 第３４巻 第１２号 第４６〜６０
頁）。また、ロシア原子炉科学研究所（ＲＩＡＲ）で行
われている溶融塩電解法はバッチ型のるつぼを使用して
使用済核燃料を塩素化し、オキシクロライド化合物を生
成させ、溶融塩中に溶解させる。次に、電気分解によっ
て溶融塩中にとけ込んだウラン化合物イオンを電極上に
回収する。ウランが回収された溶融塩には塩素ガス及び
酸素の混合ガスが吹き込まれ、プルトニウムを沈殿析出
させている（神山弘章，”ロシアにおける高温電気化学
再処理技術”，電気化学 第４０巻 第３１〜３９頁）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、米国ア
ルゴンヌ研究所における溶融塩電解法及びロシア原子炉
科学研究所（ＲＩＡＲ）で行われている溶融塩電解法で
は双方ともにバッチ処理を前提としており、これを連続
処理法とするためには処理装置を最低２基設け、これら
を交互に切換えて使用するなどの工夫が必要である。こ
のように２基の処理装置を切換えて使用する場合には切
換え操作等の運転コントロールが煩雑なるなどの問題点
がある。また、核燃料を取扱う装置は核燃料の臨界安全
管理上、核燃料の取扱量や装置の大きさ、厚み、幅等の
寸法や形状に制限があり、バッチ型の処理ではその処理
能力に限界がある。本発明の目的は、コンパクトな形状
で、かつ臨界安全管理上問題を生じることがない核燃料
物質の回収方法及びその装置を提供することにある。本
発明の別の目的は、使用済核燃料から有用な金属元素を
連続的に回収する核燃料物質の回収方法及びその装置を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、傾斜した底面１１ａに沿って少なく
とも５室からなる反応室１５ａ〜１５ｅを有し貯えた核
燃料が臨界にならない厚さを有する平板状に密閉して形
成された回収槽１１に反応媒体である塩化物支持塩を溶
融塩として貯留し、最上位に位置する反応室１５ａより
使用済核燃料酸化物を供給し、最上位に位置する反応室
１５ａを含む上位に位置する反応室１５ａで順次酸化物
中の放射性金属を塩化物溶融塩中に含まれる反応物質と
反応させることにより金属のオキシクロライドを含む塩
化物に転換し、次に位置する反応室１５ｂでオキシクロ
ライドを溶融塩電解することにより電極２１ｂに放射性
金属酸化物（例えば、主として二酸化ウラン）を析出回
収し、次に位置する反応室１５ｃで塩素ガスと一酸化炭
素ガスを塩化物溶融塩に吹き込んで溶融塩中に残存する
酸化物イオンを金属イオン化し、次に位置する第１溶融
金属２５ａを貯留する反応室１５ｄで溶融塩中の金属イ
オン化した放射性物質（例えば、主として二酸化プルト
ニウム）を第１溶融金属２５ａを陰極として溶融塩電解
することにより第１溶融金属２５ａに析出回収し、最下
位に位置する第２溶融金属２５ｂを貯留する反応室１５
ｅより溶融塩中に還元剤を混合することにより溶融塩中
に残存する塩化物を第２溶融金属２５ｂに抽出回収する
核燃料物質の回収方法である。なお、本明細書において
上記「塩化物溶融塩中に含まれる反応物質」とは、次の
式（１）〜（４）に示すようにＣｌ₂及びＣのいずれか
一方又は双方をいう。

【０００６】請求項２に係る発明は、傾斜した底面１１
ａを有し貯えた核燃料が臨界にならない厚さを有する平
板状に密閉して形成されかつ反応媒体である塩化物支持
塩を溶融塩として貯留可能な回収槽１１と、回収槽１１
の内部に少なくとも５室からなる反応室１５ａ〜１５ｅ
を形成しかつ上位の反応室から下位の反応室に溶融塩が
流れるように回収槽１１の底面１１ａに上方に向けて設
けられた下部仕切板１２と、最下位の反応室１５ｅを除
く反応室１５ａ〜１５ｄ内に上方から下方に向けて設け
られ上位の反応室から下位の反応室への溶融塩のショー
トパスを防止する上部仕切板１６と、塩化物支持塩の融
点以上９００℃以下の温度に加熱して反応室１５ａ〜１
５ｅの温度をそれぞれ制御する温度制御手段１７と、最
上位に位置する反応室１５ａに設けられ塩化物支持塩又
は使用済核燃料酸化物と塩化物支持塩を供給する供給口
１８と、最下位に位置する反応室１５ｅに設けられ液状
の溶融塩を排出する排出口１４と、最上位に位置する反
応室１５ａを含む上位に位置する反応室１５ａに設けら
れ反応室１５ａに貯留された溶融塩中に塩素ガスを導入
する第１ガス導入手段１９と、第１ガス導入手段１９が
設けられた反応室１５ａの下位に位置する反応室１５ｂ
に設けられ反応室１５ｂに貯留された溶融塩を電解する
第１電極２１ａ，２１ｂと、第１電極２１ａ，２１ｂが
設けられた反応室１５ｂの下位に位置する反応室１５ｃ
に設けられ反応室１５ｃに貯留された溶融塩中に塩素ガ
スと炭素ガスとを含むガスを導入する第２ガス導入手段
２２と、第２ガス導入手段２２が設けられた反応室１５
ｃの下位に位置する反応室１５ｄに設けられ反応室１５
ｄに貯留された溶融塩を電解する第２電極２３ａ，２３
ｂと、第２電極２３ａ，２３ｂが設けられた反応室１５
ｄの下位に位置しかつ最下位の反応室を含む反応室１５
ｅに設けられ溶融塩中に還元剤を供給する還元剤供給手
段２４と反応室１５ａ〜１５ｅの廃ガスを反応室毎に排
出する廃ガス排出手段２６とを備えた核燃料物質の回収
装置である。

【０００７】請求項３に係る発明は、図１に示すよう
に、請求項２に係る発明であって、第２電極２３ａ，２
３ｂが設けられた反応室１５ｄに設けられこの反応室１
５ｄに第１溶融金属２５ａを供給する第１金属供給口２
７と、反応室１５ｄに設けられこの反応室１５ｄに貯留
された第１溶融金属２５ａを排出する第１金属排出口２
８とを備えた核燃料物質の回収装置である。請求項４に
係る発明は、図１に示すように、請求項２又は３に係る
発明であって、還元剤供給手段２４が設けられた反応室
１５ｅに設けられ反応室１５ｅに貯留された第２溶融金
属２５ｂ中に不活性ガスを導入する第３ガス導入手段２
９を備えた核燃料物質の回収装置である。請求項５に係
る発明は、請求項２ないし４のいずれかに係る発明であ
って、還元剤供給手段２４が設けられた反応室１５ｅに
設けられこの反応室１５ｅに第２溶融金属２５ｂを供給
する第２金属供給口３１と、反応室１５ｅに設けられこ
の反応室１５ｅに貯留された第２溶融金属２５ｂを排出
する第２金属排出口３２とを備えた核燃料物質の回収装
置である。

【０００８】本発明の使用済核燃料酸化物（以下「原
料」という）としては、ウラン、プルトニウム、及び放
射性核分裂生成物であるセシウム、ストロンチウム等の
各種の酸化物が挙げられる。使用済核燃料の組成比に起
因して、溶融塩電解で第１電極２１ａ，２１ｂの陰極側
２１ｂに析出される金属酸化物は主として二酸化ウラン
である。また反応媒体である塩化物支持塩には塩化ナト
リウム、塩化カリウムなどをそれぞれ単独使用するか、
又はこれらを併用する。併用することにより支持塩の融
点が低下し好ましい。更にこれらの支持塩に塩化リチウ
ムを加えると塩化物支持塩の融点がより一層低下し好ま
しい。複数の反応室は少なくとも５室必要であるが、各
室の反応性に応じて６室、７室、８室以上でもよい。即
ち、この室数は回収する使用済核燃料の単位時間当たり
の回収量、必要滞留時間（反応時間）等に応じて適宜増
減される。温度制御手段１７による加熱は塩化物支持塩
の融点以上９００℃以下の温度に加熱して反応室１５ａ
〜１５ｆの温度を制御することが必要である。

【０００９】第１電極２１ａ及び２１ｂはそれぞれ陽極
及び陰極であって、反応室に一対設けられる。これらの
第１電極２１ａ，２１ｂは上記加熱温度で溶融しない導
電性物質であればよく、鉄、タングステン、モリブデ
ン、黒鉛等が例示される。陽極は耐食性の点で特に黒鉛
が望ましい。装置の供給口１８からは始動時には塩化物
支持塩が供給され、装置稼働中には原料及び塩化物支持
塩の混合物が供給される。この原料は平均粒径が５０〜
５００μｍ程度の範囲になるように予め粉砕しておくこ
とが好ましい。より好ましくは５０〜２００μｍ程度で
ある。但し、反応室を増やし反応させる時間を長くすれ
ば、原料の平均粒径が５００μｍ以上であってもよい。

【００１０】(a) 第１塩化工程 反応室内の塩化物支持塩が溶融塩となった後で、供給口
１８から原料を供給すると、最上位の反応室１５ａで原
料は第１ガス導入手段１９から導入されるガスにより溶
融塩中で撹拌され、溶融塩と混合される。導入ガスはＡ
ｒガスのような不活性ガスである他に、この不活性ガス
に塩素ガスを含ませることにより、より効率よく反応が
行われる。塩素ガスの不活性ガス中の含有量は５〜５０
容積％が好ましい。この時原料中の金属酸化物は反応室
に貯留した塩化物溶融塩中に含まれる反応物質（Ｃ
ｌ₂，Ｃ）と反応して塩化物に転換される。使用済核燃
料酸化物中の二酸化ウランの反応は以下の式（１）及び
式（２）に示される。また使用済核燃料酸化物中の二酸
化プルトニウムの反応は以下の式（３）及び式（４）に
示される。 ＵＯ₂＋Ｃｌ₂ → ＵＯ₂Ｃｌ₂ ……（１） ＵＯ₂Ｃｌ₂＋Ｃ＋Ｃｌ₂ → ＵＣｌ₄＋ＣＯ₂ ↑ ……（２） ＰｕＯ₂＋２Ｃｌ₂ → ＰｕＣｌ₄＋Ｏ₂ ↑ ……（３） ＰｕＯ₂＋Ｃｌ₂ → ＰｕＯ₂Ｃｌ₂ ……（４） 上記反応より、原料中の酸素は、二酸化炭素ガス又は酸
素となって、廃ガスとして廃ガス排出手段２６により排
出される。上位の反応室で上記式（１）、（３）の反応
が主に発生するようにする。上位の反応室が１室では反
応が完了しない場合には、上位の反応室を２室以上に多
室化する。

【００１１】(b) 電解回収工程 ウランやプルトニウムのような放射性金属のオキシクロ
ライドを含む塩化物は溶融塩の形態で電解工程である下
位の反応室に流下する。この反応室では、ＵＯ₂Ｃｌ₂や
ＰｕＯ₂Ｃｌ₂のようなオキシクロライド化合物が電解還
元される電解電圧とし、ＵＣｌ₄やＰｕＣｌ₄のような塩
化物は未反応のまま下位の反応室に流下するようにす
る。即ち、この反応室に設けられた電極（陰極）２１ｂ
に二酸化ウラン、二酸化プルトニウムが電気化学的に析
出し回収される。これらの反応は以下の式（５）及び式
（６）に示される。 ＵＯ₂Ｃｌ₂ → ＵＯ₂＋Ｃｌ₂ ↑ ……（５） ＰｕＯ₂Ｃｌ₂ → ＰｕＯ₂＋Ｃｌ₂ ↑ ……（６） 上記反応より発生する塩素ガスは廃ガスとして廃ガス排
出手段２６により排出される。先の第１塩化工程におい
て酸化ウランのみオキシクロライドとなるようにして反
応を行わせる（（１）式）ため、この電解回収工程では
主にウランのみが回収される。ここで電極１３ｂを交換
可能に構成することにより電解自体が連続的に行われ、
二酸化ウラン、及び一部の二酸化プルトニウム等の放射
性金属酸化物を連続的に回収できる。電極２１ｂに析出
した二酸化ウラン、二酸化プルトニウム等の放射性金属
酸化物は機械的方法で電極より剥離される。

【００１２】(c) 第２塩化工程 上記放射性金属酸化物（主として二酸化ウラン）を回収
した後の溶融塩は第２塩素化工程である下位の反応室に
流下する。この溶融塩には電解回収工程で回収されなか
った。塩化物及び金属酸化物が含まれ、この下位の反応
室で塩素化されていない金属酸化物を全て塩素化する。
即ち、この反応室で原料は第２ガス導入手段１９から導
入される塩素ガス及び一酸化炭素ガスにより溶融塩中で
撹拌され、塩化物に転換する。塩素ガスの不活性ガス中
の含有量は５〜５０容積％が好ましく、一酸化炭素ガス
の不活性ガス中の含有量は１０〜５０容積％が好まし
い。これらの反応をウランとプルトニウムを代表して以
下の式（７）、（８）及び式（９）に示す。 ＵＯ₂Ｃｌ₂＋Ｃｌ₂＋２ＣＯ → ＵＣｌ₄＋２ＣＯ₂ ↑ ……（７） ＵＯ₂＋２Ｃｌ₂＋２ＣＯ → ＵＣｌ₄＋２ＣＯ₂ ↑ ……（８） ＰｕＯ₂Ｃｌ₂＋Ｃｌ₂＋２ＣＯ → ＰｕＣｌ₄＋２ＣＯ₂ ↑ ……（９） 上記反応に代表されるように、原料中に残存していた全
ての金属酸化物は、塩化物に転換し、反応の際に発生す
る二酸化炭素ガスは廃ガスとして廃ガス排出手段２６に
より排出される。

【００１３】(d) 電解還元工程 上記溶融塩中に残存していた全ての金属酸化物を塩化物
に転換した後、溶融塩は電解還元工程である下位の反応
室に流下する。この溶融塩にはプルトニウムの塩化物
（ＰｕＣｌ₄）が主に含まれ、この下位の反応室でこの
反応室に設けられた電極により陰極である溶融金属中に
塩化プルトニウムが、また残留する塩化ウランを溶融塩
電解することにより電気化学的に還元し回収される。こ
れらの反応は以下の式（１０）及び式（１１）に示され
る。 ＵＣｌ₄ → Ｕ＋２Ｃｌ₂ ↑ ……（１０） ＰｕＣｌ₄ → Ｐｕ＋２Ｃｌ₂ ↑ ……（１１） この反応より発生する塩素ガスは廃ガスとして廃ガス排
出手段２６により排出される。

【００１４】(e) 還元抽出工程 金属酸化物を電解回収した後、溶融塩は還元抽出工程で
ある下位の反応室に流下する。この下位の反応室では電
解回収工程及び電解還元工程でも回収されなかった金属
を抽出する。即ち、溶融塩中に残留した塩化物は最下位
の反応室に設けられた還元剤供給手段２４から導入され
る還元剤と反応して第２溶融金属に抽出される。還元剤
供給手段２４から導入される還元剤としてはアルカリ金
属又はアルカリ土類金属が挙げられ、特にリチウムが好
ましい。リチウムによる金属Ｍ（価数ｎ）の還元反応を
代表して以下の式（１２）に示す。 Ｍⁿ⁺＋ｎＬｉ → Ｍ＋ｎＬｉ⁺ ……（１２） 還元された金属Ｍは第２溶融金属２５ｂ内に抽出され、
第２溶融金属２５ｂは第２金属導入口３１から順次供給
され、未回収であった別の放射性金属酸化物が抽出した
第２溶融金属２５ｂは第２金属排出口３２から第２金属
排出管３２ａを介して回収槽１１の外部に排出される。
核燃料物質の全てが回収された後の溶融塩は排出口１４
から排出され、塩化物支持塩として再び再利用される。

【００１５】次に、全般的に溶融塩は上部仕切板１６に
よりショートパスすることなく、また下部仕切板１２に
より十分な反応時間を与えられて最上位の反応室から順
次最下位の反応室まで流動する。それぞれの回収槽にお
ける反応は、温度制御手段１７により制御される温度に
より速度、収率が変化する。この場合の溶融塩の温度と
しては第１塩化工程では４００〜９００℃の範囲で行う
ことが好ましいが、ウランのオキシクロライドの安定
性、反応速度などから６００〜８００℃が更に好まし
い。電解回収工程では析出物の粒径は温度が高くなると
ともに大きくなる傾向があるため、溶融塩の温度として
は５００〜８００℃の範囲で行うことが好ましく、６０
０〜８００℃の範囲で行うことが更に好ましい。第２塩
化工程では溶融塩の温度として４００〜９００℃の範囲
で行うことが好ましいが、反応速度の関係から６００〜
８００℃の範囲で行うことが更に好ましい。

【００１６】電解回収工程では第１電極２１ａ，２１ｂ
に印加される電圧を調整することにより、また第１及び
第２塩化工程では第１及び第２ガス導入手段１９，２２
により導入される撹拌ガスの濃度、供給量等を調整する
ことにより、それぞれ処理能力を変化させ、また異なる
種類の析出物を回収することができる。電解還元工程及
び還元抽出工程では溶融金属を装置外に抜き出し可能に
構成することにより連続した作業が可能になる。

【００１７】請求項６に係る発明は、請求項２ないし５
のいずれかに係る発明であって、第２電極２３ａ，２３
ｂが設けられた反応室１５ｄに貯留される第１溶融金属
２５ａがカドミウム、マグネシウム又は亜鉛のいずれか
又はその合金である核燃料物質の回収装置である。溶融
金属２５ａの種類を変化させることにより電解還元する
金属を変化させることもできる。請求項７に係る発明
は、請求項２又は４に係る発明であって、第１、第２及
び第３ガス導入手段１９，２２及び２９が反応室１５
ａ，１５ｃ及び１５ｅの頂部を貫通して先端が反応室１
５ａ，１５ｃ及び１５ｅの底部に伸び先端にガス噴出部
１９ａ，２２ａ及び２９ａを有するガス導入管１９ｂ，
２２ｂ及び２９ｂを備えた核燃料物質の回収装置であ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて詳しく説明する。図１及び図２に示すように、
使用済核燃料の回収装置の回収槽１１は傾斜した底面１
１ａを有する回収槽本体１１ｂと、その上面に密閉して
設けられた蓋１１ｃとにより構成される。回収槽１１は
反応媒体である塩化物支持塩を溶融塩として貯留可能で
あって、貯えた核燃料が臨界にならない厚さを有する平
板状に形成される。この回収槽１１の内部にこの実施の
形態では５つの反応室１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ
及び１５ｅを形成する４枚の下部仕切板１２が回収槽１
１の底面１１ａに間隔をあけて鉛直方向に設けられる。
これらの仕切板１２は塩化物支持塩である溶融塩が上位
の反応室から下位の反応室に流れるようにほぼ同一の高
さを有する。

【００１９】最下位の反応室１５ｅを除く４つの反応室
１５ａ〜１５ｄ内には上方から下方に向けて４枚の上部
仕切板１６が回収槽１１の頂面に間隔をあけて設けられ
る。これらの仕切板１６の下端は下部仕切板１２の上端
より低い位置まで延び、上位の反応室から下位の反応室
への溶融塩のショートパスを防止するようになってい
る。図２に示すように、回収槽１１の外側面には各反応
室１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ及び１５ｅ毎に各反
応室の温度を上昇させるヒータ１７ａが設けられる。ヒ
ータ１７ａはコントローラ１７により温度が塩化物支持
塩の融点以上９００℃以下の温度に加熱して反応室１５
ａ〜１５ｅの温度を制御する。

【００２０】図１に示すように、最上位に位置する反応
室１５ａの上方には塩化物支持塩又は使用済核燃料酸化
物の原料のシュート１８ａが取付けられ、シュート上端
には供給口１８が設けられる。供給口１８からは、装置
の始動時に塩化物支持塩が供給され、装置の稼働中には
使用済核燃料酸化物とその還元剤との混合物及び塩化物
支持塩が供給される。この還元剤としては炭素粉末即ち
黒鉛粉末が挙げられる。最下位に位置する反応室１５ｅ
には液状の溶融塩を排出する排出管１４ａが取付けら
れ、排出管１４ａは排出口１４を有する。

【００２１】最上位に位置する反応室１５ａには、その
反応室１５ａに貯留された溶融塩中にガスを導入してそ
の溶融塩を撹拌する第１ガス導入手段１９が設けられ、
この第１ガス導入手段１９からは塩素ガスを含むＡｒガ
スが導入される。次に位置する反応室１５ｂには、先端
が溶融塩を電解してウランを析出回収する一対の第１電
極２１ａ，２１ｂが蓋１１ｃを貫通して底部に伸びてそ
れぞれ設けられ、その次に位置する反応室１５ｃには、
その反応室１５ｃに貯留された溶融塩中にガスを導入し
てその溶融塩を撹拌する第２ガス導入手段２２が設けら
れる。この第２ガス導入手段２２からは塩素ガス及び炭
素ガスを含むＡｒガスが導入される。

【００２２】第２ガス導入手段２２が設けられた反応室
１５ｃの下位に位置する反応室１５ｄにはその反応室１
５ｄに貯留された溶融塩を電解する一対の第２電極２３
ａ，２３ｂが蓋１１ｃを貫通して底部に伸びてそれぞれ
設けられ、最下位に位置する反応室１５ｅには溶融塩中
に還元剤を供給する還元剤供給手段であるバルブ２４ａ
が備えられた供給管２４が蓋１１ｃを貫通して設けられ
る。反応室１５ｄ及び１５ｅには金属がヒータ１７ａに
より加熱されて溶融した状態でそれぞれ貯留され、それ
ぞれの反応室１５ｄ及び１５ｅの第１及び第２溶融金属
２５ａ，２５ｂの上に溶融塩が分離した状態で貯留され
るようになっている。第２電極２３ａ，２３ｂ中の陰極
２３ｂの溶融塩に対応する箇所は絶縁材２３ｃで覆わ
れ、先端が第１溶融金属中２５ａに侵入し、第１溶融金
属２５ａが陰極として作用するように構成される。

【００２３】全ての反応室１５ａ〜１５ｅには各反応室
で発生した廃ガスを反応室毎に排出する廃ガス排出手段
２６とが設けられ、廃ガス排出手段２６はそれぞれの反
応室１５ａ〜１５ｅの頂部にそれぞれ接続された廃ガス
排出管２６ａを備える。図２に示すように、第２電極２
３ａ，２３ｂが設けられた反応室１５ｄにはこの反応室
１５ｄに第１溶融金属２５ａを供給する第１金属供給口
２７が設けられ、第１金属供給口２７にはバルブ２７ｂ
が設けられた第１金属供給管２７ａが接続される。更に
この反応室１５ｄには貯留された第１溶融金属２５ａを
排出する第１金属排出口２８が設けられ、第１金属排出
口２８にはバルブ２８ｂを備えた第１金属排出管２８ａ
が接続される。

【００２４】図１に戻って、還元剤供給手段である供給
管２４が設けられた反応室１５ｅにはこの反応室１５ｅ
に貯留された溶融金属中に不活性ガスを導入する第３ガ
ス導入手段２９が設けられ、更に、この反応室１５ｅに
第２溶融金属２５ｂを供給する第２金属供給口３１と、
この反応室１５ｅに貯留された第２溶融金属２５ｂを排
出する第２金属排出口３２とが設けられる。第２金属供
給口３１には図示しない第２金属供給管が接続され、第
２金属排出口３２にはバルブ３２ｂを備えた第２金属排
出管３２ａが接続される。第１、第２及び第３ガス導入
手段１９，２２及び２９はそれぞれの反応室１５ａ，１
５ｃ及び１５ｅの頂部を貫通して先端がそれぞれの反応
室の底部に伸び、先端にガス噴出部１９ａ，２２ａ及び
２９ａを有するガス導入管１９ｂ，２２ｂ及び２９ｂを
備える。このガス導入管１９ｂ，２２ｂ及び２９ｂには
この例ではガスが図示しないコンプレッサにより圧送さ
れる。

【００２５】このように構成された装置の動作を説明す
る。先ず、所定量の塩化物支持塩を供給口１８から最上
位の反応室１５ａに供給する。コントローラ１７はヒー
タ１７ａを制御して反応室１５ａの温度を塩化物支持塩
の融点以上に加熱して維持する。この加熱により反応室
１５ａに塩化物支持塩が溶融塩として貯留された後、更
に塩化物支持塩を供給口１８から反応室１５ａに供給す
る。下部仕切板１２を越えて溶融塩が次の反応室１５ｂ
に流入し、更に塩化物支持塩を供給し続けて加熱を続け
ると、やがて全ての反応室１５ａ〜１５ｅが溶融塩で満
たされる。次に使用済核燃料酸化物である原料とその還
元剤との混合物及び追加の塩化物支持塩を供給口１８か
ら反応室１５ａに供給する。供給された原料は噴出部１
９ａから噴出するガスにより最上位の反応室１５ａで溶
融塩中に撹拌混合される。原料中のウラン及びプルトニ
ウムは、前述した式（１）〜（４）に示すように、塩化
物溶融塩、導入ガス中の塩素ガス、還元剤の黒鉛粉末な
どと反応して原料中の二酸化ウラン、二酸化プルトニウ
ムがウランやプルトニウムのオキシクロライド又は塩化
物となる。反応時に発生する二酸化炭素ガスや酸素は廃
ガスとして廃ガス排出管２６ａにより外部に排出され
る。

【００２６】転換を終えたウランやプルトニウムのオキ
シクロライド及び塩化物は溶融塩として反応室１５ａか
ら下部仕切板１２を越えて上部仕切板１６によりショー
トパスすることなく反応室１５ｂに流入する。この反応
室１５ｂでは、前述した式（５）に示すように主として
ウランのオキシクロライドが二酸化ウランに転換され陰
極２１ｂに析出される。式（６）に示すようにプルトニ
ウムのオキシクロライドも二酸化プルトニウムに転換さ
れ陰極２１ｂに析出され、特に原料中のウランはその全
量が回収される。反応室１５ｂで反応時に発生する塩素
ガスは廃ガスとして廃ガス排出管２６ａにより外部に排
出される。

【００２７】ウランを回収した後の溶融塩は反応室１５
ｂから下部仕切板１２を越えて上部仕切板１６によりシ
ョートパスすることなく反応室１５ｃに流入する。この
反応室１５ｃでは第２ガス供給手段２２により塩素ガス
と一酸化炭素ガスを塩化物溶融塩に吹き込んで溶融塩中
に残存する酸化物イオンを金属イオン化する。即ち、未
だに塩化物に転換されていない酸化物は、この反応室１
５ｃに設けられた第２ガス導入手段２２から導入される
塩素ガス及び一酸化炭素ガスにより前述した式（７）〜
（９）に示すように反応して全量塩化物に転換される。
この反応より発生する炭素ガスは廃ガスとして廃ガス排
出手段２６により排出される。

【００２８】金属イオン化した後の溶融塩は反応室１５
ｃから下部仕切板１２を越えて上部仕切板１６によりシ
ョートパスすることなく反応室１５ｄに流入する。この
反応室１５ｄには第１溶融金属２５ａが貯留され、溶融
塩はその第１溶融金属２５ａの上に分離して貯留され
る。第１溶融金属２５ａは第２電極２３ｂにより陰極と
して溶融塩を溶融塩電解することにより第１溶融金属２
５ａに金属イオンを析出回収する。即ち、この反応室１
５ｄに設けられた一対の第２電極２３ａ，２３ｂにより
溶融塩中の金属イオンが反応室１５ｄに貯留した第１溶
融金属２５ａ中に、前述した式（１０）及び（１１）に
示すように反応して第１溶融金属２５ａ中に回収され
る。この反応より発生する塩素ガスは廃ガスとして廃ガ
ス排出手段２６により排出される。第１溶融金属２５ａ
は第１金属導入口２７から第１金属導入管２７ａを介し
て順次供給され、金属イオンが析出した第１溶融金属２
５ａは第１金属排出口２８から第１金属排出管２８ａを
介して回収槽１１の外部に排出される。

【００２９】第１溶融金属２５ａに析出回収した後の溶
融塩は反応室１５ｄから下部仕切板１２を越えて上部仕
切板１６によりショートパスすることなく最下位の反応
室１５ｅに流入する。この溶融塩には溶融塩電解でも析
出されなかった塩化物が残存する。この反応室１５ｅに
は第２溶融金属２５ｂが貯留され、溶融塩はその第２溶
融金属２５ｂの上に分離して貯留される。この反応室で
は溶融塩中に還元剤を混合することにより、溶融塩中に
残存する塩化物を第２溶融金属２５ｂに、前述した式
（１２）に示すように還元抽出することにより回収す
る。即ち、この反応室に設けられた還元剤供給手段であ
る供給管２４から供給された還元剤により溶融塩中に残
存する塩化物が全量第２溶融金属２５ｂ中に回収され
る。この反応より発生するガスは廃ガスとして廃ガス排
出手段２６により排出される。第２溶融金属２５ｂは第
２金属導入口３１から図示しない第２金属導入管を介し
て順次供給され、金属が析出した第２溶融金属２５ｂは
第２金属排出口３２から第２金属排出管３２ａを介して
回収槽１１の外部に排出される。塩化物が回収された後
の溶融塩は排出口１４から排出され、塩化物支持塩とし
て再利用される。

【００３０】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。この例では
回収槽はガラス又は金属製であって５室の反応室からな
る。上位の反応室から第１塩化工程、電解回収工程、第
２塩化工程、電解還元工程、還元抽出工程にそれぞれ相
当する。電解回収工程である２段目の反応室にはウラン
回収用の一対の第１電極を設け、電解還元工程、還元抽
出工程における溶融金属にはカドミウムを使用した。回
収槽の厚さＡ（図２）は約５ｃｍ、高さＢ（図１）は約
４０ｃｍ、長さＣ（図１）は約９０ｃｍであり、各反応
室は５００ｃｃの溶融塩を貯えるように仕切り板を配設
した。先ず上位の反応室に１ｋｇの塩化ナトリウムと塩
化カリウムの混合塩（共晶塩）を供給し、７００℃で溶
融させた。溶融後、徐々に同一の混合塩を追加補充し、
合計６ｋｇの混合塩を供給して５室のすべてに溶融塩を
貯留した。次いで、上位、中位及び下位の３室について
ガス導入管よりＡｒガスを約０．７リットル／分の割合
で溶融塩中に噴出させ溶融塩を撹拌した。

【００３１】一方、使用済核燃料に模した二酸化ウラン
粉末５００ｇ（平均粒径１００μｍ）、酸化ストロンチ
ウム粉末０．１５ｇ（平均粒径２０μｍ）、酸化ランタ
ン粉末１ｇ（平均粒径２０μｍ）、酸化セシウム粉末２
ｇ（平均粒径２０μｍ）及び酸化セリウム５ｇ（平均粒
径２０μｍ）を用意した。酸化セリウム及び酸化ランタ
ンはＴＲＵ元素の代わりに用いた。次いで塩化ナトリウ
ムと塩化カリウムの混合塩（共晶塩）１２，０００ｇ
と、上記模擬使用済核燃料を上位の反応室に間欠的に７
０ｇ／分の速さで供給口より供給した。この供給と同時
に、１０容積％の塩素ガスを含んだＡｒガスを第１ガス
挿入手段であるガス導入管より約３リットル／分の割合
で上位の反応室に貯留された溶融塩中に噴出し、上位の
反応室で塩化反応を行った。塩素ガスの供給量は、ウラ
ンモル数とほぼ同じ量で停止させた。

【００３２】次の反応室では一対の第１電極に４０Ａの
定電流を印加した。上位の反応室で塩化反応を終了した
溶融塩は、中位の反応室で電解され、陰極に析出物を生
じた。その次の反応室では、第２ガス導入手段であるガ
ス導入管から５容積％の塩素ガス、５容積％の一酸化炭
素ガスを含んだＡｒガスを約０．５リットル／分の割合
で反応室に貯留された溶融塩中に噴出し、塩化反応を行
った。塩素ガスの供給量は、試験が終了するまで供給し
た。その次の反応室では溶融金属であるカドミウムを陰
極とする一対の第２電極に電流１Ａを印加した。上位の
反応室で塩化反応を終了した溶融塩中のセリウム及びラ
ンタンをこの反応室で電解還元回収した。最下位に位置
する反応室では、第３ガス導入手段であるガス導入管か
らＡｒガスを反応室に貯留された溶融塩中に噴出して撹
拌するとともに、供給管から還元剤であるリチウムをこ
の反応室に５ｇ供給し、他の物質の溶融金属中への還元
抽出を行った。

【００３３】最上位の反応室における塩化反応の反応収
率及び最下位の反応室の排出口における塩化反応の反応
収率を未反応酸化ウラン量を測定することにより評価し
た。塩化反応条件を表１に示す。次に２段目に位置する
反応室の陰極に析出した物質をＸ線解析により測定した
結果、大部分の二酸化ウランと極一部のセリウムを析出
した。また４段目に位置する反応室の第１溶融金属に析
出した物質を溶解し、原子吸光法により測定した結果、
ランタンとセリウム及びウランを析出した。更に、最下
位の反応室の第２溶融塩中の物質を原子吸光法により測
定した結果、セシウムとストロンチウムの大部分が検出
された。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は次の多くの
優れた効果を奏する。 供給した核燃料が上位の反応室から下位の反応室に
順次移動して回収されるため、塩素化、電解回収等の各
操作を同一の装置で行うことができ、簡単な工程で連続
してウラン及びプルトニウム等を回収することができ、
その安定処理と処理能力の向上を図ることができる。 回収槽が貯留する核燃料の臨界にならない平板状で
あるため、臨界安全管理上問題を生じない。

【００３６】 回収槽の長さＣ（図１）を延長しても
その厚さＡ（図２）を変えなければ臨界安全性は保たれ
るため、回収槽の長さを変えて反応室を増減することに
より、回収に必要な滞留時間や処理能力に合致した連続
した回収装置を容易に製作でき、反応室を増加すること
により処理能力を向上することもできる。 上部仕切板により、溶融塩はショートパスすること
がない。このために下位の反応室に流れ落ちるまでの間
に各反応室内で十分な反応時間が与えられる。 各反応室に温度制御手段を設けたので、各反応室の
反応温度を制御することにより、各反応室における最適
な反応条件を容易に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の使用済核燃料の回収装置の構成図。

【図２】そのＤ−Ｄ線断面図。

【符号の説明】

１１ 回収槽 １１ａ 底面 １２ 下部仕切板 １４ 排出口 １５ａ〜１５ｅ 反応室 １６ 上部仕切板 １７ コントローラ（温度制御手段） １７ａ ヒータ １８ 供給口 １９ 第１ガス導入手段 １９ａ，２２ａ，２９ａ ガス噴出部 １９ｂ，２２ｂ，２９ｂ ガス導入管 ２１ａ，２１ｂ 第１電極 ２２ 第２ガス導入手段 ２３ａ，２３ｂ 第２電極 ２４ 供給管（還元剤供給手段） ２５ａ 第１溶融金属 ２５ｂ 第２溶融金属 ２６ 廃ガス排出管（廃ガス排出手段） ２７ 第１金属供給口 ２８ 第１金属排出口 ２９ 第３ガス導入手段 ３１ 第２金属供給口 ３２ 第２金属排出口

フロントページの続き (72)発明者 山上 純夫 茨城県那珂郡那珂町大字向山字六人頭1002 番地の14 三菱マテリアル株式会社那珂エ ネルギー研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 傾斜した底面(11a)に沿って少なくとも
   ５室からなる反応室(15a,15b,15c,15d,15e)を有し貯え
   た核燃料が臨界にならない厚さを有する平板状に密閉し
   て形成された回収槽(11)に反応媒体である塩化物支持塩
   を溶融塩として貯留し、 最上位に位置する反応室(15a)より使用済核燃料酸化物
   を供給し、 前記最上位に位置する反応室(15a)を含む上位に位置す
   る反応室(15a)で順次前記酸化物中の放射性金属を前記
   塩化物溶融塩中に含まれる反応物質と反応させることに
   より前記金属のオキシクロライドを含む塩化物に転換
   し、 次に位置する反応室(15b)で前記オキシクロライドを溶
   融塩電解することにより電極(21b)に放射性金属酸化物
   を析出回収し、 次に位置する反応室(15c)で塩素ガスと一酸化炭素ガス
   を塩化物溶融塩に吹き込んで前記溶融塩中に残存する酸
   化物イオンを金属イオン化し、 次に位置する第１溶融金属(25a)を貯留する反応室(15d)
   で前記溶融塩中の金属イオン化した放射性物質を前記第
   １溶融金属(25a)を陰極として溶融塩電解することによ
   り前記第１溶融金属(25a)に析出回収し、 最下位に位置する第２溶融金属(25b)を貯留する反応室
   (15e)より前記溶融塩中に還元剤を混合することにより
   前記溶融塩中に残存する塩化物を前記第２溶融金属(25
   b)に抽出回収することを特徴とする核燃料物質の回収方
   法。
2. 【請求項２】 傾斜した底面(11a)を有し貯えた核燃料
   が臨界にならない厚さを有する平板状に密閉して形成さ
   れかつ反応媒体である塩化物支持塩を溶融塩として貯留
   可能な回収槽(11)と、 前記回収槽(11)の内部に少なくとも５室からなる反応室
   (15a,15b,15c,15d,15e)を形成しかつ上位の反応室から
   下位の反応室に前記溶融塩が流れるように前記回収槽(1
   1)の底面(11a)に上方に向けて設けられた下部仕切板(1
   2)と、 最下位の反応室(15e)を除く前記反応室(15a,15b,15c,15
   d)内に上方から下方に向けて設けられ上位の反応室から
   下位の反応室への前記溶融塩のショートパスを防止する
   上部仕切板(16)と、 前記塩化物支持塩の融点以上９００℃以下の温度に加熱
   して前記反応室(15a,15b,15c,15d,15e)の温度をそれぞ
   れ制御する温度制御手段(17)と、 最上位に位置する反応室(15a)に設けられ前記塩化物支
   持塩又は使用済核燃料酸化物と前記塩化物支持塩を供給
   する供給口(18)と、 最下位に位置する反応室(15e)に設けられ液状の溶融塩
   を排出する排出口(14)と、 前記最上位に位置する反応室(15a)を含む上位に位置す
   る反応室(15a)に設けられ前記反応室(15a)に貯留された
   溶融塩中に塩素ガスを導入する第１ガス導入手段(19)
   と、 前記第１ガス導入手段(19)が設けられた反応室(15a)の
   下位に位置する反応室(15b)に設けられ前記反応室(15b)
   に貯留された溶融塩を電解する第１電極(21a,21b)と、 前記第１電極(21a,21b)が設けられた反応室(15b)の下位
   に位置する反応室(15c)に設けられ前記反応室(15c)に貯
   留された溶融塩中に塩素ガスと炭素ガスとを含むガスを
   導入する第２ガス導入手段(22)と、 前記第２ガス導入手段(22)が設けられた反応室(15c)の
   下位に位置する反応室(15d)に設けられ前記反応室(15d)
   に貯留された溶融塩を電解する第２電極(23a,23b)と、 前記第２電極(23a,23b)が設けられた反応室(15d)の下位
   に位置しかつ最下位の反応室を含む反応室(15e)に設け
   られ前記溶融塩中に還元剤を供給する還元剤供給手段(2
   4)と前記反応室(15a,15b,15c,15d,15e)の廃ガスを反応
   室毎に排出する廃ガス排出手段(26)とを備えたことを特
   徴とする核燃料物質の回収装置。
3. 【請求項３】 第２電極(23a,23b)が設けられた反応室
   (15d)に設けられこの反応室(15d)に第１溶融金属(25a)
   を供給する第１金属供給口(27)と、 前記反応室(15d)に設けられこの反応室(15d)に貯留され
   た第１溶融金属（２５ａ）を排出する第１金属排出口
   （２８）とを備えた請求項２記載の核燃料物質の回収装
   置。
4. 【請求項４】 還元剤供給手段(24)が設けられた反応室
   (15e)に設けられ前記反応室(15e)に貯留された第２溶融
   金属(25b)中に不活性ガスを導入する第３ガス導入手段
   (29)を備えた請求項２又は３記載の核燃料物質の回収装
   置。
5. 【請求項５】 還元剤供給手段(24)が設けられた反応室
   (15e)に設けられこの反応室(15e)に第２溶融金属(25b)
   を供給する第２金属供給口(31)と、 前記反応室(15e)に設けられこの反応室(15e)に貯留され
   た第２溶融金属(25b)を排出する第２金属排出口(32)と
   を備えた請求項２ないし４いずれか記載の核燃料物質の
   回収装置。
6. 【請求項６】 第２電極(23a,23b)が設けられた反応室
   (15d)に貯留される第１溶融金属(25a)がカドミウム、マ
   グネシウム又は亜鉛のいずれか又はその合金である請求
   項２ないし５いずれか記載の核燃料物質の回収装置。
7. 【請求項７】 第１、第２及び第３ガス導入手段(19,2
   2,29)が反応室(15a,15c,15e)の頂部を貫通して先端が前
   記反応室(15a,15c,15e)の底部に伸び前記先端にガス噴
   出部(19a,22a,29a)を有するガス導入管(19b,22b,29b)を
   備えた請求項２または４記載の核燃料物質の回収装置。