JPH0933687A - 使用済原子燃料の再処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】使用済原子燃料５を溶解した溶融塩化物４に酸
素を供給してプルトニウム，アメリシウム，ネプツニウ
ム及びウランを逐次的に不溶性酸化物に転換する方法に
おいて、酸化物イオン濃度又は酸素分圧の変化から各転
換反応の終点を検出して酸化物を相互に分離する。 【効果】原子燃料再処理でアメリシウムとネプツニウム
を高レベル廃棄物から分離でき、管理負担を軽減でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は使用済原子燃料の再処理
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在知られている使用済原子燃料からウ
ラン及びプルトニウムを回収する使用済原子燃料の再処
理方法は、例えば、原子力工業第３５巻９号（１９８
９）の第９頁より第２３頁に述べられている。

【０００３】この使用済原子燃料の再処理方法は、ま
ず、使用済原子燃料を溶解槽内で硝酸に溶解することに
よって、ウラン及びプルトニウムを含む硝酸水溶液を得
る。この硝酸水溶液は、共除染用抽出装置内で有機溶媒
と接触される。その硝酸水溶液中のウラン及びプルトニ
ウムは、有機溶媒内に移行する。核分裂生成物及びプル
トニウム以外の超ウラン元素の含有量が減少させられた
ウラン及びプルトニウムを含む有機溶液である純化有機
溶液が、共除染用抽出装置から吐出される。ウラン及び
プルトニウムが抽出された硝酸水溶液は、高レベル廃液
として廃液処理系に送られる。純化有機溶液は、逆抽出
装置内で希薄な硝酸水溶液と接触される。ここで、希薄
な硝酸水溶液は、純化有機溶液中のウラン及びプルトニ
ウムを取り込みウラン及びプルトニウムを含む純化水溶
液となる。還元剤が純化水溶液に添加されることによっ
て、純化水溶液中のプルトニウムは、有機相に移りにく
い原子価３の状態に転化される。その、純化水溶液は、
分配用抽出装置内に供給される。有機溶液を用いた抽出
処理が分配用抽出装置内で行われる。抽出処理によっ
て、ウランを主成分とするウラン有機溶液及びプルトニ
ウムを主成分とするプルトニウム水溶液が、分配用抽出
装置から得られる。このとき、長寿命の放射性元素であ
るアメリシウムとネプツニウムはプルトニウム以外の超
ウラン元素として高レベル廃液が含まれる。高レベル廃
棄物の管理負担を軽減するため、高レベル廃液からアメ
リシウムとネプツニウムを分離する場合も考えられてい
る。

【０００４】使用済原子燃料からウラン及びプルトニウ
ムを回収する使用済原子燃料の別の再処理方法は、例え
ば、原子力工業第３４巻１２号４６頁から６０頁に記載
されている。この方法では使用済原子燃料を液体カドミ
ウムに溶解し、その上部に溶融塩化物を張り込む。つい
で溶融塩化物中に金属電極の陰極を挿入し、液体カドミ
ウムを陽極として電流を通じる。液体カドミウム中のウ
ランは容易にイオン化して溶融塩化物に移動し、さらに
金属陰極で還元されて、陰極上に金属として析出する。
このとき、プルトニウムはカドミウムと金属間化合物を
作るため溶融塩化物に移動しにくく、プルトニウムを金
属陰極に析出させるには非常に大きな電位差が必要なた
め、ウランをプルトニウムから分離できる。ウランを回
収した後、液体カドミウムの陰極を溶融塩化物中に挿入
して電流を通じると、陰極カドミウムでもプルトニウム
が金属間化合物をつくるため小さな電位差でプルトニウ
ムをカドミウム陰極に回収することができる。ウランと
プルトニウムを回収した後、塩化カドミウムを溶融塩化
物に加えて液体カドミウム中のアメリシウム及びネプツ
ニウムを酸化し、アメリシウム及びネプツニウムを溶融
塩化物中に移動させる。この溶融塩化物は新鮮な液体カ
ドミウムと接触させ、アメリシウム及びネプツニウムを
液体カドミウムに移動させた後、廃棄物処理を行う。ア
メリシウム及びネプツニウムを含む液体カドミウムは高
温で蒸発させ、純度の高いカドミウムとアメリシウム及
びネプツニウムを含む放射性残さに分けられる。即ち、
この処理ではウランとプルトニウムを回収するほか、長
寿命のアメリシウム及びネプツニウムを高レベル廃棄物
から分離している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術で高レベル廃
棄物の管理負担を軽減するには、ウランとプルトニウム
を回収する工程のほかに、長寿命のアメリシウム及びネ
プツニウムを高レベル廃棄物から分離する処理設備が別
途必要である。

【０００６】本発明の目的は、ウランとプルトニウムを
回収すると同時に同一機器においてアメリシウム及びネ
プツニウムを高レベル廃棄物から分離回収できる使用済
原子燃料の再処理方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成できる
本発明の特徴は、使用済原子燃料を溶融塩化物に溶解さ
せたのち、小量ずつ酸素を供給することにより酸化物へ
転換しやすいプルトニウムをまず酸化して沈殿させて回
収し、以下酸化物へ転換しやすい順にアメリシウム，ネ
プツニウム，ウランを逐次沈殿させて回収することにあ
る。

【０００８】逐次的に酸化物に転換していく方法では連
続的に酸素を供給することは好ましくない。例えば、プ
ルトニウムの大部分が沈殿した時点で沈殿を回収すると
きに酸素が供給され続けると、回収中にアメリシウムが
沈殿を開始し、回収プルトニウムにアメリシウムが混入
する。従って、各酸化物への転換の終点で、いったん酸
素の供給を停止しておく必要があり、各酸化物への転換
の終点を検出する必要がある。この目的を達成できる発
明の特徴は、酸化物イオン濃度センサを溶融塩化物に浸
漬し、供給酸素量に対する酸化物イオン濃度の変化をモ
ニタして各酸化物への転換の終点を検出することにあ
る。また同一の目的を達成する発明の特徴は酸素分圧セ
ンサを溶融塩化物を装荷した容器の気相に設置し、供給
酸素量に対する酸素分圧の変化をモニタして各酸化物へ
の転換の終点を検出することにある。

【０００９】

【作用】溶融塩化物中では酸化物イオンは不安定であ
り、溶融塩化物中の金属イオンと結合して不溶性の酸化
物を形成する傾向がある。各燃料物質のうちで酸化物の
形成のしやすさはプルトニウムが最も高くついでアメリ
シウム，ネプツニウム，ウランの順に酸化物を形成しに
くくなる。ピュレックス法として知られる燐酸トリブチ
ルを抽出剤とした再処理方法では、アメリシウムとの分
離が難しいランタニド族元素はウランより酸化物になり
にくい。従って、請求項１の発明によれば、使用済原子
燃料が溶解している溶融塩化物に酸素又は酸素を放出す
る物質を小量ずつ加えることにより、還元剤が添加され
た第２硝酸水溶液を、第２有機溶液と接触させることに
よって、プルトニウム，アメリシウム，ネプツニウム，
ウラン，ランタニド族元素を逐次、この順番に沈殿させ
ることができる。溶融塩化物に酸素又は酸素を放出する
物質を小量ずつ加えると、酸素は溶融塩化物に吸収され
酸化物イオン濃度および気相の酸素分圧が少しずつ増加
する。しかし、プルトニウムの酸化物への転換が生じる
濃度になると、酸素はプルトニウムの酸化物を形成する
ことで消費され、酸素又は酸素を放出する物質を加えて
いっても酸化物イオン濃度及び気相の酸素分圧はほとん
ど増加しない。プルトニウムの大部分が酸化物へ転換さ
れると、酸素又は酸素を放出する物質を加えることによ
り酸化物イオン濃度および気相の酸素分圧は再び増加を
開始する。ついで、酸化物イオン濃度がアメリシウムの
酸化物への転換が生じる濃度になると酸化物イオン濃度
及び気相の酸素分圧はほとんど増加しない状態が再び生
じる。このように、酸素分圧及び酸化物イオン濃度は供
給した酸素量に対して階段状に変化する各酸化物への転
換の終点は階段状の変化のうち、酸素分圧及び酸化物イ
オン濃度が増加し初める点として検出することができ
る。

【００１０】

【実施例】

〔実施例１〕本発明の好適な一実施例である使用済原子
燃料の再処理方法が実行される使用済原子燃料再処理装
置の構成を図１を用いて説明する。

【００１１】この使用済原子燃料再処理装置は、反応槽
１，反応槽１に塩化物と使用済原子燃料を装荷するため
の密閉蓋２，上下に移動できる４枚のフィルタ３ａ〜３
ｅ，上下に移動できる底板４，フィルタ及び底板駆動用
モータ７，反応槽に塩素ガスを供給する塩素ガス槽１
６，酸素を供給する酸素ガス用槽１７，ガスライン用開
閉弁１８および１９，供給酸素量を積算する積算器２
３，溶融塩化物中に浸漬される酸化物イオン濃度センサ
２２反応槽から使用済溶融塩化物を排出する排出弁２
０、及び使用済溶融塩化物貯槽２１及び操作盤１０を備
える。

【００１２】操作盤１０は、表示装置１１，押しボタン
１２，１３，１５及び駆動用モータ制御ダイヤル１４を
備える。

【００１３】まず、５枚のフィルタは反応槽下部に移動
させられる。ついで、密閉蓋２をあけて反応槽に使用済
原子燃料５と溶融塩化物の原料である塩化リチウムと塩
化カリウムを装荷する。このとき、使用済原子燃料が酸
化物である場合は、使用済原子燃料の溶解を加速するた
め、使用済原子燃料の元素量に等しい化学量論量の炭素
粉末を加える。反応槽の密閉蓋を閉め、押しボタン１３
により弁１８を開けて塩素ガスを供給し、反応槽内の気
相を塩素ガス雰囲気に置換する。ついで反応槽の温度を
上げ、塩化物を溶融させるとともに使用済原子燃料を塩
化物に溶解する。表示装置１１には供給酸素積算量が横
軸に、溶融塩中の酸化物イオン濃度が縦軸に表示される
ものとして以下説明を行う。図２に供給酸素積算量にた
いする酸化物イオン濃度変化を摸式的に示す。まず、駆
動用モータ制御ダイヤル１４によりフィルタ３ａを上方
に引き上げ白金等の不溶解性残さと燃料の被覆管を回収
する。次に操作員は押しボタン１２によって弁１９を操
作し、反応槽へ小量ずつ酸素を供給する。このとき、図
２の領域２４のように表示装置１１では供給酸素積算量
に従ってしだいに酸化物イオン濃度化していく様子が表
示される。さらに酸素の供給を続けるとプルトニウムが
酸化物へ転換される酸化物イオン濃度に達し、供給酸素
積算量が増加しても酸化物イオン濃度は増加しなくなる
領域２５に達する。さらに酸素の供給を続けるとプルト
ニウムが枯渇し再び酸化物イオン濃度の上昇がはじまる
ので、運転員は押しボタン１３により弁１８を閉じ酸素
の供給を停止する。ついで、駆動用モータ制御ダイヤル
１４によりフィルタ３ｂを上方に引き上げプルトニウム
酸化物の沈殿を回収する。次に、再び酸素の供給を開始
すると、領域２６で酸化物イオン濃度は上昇した後、ア
メリシウムが酸化物へ転換される酸化物イオン濃度に達
し、供給酸素積算量が増加しても酸化物イオン濃度は増
加しなくなる領域２７に達する。さらに酸素の供給を続
けるとアメリシウムが枯渇し再び酸化物イオン濃度の上
昇がはじまるので、運転員は押しボタン１３により弁１
８を閉じ酸素の供給を停止する。ついで、駆動用モータ
制御ダイヤル１４によりフィルタ３ｃを上方に引き上げ
アメリシウム酸化物の沈殿を回収する。再び酸素の供給
を開始すると、領域２８で酸化物イオン濃度は上昇した
後、ネプツニウムが酸化物へ転換される酸化物イオン濃
度に達し、供給酸素積算量が増加しても酸化物イオン濃
度は増加しなくなる領域２９に達する。さらに酸素の供
給を続けるとネプツニウムが枯渇し再び酸化物イオン濃
度の上昇がはじまるので、運転員は押しボタン１３によ
り弁１８を閉じ酸素の供給を停止する。ついで、駆動用
モータ制御ダイヤル１４によりフィルタ３ｄを上方に引
き上げネプツニウム酸化物の沈殿を回収する。再び酸素
の供給を開始すると、領域３０で酸化物イオン濃度は上
昇した後、ウランが酸化物へ転換される酸化物イオン濃
度に達し、供給酸素積算量が増加しても酸化物イオン濃
度は増加しなくなる領域３１に達する。さらに酸素の供
給を続けるとウランが枯渇し再び酸化物イオン濃度の上
昇がはじまるので、運転員は押しボタン１３により弁１
８を閉じ酸素の供給を停止する。ついで、駆動用モータ
制御ダイヤル１４によりフィルタ３ｅを上方に引き上げ
ウラン酸化物の沈殿を回収する。最後に、押しボタン１
５により弁２０を開き、ランタニド元素他の核分裂生成
物を含む溶融塩化物を貯槽２１に排出する。フィルタ３
ａ上には不溶解性残さと燃料の被覆管、３ｂ上には酸化
プルトニウム、３ｃ上には酸化アメリシウム、３ｄ上に
は酸化ネプツニウム、３ｅ上には酸化ウランがそれぞれ
回収されている。

【００１４】上記の例では酸化物を形成させるために酸
素を反応槽に供給したが、酸素に代えて、酸素を放出す
る物質を供給してもよい。例えば、二酸化炭素ガスは高
温で一酸化炭素と酸素に分解するので、二酸化炭素ガス
を反応槽に供給すれば高温の溶融塩化物に触れることで
酸素を放出し、酸素を供給した場合と同一の効果を得る
ことができる。またＮＯｘガスも高温ではＮＯガスと酸
素に分解、水は高温で溶融塩化物に触れると塩化水素と
酸素に分解するので二酸化炭素同様に酸素の代用にな
る。

【００１５】上記の例では酸化物イオン濃度変化を運転
員が観察して酸素の供給と停止、およびフィルタの駆動
を行ったが、これらは自動化してもよい。

【００１６】この様に本実施例によれば以下の効果を生
じる。

【００１７】(1）ウラン及びプルトニウムを使用済原子
燃料から回収でき、再処理の目的を従来技術と同等に達
成できる。

【００１８】(2）ウラン，プルトニウム，アメリシウ
ム，ネプツニウムを単一の反応槽において分離できるの
で、高レベル廃棄物からアメリシウムとネプツニウムを
分離する必要が生じた場合に、処理設備と処理工程を省
略できる。また、従来技術においてアメリシウムとネプ
ツニウムを分離する際に生じる２次廃棄物の発生を防止
できる。

【００１９】〔実施例２〕本発明の一実施例である使用
済原子燃料の再処理方法が実行される使用済原子燃料再
処理装置の構成を図３を用いて説明する。

【００２０】この使用済原子燃料再処理装置は、実施例
１の図１の構成で、酸化物イオン濃度センサ２２の代わ
りに酸素分圧センサ２２ｂを反応槽気相部に設けた。溶
融塩化物中の酸化物イオン濃度は気相の酸素分圧の平方
根に比例するので、酸素分圧センサの出力を酸化物イオ
ン濃度に換算することにより、実施例１と同一の効果を
得ることができる。また、酸素分圧センサは気相に設け
られているので、高温の溶融酸化物に浸漬されている酸
化物イオン濃度センサより耐久性が高い。しかし、酸素
ガスが溶融塩化物に溶解し酸化物イオンに変化するまで
の時間遅れがあるため、酸化物イオン濃度センサに比べ
て応答が遅い。

【００２１】以上の様に本実施例によれば実施例１の効
果に加え、酸化物生成反応の終点を検出するセンサの寿
命を延長できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、使用済原子燃料を溶融
塩化物に溶解させたのち小量ずつ酸素を供給することに
より、プルトニウム，アメリシウム，ネプツニウム，ウ
ランを逐次的に不溶性の酸化物に転換することができ、
酸化物イオンまたは酸素分圧をモニタすることにより各
酸化物生成反応の終点を検出して、これらの酸化物を相
互に分離できるので、ウラン及びプルトニウムを使用済
原子燃料から回収し、長寿命の放射性元素であるアメリ
シウムとネプツニウムが高レベル廃棄物へ移行すること
を防止して高レベル廃棄物管理の負担を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である使用済原子燃料
再処理装置の系統図。

【図２】積算供給酸素量にたいする酸化物イオン濃度の
変化を示す特性図。

【図３】本発明の好適な一実施例である使用済原子燃料
再処理装置の系統図。

【符号の説明】

１…反応槽、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ…フィル
タ、５…使用済原子燃料、１０…操作盤、１８，１９，
２０…開閉弁、２２…酸化物イオン濃度センサ、２３…
供給酸素量積算器。

フロントページの続き (72)発明者 深澤 哲生 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 鴨志田 守 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 河村 文雄 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】使用済原子燃料を溶融塩化物に溶解させた
   後、使用済原子燃料に含まれていたウラン及びプルトニ
   ウムを酸化物に転換して回収する再処理方法において、
   前記使用済原子燃料が溶解している前記溶融塩化物に酸
   素又は酸素を放出する物質を加えて、プルトニウムを不
   溶性酸化物に転換して回収し、さらに酸素又は酸素を放
   出する物質を加えてアメリシウム及びネプツニウムを不
   溶性酸化物に転換して回収し、さらに酸素又は酸素を放
   出する物質を加えてウランを不溶性酸化物に転換して回
   収することを特徴とする使用済原子燃料の再処理方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記溶融塩化物中に酸
   化物イオン濃度センサを設置し、供給酸素量に対する溶
   融塩化物中の酸化物イオン濃度の変化をモニタすること
   により、プルトニウム，アメリシウム，ネプツニウム，
   ウランが酸化物への転換する反応の終点を検出し、各反
   応の終点においていったん酸素または酸素を放出する物
   質の供給を停止して酸化物を回収することにより、前記
   酸化物を相互に分離するとともに各酸化物の純度を高め
   る使用済原子燃料の再処理方法。
3. 【請求項３】請求項１において、前記溶融塩化物上の気
   相に酸素分圧センサを設置し、供給酸素量に対する溶融
   塩化物上の気相の酸素分圧の変化をモニタすることによ
   り、プルトニウム，アメリシウム，ネプツニウム，ウラ
   ンが酸化物への転換する反応の終点を検出し、各反応の
   終点でいったん酸素または酸素を放出する物質の供給を
   停止して酸化物を回収することにより、前記酸化物を相
   互に分離するとともに各酸化物の純度を高める使用済原
   子燃料の再処理方法。
4. 【請求項４】前記酸素を放出する物質は、二酸化炭素，
   ＮＯｘガスまたは水である請求項１に記載の使用済原子
   燃料の再処理方法。