JPH0980194A - 三価アクチニドと希土類元素の分離方法 - Google Patents

三価アクチニドと希土類元素の分離方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 CMPO−TBP混合溶媒を用いるTRUE
X法において、三価アクチニドと希土類元素とを相互分
離する分離方法を提供する。 【解決手段】 三価アクチニドと希土類元素の分離方法
は、使用済燃料の再処理で発生する高酸性廃液から三価
アクチニド及び希土類元素を溶媒に抽出する三価アクチ
ニド及び希土類元素抽出工程と、三価アクチニド及び希
土類元素を抽出した溶媒中の硝酸濃度を低減させる硝酸
除去工程と、低硝酸濃度の溶媒に含有される三価アクチ
ニドと希土類元素とを相互分離する希土類元素と三価ア
クチニドの分離工程と、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は三価アクチニドと希
土類元素の分離方法、特に使用済燃料の再処理で発生し
た高酸性廃液から三価アクチニドと希土類元素を分離す
ると共に、工程管理が容易な分離方法に関する。
【0002】
【従来の技術】使用済核燃料の再処理工程から発生する
高放射性廃液中には、超ウラン元素(TRU)等、長期
間毒性が減衰しない種々の元素が含まれおり、高放射性
廃棄物の処理・処分において課題となっている。特に超
ウラン元素の中でも三価アクチニドのアメリシウム(A
m)やキュリウム(Cm)は、その毒性が高いために、
再処理の高放射性廃液から分離し、適切に管理もしくは
処理することが望ましい。これらを燃料物質として利用
する時は、例えばAmやCmと、AmやCmと化学的性
質が類似する希土類元素とを予め分離することが必要で
ある。
【0003】従来、再処理の高放射性廃液からAmやC
m等の三価アクチニドを含む超ウラン元素と核分裂生成
物(FP)とを分離する方法としては、TRUEX法が
挙げられる。TRUEX法は、炭化水素希釈剤(例えば
n−ドデカン)に、オクチル(フェニル)−N,N−ジ
イソブチルカルバモイルメチルホスフィンオキサイド
(以下「CMPO」と略す)とリン酸トリブチル(以下
「TBP」と略す)を混合して溶媒を用い、この溶媒に
超ウラン元素を抽出する方法である。以下、この混合溶
媒をCMPO−TBP混合溶媒という。そして、このC
MPO−TBP混合溶媒に酸性である高放射性廃液を接
触させて、超ウラン元素と核分裂生成物とを分離する。
すなわち、TRUEX法によれば、CMPO−TBP混
合溶媒中にAmやCm等の三価アクチニドを含む超ウラ
ン元素が抽出され、一方水相には核分裂生成物が残留さ
れる。
【0004】しかしながら、TRUEX法におけるCM
PO−TBP混合溶媒には、上述の超ウラン元素に随伴
して核分裂生成物の中の希土類元素も抽出されてしま
う。従って、超ウラン元素のAmやCm等の三価アクチ
ニドと希土類元素とを分離することは不可能であった。
【0005】一方、三価アクチニドと希土類元素を相互
分離する方法としては、これまで種々の溶媒抽出法が研
究開発され提案されている。代表的なものとしては、中
性有機リン抽出剤であるTBPを用いる方法と、196
0年代に開発されたTALSPEAK法等が挙げられ
る。
【0006】無希釈TBPを用いる方法は、10Mを超
える硝酸溶液を用いて三価アクチニドと希土類元素とを
分離するため、非常に高い酸濃度での分離操作が要求さ
れるという問題があった。更に、上記の過酷な操作の割
りには、三価アクチニドと希土類元素との抽出の分配比
が小さく、各元素間の分離係数も低いという問題があっ
た。
【0007】TALSPEAK法は、酸性有機リン酸抽
出剤(HDEHP(ジ−2−エチルヘキシルリン酸))
とアミノポリ酢酸系の錯化試薬(例えば、ジエチレント
リアミン五酢酸(以下「DTPA」と略す))とを用い
て、三価アクチニドと希土類元素とを分離する方法であ
る。このTALSPEAK法によれば、三価アクチニド
と希土類元素とを良好に相互分離することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
TALSPEAK法は、好適な分離条件を得るために分
離工程のpHを3程度に保持する必要があった。
【0009】一方、使用済燃料の再処理で発生する高放
射性廃液は、通常3M程度の酸を含んでいる。従って、
上記高酸性の廃液は、まずTALSPEAK法に供する
前に、前処理工程として上記高酸性廃液の酸濃度を低下
させるための脱硝工程を経る必要があった。更に、分離
処理中にpHを常に3程度に管理する必要があり、通
常、高濃度のカルボン酸(例えば、乳酸)のようなpH
緩衝剤を処理廃液に添加することによってpHを管理し
なければならない。しかしながら、pHを厳密に調整す
ることは困難である。
【0010】更に、TALSPEAK法により分離され
た三価アクチニド製品に含まれる緩衝剤を除去するため
の処理を行うと、1M程度の高濃度硝酸溶液として得ら
れるが、製品溶液の利用上からは好ましくない。
【0011】本発明は上記従来の課題に鑑みたものであ
り、その目的は、CMPO−TBP混合溶媒を用いるT
RUEX法において、三価アクチニドと希土類元素とを
相互分離する分離方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために、本発明に係る三価アクチニドと希土類元素
の分離方法は、使用済燃料の再処理で発生する高酸性廃
液から三価アクチニド及び希土類元素を溶媒に抽出する
三価アクチニド及び希土類元素抽出工程と、三価アクチ
ニド及び希土類元素を抽出した溶媒中の硝酸濃度を低減
させる硝酸除去工程と、低硝酸濃度の溶媒に含有される
三価アクチニドと希土類元素とを相互分離する希土類元
素と三価アクチニドの分離工程と、を有する。
【0013】三価アクチニド及び希土類元素抽出工程で
は、高酸性の溶媒に三価アクチニド及び希土類元素が抽
出されている。一方、希土類元素と三価アクチニドの分
離工程では、所定のpH、例えばpH1.5〜3の下で
なければ希土類元素と三価アクチニドとを分離抽出する
ことができない。
【0014】従って、本発明によれば、三価アクチニド
及び希土類元素抽出工程と希土類元素と三価アクチニド
の分離工程との間に硝酸除去工程を設けたことにより、
三価アクチニド及び希土類元素抽出工程で得られた溶液
から所定量の硝酸を除去して適正な酸性濃度にしてか
ら、希土類元素と三価アクチニドとを分離することがで
きる。これにより、両者を良好に分離することができ
る。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な一実施形態
を、図1に示す三価アクチニドと希土類元素の分離方法
の概念的なフローシートを用いて説明する。尚、Lnは希
土類元素、An(III) は三価アクチニドである。
【0016】本実施形態に係る三価アクチニドと希土類
元素の分離方法は、使用済燃料の再処理で発生する高酸
性廃液から三価アクチニド及び希土類元素を溶媒に抽出
する三価アクチニド及び希土類元素抽出工程と、三価ア
クチニド及び希土類元素を抽出した溶媒中の硝酸濃度を
低減させる硝酸除去工程と、低硝酸濃度の溶媒に含有さ
れる三価アクチニドと希土類元素とを相互分離する希土
類元素と三価アクチニドの分離工程と、を有する。
【0017】本実施形態の分離方法で得られる三価アク
チニドとしては、アメリシウム(Am)やキュリウム
(Cm)、Bk(バークリウム)、Cf(カリホルニウ
ム)等が挙げられる。
【0018】また、本実施形態の分離方法で得られる希
土類元素は、Y(イットリウム)、ランタニドのLa
(ランタン)、Ce(セリウム)、Nd(ネオジム)か
らLu(ルテチウム)まで、特にY、ランタニドのLa
からGd(ガドリニウム)までである。
【0019】本実施形態に係る三価アクチニドと希土類
元素の分離方法に供される処理対象液としては、使用済
燃料の再処理で発生する高放射性廃液であればどの様な
廃液でも用いることができる。但し、ウラン(U)及び
プルトニム(Pu)は、ある濃度以上高放射性レベル廃
液に含まれている場合、CMPO−TBP混合溶媒を用
いる溶媒抽出操作を阻害するおそれがあるので、本発明
における三価アクチニド及び希土類元素抽出工程の前に
ピューレックス(PUREX)法によりU,Puを除去
することが好ましい。
【0020】三価アクチニド及び希土類元素抽出工程 本工程は、上記高放射性廃液から三価アクチニド及び希
土類元素をCMPO−TBP混合溶媒に抽出する工程で
あり、上述したTRUEX法を用いる。
【0021】本実施形態のCMPO−TBP混合溶媒
は、好ましくは、0.2Mの濃度のオクチル(フェニ
ル)−N,N−ジイソブチルカルバモイルメチルホスフ
ィン・オキサイド(CMPO)と、好ましくは1.0〜
1.4Mの濃度のリン酸トリブチル(TBP)と、炭化
水素希釈剤と、を混合した溶媒を、上記高放射性廃液と
接触させることによって、三価アクチニド及び希土類元
素とをCMPO−TBP混合溶媒に抽出することができ
る。
【0022】炭化水素希釈剤としては、直鎖脂肪族であ
るn−ドデカンや、炭素数の異なる脂肪族炭化水素の混
合物であるNPH等が挙げられる。
【0023】ここで、CMPOの濃度が0.2M未満の
場合には、三価アクチニドの抽出能力が低下する。一
方、CMPOの濃度が0.2Mを超える場合には、ある
一定の濃度の金属を抽出した際に有機相が二相に分離す
る現象を起こしやすいという不都合がある。また、TB
Pの濃度が1.0未満の場合には、ある一定の濃度の金
属を抽出した際に有機相が二相に分離する現象を起こし
やすいという不都合があるが、TBPの濃度が1.4M
を超えると、有機相の比重が大きくなるという不都合が
ある。
【0024】硝酸除去工程 本工程では、前記抽出工程においてCMPO−TBP混
合溶媒に抽出された三価アクチニド及び希土類元素を混
合溶媒中に保持したまま、塩析剤である硝酸根を0.2
〜1.0M含みpHを2〜3に調整した硝酸水溶液をC
MPO−TBP混合溶媒に接触させ、硝酸のみをCMP
O−TBP混合溶媒から逆抽出し、溶媒中の酸濃度を
0.01M以下に調整する工程である。
【0025】硝酸塩としては、例えば硝酸アルカリ金属
塩、硝酸アルカリ土類金属塩等の硝酸金属塩や硝酸ヒド
ロキシアンモニウム塩等を用いることができる。硝酸ア
ルカリ金属塩のアルカリ金属としては、リチウム(L
i)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)が好まし
く、硝酸アルカリ土類金属としては、マグネシウム(M
g)、カルシウム(Ca)が好ましい。
【0026】希土類元素と三価アクチニドの分離工程 本工程では、1〜5Mの硝酸塩と、0.01〜0.1M
の濃度の錯化剤と、からなる水溶液に、酸濃度を0.0
1M以下に除去した三価アクチニド及び希土類元素を含
有するCMPO−TBP混合溶媒を接触させ、CMPO
−TBP混合溶媒から水相中に三価アクチニドを逆抽出
し、希土類元素と相互分離する工程である。分離工程で
は、pHは1.8〜2.2に調整されていることがより
好ましい。
【0027】ここで、上記水溶液中の硝酸塩濃度が1M
未満の場合には、希土類元素の分配比を十分に高く保て
ないという不都合があり、一方硝酸塩濃度が5Mを超え
ると、三価アクチニドの分配比が高くなってしまうとい
う不都合がある。一方、錯化剤濃度が0.01M未満の
場合には、三価アクチニドの分配比が高くなってしまう
一方、錯化剤濃度が0.1Mを超えると、希土類元素の
分配比を十分に高く保てないという不都合がある。ま
た、CMPO−TBP混合溶媒中の酸濃度が0.01M
を超えると、工程中のpHの低下を招くおそれがある。
【0028】尚、分配比が高いとは、ある化学種の有機
相中の濃度が水相に比べ高いことをいい、一方、分配比
が低いとは、有機相に比べ水相の濃度が高いことをい
う。
【0029】上述した硝酸塩は、アルカリ金属塩やヒド
ロキシアンモニウム塩が用いられる。硝酸塩として好ま
しくは、硝酸アルカリ金属塩、硝酸ヒドロキシアンモニ
ウム塩である。上記アルカリ金属としては、リチウム
(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)がより
好ましい。
【0030】錯化剤としては、ジエチレントリアミン五
酢酸(DTPA)、エチレンジアミン四酢酸(EDT
A)、ニトリロ三酢酸(NTA)のようなアミノポリ酢
酸等が挙げられる。
【0031】また、本工程における温度は、室温から4
0℃程度が好ましい。高温での操作は分配比を低下させ
るために好ましくない。
【0032】また、錯化剤と塩析剤を含む水溶液と金属
を抽出した溶媒の接触時間は、5分間以上であることが
好ましく、向流多段抽出操作での滞留時間をそのように
設定することが好ましい。
【0033】希土類元素の逆抽出工程 本工程は、前工程において三価アクチニドと相互分離さ
れた希土類元素を含有するCMPO−TBP混合溶媒か
ら希硝酸を用いて希土類元素のみを逆抽出する工程であ
る。尚、希土類元素が逆抽出された溶媒は、廃溶媒とし
て残存元素除去後、溶媒再生系へ送られる。
【0034】
【実施例】次に、実験例を挙げて、本発明を具体的に説
明する。
【0035】(1)被処理廃液:高速実験炉「常陽」で
照射した燃料をPUREX法により処理する際に発生し
た抽出ラフィネートを、更にTRUEX法による処理で
得られた製品溶液を用いて行った。この溶液には、三価
アクチニドのAmとCmと、希土類元素のY、La、C
e、Pr、Nd、Pm、Sm、Euが含まれている。
【0036】(2)方法 図2は、本発明における三価アクチニドと希土類元素の
分離を向流多段法によって行った実験例の工程図を示
す。
【0037】<第一工程;三価アクチニド及び希土類元
素抽出工程>0.2MのCMPOと1.0MのTBPと
n−ドデカンとからなるCMPO−TBP溶媒を100
の相対的な流量で流し、3MHNO3 を50、上記被処
理廃液を200の相対流量でそれぞれ流して向流接触さ
せた。混合溶媒相には、三価アクチニド及び希土類元素
が抽出され、水相には、三価アクチニド及び希土類元素
がないことを、放射能分析によって確認した。
【0038】<第二工程;硝酸除去工程>上記三価アク
チニド及び希土類元素を含有したCMPO−TBP溶媒
を100の相対流量で流し、0.5M硝酸ナトリウムを
含む0.01M硝酸溶液を100の相対流量で向流接触
させた。本工程から排出させる溶媒中の酸濃度は0.0
1M未満であった。また、この溶媒を次工程にポンプに
より輸送し、水相は廃液とした。
【0039】<第三工程;希土類元素と三価アクチニド
の分離工程>前工程で処理されたCMPO−TBP溶媒
を100、希硝酸で洗浄した同組成の溶媒(0.2Mの
CMPOと1.0MのTBPとn−ドデカンとからなる
CMPO−TBP溶媒)を50の相対流量で流し、4M
硝酸ナトリウムと0.05Mジエチレントリアミン五酢
酸(DTPA)とからなる水溶液を50の相対流量で向
流接触させた。分離の様子は放射能及び元素分析により
観察した。CMPO−TBP混合溶媒相は、次工程に輸
送した。
【0040】<第四工程;希土類元素の逆抽出工程>前
工程で処理されたCMPO−TBP混合溶媒を、50の
相対流量の0.01M硝酸水溶液に向流接触させ、水相
中に希土類元素を抽出した。
【0041】(3)結果 結果は、下記に示す除染係数と除去率により評価した。
【0042】a)三価アクチニドに対する除染係数:三
価アクチニドに対する除染係数は、以下の式によって求
められる。
【0043】
【数1】 式中、Lnは希土類元素、An(III) は三価アクチニドであ
る。
【0044】また、各希土類元素及び三価アクチニドの
濃度は、放射能分析又は元素分析の測定結果より求めら
れる。尚、放射能分析の場合には放射性同位体の濃度か
ら、また元素分析の場合には元素濃度から、除染係数を
求める。
【0045】b)三価アクチニドに対する希土類元素の
除去率:除去率は、三価アクチニド及び希土類元素含有
CMPO−TBP混合溶媒中の希土類元素の濃度に対す
る相互分離後の水相中の希土類元素の濃度の比を百分率
で示した。尚、相互分離後の水相には、三価アクチニド
のみが存在するのが理想的であるから、除去率が高いほ
ど、分離が良好であることを示す。また、除去率は放射
能濃度から求めることができる。
【0046】
【表1】元素 Amに対する除染係数 La >1000 Ce 200 Pr 50 Nd 20 Sm 5Eu 1.5 上記除染係数が、例えば200(Ceの場合)とは、三
価アクチニドと希土類元素によって、Amに対するCe
の濃度の比が被処理液中の濃度比の1/200に低下し
たことを示す。尚、CmはAmとほぼ同様の除染係数で
あった。
【0047】放射性廃液では、通常、LaからNdまで
の軽い希土類元素が、80%を占めることから、三価ア
クチニドと希土類元素の分離が良好であることが判明し
た。次に、第三の分離工程で得られた三価アクチニド製
品における希土類元素の除去率を表2に示す。
【0048】
【表2】希土類元素 除去率(%) La 〜100 Ce 〜100 Nd 80 Pr 80Sm 50 以上より、本発明の三価アクチニドと希土類元素の分離
方法によれば、良好に両者を相互分離できることが判明
した。
【0049】以上、向流多段抽出方法による結果を示し
たが、各工程をバッチ法で行った場合の結果を以下に示
す。
【0050】図6には、第二工程における硝酸の選択的
逆抽出に係るAmの分配比が示されている。図6の矢印
の範囲、すなわちAmの分配比が1以上で硝酸の分配比
が1以下の範囲内の硝酸ナトリウム濃度の硝酸溶液を、
CMPO−TBP溶媒に接触させると、CMPO−TB
P溶媒中の硝酸は選択的に水相に逆抽出され、一方、三
価アクチニドのAmはCMPO−TBP溶媒に保持され
る。
【0051】また、図3〜図5には、第三工程である希
土類元素と三価アクチニドの分離工程における希土類元
素及び三価アクチニドのそれぞれの分配比が示されてい
る。特に、図3には、三価アクチニド及び希土類元素の
分配比の硝酸ナトリウム濃度依存性が示されている。ま
た、図4には、三価アクチニド及び希土類元素の分配比
のpH依存性が示されている。更に、図5には、三価ア
クチニド及び希土類元素の分配比の錯化剤であるDTP
A濃度依存性が示されている。
【0052】本工程では、希土類元素は有機相に残留
し、三価アクチニドは水相に抽出される。従って、図3
〜図5において、希土類元素の分配比Dが高いほど、有
機相に選択的に希土類元素が抽出され、一方、三価アク
チニドの分配比Dが低いほど、水相に選択的に三価アク
チニドが移行する。従って、図3〜図5において、三価
アクチニドの分配比Dが1以下で、希土類元素の分配比
が1以上の場合には、良好に三価アクチニドと相互分離
されることが分かる。
【0053】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る三価アクチ
ニドと希土類元素の分離方法によれば、希土類元素と三
価アクチニドとを良好に分離することができる。また、
本発明の分離方法によれば、従来のTALSPEAK法
に比べpHの酸性域で相互分離処理を行うことができる
ので、工程管理が容易となる。更に、三価アクチニド製
品のpHが2付近であることから、従来に比べ製品の取
扱いが極めて容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の三価アクチニドと希土類元素の分離
方法の概念的なフローシートである。
【図2】 本発明における三価アクチニドと希土類元素
の分離を向流多段法によって行った実験例の工程図であ
る。
【図3】 三価アクチニドの逆抽出における三価アクチ
ニド及び希土類元素の分配比の硝酸ナトリウム濃度依存
性を示す図である。
【図4】 三価アクチニドの逆抽出における三価アクチ
ニド及び希土類元素の分配比のpH依存性を示す図であ
る。
【図5】 三価アクチニドの逆抽出における三価アクチ
ニド及び希土類元素の分配比の錯化剤であるDTPA濃
度依存性を示す図である。
【図6】 第二工程における硝酸の選択的逆抽出に係る
Amの分配比を示す図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 使用済燃料の再処理で発生する高酸性廃
    液から三価アクチニド及び希土類元素を溶媒に抽出する
    三価アクチニド及び希土類元素抽出工程と、 三価アクチニド及び希土類元素を抽出した溶媒中の硝酸
    濃度を低減させる硝酸除去工程と、 低硝酸濃度の溶媒に含有される三価アクチニドと希土類
    元素とを相互分離する希土類元素と三価アクチニドの分
    離工程と、 を有することを特徴とする三価アクチニドと希土類元素
    の分離方法。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の分離方法において、 前記三価アクチニド及び希土類元素抽出工程では、0.
    2Mの濃度のオクチル(フェニル)−N,N−ジイソブ
    チルカルバモイルメチルホスフィンオキサイドと、1.
    0〜1.4Mの濃度のリン酸トリブチルと、炭化水素希
    釈剤と、を混合した溶媒を用いて、三価アクチニド及び
    希土類元素を抽出することを特徴とする三価アクチニド
    と希土類元素の分離方法。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の分離方法において、 前記硝酸除去工程では、溶媒中の酸濃度を0.01M以
    下に低減するために三価アクチニド及び希土類元素を抽
    出した溶媒に、硝酸基を0.2〜1.0Mを含む0.1
    M以下の濃度の硝酸水溶液に接触させて、三価アクチニ
    ド及び希土類元素を溶媒に保持したまま、前記溶媒から
    所定量の硝酸を除去することを特徴とする三価アクチニ
    ドと希土類元素の分離方法。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の分離方法において、 前記希土類元素と三価アクチニドの分離工程は、1〜5
    Mの濃度の硝酸塩と、0.01〜0.1Mの濃度の錯化
    剤と、からなる水溶液を、溶媒中の酸濃度を0.01M
    以下とした三価アクチニド及び希土類元素を含有する溶
    媒に接触させることを特徴とする三価アクチニドと希土
    類元素の分離方法。
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