WO2005014888A1 - 酸化物電解法用の電解装置 - Google Patents

酸化物電解法用の電解装置 Download PDF

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Kenji Koizumi
Nobuo Okamura
Tadahiro Washiya
Shinichi Aose
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Japan Nuclear Cycle Development Institute
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Definitions

  • the present invention provides a plurality of types of anodes and a common cathode, and uses a combination of one of the anodes and the cathode as main electrolysis and a combination of at least one of the other anodes and the cathode as auxiliary electrolysis.
  • the present invention relates to an electrolysis apparatus for an oxide electrolysis method that enables efficient management of deposits. This technology is useful for electrolysis systems in oxide electrolysis, among dry reprocessing methods using molten salt electrolysis for spent nuclear fuel.
  • Electrolytic techniques include oxide electrolysis and metal electrolysis. If the chemical form of uranium or plutonium to be recovered is an oxide, the oxide electrolysis is used.
  • the oxide electrolysis method is a method of recovering uranium and plutonium oxides through a simultaneous electrolysis step, a chlorination dissolution step, and a MOX recovery step.
  • spent nuclear fuel is loaded in the lower part of a crucible that also serves as an anode, and then electrolysis is performed with the cathode installed in the upper part.
  • electrolysis is performed with the cathode installed in the upper part.
  • uranium oxide contained in a large amount in spent nuclear fuel is dissolved in the molten salt by anodic oxidation and, at the same time, is precipitated and recovered on the cathode surface by cathodic reduction (simultaneous electrolysis step).
  • the crucible accommodating the object to be treated also serves as the anode
  • the cathode is charged in the molten salt
  • electrolysis is performed between the anode (crucible) and the cathode.
  • anode and a cathode are charged in a crucible and electrolysis is performed between them.
  • the prior art as described above has the following problems to be solved.
  • the current density is uniform and the bias of the electrodeposits is less likely to occur in the steps other than the simultaneous electrolysis step, since the distance between the cathode and the anode is kept uniform.
  • the distance between the electrodes is not uniform because the surface of the spent nuclear fuel loaded at the bottom of the crucible becomes the anode. For this reason, the current density distribution on the cathode surface is biased, which causes the electrodeposits to be biased.
  • a crucible material that also serves as the anode uses pyrographite, which has excellent corrosion resistance, coated (deposited) on graphite cloth.
  • chlorine gas there is also the effect of the use conditions of high-temperature molten salt, and the use time is about 1000 hours. For this reason, the crucible needs to be changed frequently, leading to a reduction in the processing speed.
  • the bonding strength of uranium oxide and plutonium oxide deposited in the form of oxide with the electrode surface is lower than the bonding strength in a metal state such as plating. Therefore, in the prior art, However, if the deposits concentrate at one location, the likelihood of the deposits falling off the cathode surface during the electrolysis operation increases due to the stirring effect of the various process gases blown into the molten salt.
  • An object of the present invention is to provide an electrolytic apparatus for oxide electrolysis that can prevent bias of an electrodeposit. Another object of the present invention is to provide an electrolysis apparatus capable of improving the processing speed and the crucible durability, and capable of recycling spent nuclear fuel by a dry reprocessing method on a commercial scale.
  • a plurality of types of anodes having different shapes and arrangements and a common cathode are installed in an electrolytic cell, and a combination of one type of the anode and the cathode is used as main electrolysis, and the rest of the anode is used.
  • An electrolytic device for an oxide electrolysis method wherein a combination of at least one of the above and a cathode is used as auxiliary electrolysis.
  • the present invention also provides an annular electrolytic cell made of a metal material in consideration of a criticality management method by shape management, a high-frequency induction coil for heating an object to be processed in the electrolytic cell, and a formed annular shape.
  • An annular anode installed at the bottom of the space, a bar-shaped anode and a bar-shaped cathode vertically inserted into the annular space, and a parallel arrangement electrode comprising a combination of a bar-shaped anode and a bar-shaped cathode;
  • An electrolyzer for oxide electrolysis characterized in that one of upper and lower electrodes arranged in combination with a rod-shaped cathode is used as main electrolysis and the other is used as auxiliary electrolysis.
  • a typical example of the parallel arrangement electrodes is an alternating arrangement electrode in which anodes and cathodes are alternately arranged.
  • the rod-shaped cathode is rotatably supported, a rotation drive mechanism is additionally provided, and the rod-shaped cathode rotates continuously during the electrolysis operation.
  • the present invention uses such an electrolysis apparatus, wherein an object to be treated in the annular electrolytic cell is a molten salt containing spent nuclear fuel, and uranium oxide contained in the spent nuclear fuel is subjected to anodic oxidation.
  • an object to be treated in the annular electrolytic cell is a molten salt containing spent nuclear fuel
  • uranium oxide contained in the spent nuclear fuel is subjected to anodic oxidation.
  • uranium oxide is dissolved /
  • the MOX recovery process in which the segregation of uranium oxide is suppressed by mixing the uranium oxide and sedimentation of uranium oxide using the parallel-arranged electrodes for auxiliary electrolysis, the parallel-arranged electrodes are used for main electrolysis.
  • This is a method for reprocessing spent nuclear fuel by the oxide electrolysis method, in which MOX electrodeposition is performed, and electrodeposits dropped from the cathode are electrolytically dissolved by using upper and lower electrodes for auxiliary electrolysis.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an electrolysis apparatus for an oxide electrolysis method according to the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing one embodiment of an electrolysis device for an oxide electrolysis method according to the present invention.
  • FIG. 2B is a longitudinal sectional view showing one embodiment of the electrolysis device for an oxide electrolysis method according to the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory view showing an electrode arrangement state in the embodiment of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a schematic explanatory view of a test device for confirming the prevention of electrodeposition bias due to electrode arrangement.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the results of a bias prevention confirmation test performed by the test apparatus of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a schematic explanatory view of a test device for confirming the prevention of electrodeposition bias due to cathode rotation.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the results of a bias prevention confirmation test performed by the test apparatus of FIG. 6.
  • FIG. 1 shows the concept of an electrolysis apparatus for an oxide electrolysis method according to the present invention.
  • a common cathode 12 two types of anodes having different shapes and arrangements (here, a first anode 14 provided below the cathode 12, and a second anode 16 provided side by side with the cathode 12). ), Connect the first electrolysis controller 18 between the cathode 12 and the first anode 14, and connect the second electrolysis controller 20 between the cathode 12 and the second anode 16.
  • the number of cathodes and each anode may be one or more.
  • the object to be treated 22 in the electrolytic cell is subjected to the electrolytic treatment.
  • the main electrolysis and the auxiliary electrolysis can be used for each electrolysis process.
  • upper and lower electrodes (combination of the cathode 12 and the first anode 14) are used as main electrolysis, and parallel electrodes (combinations of the cathode 12 and the second anode 16) are used. Is used as auxiliary electrolysis. Conversely, in the M ⁇ X recovery process, the And upper and lower electrodes are used as auxiliary electrolysis.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing one embodiment of the electrolysis apparatus for an oxide electrolysis method according to the present invention, wherein A is a transverse section and B is a longitudinal section.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the electrode arrangement state. This is an electrolyzer for the oxide electrolysis method for recovering uranium noropenium by dry reprocessing of spent nuclear fuel using molten salt electrolysis technology.
  • annular electrolytic cell is adopted in consideration of a criticality management system based on shape management.
  • the annular electrolytic cell 30 is composed of an outer crucible 32 and an inner crucible 33 that are concentrically positioned, and a to-be-processed object (molten salt containing spent fuel) 34 is accommodated in an annular space formed by them.
  • a high frequency induction coil 36 for heating an object to be processed is provided outside the annular electrolytic cell 30.
  • the outer crucible 32 and the inner crucible 33 are provided with a cooling medium channel 38 therein, and the cooling medium is circulated through a cooling medium port 39 to forcibly cool the outer and inner crucibles.
  • the thickness of the annular space in which the object to be treated enters is about 16 cm when evaluated from the viewpoint of maintenance.
  • the molten salt depth must be at least lm. Therefore, to evaluate the feasibility of this electrolysis apparatus, it is important to examine the optimal electrode shape and arrangement.
  • an annular anode 40 is provided at the bottom of an annular space, and a bar-shaped anode 41 and a bar-shaped cathode 42 are alternately charged from above in the annular space. Then, an electrode pair of the bar-shaped anode 41 and the bar-shaped cathode 42 (this is called “alternately arranged electrode”) and an electrode pair of the annular anode 40 and the bar-shaped cathode 42 (this is called “upper and lower electrode”) And one electrode pair is used as main electrolysis, and the other electrode pair is used as auxiliary electrolysis.
  • annular anodes As the rod 40, the rod-shaped anode 41, and the rod-shaped cathode 42, from the viewpoint of corrosion resistance, for example, those obtained by coating (evaporating) a graphite surface with pirographite are optimal.
  • the annular anode is shown in FIG. 2 and the cooling medium flow path in the crucible is omitted in FIG.
  • a cylindrical neutron absorber (for example, BC) 44 is provided inside the inner crucible 33.
  • a gas pipe 46 for supplying a process gas is inserted into the annular space in a vertical direction in parallel with the rod-shaped electrode.
  • the material to be treated is a molten salt containing spent nuclear fuel.
  • molten salt for example, a mixture of sodium chloride (NaCl) and cesium chloride (CsCl) in a molar ratio of 1: 2 is used.
  • the vertically arranged electrodes are used as main electrolysis, and the alternately arranged electrodes are used as auxiliary electrolysis.
  • the uranium oxide in the fuel is efficiently dissolved in the molten salt by the vertically arranged electrodes, and the concentration of current density at the cathode tip is suppressed by the alternately arranged electrodes.
  • the ability to deposit uranium ions over the entire cathode surface can be achieved.
  • the MOX recovery step uranium oxide recovery step and uranium oxide + plutonium oxide recovery step
  • alternately arranged electrodes are used as main electrolysis and upper and lower electrodes are used as auxiliary electrolysis.
  • the uranium oxide ions and the plutonium oxide ions dissolved in the molten salt can be uniformly deposited on the cathode surface by the alternately arranged electrodes.
  • the electrodeposits on the cathode surface fall off due to the agitation effect of the process gas, etc.
  • the uranium oxide is anodically dissolved by the vertically arranged electrodes
  • the plutonium oxide is chlorinated and dissolved by the chlorine gas generated by the anode reaction. be able to.
  • a force in which a bar-shaped cathode and a bar-shaped anode are alternately arranged may be arranged such that a bar-shaped anode is arranged on both sides of one bar-shaped cathode, and a plurality of units are arranged as one unit.
  • the rod-shaped cathode is not rotated, but a configuration in which a rotating function is added is also effective.
  • a rotating function is added to the rod-shaped cathode, the effect of suppressing the current density distribution on the electrode surface and preventing the electrodeposit from being biased can be obtained.
  • the molten salt is agitated by the rotation function, the element concentration distribution in the molten salt, which is one of the factors contributing to the bias of electrodeposits, is suppressed. Is also expected to be effective.
  • Fig. 4 shows an overview of the test equipment
  • Table 1 shows the test conditions
  • Fig. 6 shows the test results.
  • a common columnar cathode 52 and two columnar anodes 53 located on both sides of the same were loaded into a box-shaped electrolytic cell 50 from above.
  • a rectangular parallelepiped anode 54 is installed at the bottom of the battery, and an electrolysis controller 56 for main electrolysis is placed between the cylindrical cathode 52 and the rectangular parallelepiped anode 54, and between the cylindrical cathode 52 and the two cylindrical anodes 53.
  • the electrolysis control units 57 for auxiliary electrolysis are connected to each other.
  • a copper sulfate solution was used as an electrolyte for convenience.
  • a test was conducted with the ratio of the main electrolysis to the auxiliary electrolysis (electricity ratio) as a parameter. As shown in Fig. 5, the effect of auxiliary electrolysis on the prevention of electrodeposition bias was confirmed. Under the condition without auxiliary electrolysis, the deposits are concentrated at the lower part of the cathode, that is, the part near the cuboid anode. However, alternating cylindrical anodes When the auxiliary electrolysis is added by adding the electrode, the thickness of the electrodeposit under the cathode becomes thinner and the thickness of the electrodeposit above the cathode increases. This is because the concentration of deposits under the cathode is reduced by adding auxiliary electrolysis.
  • the test results of the effect of preventing the electrodeposition from being biased by the rotation of the cathode will be described below.
  • Figure 6 shows an overview of the test equipment
  • Table 2 shows the test conditions
  • Figure 7 shows the test results.
  • the test apparatus has a structure in which a cylindrical cathode 64 and a cylindrical anode 66 are charged into a crucible 62 in a protective container 60, and the molten salt in the crucible 62 is heated by a resistance heater 68.
  • a rotation function is provided by attaching a rotation driving device 70 to the columnar cathode 64.
  • the electrolysis controller 72 was connected between the columnar cathode 64 and the columnar anode 66 to perform electrolysis of the molten salt.
  • the cathode 64 and the anode 66 are arranged side by side, so the distance between the cathode and the anode differs depending on the position of the electrode surface.
  • the current density on the cathode surface faces the anode due to the effect of resistance. It is easier to concentrate on the side.
  • the cathode is not rotating, the current density on the side facing the anode increases, and the deposits concentrate on the side facing the anode and deposit thickly.
  • the cathode is rotated, the distance between each part of the cathode surface and the anode differs instantaneously. However, on average, the distance between the cathode and the anode is the same at each position.
  • a plurality of types of anodes having different shapes and arrangements and a common cathode are installed in an electrolytic cell, and a combination of one type of anode and the cathode is used as main electrolysis,
  • This is an electrolysis device for the oxide electrolysis method using a combination of at least one of the above and a cathode as an auxiliary electrolysis.
  • electrodeposition on the lower part of the cathode is a concern in electrolysis devices using large electrodes on a commercial scale. The bias of the object can be suppressed.
  • the introduction of a criticality control method by shape control and the adoption of a cold-crucible high-frequency induction heating method allow the crucible to be made of metal, thereby enabling the electrolysis apparatus to be increased in size. Since the electrolysis can be performed not only in the batch mode but also in the continuous mode, the processing speed is greatly improved.
  • the criticality management method based on shape management it is not necessary to determine the amount of nuclear material in the crucible for each process, so that the operation time of the electrolyzer can be reduced.
  • the distance between the cathode and the cathode is apparently uniform in the “parallel arrangement electrode” structure, so that the thickness of the electrodeposit can be made as uniform as possible. It works.
  • the effect of suppressing the concentration distribution in the object to be processed is also expected in the "upper and lower electrode", and the bias of the electrodeposit is prevented compared to the non-rotating condition. Effect.

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Abstract

　電解槽１０の内部に、共用の陰極１２と、形状及び配置の異なる２種類の陽極（ここでは、陰極の下方に設けた第１の陽極１４と、陰極と並べて設けた第２の陽極１６）を設置し、陰極と第１の陽極との間に第１の電解制御部１８を接続し、陰極と第２の陽極との間に第２の電解制御部２０を接続する構成を有する酸化物電解法用の電解装置である。陰極と一方の陽極の組み合わせを主電解として用い、陰極と他方の陽極の組み合わせを補助電解として用いて、電解槽内の被処理物２２の電解処理を行う。この電解装置によれば、電析物の偏りの防止、処理速度の向上、坩堝耐久性の向上を図ることができ、商業規模で乾式再処理法による使用済核燃料リサイクルを実施できる。

Description

明 細 書
酸化物電解法用の電解装置
技術分野
[0001] 本発明は、複数種類の陽極と共用の陰極を設置し、陽極の 1種と陰極の組み合わ せを主電解、陽極の残りの 1種以上と陰極の組み合わせを補助電解として用いること で電析物管理を効率的に実施できるようにした酸化物電解法用の電解装置に関す るものである。この技術は、使用済核燃料に関する溶融塩電解技術を用いた乾式再 処理法のうち、酸化物電解法における電解システムに有用である。
背景技術
[0002] 原子炉での使用済核燃料をリサイクルするための再処理技術として、高い経済性 が期待されてレ、る溶融塩電解技術を利用してウランやプルトニウムを回収し、リサイク ル全体の経済性の向上を図るシステムの研究が進められている（例えば特開 2001- 141879号公報参照）。電解技術には酸化物電解法と金属電解法があるが、回収す るウランやプルトニウムの化学形態が酸化物の場合は酸化物電解法が用いられる。
[0003] 酸化物電解法は、同時電解工程、塩素化溶解工程、 MOX回収工程を経ることで ウラン及びプルトニウムの酸化物を回収する方法である。まず、使用済核燃料を、陽 極を兼用した坩堝の下部に装荷した後、上部に設置した陰極との間で電解を行なう 。この操作により、使用済核燃料中に大量に含まれる酸化ウランを、陽極酸化により 溶融塩中に溶解させると同時に、陰極還元により陰極表面上に析出させて回収する (同時電解工程)。その後、電解操作を停止し、塩素ガスを溶融塩中に吹き込んで塩 化物とすることにより、使用済核燃料中に残る酸化ウラン及び酸化プルトニウム、並び にその他元素を溶融塩中に溶解させる (塩素化溶解工程)。溶融塩中に全ての使用 済核燃料を溶解させた後、坩堝を兼用する陽極と上部に設置した陰極との間で電解 を行い、陰極表面上にウラン及びプルトニウムの酸化物を混合状態で析出させて回 収する（MOX回収工程）。
[0004] 各主要工程における反応を以下に示す。
'同時電解工程 ： uo →u〇 2+ (陽極反応） u〇 ' →υο (陰極反応）
2 2
'塩素化溶解工程： U〇 + C1 →UO CI
2 2 2 2
Pu〇 + C + 2C1 →PuCl + C〇
2 2 4 2
•M〇X回収工程： U〇 CI →UO + C1 (陰極反応）
2 2 2 2
PuCl +〇 →PuO + 2C1 (陰極反応）
4 2 2 2
[0005] このように、従来技術では被処理物を収容している坩堝が陽極を兼ね、その溶融塩 中に陰極を装入し、陽極 (坩堝）と陰極の間で電解を行うような構成が採られている。 あるいは、坩堝の中に陽極と陰極を装入し、それらの間で電解を行う構成もある。
[0006] し力 上記のような従来技術には、次のような解決すべき課題があった。坩堝が陽 極を兼ねている場合、同時電解工程以外の工程においては、陰極と陽極間距離は 均一に保持されることから電流密度は均一となり、電析物の偏りは生じ難いが、同時 電解工程においては坩堝下部に装荷した使用済核燃料表面が陽極となるため電極 間距離が均一とならない。このため、陰極表面上の電流密度分布に偏りが生じ、これ により電析物の偏りが生じる。また、陰極下端部と使用済核燃料表面部との距離が短 くなることにより、陰極下端部の電流密度が上昇し、陰極下端部へ電析物が集中する ため、十分な攪拌が行われないときにはバルタ領域のイオンが不足して処理速度が 低下する。
[0007] また、塩素ガスを使用する高腐食性環境のため、陽極を兼ねた坩堝材料としては 耐食性の優れたパイログラフアイトを黒鉛生地上にコーティング (蒸着）したものを使 用しているが、塩素ガスに加えて高温の溶融塩という使用条件の影響もあり、使用時 間は約 1000時間程度となる。このため、坩堝交換を頻繁に行なう必要があり、処理 速度の低下に繋がっている。
[0008] 更に、処理速度を向上させるための方策として電解装置の大型化が考えられる力 パイログラフアイト製坩堝は、製作方法の関係上、大型化が困難である。
[0009] 坩堝の中に陽極と陰極を装入する構成の場合も、電極間距離が均一とならないた め、陰極表面上の電流密度分布に偏りが生じ、これにより電析物の偏りが生じる。
[0010] 酸化物形態で析出する酸化ウラン及び酸化プルトニウムの電極表面との結合力は メツキ等の金属状態での結合力と比べて低い。そのため従来技術では、いずれにし ても、一箇所に電析物が集中した場合、溶融塩中に吹き込む各種プロセスガスによ る攪拌効果により、電解操作中に電析物が陰極表面から脱落する可能性が高くなる
[0011] また、臨界防止の観点上、単純に電解装置を大型化することでは対応が困難であ る。
発明の開示
[0012] 本発明の目的は、電析物の偏りを防止できる酸化物電解用の電解装置を提供する ことである。本発明の他の目的は、処理速度の向上及び坩堝耐久性の向上を図り、 商業規模で乾式再処理法による使用済核燃料リサイクルを実施できる電解装置を提 供することである。
[0013] 本発明は、電解槽内に、形状及び配置の異なる複数種類の陽極と、共用の陰極と を設置し、陽極の 1種と陰極の組み合わせを主電解として用レ、、陽極の残りの 1種以 上と陰極の組み合わせを補助電解として用いることを特徴とする酸化物電解法用の 電解装置である。
[0014] また本発明は、形状管理による臨界管理方式を考慮した金属材料からなる円環状 電解槽と、該電解槽内の被処理物を加熱するための高周波誘導コイルと、形成され た円環状空間の底部に設置した円環状陽極と、円環状空間に縦方向に装入した棒 状陽極及び棒状陰極を具備し、棒状陽極と棒状陰極との組み合わせからなる並列 配置電極と、円環状陽極と棒状陰極との組み合わせからなる上下配置電極のうちの 、一方を主電解として用い、他方を補助電解として用いることを特徴とする酸化物電 解法用の電解装置である。
[0015] 並列配置電極の典型的な例は、陽極と陰極を交互に配置する交互配置電極であ る。これらにおいて、棒状陰極が回転自在に支承され、回転駆動機構が付設されて いて、電解操作中、連続して回転する構成が好ましい。
[0016] 更に本発明は、このような電解装置を使用し、円環状電解槽内の被処理物が使用 済核燃料を含む溶融塩であり、使用済核燃料中に含まれる酸化ウランを陽極酸化に より溶融塩中に溶解させると同時に陰極還元により陰極表面上に析出させて回収す る同時電解工程では、上下配置電極を主電解に用いて酸化ウランを電解溶解/電 析し、並列配置電極を補助電解に用いて酸化ウランの偏析を抑制し、ウラン及びプ ノレトニゥムの酸化物を混合状態で析出させて回収する MOX回収工程では、並列配 置電極を主電解に用いて MOX電析し、上下配置電極を補助電解に用いて陰極か ら脱落した電析物を電解溶解させることを特徴とする酸化物電解法による使用済核 燃料の再処理方法である。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]本発明に係る酸化物電解法用の電解装置の概念図である。
[図 2A]本発明に係る酸化物電解法用の電解装置の一実施例を示す横断面図である
[図 2B]本発明に係る酸化物電解法用の電解装置の一実施例を示す縦断面図である
[図 3]図 2の実施例における電極配置状態を示す説明図である。
[図 4]電極配置による電析物の偏り防止確認試験装置の概要説明図である。
[図 5]図 4の試験装置による偏り防止確認試験結果の一例を示すグラフである。
[図 6]陰極回転による電析物の偏り防止確認試験装置の概要説明図である。
[図 7]図 6の試験装置による偏り防止確認試験結果の一例を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
[0018] 本発明に係る酸化物電解法用の電解装置の概念を図 1に示す。電解槽 10の内部 に、共用の陰極 12と、形状及び配置の異なる 2種類の陽極（ここでは陰極 12の下方 に設けた第 1の陽極 14と、陰極 12と並べて設けた第 2の陽極 16)を設置し、陰極 12 と第 1の陽極 14との間に第 1の電解制御部 18を接続すると共に陰極 12と第 2の陽極 16との間に第 2の電解制御部 20を接続する構成である。陰極及び各陽極は 1個でも よいし複数個でもよい。そして、陰極と一方の陽極の組み合わせを主電解として用い 、陰極と他方の陽極の組み合わせを補助電解として用いて、電解槽内の被処理物 2 2の電解処理を行う。主電解と補助電解は、電解工程ごとに使い分けることができる。
[0019] 例えば、同時電解工程では、上下配置電極（陰極 12と第 1の陽極 14との組み合わ せ）を主電解として使用し、並列配置電極（陰極 12と第 2の陽極 16との組み合わせ） を補助電解として使用する。 M〇X回収工程では、逆に、並列配置電極を主電解とし て使用し、上下配置電極を補助電解として使用する。
[0020] 〈実施例〉
図 2は、本発明に係る酸化物電解法用の電解装置の一実施例を示す断面図であり 、 Aは横断面、 Bは縦断面である。また図 3は、その電極配置状態を示す説明図であ る。これは、溶融塩電解技術を利用して使用済核燃料を乾式再処理してウランゃプ ノレトニゥムを回収するための酸化物電解法用の電解装置である。
[0021] この実施例では、形状管理による臨界管理方式を考慮して円環状電解槽を採用し ている。円環状電解槽 30は、同心状に位置する外側坩堝 32と内側坩堝 33からなり 、それらによって形成された円環状空間内に被処理物 (使用済燃料を含む溶融塩) 3 4が収容され、円環状電解槽 30の外側には被処理物を加熱するための高周波誘導 コイル 36が設置されている。外側坩堝 32及び内側坩堝 33には、内部に冷却媒体流 路 38が設けられ、冷却媒体出入口 39を通して冷却媒体を流通させて外側及び内側 の坩堝を強制冷却するように構成されてレ、る。
[0022] 臨界計算の結果、保守上の観点から評価した場合の被処理物の入る円環状空間 の厚みは約 16cm程度となる。また、 1基で 50tHM/y程度の処理能力を賄うために は、溶融塩深さは lm以上必要となる。従って、この電解装置の成立性を評価する上 で、最適な電極形状及び配置の検討は重要な課題である。
[0023] この電解装置では、臨界を防止するための坩堝寸法を厳密に担保する必要がある こと力 、ノイログラフアイト製以上の耐食性が要求される。このため、上記のようにコ 一ルドクルーシブル式高周波誘導加熱方式を採用して坩堝材料の耐食性を向上さ せるとともに、装置の大型化による処理速度の向上を図るため、坩堝材料としては製 作性のよい金属材料を採用している。例えば、ニッケル基超合金の一種であるハステ ロイ- C (商品名）が最適である。
[0024] この実施例では、円環状空間の底部に円環状陽極 40を設置し、円環状空間に棒 状陽極 41及び棒状陰極 42を交互に縦方向に上方向から装入する。そして、棒状陽 極 41と棒状陰極 42との電極対 (これを「交互配置電極」と呼ぶ）と、円環状陽極 40と 棒状陰極 42との電極対 (これを「上下配置電極」と呼ぶ）を組み合わせて、一方の電 極対を主電解として用レ、、他方の電極対を補助電解として用いる。これら円環状陽極 40、棒状陽極 41、棒状陰極 42としては、耐食性の観点から、例えば黒鉛表面にパ イログラフアイトをコーティング (蒸着）したものが最適である。なお図面を分かり易くす るため、図 2では円環状陽極を、図 3では坩堝内の冷却媒体流路を省略して描いて いる。
[0025] また、内側坩堝 33の内側には円筒状の中性子吸収体 (例えば B C) 44を設ける。
4
円環状空間にはプロセスガスを供給するためのガス配管 46が棒状電極と平行に縦 方向に装入される。被処理物は、使用済核燃料を含む溶融塩であり、その溶融塩と しては、例えば塩化ナトリウム（NaCl)と塩化セシウム（CsCl)を 1： 2のモル比で混合 したものを用いる。
[0026] 同時電解工程では、上下配置電極を主電解として使用し、交互配置電極を補助電 解として使用する。これにより、上下配置電極で燃料中の酸化ウランを効率的に溶融 塩中に陽極溶解させるとともに、交互配置電極で陰極先端部への電流密度の集中 を抑えることにより、溶融塩中に溶解した酸化ウランイオンを陰極表面全体に析出さ せること力 Sできる。
[0027] MOX回収工程（酸化ウラン回収工程並びに酸化ウラン +酸化プルトニウム回収ェ 程)では、逆に、交互配置電極を主電解として使用し、上下配置電極を補助電解とし て使用する。これにより、交互配置電極で溶融塩中に溶解した酸化ウランイオン及び 酸化プルトニウムイオンを均一に陰極表面上に析出させることができる。また、プロセ スガス等の攪拌効果により陰極表面上力 電析物が脱落した場合、上下配置電極に よって酸化ウランについては陽極溶解させ、酸化プルトニウムについては陽極反応 によって発生する塩素ガスにより塩素化溶解させることができる。
[0028] 上記の実施例では棒状陰極と棒状陽極を交互配置している力 1本の棒状陰極の 両側に棒状陽極を配置し、それを 1ユニットとして、複数ユニット配置する構成なども 可能である。
[0029] 上記の実施例では棒状陰極を回転させていないが、回転機能を付加する構成も有 効である。棒状陰極に回転機能を付加すると、電極表面上の電流密度分布を抑えて 電析物の偏りを防止する効果が得られる。それに加えて、回転機能により溶融塩が 攪拌されるため、電析物の偏りの一因とされている溶融塩中の元素濃度分布を抑え る効果も期待される。
[0030] 次に、形状及び配置が異なる 2組の電極対を用いて実施した電解試験の結果につ いて説明する。試験装置の概要を図 4に、試験条件を表 1に、試験結果を図 6に示す
[0031] 使用した試験装置は、箱形の電解槽 50の内部に、共用の円柱状陰極 52と、その 両側に位置する 2本の円柱状陽極 53を上方向から装入し、電解槽 50の底部に直方 体型陽極 54を設置し、円柱状陰極 52と直方体型陽極 54との間に主電解用の電解 制御部 56を、円柱状陰極 52と 2本の円柱状陽極 53との間に補助電解用の電解制 御部 57を、それぞれ接続した構成である。これは、円環型電解装置を模擬するもの として、円環形状に配列した交互配置電極及び上下配置電極の一部分を切り取り、 操作上の観点から湾曲型を箱型に伸ばした状態を想定して簡略化したものに相当 する。
[0032] [表 1]
Figure imgf000009_0001
ここでは便宜的に電解液として硫酸銅溶液を使用した。主電解と補助電解の比率（ 電気量比）をパラメータとした試験を実施したところ、図 5に示すように補助電解による 電析物の偏り防止効果が確認できた。補助電解のない条件では、電析物は陰極下 部、即ち直方体型陽極に近い部分に集中している。しかし、交互配置の円柱状陽極 を設置して補助電解を追加すると、陰極下部の電析物の厚みが薄くなるとともに、陰 極上部の電析の厚みが増加してくる。これは、補助電解を追加することで陰極下部 における電析物の集中が緩和されるためである。この試験装置を用い、硫酸銅溶液 を使用した銅電析試験では、主電解と補助電解の電気量比を 3： 2に設定したとき、 陰極底部からの距離に対する電析物の偏りを最も抑制できる結果が得られた。
[0034] 陰極の回転による電析物の偏り防止効果の試験結果について以下に説明する。試 験装置の概要を図 6に、試験条件を表 2に、試験結果を図 7に示す。試験装置は、保 護容器 60内の坩堝 62に円柱状陰極 64と円柱状陽極 66を装入し、坩堝 62内の溶 融塩を抵抗ヒータ 68で加熱する構造である。円柱状陰極 64に回転駆動装置 70を付 設して回転機能を付与する。円柱状陰極 64と円柱状陽極 66の間に電解制御部 72 を接続し、溶融塩の電解を行った。
[0035] [表 2]
Figure imgf000010_0001
この試験装置では、陰極 64と陽極 66を並べて配置しているため、電極表面の位置 により陰極と陽極間の距離が異なることから、抵抗の影響により陰極表面上の電流密 度は陽極に面した側に集中し易くなる。陰極が回転していない条件では、陽極に面 する側の電流密度が高くなり、電析物は陽極に面した側に集中し厚く析出する。これ に対して陰極を回転させると、瞬間的には陰極表面の各部位置と陽極間の距離は異 なるものの、平均的な見かけ上では、陰極と陽極間の距離が各部位置で同じとなる。 従って、陰極表面上の電流密度は均一となるため、電析物の厚みは均一化される。 図 7から明らかなように、陰極の回転による電析物の偏り防止効果が確認できた。な お、図 7の「陰極回転あり」では、電解操作中 60卬 mで回転させている。
産業上の利用可能性
[0037] 本発明は上記のように、形状及び配置の異なる複数種類の陽極と共用の陰極とを 電解槽内に設置し、陽極の 1種と陰極の組み合わせを主電解として用レ、、陽極の残 りの 1種以上と陰極の組み合わせを補助電解として用いる酸化物電解法用の電解装 置であるから、商業規模の大型電極を用いた電解装置において懸念される陰極下 部への電析物の偏りを抑制できる。
[0038] また、形状管理による臨界管理方法の導入及びコールドクルーシブル式高周波誘 導加熱方式の採用により、坩堝を金属製とすることが可能となることから電解装置の 大型化が可能となるとともに、バッチ方式だけでなく連続方式による電解処理も可能 となるため、処理速度が大幅に向上する。また、形状管理による臨界管理方法では 工程ごとに坩堝内の核物質量を確定する必要がないことから、電解装置の運転時間 を短縮できる。
[0039] 更に、回転機能付きの陰極を採用すると、「並列配置電極」構造において陰極と陽 極間の距離が見かけ上、均一化されるため、電析物厚みを極力均等化することが可 能となる。また、「上下配置電極」においても陰極の回転により被処理物が攪拌される ことから、被処理物中の濃度分布を抑える効果も期待され、無回転条件と比べると電 析物の偏りを防止する効果が生じる。
[0040] その上、陰極表面から電析物が剥離した場合、「上下配置電極」として下部に配置 した陽極によって直接酸化による溶解及び陽極から発生する塩素ガスによる塩素化 溶解が生じ、それらにより剥離した電析物を効率的に溶解させることができるため、堆 積を防止できる。

Claims

請求の範囲
[1] 電解槽内に、形状及び配置の異なる複数種類の陽極と、共用の陰極とを設置し、 陽極の 1種と陰極の組み合わせを主電解として用い、陽極の残りの 1種以上と陰極の 組み合わせを補助電解として用いることを特徴とする酸化物電解法用の電解装置。
[2] 形状管理による臨界管理方式を考慮した金属材料からなる円環状電解槽と、該電 解槽内の被処理物を加熱するための高周波誘導コイルと、形成された円環状空間の 底部に設置した円環状陽極と、円環状空間に縦方向に装入した棒状陽極及び棒状 陰極を具備し、棒状陽極と棒状陰極との組み合わせからなる並列配置電極と、円環 状陽極と棒状陰極との組み合わせからなる上下配置電極のうちの、一方を主電解と して用い、他方を補助電解として用いることを特徴とする酸化物電解法用の電解装 置。
[3] 棒状陰極が回転自在に支承され、回転駆動機構が付設されている請求項 2記載の 酸化物電解法用の電解装置。
[4] 請求項 2又は 3記載の電解装置を使用し、円環状電解槽内の被処理物が使用済 核燃料を含む溶融塩であり、使用済核燃料中に含まれる酸化ウランを陽極酸化によ り溶融塩中に溶解させると同時に陰極還元により陰極表面上に析出させて回収する 同時電解工程では、上下配置電極を主電解に用いて酸化ウランを電解溶解 Z電析 し、並列配置電極を補助電解に用いて酸化ウランの偏析を抑制し、ウラン及びプルト 二ゥムの酸化物を混合状態で析出させて回収する MOX回収工程では、並列配置電 極を主電解に用いて MOX電析し、上下配置電極を補助電解に用いて陰極から脱 落した電析物を電解溶解させることを特徴とする酸化物電解法による使用済核燃料 の再処理方法。
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