(57)【要約】【課題】金属を回収する工程を簡素化できる使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法を提供する。【解決手段】軽水炉から取り出された使用済燃料集合体内の使用済の酸化物核燃料が、フッ化処理工程１において、フッ素と反応させられ、気体状のＵＦ６、及び固体状の転換フッ化物に分けられる。ＵＦ６はＵＦ６処理工程７で精製される。転換フッ化物は、フッ化物溶融塩電解工程３において、フッ化物溶融塩電解装置の電解槽内に充填されているフッ化物溶融塩（ＬｉＦ及びＢｅＦ２の混合物）に溶解される。このフッ化物溶融塩には、陽極である第１電極及び陰極である第２電極が浸漬されている。酸化物であるＬｉ２Ｏ及びＢｅＯの混合物がフッ化物溶融塩に添加されている。第１電極及び第２電極に通電することによって、フッ化物溶融塩に含まれている金属ウラン及び金属プルトニウムが第２電極に析出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉から取り出された使用済の酸化物核燃料をフッ素と反応させて核燃料フッ化物を生成し、
前記核燃料フッ化物のうち、フッ化ウランの一部を除去し、
残りの前記核燃料フッ化物、及び酸化物をフッ化物溶融塩に溶解し、及び
前記フッ化物溶融塩に浸漬された陽極である第１電極及び陰極である第２電極に通電して前記フッ化物溶融塩に溶解している金属燃料物質を前記第２電極に析出させることを特徴とする使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法。
【請求項２】
前記酸化物が前記フッ化物溶融塩に含まれる陽イオンを有する酸化物である請求項１に記載の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法。
【請求項３】
前記第１電極として炭素を含む電極を用いる請求項１または２に記載の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法。
【請求項４】
原子炉から取り出された使用済の酸化物核燃料をフッ素と反応させて核燃料フッ化物を生成し、
前記核燃料フッ化物のうち、フッ化ウランの一部を除去し、
残りの前記核燃料フッ化物、及び酸化物をフッ化物溶融塩に溶解し、
前記フッ化物溶融塩に浸漬された陽極である第１電極及び陰極である第２電極に通電して前記フッ化物溶融塩に溶解している金属燃料物質を前記第２電極に析出させ、及び
前記第２電極に析出した前記金属燃料物質を精製することを特徴とする使用済燃料の再処理方法。
【請求項５】
前記酸化物が前記フッ化物溶融塩に含まれる陽イオンを有する酸化物である請求項４に記載の使用済燃料の再処理方法。
【請求項６】
前記金属燃料物質の精製が、塩化物溶融塩を充填した電解槽を有する塩化物溶融塩電解装置を用いて行われる請求項４または５に記載の使用済燃料の再処理方法。
【請求項７】
前記金属燃料物質の精製が、
前記第２電極に析出した前記金属燃料物質を前記フッ化物溶融塩に浸漬させた状態で、第３電極が前フッ化物溶融塩に浸漬されており、及び前記第２電極が陽極に前記第３電極が陰極になるように前記第２電極及び前記第３電極に通電させて、前記金属燃料物質に含まれる物質のうち金属燃料の製造に用いられる複数の物質を前記第３電極に析出させることによって、行われる請求項４または５に記載の使用済燃料の再処理方法。
【請求項８】
前記第２電極に析出した前記金属燃料物質が、金属燃料の製造に用いられる第１金属物質、及び前記第１金属物質よりも前記フッ化物溶融塩に溶解しにくい、前記金属燃料物質の製造に不要な第２金属物質を含んでおり、前記フッ化物溶融塩が前記第１金属物質よりも前記フッ化物溶融塩に溶解しやすい第３物質を含んでいるとき、
前記第２電極に析出した前記金属燃料物質を前記フッ化物溶融塩に浸漬させた状態で、第３電極が前フッ化物溶融塩に浸漬されており、
前記第２電極に析出している前記第１金属物質が前記フッ化物溶融塩に溶解して且つ前記第２電極に析出している前記第２金属物質が前記フッ化物溶融塩に溶解しなく、そして、前記フッ化物溶融塩に溶解した前記第１金属物質が前記第３電極に析出し且つ前記第３物質が前記第３電極に析出しない電位を、通電により前記第２電極と前記第３電極の間に発生させることによって、前記金属燃料物質の精製が行われる請求項４または５に記載の使用済燃料の再処理方法。
【請求項９】
前記第１電極として炭素を含む電極を用いる請求項４ないし８のいずれか１項に記載の使用済燃料の再処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法及び使用済燃料の再処理方法に係り、特に、金属燃料を得るのに好適な使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法及び使用済燃料の再処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウランを核燃料物質として用いる軽水炉の炉心内ではウラン２３８の中性子吸収によってプルトニウム（主にプルトニウム２３９）が生成される。軽水炉に装荷されていた使用済み燃料集合体は、軽水炉から取り出されて再処理される。この使用済燃料集合体の再処理によって取り出されたプルトニウムを核燃料物質として使用して発電しつつ、併せて装荷したプルトニウムよりも多いプルトニウムを生産する原子炉として、高速増殖炉が存在する。この高速増殖炉に、核燃料物質としてウラン及びプルトニウムを含む金属燃料を用いるタイプの原子炉がある。
この金属燃料を含む燃料集合体が装荷された高速増殖炉から取り出された使用済燃料集合体を、溶融塩電解法により再処理し、回収したＰｕを金属燃料に成型して再利用することが提案されている（例えば、小山正史他、「乾式再処理技術」、電中研レビューＮｏ．３７、ページ２６−３７、（２０００）を参照）。しかし、現在、運転されている原子炉は、ほとんどが核燃料物質として酸化物核燃料を用いた軽水炉である。軽水炉から取り出された使用済燃料集合体は、約１％のＰｕを含む酸化物核燃料を含んでいる。このため、金属燃料が適用される高速増殖炉に最初に装荷される燃料集合体に用いる金属燃料を酸化物核燃料から製造する一例が、宇佐美剛他「酸化物燃料への乾式再処理技術の適用」、電中研レビューＮｏ．３７、ページ４０−４６、（２０００）に記載されている。この金属燃料の製造方法では、軽水炉の使用済燃料集合体の酸化ウランがリチウムで還元され、生成された金属ウランが回収されている。
【０００３】
使用済燃料の再処理方法として、使用済の核燃料物質に含まれているウラン及びプルトニウムをフッ化物にして、揮発性の差を利用して、ウラン、及びウラン及びプルトニウムの混合物を分離して回収することが提案されている（特開２０００-２８４０８９号公報）。この再処理方法は、使用済の核燃料物質に含まれているウランの大部分を第１のフッ化剤を用いたフッ化処理により揮発させて分離する。その後、残りのウラン、及びプルトニウムを第２のフッ化剤を用いて揮発させて回収し、回収したウラン及びプルトニウムを酸化している。これにより、ウラン及びプルトニウムの混合酸化物が生成される。
【０００４】
特開２００４-２３３０６６号公報も、フッ化処理による使用済燃料の再処理方法を記載する。この再処理方法は、使用済の核燃料物質とフッ素ガスを反応させてＵＦ6及びＰｕＦ６の形態で揮発させる。これらの混合ガスを粒状のＵＯ２Ｆ２を充填したＰｕ回収トラップに供給し、ＰｕＦ６をＵＯ２Ｆ２にＰｕＦ４の形態で吸着させて分離する。ＵＦ６6はＵＯ２に変換され、ＵＯ２Ｆ２及びＰｕＦ４はＵＯ２及びＰｕＯ２の混合酸化物に変換される。
【０００５】
特開２００２-２５７９８０号公報は、ピューレックス法により使用済の核燃料物質からウラン及びプルトニウムの混合酸化物核燃料を得る使用済燃料の再処理方法を記載する。
【０００６】
溶融塩電解法を用いた他の使用済燃料の再処理方法が、特開２００３-４３１８７号公報に説明されている。使用済の核燃料物質である酸化物核燃料を、容器に充填された溶融塩内に投入し、溶融塩内に塩素ガスを吹き込む。酸化物核燃料に含まれるＵＯ２及びＰｕＯ２は、溶融塩内で塩化物として溶解する。陽極及び陰極が溶融塩内に付けられている。陽極と陰極の間に通電すると、ＵＯ２及びＰｕＯ２が陰極に析出する。溶融塩電解法を用いた使用済燃料の再処理方法は、特開２０００-２８４０８９号公報にも記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００-２８４０８９号公報
【特許文献２】特開２００４-２３３０６６号公報
【特許文献３】特開２００２-２５７９８０号公報
【特許文献４】特開２００３-４３１８７号公報
【非特許文献１】小山正史他、「乾式再処理技術」、電中研レビューＮｏ．３７、ページ２６−３７、（２０００）
【非特許文献２】宇佐美剛他、「酸化物核燃料への乾式再処理技術の適用」、電中研レビューＮｏ．３７、ページ４０−４６、（２０００）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発明者らは、高速増殖炉に装荷する燃料集合体に用いる金属燃料を得るための、軽水炉から取り出した使用済の燃料集合体に含まれている酸化物核燃料の再処理方法を検討した。この結果、発明者らは、使用済の酸化物核燃料から金属燃料を得るために、溶融塩電解法を用いればよいとの結論に達した。
【０００９】
しかしながら、高速増殖炉の炉心に装荷される新燃料集合体内に存在する金属燃料に含まれるウランの量はその金属燃料に含まれるプルトニウムの３〜４倍であるのに対し、軽水炉から取り出された使用済の燃料集合体内の酸化物核燃料に含まれるウランの量はその酸化物核燃料に含まれるプルトニウムの約１００倍である。このため、溶融塩電解工程の前に、使用済の酸化物核燃料から、大部分の余剰ウランを除去しなければならない。
【００１０】
発明者らは、金属燃料を得る溶融塩電解工程の前で余剰ウランを除去するために、特開２０００-２８４０８９号公報、特開２００４-２３３０６６号公報及び特開２００２-２５７９８０号公報に記載されているように、使用済の酸化物核燃料を予めフッ化処理することに思い至った。使用済の酸化物核燃料に対して予め弗化処理を行うことによって、大部分のウランをフッ化物にして揮発させて除去することができる。さらに、特開２０００-２８４０８９号公報及び特開２００４-２３３０６６号公報に記載されているように、残りのウラン、及びプルトニウムの各フッ化物をそれぞれの酸化物に転換する。得られたウラン及びプルトニウムの酸化物を容器内の溶融塩内に投入し、これらの酸化物に対して溶融塩電解を実施する。この結果、金属ウラン及び金属プルトニウムを含む金属燃料を生成することができる。使用済の酸化物核燃料から余剰ウランを除去することができるので、ウラン及びプルトニウムの酸化物に対して溶融塩電解を実施する装置をコンパクト化することができる。さらに、溶融塩電解によって金属燃料を得るのに要する時間を短縮することができる。
【００１１】
発明者らは、金属燃料の原料となる金属燃料物質を使用済の酸化物核燃料から回収する工程をさらに簡素化する必要があるとの新たな課題を見出した。
【００１２】
本発明の目的は、使用済の酸化物核燃料から金属燃料物質を回収する工程を簡素化することができる使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法及び使用済燃料の再処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、原子炉から取り出された使用済の酸化物核燃料をフッ素と反応させて核燃料フッ化物を生成し、
この核燃料フッ化物のうち、フッ化ウランの一部を除去し、
残りの核燃料フッ化物、及び酸化物をフッ化物溶融塩に溶解し、及び
このフッ化物溶融塩に浸漬された陽極である第１電極及び陰極である第２電極に通電してフッ化物溶融塩に溶解している金属燃料物質を第２電極に析出させることにある。
【００１４】
核燃料フッ化物及び酸化物をフッ化物溶融塩に溶解し、このフッ化物溶融塩に浸漬された陽極である第１電極及び陰極である第２電極に通電してフッ化物溶融塩に溶解している金属燃料物質を第２電極に析出させるので、フッ化物溶融塩電解の前処理として、生成された核燃料フッ化物を酸化物にする転換処理が不要になる。このため、使用済の酸化物核燃料から金属燃料物質を回収する方法の工程を簡素化することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、使用済の酸化物核燃料から金属燃料物質を回収する工程を簡素化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
発明者らは、新たに見出した、使用済の酸化物核燃料の再処理方法の工程、すなわち、使用済の酸化物核燃料の弗化処理、得られたウラン及びプルトニウムの各フッ化物の酸化物への転換、及びウラン及びプルトニウムの各酸化物の溶融塩電解という処理の流れについて検討した。この結果、発明者らは、酸化物核燃料のフッ化処理で得られたウラン及びプルトニウムの各フッ化物を溶融塩電解することによって、使用済の酸化物核燃料の再処理工程をさらに簡素化することができるという考えに到達した。これを実現するためには、（ａ）溶融塩電解に用いる溶融塩としてフッ化物溶融塩を使用する、及び（ｂ）弗化物溶融塩に酸化物を添加する必要があることが、新たに分かった。
【００１７】
フッ化物溶融塩としては、例えば、ＬｉＦ及びＢｅＦ２の混合物を用い、添加する酸化物としては、例えば、Ｌｉ２Ｏ及びＢｅＯの混合物を用いる。これによって、酸化物核燃料のフッ化処理で得られたウラン及びプルトニウムの各フッ化物を溶融塩電解することが可能になった。したがって、溶融電解の前処理であるウラン及びプルトニウムの各フッ化物の酸化物への転換処理が不要になり、使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法において、使用済の酸化物核燃料から金属燃料物質を回収する工程を簡素化することができる。
【００１８】
上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の好適な一実施例である実施例１の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法を、図１に基づいて説明する。
【００２０】
軽水炉の炉心に装荷されていた使用済の燃料集合体は、軽水炉の原子炉圧力容器から取り出されて、燃料貯蔵プール内に所定期間保管される。この使用済の燃料集合体は、燃料貯蔵プールから取り出されて、軽水炉が設置されている原子力発電所から核燃料再処理施設まで移送される。核燃料再処理施設において、使用済の燃料集合体に含まれる核燃料物質、すなわち、酸化物核燃料が再処理される。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
脱被覆により燃料棒内から酸化物核燃料を取り出して粉砕した後、この使用済の酸化物核燃料に対してフッ化処理が実施される（フッ化処理工程１）。酸化物核燃料が、１トン、軽水炉の炉心に装荷されると、軽水炉の運転中における核分裂によって１つの運転サイクル終了時点では、表１に示すように、０．９９４トンに減少している。軽水炉から取り出された使用済燃料集合体に含まれている使用済の酸化物核燃料は、表１の使用済酸化物核燃料の欄に示す組成を有しており、主な成分として、ウラン、ウランから生成されたプルトニウム、ネプツニウム、アメリシウム及びキュリウムなどの超ウラン元素、及び核分裂生成物(以下、ＦＰという)を含んでいる。表１の使用済酸化物核燃料の欄には、約１トンの使用済の酸化物核燃料に含まれている各元素の重量、物質量（モル数）及び放射能を示している。
【００２３】
フッ化処理工程１において、酸化物核燃料は、フッ素と反応させられ、気体状の六フッ化ウラン（ＵＦ６）、及び固体状の転換フッ化物に分けられる。フッ化処理工程１で発生したＵＦ６は、ＵＦ６処理工程７に送られて精製され、ＵＯ２に転換される。このＵＯ２は軽水炉用の新燃料集合体の燃料棒内に装填される。
【００２４】
フッ化処理工程１では、フレーム炉（または流動床）が用いられる。酸化物核燃料がフレーム炉内に供給された後、フレーム炉内にフッ素が供給され、フレーム炉内で酸化物核燃料のフッ化処理が実施される。フレーム炉内に供給するフッ素（Ｆ２）の流量を制御することによって、フッ化処理工程１においてウランが揮発する比率を８０％から９８％の間に調節することができる。
【００２５】
ウランが揮発する比率を調整することによって、固体状の転換フッ化物に残るウランの量を調節できる。表１の使用済酸化物核燃料の欄に記載された組成を有する使用済の酸化物核燃料にフッ化処理を施し、９８％のウランを揮発させて得られた転換フッ化物の組成を、表１の転換フッ化物の欄に示している。フッ化処理前に使用済の酸化物核燃料に含まれていた各化合物は、フッ化処理後において表１の転換フッ化物の欄における形態の欄に示す各化合物に転換される。ウランは、大部分がフッ化処理時においてＵＦ６として除去されるため、使用済みの酸化物核燃料に含まれたウランの量の２％まで減少する。また、使用済みの酸化物核燃料に含まれているＨ、Ｂｒ、Ｋｒ、Ｉ及びＸｅは、気体であるため、フッ化処理工程１において除去され、フッ化処理工程１の生成物である転換フッ化物には含まれていない。Ｓｅ、Ｎｂ、Ｔｃ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｓｂのフッ化物は揮発性であるため、転換フッ化物には１０％程度しか残らない。
【００２６】
流動床を用いたフッ化処理工程はバッチ処理になるため、ウランが必要な量だけ揮発した時点で流動床内へのフッ素の供給を停止して流動床から残渣を取り出す。このような操作を行うことによって、流動床を用いた場合でも、ウランが揮発する比率を調節することができる。
【００２７】
以上に述べたフッ化処理工程１が終了した後、フッ化物溶融塩電解工程３が実行される。フッ化処理工程１で生成された転換フッ化物は、フッ化物溶融塩電解工程３に用いられる電解槽内に供給される。フッ化物溶融塩電解工程３で用いられるフッ化物溶融塩電解装置は、電解槽内に、フッ化物溶融塩を充填しており、陽極である第１電極及び陰極である第２電極が電解槽に設けられている。第１電極及び第２電極がフッ化物溶融塩内に浸漬されている（後述の図５参照）。転換フッ化物は、フッ化物溶融塩内に投入される。フッ化物溶融塩としては、例えば、ＬｉＦ及びＢｅＦ２の混合物が用いられる。ＬｉＦ及びＢｅＦ２の混合物の替りに、フッ化物溶融塩としてＬｉＦ、ＮａＦ及びＫＦを含む混合物を用いてもよい。
【００２８】
フッ化物溶融塩を用いることによって、転換フッ化物に含まれる、ＵＯ２Ｆ２の形態で存在するウランと、ＮｐＯ２Ｆ２の形態で存在するネプツニウムは、以下に示す反応によりフッ化物溶融塩に溶解する。
【００２９】
ＵＯ2Ｆ2（固体）→ＵＯ22+（溶融塩中）＋２Ｆ-（溶融塩中）      …（１）
ＮｐＯ2Ｆ2（固体）→ＮｐＯ22+（溶融塩中）＋２Ｆ-（溶融塩中）  …（２）
フッ化処理工程１で生成された他の転換フッ化物はＡｎＦｍの形態で存在するので、例えば、Ｐｕ，Ｌａ，Ｓｒ及びＣｓは以下の反応式でフッ化物溶融塩に溶解する。
【００３０】
ＰｕＦ4（固体）→Ｐｕ4+（溶融塩中）＋４Ｆ-(溶融塩中)          …（３）
ＬａＦ3（固体）→Ｌａ3+（溶融塩中）＋３Ｆ-（溶融塩中）        …（４）
ＳｒＦ2（固体）→Ｓｒ2+（溶融塩中）＋２Ｆ-（溶融塩中）        …（５）
ＣｓＦ（固体）→Ｃｓ+（溶融塩中）＋Ｆ-（溶融塩中）           …（６）
第１電極及び第２電極に通電して、電解槽内のフッ化物溶融塩を電気分解すると、フッ化物溶融塩内において以下の（７）式から（１０）式の各反応が生じ、陰極である第２電極にウラン金属が析出する。すなわち、電極間に通電している間に、フッ化物溶融塩は、塩化物溶融塩と異なりＯ２−イオンの溶解度が高いため（８）式の反応が生じ、ウランは、Ｕ４＋からＵ３＋を経由してウラン金属となる。
【００３１】
ＵＯ22+（溶融塩中）＋２ｅ-（陰極）→ＵＯ2（陰極近傍）         …（７）
ＵＯ2（陰極近傍）→Ｕ4+（溶融塩中）＋２Ｏ2-（溶融塩中）       …（８）
Ｕ4＋（溶融塩中）＋ｅ-（陰極）→Ｕ3+（溶融塩中）              …（９）
Ｕ3+（溶融塩中）＋３ｅ-（陰極）→Ｕ（陰極に析出）            …（１０）
（７）式から（１０）式をまとめると、第２電極上で生じる反応は（１１）式の反応になる。
【００３２】
ＵＯ22+（溶融塩中）＋６ｅ-→Ｕ（陰極に析出）＋２Ｏ2-（溶融塩中）…（１１）
ＮｐＯ２Ｆ２はＵＯ２Ｆ２と同様にＮｐとして陰極に析出する。ＡｎＦｍの形態で存在するフッ化物は下記の反応により金属が陰極に析出する。
【００３３】
Ｐｕ4+（溶融塩中）＋４ｅ-（陰極）→Ｐｕ（陰極に析出）        …（１２）
Ｌａ3+（溶融塩中）＋３ｅ-（陰極）→Ｌａ（陰極に析出）        …（１３）
Ｓｒ2+（溶融塩中）＋２ｅ-（陰極）→Ｓｒ（陰極に析出）        …（１４）
Ｃｓ+（溶融塩中）＋ｅ-（陰極）  →Ｃｓ（陰極に析出）         …（１５）
先にフッ化物溶融塩を電気分解すると述べたが、このまま、電気分解を行った場合には、（１１）式の反応に対して陽極である第１電極では（１６）式の反応が生じ、第１電極付近でフッ素ガスが発生する。このため、第１電極が腐食し易くなる。
【００３４】
６Ｆ-（溶融塩）→３Ｆ2＋６ｅ-（陽極）                      …（１６）
本実施例では、第１電極付近でのフッ素の発生を防ぐため、電解槽内のフッ化物溶融塩に予め酸化物を溶解させている。フッ化物溶融塩に添加する酸化物としては、フッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有する酸化物を使用することが好ましい。これは、フッ化物溶融塩と共通の酸化物を用いることによって、例えば、後述の（１９）式に示されるように、フッ化物溶融塩内で余剰なフッ素と反応して生成されるフッ化物がフッ化物溶融塩と同じ組成になる。このため、フッ化物溶融塩の組成を維持することができる。本実施例では、フッ化物溶融塩としてＬｉＦ及びＢｅＦ２の混合物を用いるので、添加する酸化物としてＬｉ２Ｏ及びＢｅＯの混合物を使用する。Ｌｉ２Ｏ及びＢｅＯの混合物を用いることによって、（１９）式の反応に基づいて、本実施例で用いるフッ化物溶融塩の組成であるＬｉＦ及びＢｅＦ２が生成される。本実施例では、第１電極として炭素陽極を用い、（１１）式の反応を促進させている。したがって、第１電極における陽極反応は、（１７）及び（１８）式のようになる。
Ｌｉ2Ｏ＋ＢｅＯ→２Ｌｉ+（溶融塩）＋Ｂｅ2+（溶融塩）＋２Ｏ2-（溶融塩）…（１７）
３Ｏ2-（溶融塩）＋３／２Ｃ（陽極材）→３／２ＣＯ2＋６ｅ-（陽極）    …（１８）
(１８)式の反応では第１電極から二酸化炭素が発生する。しかしながら、フッ化物溶融塩の温度によっては、発生した二酸化炭素が分解して一酸化炭素が生成される場合もある。
【００３５】
ＵＯ２Ｆ２からウラン金属をフッ化物溶融塩電解によって回収する（１１）式の反応では、Ｏ２−イオンが２個生成されるので、第１電極で（１８）式の反応を生じる。このため、Ｌｉ２Ｏ及びＢｅＯは、ＵＯ２Ｆ２のモルあたり、Ｏ２−イオンが１モル生成する量だけ、フッ化物溶融塩であるＬｉＦ及びＢｅＦ２の混合物に添加すればよい。全体の反応は以下の式で表される。
【００３６】
１／２（Ｌｉ2Ｏ＋ＢｅＯ）+ＵＯ2Ｆ2  ＋３／２Ｃ
→  Ｌｉ+＋１／２ Ｂｅ2+＋２Ｆ-＋Ｕ＋３／２ＣＯ2    …（１９）
（１１）式は、この回収したウラン金属にどのような物質が同伴するかを示している。（７）式から（１０）式で表される各反応のうち、最も第２電極を負の値にしなければならない反応は（１０）式の反応である。フッ化物溶融塩での析出反応の電位はデータが少ないので、以下、塩化物溶融塩における電位を用いて説明する。
【００３７】
フッ化物溶融塩と塩化物溶融塩では析出反応の電位が異なるが、各イオンが析出する電位（析出電位）の順番は両者で変わらない。すなわち  Ｕ３＋イオンがウラン金属になる電位Ｅ１と、Ｌａ３＋イオンがＬａ金属になる電位Ｅ２は溶融塩の種類によって異なるが、溶融塩が異なっても電位Ｅ２が電位Ｅ１よりも負の値であるということは変わらない。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
表２は、塩化物溶融塩内に溶けている各化合物を析出電位の大きい順番にまとめたものである。行番１から行番１９までの各元素は、ウランよりも析出電位が正であり、ウランよりも析出し易い。このため、ウランが第２電極に析出するときには、行番１から行番１９までの各元素も第２電極に析出する。表２において行番２１以降の元素は、ウランよりも析出電位が負であるためウランよりも析出し難く、ウランが第２電極に析出した時には、電解槽内の溶融塩に含まれている。Ｓｅ及びＴｃは析出電位のデータがないが、保守的にはウランが第２電極に析出するときにはＳｅ及びＴｃも第２電極に析出している。当然ながら、プルトニウムも第２電極に析出している。
【００４０】
本実施例におけるフッ化物溶融塩電解工程３では、電解槽に設けられた第１電極と第２電極の電位差が、製造される金属燃料に必要な元素のうちフッ化物溶融塩内での析出電位が最も低くなる元素（ウラン）の析出電位に等しくなるように、第１電極と第２電極に通電する。これによって、析出電位が最も低くなる元素の析出電位以上である元素が陰極である第２電極に析出する。
【００４１】
フッ化処理工程１で使用済の酸化物核燃料に含まれていたウランの９８％を取り除いたので、第２電極に析出した金属ウラン及び金属プルトニウムに対する金属プルトニウムの割合（富化度）は、表２によれば、０．３２になる。すなわち、本実施例によれば、使用済の酸化物核燃料から余剰のウランを除去した後、残りのウランとプルニウムを、プルトニウムの富化度が０．２５以上の金属燃料に転換することができる。この回収された金属燃料物質（金属ウラン及び金属プルトニウム等の表２に示す行番１から行番２０までの各金属元素）が付着している第２電極が、本実施例の金属燃料物質の回収方法を実施するプラントとは、別の場所に設置された精製工程４を実施する他のプラントまで搬送される。
【００４２】
【表３】
2010127616.tif 000005
【００４３】
表３は、Ｐｕを６．９３ｋｇ／月の割合で回収しようとした場合、表２に示す行番１から行番２０までの各金属元素がどれだけ一緒に回収されるかをまとめて表示したものである。表３において、ＭＡはマイナーアクチニド、ＲＥはレアアース、ＡＭはアルカリ金属、ＡＥＭはアルカリ土類金属、及びＮＭは貴金属である。表２において、ＭＡはＡｍ，Ｃｍ及びＮｐ、ＲＥはＴｂ，Ｄｙ及びＳｍ、ＮＭは行番１から行番１１の各元素である。ＡＥＭ及びＮＭは、表２に示された行番２１以降の元素であり、第２電極に析出しなくフッ化物溶融塩内に残っている。
【００４４】
（１４）式の反応を行わせる目的でフッ化物溶融塩にＬｉ２Ｏ及びＢｅＯを添加するので、電解槽内のフッ化物溶融塩の量が増加する。そこで、フッ化物溶融塩電解後に、増加した分のフッ化物溶融塩（余剰のフッ化物溶融塩）が、ＦＰと共に電解槽から抜き取られて廃塩処理工程６に送られる。
【００４５】
【表４】
2010127616.tif 000006
【００４６】
表４は、高レベル廃棄物のガラス固化体のモデルガラスであるＰ０７９８ 模擬ガラスの組成をモル分率に換算して示している。ガラスの母剤は、ＳｉＯ２のようなネットワーク構造を作る酸性酸化物母剤、及びネットワークを切断して融点を下げる塩基性酸化物母剤を含んでいる。酸性酸化物母剤は、フッ化物を分解するホウ素を含んでいる。
【００４７】
電解槽から抜き取られた、ＦＰ、Ｌｉ２Ｏ及びＢｅＯを含む余剰のフッ化物溶融塩（ＬｉＦ及びＢｅＦ２）が、高レベル放射性廃棄物処理装置に供給される。高レベル放射性廃棄物処理装置において、ＦＰ及び余剰のフッ化物溶融塩が固化容器内に注入され、さらに、固化容器内に酸性酸化物母剤及び塩基性酸化物母剤が注入されて、それらが撹拌される。その後、固化容器が密封され、固化容器は密封状態で貯蔵室内に保管される。
【００４８】
【表５】
2010127616.tif 000007
【００４９】
本実施例におけるＦＰ、Ｌｉ及びＢｅ等の質量バランスの例を、以下に説明する。表５は、表２に示す転換フッ化物の反応に係る電子の数、フッ化物溶融塩電解時に第１電極（陽極）で消費するＯ２−の量、及び約１ｔの使用済の酸化物核燃料を処理するごとにフッ化物溶融塩内に蓄積する物質量をまとめたものである。
【００５０】
ＦＰ、Ｌｉ及びＢｅの質量バランスの要約が、図２に示される。軽水炉で発生した約１ｔの使用済の酸化物核燃料から、１．６×１０−１ｋＭｏｌのＦＰが、フッ化物溶融塩電解工程３でフッ化物溶融塩に導入される、このＦＰのうち、６．１２×１０−２ｋＭｏｌは、フッ化物溶融塩工程３で回収された金属燃料物質（金属ウラン及び金属プルトニウム等）と共に後述の実施例２（または実施例３）の精製工程４を実施する他のプラントまで搬送される。残りの９．８４×１０−２ｋＭｏｌのＦＰが、フッ化物溶融塩電解工程３から廃塩処理工程６に排出される。
【００５１】
フッ化物溶融塩電解工程３では、金属燃料物質（金属ウラン及び金属プルトニウム等）の回収によって２．７８×１０−１ｋＭｏｌのＯ２−イオンが消費される。このＯ２−イオンを補うために、Ｌｉ２Ｏ及びＢｅＯをそれぞれ１．３９×１０−１ｋＭｏｌだけフッ化物溶融塩に添加する。これらの酸化物は、フッ化物溶融塩電解の結果、それぞれフッ化物溶融塩の主成分であるＬｉＦ及びＢｅＦ２に変化する。フッ化物溶融塩は、ＬｉＦにより２．７８×１０−１ｋＭｏｌ、及びＢｅＦ２により１．３９×１０−１ｋＭｏｌ、合計４．１７×１０−１ｋＭｏｌの量が増加する。このフッ化物溶融塩の増加分（４．１７×１０−１ｋＭｏｌ）が廃塩処理工程６に送られる。
【００５２】
廃塩処理工程６により生じた放射性廃棄物をガラス固化するためには、表４によれば、３．５％のＦＰに対して約６５％の酸性ガラス母剤及び約３０％の塩基性ガラス母剤が必要である。９．８４×１０−２ｋＭｏｌのＦＰに対しては、１．８３ｋＭｏｌの酸性ガラス物母剤及び８．７９×１０−１ｋＭｏｌの塩基性ガラス母剤が必要である。フッ化物溶融塩電解工程３が終了した後に電解槽から排出されるＬｉ及びＢｅは塩基性ガラス母剤として作用するので、フッ化物溶融塩電解工程３で電解槽内に供給すべき塩基性ガラス母剤は４．６２×１０−１ｋＭｏｌである。
【００５３】
フッ化処理工程１で生成されたフッ化転換物をＦＰが含まれていない新しいフッ化物溶融塩を用いて金属燃料物質に転換した場合には、フッ化物溶融塩内のＦＰの濃度が薄いので、廃塩処理工程６に送られるＦＰの量は９．８４×１０−２ｋＭｏｌより少ない。しかし、フッ化物溶融塩電解工程３の処理を重ねることによってＦＰの濃度が増加すると、定常的には、９．８４×１０−２ｋＭｏｌのＦＰが電解槽から排出されて廃塩処理工程６に送られる。フッ化物溶融塩電解工程３の処理回数と電解槽から廃塩処理工程６に送られるＦＰの量の関係を図３に示す。フッ化物溶融塩が、初期組成として、２ｋＭｏｌのＬｉＦ及び１ｋＭｏｌのＢｅＦ２を含んでいる。このため、本実施例では、Ｆ−が４ｋＭｏｌとなる。塩化物溶融塩電解法では、塩化物溶融塩におけるウラン及びプルトニウムの濃度は１〜５％程度としている。１ｔの使用済の酸化物核燃料をフッ化物溶融塩電解工程３において処理する場合において、その酸化物核燃料から生成されたフッ化転換物に含まれてフッ化物溶融塩に溶解されるフッ化ウラン及びフッ化プルトニウムの物質量は、表１の、転換フッ化物の「物質量(ｋＭｏｌ)」の欄より、合計１．１７×１０−１ｋＭｏｌであるので、必要とするフッ化物溶融塩の量は約２〜１０ｋＭｏｌである。したがって、本実施例における前述の４ｋＭｏｌは適切な量である。
【００５４】
本実施例によれば、フッ化処理工程１で大部分のウランを除去して生成された転換フッ化物及び酸化物を電解槽内のフッ化物溶融塩内に供給し、フッ化物溶融塩電解を行うので、フッ化物溶融塩電解の前で、フッ化処理工程１において生成されたフッ化ウラン及びフッ化プルトニウム等の転換フッ化物の酸化物への転換処理が不要になる。このため、使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法の工程を簡素化することができる。
【００５５】
本実施例は、フッ化物溶融塩電解を行うので、軽水炉で発生した使用済の酸化物核燃料をフッ化物溶融塩に溶かすことができ、この酸化物核燃料に含まれている金属ウラン及び金属プルトニウムを容易に回収することができる。
【００５６】
本実施例は、フッ化物溶融塩電解工程３の前処理としてフッ化処理工程１を有しているので、使用済の酸化物核燃料に含まれているウランの大部分を事前に除去することができる。このため、フッ化物溶融塩電解工程３で用いるフッ化物溶融塩電解装置をコンパクト化することができ、フッ化物溶融塩の使用量も減らすことができる。
【００５７】
本実施例では、フッ化物溶融塩内に酸化物を添加しているので、陽極である第１電極付近でのフッ素ガスの発生を防止することができ、第１電極付近で炭酸ガスを発生させることができる。このため、第１電極の腐食が防止でき、第１電極の寿命を伸ばすことができる。特に、本実施例では、フッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有する酸化物を用いているので、例えば、（１９）式に示されるように、フッ化物溶融塩内で余剰のフッ素と反応して生成するフッ化物がフッ化物溶融塩と同じ組成のものになる。このため、フッ化物溶融塩の組成が維持できる。フッ化物溶融塩と共通の陽イオンを有しない酸化物を用いた場合には、フッ化物溶融塩の組成が変わってしまう。
【００５８】
また、本実施例では、陽極である第１電極として炭素電極を用いるので、陽極である第１電極から二酸化炭素（または一酸化炭素）が発生する。このため、第１電極からフッ素ガスが発生することを防止できる。
【実施例２】
【００５９】
実施例１の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法を適用した、本発明の他の実施例である実施例２の使用済燃料の再処理方法を、図４を用いて説明する。本実施例の使用済燃料の再処理方法は、実施例１の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法の全ての工程、すなわち、フッ化処理工程１、ＵＦ６処理工程２、フッ化物溶融塩電解工程３及び廃塩処理工程６に、精製工程４及び金属燃料製造工程５を付加したものである。本実施例におけるフッ化処理工程１、ＵＦ６処理工程２、フッ化物溶融塩電解工程３及び廃塩処理工程６は、実施例１におけるこれらの工程と同じ処理を行うので説明を省略する。精製工程４及び金属燃料製造工程５について説明する。
【００６０】
精製工程４では、例えば、小山正史他、「乾式再処理技術」、電中研レビューＮｏ．３７、ページ２６−３７、（２０００）に示される塩化物溶融塩電解を利用した乾式再処理により、回収された金属燃料物質を精製する。この塩化物溶融塩電解を利用した乾式再処理を行うことによって、表３に示す組成の金属燃料物質から放射能レベルが高いＮＭが全て除去された組成の金属燃料を得ることができる。得られた金属燃料は、表６に示す組成を有する。
【００６１】
【表６】
2010127616.tif 000008
【００６２】
表６は、新炉心燃料集合体の製造に用いられる金属燃料の組成を示している。この表６に示す組成の金属燃料は、小山正史他、「乾式再処理技術」、電中研レビューＮｏ．３７、ページ２６−３７、（２０００）の３７頁、図４-５-１に示されている。
【００６３】
【表７】
2010127616.tif 000009
【００６４】
表７は、表６に示された金属燃料の組成を、Ｐｕの量を１として書き直したものである。表６に示された組成の金属燃料を有する新炉心燃料集合体は、Ｐｕの３．８２倍のＵが含まれている。フッ化処理工程１では、フッ化物溶融塩電解工程３に供給される転換フッ化物に含まれるＵの量がＰｕの量の３．８２倍以下になるように、Ｕを除去する。
【００６５】
精製工程４で得られた金属燃料（表３においてＮＭを０にした組成を有する金属燃料）は、高速増殖炉で用いられる新炉心燃料集合体に含まれる各燃料棒に充填される核燃料物質となる。精製工程４で得られた金属燃料の組成と新炉心燃料集合体で必要とする金属燃料の組成（表６）を比較すると、精製工程４で得られた金属燃料はＵ及びＺｒが表６のそれらよりも少なくなっている。精製工程４で得られた金属燃料では、Ｐｕ，ＭＡ及びＲＥが表６に示す仕様を満足している。
【００６６】
金属燃料製造工程５で、金属燃料製造装置を用いてその燃料棒が製造される。すなわち、精製工程４で得られたその金属燃料、及び表６に示すＵ及びＺｒの各量になるように追加された金属ウラン及金属ジルコニウムを用いて、複数の燃料ペレットが製造される。これらの燃料ペレットが被覆管内に充填され、その後、この被覆管が密封されることによって、燃料棒が製造される。追加する金属ウランには、例えば、フッ化処理工程１で発生したＵＦ６の一部を金属ウランにしたものを用いる。ウラン濃縮によって発生する劣化ウランを基に製造された金属ウランを、追加の金属ウランとして用いることも可能である。
【００６７】
複数の燃料棒が複数の燃料スペーサに束ねられて下部タイプレートに取り付けられ、燃料棒の束をラッパー管内に通してラッパー管の下端部を下部タイプレートに取り付ける。このようにして、高速増殖炉の炉心に装荷される新炉心燃料集合体が製造される。  
本実施例も、実施例１で得られる各効果を得ることができる。実施例１の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法を適用している本実施例は、使用済燃料の再処理方法の工程も簡素化することができる。
【実施例３】
【００６８】
実施例１の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法を適用した、本発明の他の実施例である実施例３の使用済燃料の再処理方法を、図５及び図６を用いて説明する。本実施例の使用済燃料の再処理方法は、図４に示す各工程を実施する。本実施例におけるフッ化物溶融塩電解工程３を図５により、精製工程４を図６により詳細に説明する。
【００６９】
本実施例のフッ化物溶融塩電解工程３では、図５に示すフッ化物溶融塩電解装置１０が用いられる。フッ化物溶融塩電解装置１０は、電解槽１１、陽極である第１電極（電解用電極）１３及び陰極である第２電極（第１回収電極）１４を備えている。例えば、環状の堰１２が電解槽１１の底面に設置されている。第２電極１４が電解槽１１内で堰１２の内側に配置されている。第１電極１３が、第２電極１４に対向し、電解槽１１内で堰１２の上方に配置されている。第１電極１３及び第２電極１４は堰１２と接触していない。第１電極１３として例えば炭素電極を用い、第２電極１４として例えば鉄電極を用いる。ＬｉＦ及びＢｅＦ２の混合物であるフッ化物溶融塩１５が電解槽１１内に充填され、フッ化物溶融塩１５の液面が堰１２の上端よりも上方に位置している。第１電極１３及び第２電極１４がフッ化物溶融塩１５に浸漬されている。フッ化処理工程１で得られた転換フッ化物１７は、電解槽１１内の堰１２よりも外側の領域に投入される。転換フッ化物１７は、フッ化物溶融塩１５内に溶解する。
【００７０】
フッ化物溶融塩１５には酸化物であるＬｉ２ＯとＢｅＯの混合物が添加されている。実施例１と同様に、電解槽に設けられた第２電極１４の電位が、製造される金属燃料に必要な元素のうちフッ化物溶融塩内での析出電位が最も低くなる元素（ウラン）の析出電位に等しくなるように、第２電極１４の間に電圧を印加する。析出電位が最も低くなる元素の析出電位以上である元素が第２電極１４に析出する。第２電極１４に析出する金属燃料物質の組成は、表３に示す通りである。第１電極１３から炭酸ガスが発生する。
【００７１】
フッ化物溶融塩電解工程３が終了した後、第２電極１４に析出した不純物金属（表２に示す行番１のＴｅから行番１１のＣｄ）を除去するために、精製工程４が実行される。この精製工程４を実行する前に、フッ化物溶融塩電解工程３で用いた第１電極１３を取り外して新たな第１電極（第２回収電極）１６を電解槽１１に取り付ける（図５参照）。第１電極１６もフッ化物溶融塩１５に浸漬される。
【００７２】
フッ化物溶融塩電解工程３において第２電極１４に析出する金属燃料物質ではウランの量が最も多い。精製工程４において、第１電極１６及び第２電極１６に電圧を印加しない状態では、第２電極１４の電位はウランの析出電位に近くなっている。そこで、第１電極１６と第２電極１４の間に、第１電極１６が負になるようにわずかに電位差をかけると第２電極１４の電位はウランの析出電位よりわずかに正になる。このため、第２電極１４に析出していたウランがフッ化物溶融塩１５に溶解し始める。第１電極１６は第２電極１４より負であるため、フッ化物溶融塩１５に溶解したウランが第１電極１６に析出し始める。第１電極１６と第２電極１４にかける電位差を大きくしていくと、第２電極１４の電位は次第に正になっていき、Ｎｐの析出電位より高くなる。このとき、第２電極１４に析出していたＮｐが、フッ化物溶融塩１５に溶解し、溶解したＮｐが第１電極１６に析出する。このように、第２電極１４の電位がＴｂの析出電位より正でＣｄの析出電位より負な値になるように、第１電極１６と第２電極１４の間にかける電位差を調節することによって、第２電極１４に析出していた、析出電位がＴｂからＵまでの各元素が、フッ化物溶融塩１５に溶解して第１電極１６に析出する。このとき、析出電位がＴｅからＣｄまでの各元素は第２電極１４に析出したまま残留する。本実施例の精製工程４では、第１電極１６が陰極になり、第２電極１４が陽極になる。以上によって、精製工程４が終了し、実施例１の精製工程４の終了時と同じ組成を有する金属燃料を得ることができる。精製工程４で第２電極１４に残留した各元素は、必要であれば第２電極１４を電解槽１１から取り出して洗浄し、回収してもよい。
【００７３】
精製工程４の終了後、電解槽１１から第１電極１６を取り外し、この第１電極１６を金属燃料製造工程５の金属燃料製造装置まで搬送する。第１電極１６に析出している金属燃料を用いて、実施例１と同様に、金属燃料製造装置によって新炉心燃料集合体が製造される。
【００７４】
本実施例は、実施例２で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、フッ化物溶融塩電解工程３で用いたフッ化物溶融塩電解装置１０の電解槽１１内にフッ化物溶融塩１５を充填したまま、第１電極１３を第１電極１６に替え、第１電極１６を陰極、第２電極１４を陽極として電位差をかけることによって、フッ化物溶融塩電解装置１０を用いて精製工程４を行うことができる。すなわち、本実施例は、フッ化物溶融塩電解工程３及び精製工程４をフッ化物溶融塩電解装置１０で行うことができるので、フッ化物溶融塩電解工程３をフッ化物溶融塩電解装置で行い、精製工程４を塩化物溶融塩電解装置で行う実施例１よりも使用済燃料の再処理方法の工程をさらに簡素化することができる。本実施例は、実施例１のように異なる溶融塩電解装置を用いる必要がない。
【００７５】
フッ化物溶融塩電解工程３及び精製工程４に用いられるフッ化物溶融塩電解装置１０は、一例であり、フッ化物溶融塩電解によって第２電極１４に析出した金属を陽極溶解しつつ別の電極に析出させられる装置であればよい。例えば、フッ化物溶融塩電解装置１０では第１電極１３を第１電極１６に交換したが、第１電極１３，１６及び第２電極１４を電解槽１１に設けたフッ化物溶融塩電解装置を用いることも可能である。この場合は、フッ化物溶融塩電解工程３では前述したように第１電極１３と第２電極１４の電位差を調節し、精製工程４では前述したように第１電極１６と第２電極１４の電位差を調節しても良い。
【００７６】
実施例３の原理を整理すると以下のようになる。使用済の酸化物核燃料が溶解されたフッ化物溶融塩が、回収したい複数の元素（Ａ群の元素という）、Ａ群の各元素よりフッ化物溶融塩に溶解しやすい複数の元素（Ｂ群の元素という）、及びＡ群の各元素よりフッ化物溶融塩に溶解しにくい複数の元素（Ｃ群の元素という）を含んでいる。第１電極が陽極になり且つ第２電極が陰極になるようにこれらの電極間に電圧を印加してＡ群の元素をフッ化物溶融塩から陰極である第２電極に析出させるとき、Ｃ群の元素も第２電極に析出し、Ｂ群の元素が第２電極に析出しない。この第２電極が陽極になり且つ他の第１電極が陰極になるようにこれらの電極間に電圧を印加すると、第２電極に付着しているＡ群の各元素はフッ化物溶融塩に溶解した後に他の第１電極に析出する。しかしながら、Ｃ群の各元素は第２電極に付着したままでフッ化物溶融塩に溶解しない。すなわち、一旦、ある電極に析出させた金属のうち回収したい金属を電解によって別の電極へ移動させることによって、使用済の酸化物核燃料に含まれている回収したい元素群の各元素を金属の状態で分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の使用済燃料からの金属燃料物質の回収方法の工程を示す説明図である。
【図２】図１に示す実施例における核分裂生成物の物質バランスを示す説明図である。
【図３】フッ化物溶融塩電解工程の処理回数と電解槽から廃塩処理工程に送られる核分裂生成物の量の関係を示す特性図である。
【図４】本発明の他の実施例である実施例２の使用済燃料の再処理方法の工程を示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施例である実施例３の使用済燃料の再処理方法におけるフッ化物溶融塩電解工程の説明図である。
【図６】実施例３の使用済燃料の再処理方法における精製工程の説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１…フッ化処理工程、２…ＵＦ６処理工程、３…フッ化物溶融塩電解工程、４…精製工程、５…金属燃料製造工程、６…廃塩処理工程、１０…フッ化物溶融塩電解装置、１１…電解槽、１３，１６…第１電極、１４…第２電極、１５…フッ化物溶融塩、１７…転換フッ化物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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