(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂点を含み前記頂点から下方に傾斜する先細りの上部を有し、オフガス収集空洞を画定する内壁を有し、下面が囲まれていない本体部分と、
各々が前記本体部分の前記オフガス収集空洞に至る通路を画定する、前記本体部分の前記上部の対向する斜面上の複数のアノードガイドと、
前記上部の前記頂点から延在し、前記本体部分の前記オフガス収集空洞に接続され、外側管内の内側管を含む煙突構造と、
を備える、アノードシュラウド。
【請求項２】
前記上部の前記頂点は、前記本体部分の平面図に対して中央に配置される、請求項１に記載のアノードシュラウド。
【請求項３】
前記上部は、水平基準線に対して２５度から７５度までの角度で傾斜する、請求項１または２に記載のアノードシュラウド。
【請求項４】
前記複数のアノードガイドは、互いに均等に離間される、請求項１から３のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項５】
前記対向する斜面のぞれぞれに、同数のアノードガイドが配置された、請求項１から４のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項６】
前記複数のアノードガイドの最上表面は、互いに同じ高さである、請求項１から５のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項７】
前記複数のアノードガイドの各々の最上表面は、前記上部の前記頂点の表面より高いが、前記煙突構造の表面より低い、請求項１から６のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項８】
前記内側管の外側表面および前記外側管の内側表面は、前記本体部分の前記オフガス収集空洞に至る環状空間を画定し、前記煙突構造は、前記環状空間が、前記オフガス収集空洞からのオフガスを希釈し、冷却し、除去するために、スイープガスを前記本体部分の前記オフガス収集空洞内に流すための入口経路を提供するように構成される、請求項１から７のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項９】
前記本体部分は、前記上部の１つまたは複数の傾斜の下に、前記頂点から前記上部の基部まで延在する１つまたは複数の内部チャネルを含む、請求項８に記載のアノードシュラウド。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の内部チャネルは、前記環状空間に接続される、請求項９に記載のアノードシュラウド。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の内部チャネルは、前記上部の基部で１つまたは複数のポート穴を介して前記オフガス収集空洞に接続される、請求項１０に記載のアノードシュラウド。
【請求項１２】
前記煙突構造は、前記内側管が前記スイープガスおよびオフガスのための出口経路を提供するように構成される、請求項８から１１のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項１３】
前記内側管および前記外側管は同心円状に配置される、請求項１から１２のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項１４】
前記内側管は、１．２７ｍｍから６．３５ｍｍまでの距離だけ前記外側管から離間される、請求項１から１３のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項１５】
前記内側管は、１２．７ｍｍから３８．１ｍｍまでの直径を有し、前記外側管は、１５．２ｍｍから５０．８ｍｍまでの直径を有する、請求項１から１３のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項１６】
前記内側管は水抜き穴を含む、請求項１から１５のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項１７】
前記本体部分は前記上部に隣接する下部をさらに含み、前記下部は垂直側壁を有する、請求項１から１６のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項１８】
前記アノードシュラウドは、電解酸化物還元プロセス中の腐食に耐性がある合金で形成される、請求項１から１７のいずれかに記載のアノードシュラウド。
【請求項１９】
前記合金は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｆｅ合金である、請求項１８に記載のアノードシュラウド。
【請求項２０】
前記Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｆｅ合金は、７５重量％のＮｉ、１６重量％のＣｒ、４．５重量％のＡｌ、および３重量％のＦｅを含む、請求項１９に記載のアノードシュラウド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解酸化物還元システム用のアノードシュラウドに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学プロセスを、不純な供給物から金属を回収するため、および／または、金属酸化物から金属を抽出するために使用することができる。従来のプロセスは、典型的には、金属酸化物をその対応する金属に還元するために、電解分解または選択的電子輸送が後に続く、金属酸化物を電解質内に溶解する工程を含む。金属酸化物をそれらの対応する金属状態に還元する従来の電気化学プロセスは、単一のステップまたは複数のステップのアプローチを用いることができる。
【０００３】
複数ステップアプローチは、典型的に、金属酸化物が電解質に比較的低い溶解度を有する場合に使用される。複数ステップアプローチは、２つの別個の容器を利用する２ステッププロセスであってもよい。例えば、使用済み核燃料の酸化ウランからのウランの抽出は、ウランおよびＬｉ2Ｏを第１の容器内に生成するように、溶融ＬｉＣｌ電解質に溶解したリチウムによって酸化ウランを還元する最初のステップを含み、Ｌｉ2Ｏは溶融ＬｉＣｌ電解質内に溶解したままである。プロセスは、次に、リチウムを再生するために溶融ＬｉＣｌ内の溶解Ｌｉ2Ｏが電解分解される、第２の容器内の電解採取のその後のステップを含む。したがって、再生されたリチウムを伴う溶融ＬｉＣｌを、他のバッチの還元ステップで使用するためにリサイクルすることができるのと同時に、結果として生じるウランを抽出することができる。
【０００４】
しかしながら、複数ステップアプローチは、高温の溶融塩および還元体のある容器から他の容器への移動に関する問題のようないくつかの工学的複雑さを含む。さらに、溶融塩中の酸化物の還元は、電解還元システムに依存して熱力学的に制約される可能性がある。具体的には、この熱力学的制約は、所定のバッチで還元することができる酸化物の量を制限することになる。結果として、溶融電解質および還元体のより頻繁な移動が、生産要件を満たすために必要とされることになる。
【０００５】
他方では、単一ステップアプローチは、一般的に、アノードおよびカソードと共に互換性のある溶融電解質中に金属酸化物を浸漬する工程を含む。アノードおよびカソードを充電することによって、金属酸化物を、電解転換、および、溶融電解質を介したイオン交換を介して、その対応する金属に還元することができる。しかしながら、従来の単一ステップアプローチは、複数ステップアプローチより複雑さは少ないかもしれないが、金属回収率は依然として比較的低い。さらに、金属酸化物をその対応する金属に還元することは、結果として酸素ガスの発生を生じることになり、酸素ガスは腐食性であり、したがって、適切に処理されないとシステムに対して有害である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６６８９２６０号明細書
【発明の概要】
【０００７】
電解酸化物還元システムからのオフガスを希釈、冷却および／または除去するために、電解酸化物還元システムの各アノード組立品にアノードシュラウドを設けることができる。本発明の非限定的な実施形態によるアノードシュラウドは、頂点を含む先細りの上部を有する本体部分を含むことができる。上部は、頂点から下方に傾斜することができる。本体部分は、オフガス収集空洞を画定する内壁を有することができる。本体部分の下面は囲まれていなくてもよい。複数のアノードガイドを、本体部分の上部の対向する斜面に配置することができる。複数のアノードガイドの各々は、本体部分のオフガス収集空洞に至る通路を画定することができる。煙突構造が上部の頂点から延在してもよく、本体部分のオフガス収集空洞に接続されてもよい。煙突構造は、外側管内の内側管を含むことができる。したがって、オフガスを、内側管によって画定される出口経路を介して除去することができるのと同時に、スイープガス／冷却ガスを、内側管および外側管間の環状空間を下って供給することができる。
【０００８】
本明細書の非限定的な実施形態の種々の特徴および利点は、添付図面と共に詳細な説明を検討すれば、より明らかになるであろう。添付図面は、単に例示目的で提供されており、特許請求の範囲を限定すると解釈されるべきではない。添付図面は、特に明記しない限り、一定の縮尺で描かれているものとみなされるべきではない。明瞭にするために、図面の種々の寸法は誇張されている可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システムの斜視図である。
【図２Ａ】本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノード組立品の斜視図である。
【図２Ｂ】本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノード組立品の斜視図である。
【図３】本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のカソード組立品の斜視図である。
【図４】本発明の非限定的な実施形態による、アノード組立品およびカソード組立品並びに下降位置にあるリフトシステムを有する電解酸化物還元システムの斜視図である。
【図５Ａ】本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノードシュラウドの斜視図である。
【図５Ｂ】本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノードシュラウドの下面図である。
【図５Ｃ】本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノードシュラウドの分解図である。
【図６】本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノードシュラウド内のスイープガスおよびオフガスの流れを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
要素または層が他の要素または層の「上に（ｏｎ）」ある、これらに「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｔｏ）」、これらに「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」またはこれらを「覆う（ｃｏｖｅｒｉｎｇ）」として言及される場合、他の要素または層の直接上にあっても、これらに直接接続されても、これらに直接結合されても、またはこれらを直接覆ってもよく、介在する要素または層が存在してもよいことを理解すべきである。これに対して、要素が他の要素または層の「直接上に（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｏｎ）」ある、これらに「直接接続される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｔｏ）」またはこれらに「直接結合される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」として言及される場合、介在する要素または層は存在しない。明細書全体を通じて、同様の番号は同様の要素を指す。本明細書で使用されるとき、用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、１つまたは複数の関連する列挙された項目の任意およびすべての組み合わせを含む。
【００１１】
第１、第２、第３等の用語を、本明細書では、種々の要素、構成要素、領域、層および／または区域を説明するために使用することができるが、これらの要素、構成要素、領域、層および／または区域はこれらの用語によって限定されるべきではないことを理解すべきである。これらの用語は、ある要素、構成要素、領域、層または区域を、他の領域、層または区域から区別するためにのみ使用される。したがって、以下に論じる第１の要素、構成要素、領域、層または区域は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層または区域と呼ぶことができる。
【００１２】
空間的に相対的な用語（例えば、「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下方（ｂｅｌｏｗ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「上方（ａｂｏｖｅ）」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」等）は、本明細書では、図面に示すようなある要素または特徴の他の要素（複数可）または特徴（複数可）との関係を説明するために、説明を容易にするために使用することができる。空間的に相対的な用語は、図面に示す方向に加えて、使用中または動作中の装置の異なった方向を包含することが意図されることを理解すべきである。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴の「下方（ｂｅｌｏｗ）」または「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」として記載された要素は、他の要素または特徴の「上方（ａｂｏｖｅ）」に向けられることになる。したがって、用語「下方（ｂｅｌｏｗ）」は、上方および下方の両方の方向を包含することができる。装置は、他の状態に配向されてもよく（例えば、９０度回転したまたは他の方向に）、適宜に解釈される本明細書で使用される空間的に相対的な記述子であってもよい。
【００１３】
本明細書で使用される用語は、種々の実施形態を説明する目的のためだけのものであり、例示的な実施形態を限定することを意図しない。本明細書で使用されるとき、単数形の「１つ（ａ）（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明らかに示さない限り、複数形をもまた含むことが意図される。用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用されるとき、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を除外しないことも理解されるであろう。
【００１４】
例示的な実施形態が、例示的な実施形態の理想化された実施形態（および中間構造）の概略図である断面図を参照して本明細書に記載される。そのため、例えば製造技術および／または公差の、結果として図の形状からの変形が予想される。したがって、例示的な実施形態は、本明細書で示される領域の形状に限定されるものとして解釈されるべきではなく、例えば製造から結果として生じる形状の偏差を含むものである。例えば、長方形として示される埋設領域は、典型的には、丸められたもしくは曲げられた特徴を有し、および／または、埋設領域から非埋設領域への二値的変化ではなく、そのエッジで埋設濃度の勾配を有するであろう。同様に、埋設によって形成される埋め込まれた領域は、埋め込まれた領域と、埋設が行われる表面との間の領域で、いくらかの埋設を結果として生じる可能性がある。したがって、図に示された領域は、概略的な性質のものであり、それらの形状は、装置の領域の実際の形状を示すものではなく、例示的な実施形態の範囲を限定するものではない。
【００１５】
特に定義しない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、例示的な実施形態が属する当業者によって理解されるものと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書で定義されるものを含む用語は、関連技術の文脈でのそれらの意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書で明確にそのように定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されることはないことは、さらに理解されるであろう。
【００１６】
本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システムは、金属のその後の回収を可能にするために、酸化物のその金属形態への還元を容易にするように構成される。一般的に、電解酸化物還元システムは、複数のアノード組立品、複数のアノード組立品の各々のためのアノードシュラウド、複数のカソード組立品、および、複数のアノードおよびカソード組立品のための配電システムを含む。しかしながら、電解酸化物還元システムはこれらに限定されず、本明細書に具体的に示されていない可能性がある他の構成要素を含んでもよいことを理解すべきである。
【００１７】
本明細書の開示に加えて、電解酸化物還元システムは、２０１０年１２月２３日に出願された、「ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＴＩＣ  ＯＸＩＤＥ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ」という名称の関連する米国特許出願第１２／９７８０２７号；ＨＤＰ  Ｒｅｆ．８５６４−０００２２８／ＵＳ；ＧＥ  Ｒｅｆ．２４ＡＲ２４６１４０に記載のようであってもよく、配電システムは、２０１０年１２月２３日に出願された、「ＡＮＯＤＥ−ＣＡＴＨＯＤＥ  ＰＯＷＥＲ  ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＵＳＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ  ＦＯＲ  ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ」という名称の関連する米国特許出願第１２／９７７８３９号；ＨＤＰ  Ｒｅｆ．８５６４−０００２２５／ＵＳ；ＧＥ  Ｒｅｆ．２４ＡＲ２４６１３６に記載のようであってもよく、アノード組立品は、２０１０年１２月２３日に出願された、「ＭＯＤＵＬＡＲ  ＡＮＯＤＥ  ＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＵＳＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ  ＦＯＲ  ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ」という名称の関連する米国特許出願第１２／９７７９１６号；ＨＤＰ  Ｒｅｆ．８５６４−０００２２６／ＵＳ；ＧＥ  Ｒｅｆ．２４ＡＲ２４６１３８に記載のようであってもよく、カソード組立品は、２０１０年１２月２３日に出願された、「ＭＯＤＵＬＡＲ  ＣＡＴＨＯＤＥ  ＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＵＳＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ  ＦＯＲ  ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ」という名称の関連する米国特許出願第１２／９７８００５号；ＨＤＰ  Ｒｅｆ．８５６４−０００２２７／ＵＳ；ＧＥ  Ｒｅｆ．２４ＡＲ２４６１３９に記載のようであってもよく、これらの各々の内容全体は参照によって本明細書に組み込まれる。組み込まれた出願の表を以下に示す。
【００１８】
【表１】
0005849098.tif 000002
電解酸化物還元システムの動作中、複数のアノードおよびカソード組立品は、溶融塩電解質中に浸漬される。例示的な実施形態はこれらに限定されないが、溶融塩電解質を約６５０℃（＋／−５０℃）に維持することができる。電気化学プロセスは、酸化物供給材料（例えば金属酸化物）を含むカソード組立品に還元電位が発生されるように行われる。還元電位の影響下で、金属酸化物（ＭＯ）供給材料からの酸素（Ｏ）は、酸化物イオンとして溶融塩電解質中に溶解し、それによってカソード組立品に金属（Ｍ）を残す。カソード反応は以下のようであってもよい。
【００１９】
ＭＯ＋２ｅ-→Ｍ＋Ｏ2-
アノード組立品では、酸化物イオンは酸素ガスに変換される。プロセス中に電解酸化物還元システムからの酸素ガスを希釈し、冷却し、除去するために、アノード組立品の各々のアノードシュラウドを使用することができる。アノード反応は以下のようであってもよい。
【００２０】
Ｏ2-→１／２Ｏ2＋２ｅ-
非限定的な実施形態では、金属酸化物は二酸化ウラン（ＵＯ2）であってもよく、還元生成物は金属ウランであってもよい。しかしながら、本発明による電解酸化物還元システムで、他の種類の酸化物をそれらの対応する金属に還元することもできることを理解すべきである。同様に、本発明による電解酸化物還元システムで使用される溶融塩電解質は、特にこれらに限定されず、還元される酸化物供給材料に応じて変化してもよい。先行技術の装置と比較して、本発明による電解酸化物還元システムは、還元生成物の回収率を著しく大きくすることができる。
【００２１】
図１は、本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システムの斜視図である。図１を参照すると、電解酸化物還元システム１００は、溶融塩電解質を保持するように設計された容器１０２を含む。したがって、容器１０２は、溶融塩電解質を安全に保持することができるように、約７００℃までの温度に耐えることができる材料で形成される。容器１０２は、外部から加熱されてもよく、長手方向の支持体を設けられてもよい。容器１０２は、より効率的な動作と、プロセスの混乱からの回復とを可能にするために、区域加熱するように構成されてもよい。電解酸化物還元システム１００の動作中、複数のアノードおよびカソード組立品２００および３００（例えば図４）が、容器１０２内の溶融塩電解質中に部分的に浸漬されるように配置される。アノードおよびカソード組立品２００および３００を、図２Ａ〜２Ｂおよび３に関連してさらに詳細に論じる。
【００２２】
複数のナイフエッジ接点１０４を介して、アノードおよびカソード組立品２００および３００に電力が分配される。ナイフエッジ接点１０４は、容器１０２の上方に位置するグローブボックスフロア１０６上に対で配置される。ナイフエッジ接点１０４の各対は、容器１０２の対向する側にあるように配置される。図１に示すように、ナイフエッジ接点１０４は、１対の列および２対の列で交互に配置され、最終列は１対のナイフエッジ接点１０４で構成される。
【００２３】
ナイフエッジ接点１０４の１対の列は、アノード組立品２００に係合するように構成され、２対の列は、カソード組立品３００に係合するように構成される。より明確に述べると、複数のナイフエッジ接点１０４は、アノード組立品２００が１対のナイフエッジ接点１０４（２つのナイフエッジ接点１０４）を介して１つの電源から電力を受け、カソード組立品３００が２対のナイフエッジ接点１０４（４つのナイフエッジ接点１０４）を介して２つの電源から電力を受けるように配置される。カソード組立品３００のための２対のナイフエッジ接点１０４に関して、内側の対は低電力フィードスルーに接続されてもよく、外側の対は高電力フィードスルーに接続されてもよい（またはその逆でもよい）。
【００２４】
例えば、電解酸化物還元システム１００が、１１のアノード組立品２００および１０のカソード組立品３００を保持するように設計されている場合（例示的な実施形態はこれに限定されないが）、２２のナイフエッジ接点１０４（１１対）が１１のアノード組立品に関係付けられ、４０のナイフエッジ接点１０４（２０対）が１０のカソード組立品３００に関係付けられることになる。上述したように、本明細書の開示に加えて、配電システムは、本明細書と同一日付で出願された、「ＡＮＯＤＥ−ＣＡＴＨＯＤＥ  ＰＯＷＥＲ  ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＵＳＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ  ＦＯＲ  ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ」という名称の関連する米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号；ＨＤＰ  Ｒｅｆ．８５６４−０００２２５／ＵＳ；ＧＥ  Ｒｅｆ．２４ＡＲ２４６１３６に記載のようであってもよく、その内容全体は参照によって本明細書に組み込まれる。
【００２５】
電解酸化物還元システム１００は、容器１０２からの熱損失を制限するように設計されたモジュール式熱シールドを追加で含むことができる。モジュール式熱シールドは、プロセス動作中に電流、電圧、およびオフガス組成を監視するように構成された計装ポートを有することができる。さらに、冷却チャネルおよび伸縮継手が、グローブボックスフロア１０６および容器１０２間に配置されてもよい。伸縮継手は、Ｃ字形であってもよく、１８ゲージの金属薄板から作られてもよい。冷却チャネルは、グローブボックスフロア１０６の下、伸縮継手の上に固定されてもよい。結果として、容器１０２は約７００℃の温度に達する可能性があるという事実にもかかわらず、冷却チャネルは伸縮継手（容器１０２の上部に固定された）から熱を除去することができ、それによって、グローブボックスフロア１０６を約８０℃以下の温度に保つことができる。
【００２６】
図２Ａ〜２Ｂは、本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノード組立品の斜視図である。図２Ａ〜２Ｂを参照すると、アノード組立品２００は、アノードバスバー２０８に接続された複数のアノードロッド２０２を含む。各アノードロッド２０２の上部および下部は、異なる材料で形成されてもよい。例えば、例示的な実施形態はそれらに限定されないが、アノードロッド２０２の上部はニッケル合金で形成されてもよく、アノードロッド２０２の下部はプラチナで形成されてもよい。アノードロッド２０２の下部は、電解酸化物還元システム１００の動作中、溶融塩電解質レベルより下に位置することができ、下部を他の材料に置換または変更できるように取り外し可能であってもよい。
【００２７】
アノードバスバー２０８は、熱膨張を低減するために分割されてもよく、アノードバスバー２０８の各部分は銅で形成されてもよい。アノードバスバー２０８の部分は、スリップコネクタで結合されてもよい。加えて、スリップコネクタは、アノードロッド２０２が溶融塩電解質中に落ちないことを確実にするために、アノードロッド２０２の上面に付着してもよい。アノード組立品２００は、上記の例のいずれによっても限定されるものではない。むしろ、他の適切な構成および材料が使用されてもよいことを理解すべきである。
【００２８】
アノード組立品２００が電解酸化物還元システム２００中に降ろされると、アノードバスバー２０８の下端部はナイフエッジ接点１０４の対応する対と係合することになり、アノードロッド２０２は容器１０２内の溶融塩電解質中に延在することになる。４つのアノードロッド２０２が図２Ａ〜２Ｂに示されているが、例示的な実施形態はこれに限定されないことを理解すべきである。したがって、アノード組立品２０２は、十分なアノード電流が電解酸化物還元システム１００に供給されていることを条件に、４つより少ないアノードロッド２０２または４つより多いアノードロッド２０２を含むことができる。
【００２９】
電解酸化物還元システム１００の動作中、アノード組立品２００は、約１５０℃以下の温度に維持されてもよい。適切な動作温度を維持するために、アノード組立品２００は、冷却ガスを供給する冷却ライン２０４、並びに、冷却ライン２０４によって供給される冷却ガスおよび還元プロセスによって発生されるオフガスを除去するオフガスライン２０６を含む。例示的な実施形態はそれらに限定されないが、冷却ガスは不活性ガス（例えばアルゴン）であってもよく、オフガスは酸素を含む可能性がある。結果として、オフガスの濃度および温度を低下させることができ、それによってその腐食性を低減させることができる。冷却ガスを本明細書では「スイープガス」と呼ぶこともできることも理解すべきである。
【００３０】
冷却ガスは、グローブボックス雰囲気によって供給されてもよい。非限定的な実施形態では、グローブボックスの外部の加圧されていないガスが使用される。このような場合、ガス供給は、グローブボックス内部の送風機を使用して加圧されてもよく、オフガスの排出は、外部真空源を有することになる。ガス供給を動作するすべてのモータおよび制御は、より容易なアクセスおよび整備のために、グローブボックスの外部に配置されてもよい。溶融塩電解質を凍結させないように、供給プロセスは、アノードシュラウド内部の冷却ガスが約６１０℃以下にならないように構成されてもよい。
【００３１】
アノード組立品２００は、アノードガード２１０、リフトベイル２１２、および、計装案内管２１４をさらに含むことができる。アノードガード２１０は、アノードバスバー２０８からの保護を提供し、カソード組立品３００を挿入するための誘導も提供することができる。アノードガード２１０は、金属で形成されてもよく、アノード組立品２００の上面からの熱損失を可能にするために穿孔されてもよい。リフトベイル２１２は、アノード組立品２００の除去を援助する。計装案内管２１４は、溶融塩電解質中および／またはアノード組立品２００の下にあるガス空間中に計装を挿入するためのポートを提供する。上述したように、本明細書の開示に加えて、アノード組立品は、本明細書と同一日付で出願された、「ＭＯＤＵＬＡＲ  ＡＮＯＤＥ  ＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＵＳＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ  ＦＯＲ  ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ」という名称の関連する米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号；ＨＤＰ  Ｒｅｆ．８５６４−０００２２６／ＵＳ；ＧＥ  Ｒｅｆ．２４ＡＲ２４６１３８に記載のようであってもよく、その内容全体は参照によって本明細書に組み込まれる。
【００３２】
図３は、本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のカソード組立品の斜視図である。図３を参照すると、カソード組立品３００は、還元プロセスのための酸化物供給材料を含むように設計され、上部バスケット３０２、下部バスケット３０６、並びに、上部および下部バスケット３０２および３０６内に収容されたカソードプレート３０４を含む。組み立てられると、カソードプレート３０４は、上部バスケット３０２の上端から下部バスケット３０６の下端まで延在することになる。カソードプレート３０４の側縁部は、剛性を提供するために取り囲まれてもよい。剛性を追加するために、カソードプレート３０４の中心の下に逆曲げ部が設けられてもよい。下部バスケット３０６は、４つの高強度リベットで上部バスケット３０２に取り付けられてもよい。下部バスケット３０６または上部バスケット３０２のいずれかに損傷が生じた場合、リベットに穴を開け、損傷したバスケットを交換し、継続的な動作のために再びリベット留めすることができる。
【００３３】
カソードバスケット（上部バスケット３０２および下部バスケット３０６を含む）は、カソードプレート３０４から電気的に絶縁される。各カソード組立品３００は、２つの電源から電力を受けるように、２対のナイフエッジ接点１０４（４つのナイフエッジ接点１０４）に係合するように構成される。例えば、カソードプレート３０４は、一次還元電流を受けることができ、カソードバスケットは、還元プロセスの種々の副産物を制御するために二次電流を受けることができる。カソードバスケットを、還元プロセス中に溶融塩電解質が出入りできるように十分に開いており、それにもかかわらず酸化物供給材料および結果として生じる金属生成物を保持するのに十分なほど微細な多孔質金属板で形成することができる。
【００３４】
歪を減少させるまたは防止するために、カソードバスケットの内部に補強リブを設けることができる。下部バスケット３０６内に垂直補強リブが設けられる場合、カソードプレート３０４は、カソードプレート３０４がカソードバスケット内に挿入されるときに補強リブの周囲にクリアランスを与えるために、対応するスロットを有することになる。例えば、下部バスケット３０６に２つの垂直補強リブが設けられると、カソードプレート３０４は、２つの補強リブの周囲にクリアランスを与えるために２つの対応するスロットを有することになる。加えて、酸化物供給材料を装填するときにカソードプレート３０４がカソードバスケットの中央にとどまることを確実にするために、カソードプレート３０４の両面の中央部付近に位置スペーサを設けることができる。位置スペーサは、セラミックであってもよく、垂直に配向されてもよい。さらに、カソード組立品３００の上面への輻射および伝導性熱伝達のための遮熱を提供するために、カソードプレート３０４の両側の上部に千鳥状スペーサを設けることができる。千鳥状スペーサは、セラミックであってもよく、水平に配向されてもよい。
【００３５】
カソード組立品３００は、端部に配置されたリフトタブ３１０を有するリフトブラケット３０８を含むこともできる。リフトタブ３１０は、電解酸化物還元システム１００のリフトシステムとインタフェースで接続するように設計される。上述したように、本明細書の開示に加えて、カソード組立品は、本明細書と同一日付で出願された、「ＭＯＤＵＬＡＲ  ＣＡＴＨＯＤＥ  ＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＵＳＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ  ＦＯＲ  ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ」という名称の関連する米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号；ＨＤＰ  Ｒｅｆ．８５６４−０００２２７／ＵＳ；ＧＥ  Ｒｅｆ．２４ＡＲ２４６１３９に記載のようであってもよく、その内容全体は参照によって本明細書に組み込まれる。
【００３６】
図４は、本発明の非限定的な実施形態による、アノード組立品およびカソード組立品並びに下降位置にあるリフトシステムを有する電解酸化物還元システムの斜視図である。リフトシステムは、本明細書と同一日付で出願された、「ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＴＩＣ  ＯＸＩＤＥ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ」という名称の関連する米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号；ＨＤＰ  Ｒｅｆ．８５６４−０００２２８／ＵＳ；ＧＥ  Ｒｅｆ．２４ＡＲ２４６１４０に記載のようであってもよく、その内容全体は参照によって本明細書に組み込まれる。リフトシステムに加えて、図４は、動作中に電解酸化物還元システム１００内に配置されるような複数のアノードおよびカソード組立品２００および３００も示す。アノードおよびカソード組立品２００および３００は、各カソード組立品３００の両側に２つのアノード組立品２００があるように、交互に配置されてもよい。図４の電解酸化物還元システム１００は、１１のアノード組立品２００および１０のカソード組立品を有するように示されているが、例示的な実施形態はこれに限定されないことを理解すべきである。代わりに、電解酸化物還元システム１００のモジュール式の設計は、より多いまたはより少ないアノードおよびカソード組立品を含めることを可能にする。
【００３７】
上述したように、アノードシュラウド（図５Ａ〜５Ｃおよび６に関連して以下にさらに詳細に論じる）を、電解酸化物還元システムの各アノード組立品に設けることができる。したがって、電解酸化物還元システムが１１のアノード組立品を含む場合、１１のアノードシュラウドも含まれることになる（例示的な実施形態はこれに限定されないが）。アノードシュラウドは、アノード組立品２００の冷却、並びに、還元プロセスによって発生されるオフガスの除去を容易にする。例えば、アノード組立品の各々のアノードシュラウドを、ウラン酸化物の金属ウランへの還元中に、電解酸化物還元システムからの酸素ガスを希釈し、冷却し、除去するために使用することができる。
【００３８】
図５Ａは、本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノードシュラウドの斜視図である。図５Ａを参照すると、アノードシュラウド５００は、上部５０４および下部５０８を有する本体部分５０２を含む。下部５０８は、上部５０４に直接隣接してもよく、垂直側壁を有してもよい。上部５０４は、先細りであり、頂点５０６を含む。上部５０４の頂点５０６は、本体部分５０２の平面図に対して中央に配置される。上部５０４は、頂点５０６から下部５０８に下向きに傾斜する。上部５０４は、水平基準線に対して約２５度から７５度までの角度で傾斜することができる。例えば、例示的な実施形態はこれに限定されないが、上部５０４は水平基準線に対して５０度の角度で傾斜することができる。
【００３９】
複数のアノードガイド５１０が、本体部分５０２の上部５０４の対向する斜面に配置される。アノードガイド５１０は、アノード組立品２００のアノードロッド２０２を受けるように設計され、したがって、適宜に離間されてもよい。非限定的な実施形態では、複数のアノードガイド５１０は、互いに均等に離間されてもよい。図５Ａは、アノードシュラウド５００を４つのアノードガイド５１０を有するものとして示しているが、アノードガイド５１０の数は、アノードシュラウド５００に対応するアノード組立品２００のアノードロッド２０２の数に応じて変化することを理解すべきである。例えば、アノード組立品２００が６つのアノードロッド２０２を有する場合、対応するアノードシュラウド５００は、６つのアノードロッド２０２を受けるために６つのアノードガイド５１０を有することになる。
【００４０】
複数のアノードガイド５１０の各々は、本体部分５０２内のオフガス収集空洞５３０（図６）に至る通路を画定する。本体部分５０２の内壁は、オフガス収集空洞５３０を画定する。本体部分５０２の下面は、囲まれていない（図５Ｂ）。アノードシュラウド５００は、還元プロセス中に本体部分５０２の下端部が溶融塩電解質中に沈められるように、電解酸化物還元システム１００内に配置されるように設計される。このような場合では、本体部分５０２内のオフガス収集空洞５３０は、溶融塩電解質によって底面から境界づけられる。さらに、アノード組立品２００のアノードロッド２０２は、アノードシュラウド５００のアノードガイド５１０を介して内部のオフガス収集空洞５３０中に、かつ、電解酸化物還元システム１００の容器１０２内の溶融塩電解質中に延在することになる。
【００４１】
煙突構造５１４は、上部５０４の頂点５０６から延在し、本体部分５０２のオフガス収集空洞５３０に接続される。煙突構造５１４は、外側管５１８内の内側管５１６を含む。内側管５１６は、約０．５インチから１．５インチまでの直径を有することができ、外側管５１８は、約０．６インチから２．０インチまでの直径を有することができる。とはいえ、内側管５１６は、約０．０５インチから０・２５インチまでの距離だけ外側管５１８から離間されてもよい。非限定的な実施形態では、内側管５１６および外側管５１８は同心円状に配置されてもよい。煙突構造５１４は、内側管５１６がスイープガスおよびオフガスのための出口経路を提供するように構成される。
【００４２】
煙突構造５１４は、同じ数のアノードガイド５１０によって隣接されてもよい。しかしながら、奇数のアノードガイド５１０が設けられる場合、煙突構造５１４は、等しくない数のアノードガイド５１０によって隣接されることになることを理解すべきである。例えば、５つのアノードガイド５１０が設けられる場合、煙突構造５１４は、３つのアノードガイド５１０によって一方の側に隣接され、２つのアノードガイド５１０によって他方の側に隣接されてもよい。
【００４３】
複数のアノードガイド５１０の最上表面は、互いに同じ高さであってもよい。加えて、複数のアノードガイド５１０の各々の最上表面は、上部５０４の頂点５０６の表面より高いが、煙突構造５１４の表面より低くてもよい。さらに、図５Ａに示す計器ポートガイド５１２は、アノード組立品２００の計装案内管２１４に対応することができる。
【００４４】
内側管５１６の外側表面および外側管５１８の内側表面は、本体部分５０２のオフガス収集空洞５３０に至る環状空間５２６（図６）を画定する。煙突構造５１４は、環状空間５２６が、オフガス収集空洞５３０からのオフガスを希釈し、冷却し、除去するために、冷却ガス／スイープガスを本体部分５０２のオフガス収集空洞５３０内に流すための入口経路を提供するように構成される。
【００４５】
本体部分５０２は、上部５０４の１つまたは複数の傾斜の下に、頂点５０６から上部５０６の基部まで延在する１つまたは複数の内部チャネル５２８（図６）を含むことができる。非限定的な実施形態では、内部チャネル５２８は、上部５０４の各傾斜の下に延在してもよい。内部チャネル５２８は、環状空間５２６に接続される。
【００４６】
内側管５１６は、その外面からその内面まで延在する水抜き穴を含むことができる。水抜き穴は、環状空間５２６から内側管５１６の内面によって画定される出口経路へのショートカットを提供する。結果として、スイープガスが環状空間５２６を下向きに移動する場合、スイープガスの少ない一部は、水抜き穴を経て内側管５１６によって画定される出口経路内に分流される可能性があり、スイープガスの大部分は、内側管５１６によって画定される出口経路を経てオフガスと共に上向きに移動する前に、内部チャネル５２８に、および、オフガス収集空洞５３０中に下向きに継続することになる。水抜き穴によって分流されたスイープガスは、内側管５１６によって画定される出口経路を経てオフガス収集空洞５３０から除去されるオフガスの希釈および冷却を助けることができる。内側管５１６内の水抜き穴の数、配置およびサイズは変化してもよい。例えば、複数の水抜き穴が、内側管５１６の周囲に１つまたは複数のリングパターンで設けられてもよい。リングパターンは、１つに集められてもよく、または予め決められた間隔だけ離間されてもよい。さらに、水抜き穴は、内側管５１６の上部、中央部、および／または下部に設けられてもよい。水抜き穴の各々の直径は、約０．０５インチから０．２５インチまでの範囲であってもよい。非限定的な実施形態では、各水抜き穴は、約０．１５インチの直径を有することができる。
【００４７】
アノードシュラウド５００は、電解酸化物還元プロセス中に起こりうる腐食に比較的耐性がある合金で形成される。合金は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｆｅ合金であってもよい。例えば、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｆｅ合金は、約７５重量％のＮｉ、１６重量％のＣｒ、４．５重量％のＡｌ、および３重量％のＦｅを含むことができる。しかしながら、比較的高い温度の溶融塩電解質に耐えることができる他の種類の耐食合金を使用することもできることを理解すべきである。
【００４８】
図５Ｂは、本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノードシュラウドの下面図である。図５Ｂを参照すると、内部チャネル５２８（図６）は、上部５０４の基部の１つまたは複数のポート穴５２０を介してオフガス収集空洞５３０に接続される。ポート穴５２０は、アノードシュラウド５００の右下側に明確に示されているだけだが、ポート穴５２０は、アノードシュラウド５００の左下側にも設けられており、図の角度に基づく視界から隠されているだけであることを理解すべきである。加えて、３つのポート穴５２０が図５Ｂに示されているが、例示的な実施形態はこれに限定されないことを理解すべきである。例えば、アノードシュラウド５００は、アノードシュラウド５００の右下側および左下側の各々に、４つ以上（または２つ以下）のポート穴を設けられてもよい。
【００４９】
図５Ｃは、本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノードシュラウドの分解図である。この分解図は、内部チャネル５２８（図６）の性質を明らかにすることを意図している。図５Ｃを参照すると、内部チャネル５２８は、上部本体プレート５２２および下部本体プレート５２４によって画定される。組み立て中、煙突構造５１４（図５Ａ）の外側管５１８は上部本体プレート５２２に固定されることになり、煙突構造５１４の内側管５１６は下部本体プレート５２４に固定されることになる。加えて、上部および下部本体プレート５２２および５２４は、内部チャネル５２８を提供するために、組み立て中、互いから適切に離間されることになる。
【００５０】
図６は、本発明の非限定的な実施形態による電解酸化物還元システム用のアノードシュラウド内のスイープガスおよびオフガスの流れを示す断面図である。上述したように、酸化物供給材料をその対応する金属に還元するプロセス中、電解酸化物還元システム１００のアノード組立品２００で酸素ガスがオフガスとして形成される。アノード組立品２００から酸素オフガスを収集し、電解酸化物還元システム１００から除去するために、アノードシュラウド５００が使用される。酸素ガスは腐食性であるため、アノードシュラウド５００内の溶融塩電解質を凍結することなく、酸素ガスを希釈し、冷却し、除去すべきである。オフガスを希釈し、その温度を低下させることによって、酸素ガスの腐食性を低減させることができる。
【００５１】
図６を参照すると、アノードシュラウド５００の煙突構造５１４に供給されるスイープガスは、最初に外側管５１８および内側管５１６間の環状空間５２６を下方に移動する。スイープガスが環状空間５２６を下方に移動すると、内側管５１６内の水抜き穴（図示せず）に遭遇する。水抜き穴は、スイープガスの少ない一部が上向きに移動するオフガスと混合するように内側管５１６に入ることを可能にし、これによって、除去されるオフガスの濃度および温度を低下させる。スイープガスの大部分は、環状空間５２６を継続して下り、本体部分５０２に近づくに連れて温度が上昇する。環状空間５２６から、スイープガスは、内部チャネル５２８を下向きに移動し、ポート穴５２０（図５Ｂ）を経てオフガス収集空洞５３０に入ることになる。結果として、オフガスは、オフガス収集空洞５３０から掃引され、電解酸化物還元システム１００からのその後の除去のための煙突構造５１４の内側管５１６によって画定される出口経路内に上向きに配向されることになる。スイープガスは、そのオフガス収集空洞５３０への移動中、加熱されるため、溶融塩電解質の凍結を防ぐことができる。さらに、上述したように、出て行くオフガスを、スイープガスが内側管５１６内の水抜き穴を経て環状空間５２６内に下向きに移動することによって、希釈および冷却することができる。
【００５２】
多数の例示的な実施形態が本明細書で開示されているが、他の変形が可能でありうることを理解すべきである。このような変形は、本開示の趣旨および範囲からの逸脱とみなされるべきではなく、当業者には明らかであるように、すべてのこのような変更は、以下の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００５３】
１００  電解酸化物還元システム
１０２  容器
１０４  ナイフエッジ接点
１０６  グローブボックスフロア
２００  アノード組立品
２０２  アノードロッド
２０４  冷却ライン
２０６  オフガスライン
２０８  アノードバスバー
２１０  アノードガード
２１２  リフトベイル
２１４  計装案内管
３００  カソード組立品
３０２  上部バスケット
３０４  カソードプレート
３０６  下部バスケット
３０８  リフトブラケット
３１０  リフトタブ
５００  アノードシュラウド
５０２  本体部分
５０４  上部
５０６  頂点
５０８  下部
５１０  アノードガイド
５１２  計器ポートガイド
５１４  煙突構造
５１６  内側管
５１８  外側管
５２０  ポート穴
５２２  上部本体プレート
５２４  下部本体プレート
５２６  環状空間
５２８  内部チャネル
５３０  オフガス収集空洞
【図１】
0005849098.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
0005849098.tif 000009
【図５Ｃ】
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【図６】
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