(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を収容する電解質容器と、
前記電解質容器の上方に支持され、かつ前記電解質中へと延伸する少なくとも１つのモジュラアノードアセンブリと、
前記電解質容器の上方に支持され、かつ前記電解質中へと延伸する少なくとも１つのモジュラカソードアセンブリであって、前記モジュラカソードアセンブリは、
前記電解質がカソードバスケットを通り抜けることを可能にする透過性表面を含むバスケットであって、前記カソードバスケットが電気的に導電性である、カソードバスケットと、
前記カソードバスケット中へと延伸するカソード電極板であって、前記カソード電極板が、前記カソードバスケットとは電気的に絶縁され、前記カソード電極板が電気的に導電性である、カソード電極板と、
を含む、モジュラカソードアセンブリと、
を備えた、電解酸化物還元システム。
【請求項２】
前記カソードバスケットが、上側部分および下側部分を含み、前記上側部分および前記下側部分が、電気的に接続され、かつ前記カソードバスケット内に少なくとも１つのギャップを画定し、材料がこのギャップを通って前記カソードバスケット内に設置され得て、前記カソードバスケットが平坦な形状を有し、前記下側部分が、少なくとも２つの側面上に前記透過性表面を含む、請求項１に記載の電解酸化物還元システム。
【請求項３】
前記モジュラカソードアセンブリが、前記カソード電極板の表面上に少なくとも１つの絶縁性バンドをさらに備え、前記絶縁性バンドが、前記カソード電極板とカソードバスケットとの間に据えられる厚さおよび長さを有する、請求項１または２に記載の電解酸化物還元システム。
【請求項４】
少なくとも１つのバスケット接点であって、前記モジュラカソードアセンブリが、前記バスケット接点に電気的かつ機械的に接続するように成形されたバスケット電気接続部をさらに含み、前記バスケット電気接続部が前記カソードバスケットに電気的に接続される、バスケット接点と、
少なくとも１つのカソード電極板接点であって、前記モジュラカソードアセンブリが、前記カソード電極板接点に電気的かつ機械的に接続するように成形された電極板電気接続部をさらに含み、前記電極板電気接続部が、前記カソード電極板に電気的に接続され、かつ前記カソードバスケットおよび前記バスケット電気接続部とは電気的に絶縁される、カソード電極板接点と
をさらに備えた、請求項３に記載の電解酸化物還元システム。
【請求項５】
一対の前記バスケット接点および一対の前記カソード電極板接点が、前記電解質容器の反対側にそれぞれ分けられて配置され、前記バスケット電気接続部および前記電極板電気接続部が同じナイフエッジ形状を有する、請求項４に記載の電解酸化物還元システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学還元用のモジュラカソードアセンブリおよびその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一ステップおよび多重ステップの電気化学プロセスは、金属酸化物をその対応する金属（非酸化）状態へと還元するために使用可能である。かかるプロセスは、純粋でない原材料から１つもしくは複数の高純度金属を回収するために、および／または金属をその金属酸化物鉱石から抽出するために従来は使用されている。
【０００３】
従来、多重ステッププロセスは、金属または鉱石を電解質へと溶解した後に、電解析出ステップまたは選択的エレクトロトランスポートステップが続き、酸化されていない金属を回収する。例えば、使用済み核酸化物燃料からのウランの抽出では、ウラン酸化物の化学還元は、溶融したＬｉＣｌ中に溶解したＬｉなどの還元剤を使用して６５０℃で実行され、ウランおよびＬｉ2Ｏを生成する。溶液は、次に電解採取を受け、そこでは、溶融したＬｉＣｌ中に溶解したＬｉ2Ｏを電解析出させてＬｉを再生する。ウラン金属は、商業用原子炉における核燃料などの次の使用のために調製される。
【０００４】
単一ステッププロセスでは、一般に、カソードおよびアノードとともに、金属酸化物と相溶性になるように選択された溶融した電解質中に金属酸化物を浸漬する。カソードを金属酸化物と電気的に接触させ、アノードおよびカソード（そしてカソードを介して金属酸化物）を帯電させることによって、金属酸化物は、溶融した電解質を介した電気分解変換およびイオン交換を通して還元される。
【０００５】
単一ステッププロセスは、一般に、溶融した塩および金属の取り扱いおよび移送の際により数の少ない構成要素および／またはステップを使用し、自由に浮遊するまたは過剰な還元剤金属の量を制限し、プロセス制御を向上させ、様々な開始状態での／混合物中の様々な金属酸化物との適合性があり、多重ステッププロセスと比較して、高純度が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，７９９，１８５号明細書
【発明の概要】
【０００７】
例の実施形態は、電解還元システムにおいて使用可能なモジュラカソードアセンブリを含む。例の実施形態のカソードアセンブリは、バスケットを含み、流体電解質がバスケットに入りそして出ることを可能にすると同時に、バスケットは、電気的に導電性であり、バスケット内の電解質へまたはこれから電子を伝達することができる。バスケットは、バスケットに電力を供給するためにバスケット電気接続部を有するアセンブリ支持部から電解質中へと下に延伸する。バスケットを、上側部位および下側部位へと分割することができ、その結果、還元しようとする材料を下側部位中へと挿入することができる空間を与え、バスケットまで上がる電解質または他の材料または熱マイグレーションを防止する。例の実施形態のカソードアセンブリは、還元のための電解質表面積を最大にする長方形形状で開示されるが、還元システム内の様々な位置のところにアセンブリの簡単なモジュール形式の配置をやはり可能にする。例の実施形態のモジュラカソードアセンブリはまた、バスケットの真ん中まで延びるカソード電極板を含む。カソード電極板は、バスケットとは電気的に絶縁されるが、やはり電気的に導電性であり、バスケット内の還元しようとする材料に一次電流または還元電流を供給する。断熱性で電気的絶縁性のバンドまたはパッドをまた、カソード電極板の長さに沿って設置することができ、バスケット上側部分をカソード電極板に位置合わせし、密封することができる。例の実施形態のモジュラカソードアセンブリは、１つまたは複数の標準化された電気接続部を有することができ、この接続部を通って、固有の電力をバスケットおよび電極板に供給することができる。例えば、電気接続部は、同じナイフエッジ形状を有することができ、この形状は、対応する形状を有する電気接点のいくつかの位置のところでモジュラカソードアセンブリを電気的かつ機械的に接続することができる。
【０００８】
例の実施形態のモジュラカソードアセンブリは、電解酸化物還元システムにおいて使用可能であり、そこではモジュラカソードアセンブリを、様々な所望の位置のところに設置することができる。例の実施形態のモジュラカソードアセンブリを、電解質容器中への開口部の上方の天板によって支持することができる。電解酸化物還元システムは、システム内のいくつかの所望の位置のところでバスケットおよびカソード電極板の両方に電力を供給することができる一連の標準化された電気接点を設けることができる。例の方法は、所望の位置のところにモジュラカソードアセンブリおよびモジュラアノードアセンブリを配置するステップと、バスケット内に還元しようとする材料を設置するステップと、金属酸化物および自由酸素ガスを還元するために電気的接続部を介してモジュラカソードアセンブリおよびモジュラアノードアセンブリを帯電させるステップとによって電解酸化物還元システムを動作させることを含む。電解質を、例の方法では流体化させることができ、その結果、アノード、バスケット、およびバスケット内の還元しようとする材料を電解質中へと広げることができる。加えて、還元速度、材料体積、脱ガス速度、酸化電位または還元電位などの所望の動作特性を実現するために、固有のレベルおよび極性の電力を、モジュラカソードアセンブリバスケットとカソード電極板とモジュラアノードアセンブリの各々に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一例の実施形態の電解酸化物還元システムの説明図である。
【図２】代替構成の図１の例の実施形態の電解酸化物還元システムのもう１つの説明図である。
【図３】一例の実施形態のモジュラカソードアセンブリの説明図である。
【図４】例の実施形態のモジュラカソードアセンブリにおいて使用可能なカソード電極板の説明図である。
【図５】例の実施形態のモジュラカソードアセンブリで使用可能な例の電気接続部構成の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以降、例の実施形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。しかしながら、本明細書において説明する具体的な構造および機能の詳細は、例の実施形態を説明する目的のための単に代表例である。例の実施形態を、多くの代替の形式で具体化することができ、本明細書において説明する例の実施形態だけに限定するようには解釈すべきではない。
【００１１】
第１、第２、等の用語を、様々な要素を記載するために本明細書において使用することがあるが、これらの要素をこれらの用語によって限定すべきでないことが、理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素をもう１つの要素と区別するためにだけ使用される。例えば、例の実施形態の範囲から逸脱せずに、第１の要素は、第２の要素と言うことができ、同様に、第２の要素は、第１の要素と言うことができる。本明細書中で使用するように、「および／または」という用語は、関連する列挙した項目のうちの１つまたは複数の任意の組み合わせおよびすべての組み合わせを含む。
【００１２】
ある要素がもう１つの要素に「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「連結される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「結合される（ｍａｔｅｄ）」、「取り付けられる（ａｔｔａｃｈｅｄ）」、または「固定される（ｆｉｘｅｄ）」と呼ばれるときには、他の要素に直接接続または連結される場合もあるし、介在する要素が存在する場合もあることが、理解されるであろう。対照的に、ある要素がもう１つの要素に「直接接続される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」または「直接連結される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）」と呼ばれるときには、介在する要素は存在しない。複数の要素間の関係を説明するために使用する他の語（例えば、「間に（ｂｅｔｗｅｅｎ）」と「直接間に（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｂｅｔｗｅｅｎ）」、「隣接して（ａｄｊａｃｅｎｔ）」と「直接隣接して（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ａｄｊａｃｅｎｔ）」、等）を、同様に解釈すべきである。
【００１３】
本明細書中で使用するように、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、言いまわしが、別なように明確に示さない限り、同様に複数形を含むものとする。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書において使用するときには、言及した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、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／またはこれらのグループが存在することまたは追加することを排除しないことが、さらに理解されるであろう。
【００１４】
一部の代替の実装形態では、記された機能／行為が、図または明細書中の説明において記したものとは異なる順番で起きる場合があることに、やはり留意すべきである。例えば、連続して示した２つの図またはステップが、伴う機能／行為に応じて、順に、同時に実際には実行される場合がある、または逆の順番でもしくは繰り返して時には実行される場合もある。
【００１５】
発明者は、既知のプロセスが、少なくとも一部は限定された固定カソードサイズおよび構成のために、商業的な規模でまたは柔軟性のある規模で大量の還元した金属製品を生成できないという、既存の単一ステップ電解還元プロセスにおける問題を認識した。単一ステップ電解還元プロセスは、部品の規則性および置換性などの構成の柔軟性、および電力レベル、動作温度、作業電解質、等などの動作パラメータの柔軟性が、さらに欠如することがある。下記に説明する例のシステムおよび方法は、下記に論じようとも論じなくても、これらの問題および他の問題を一意的に取り扱う。
例の実施形態の電解酸化物還元システム
図１は、一例の実施形態の電解酸化物還元システム（ＥＯＲＳ）１０００の説明図である。例の実施形態のＥＯＲＳ１０００の態様が以下に説明され、関係する例の実施形態の構成要素を用いて使用可能であるが、ＥＯＲＳ１０００は、下記の同時係属出願中にさらに記載されている。
【００１６】
米国出願番号            出願日                  代理人整理番号
１２／９７７７９１  ２０１０年１２月２３日  ２４ＡＲ２４６１３５（８５６４−０００２２４）
１２／９７７８３９  ２０１０年１２月２３日  ２４ＡＲ２４６１３６（８５６４−０００２２５）
１２／９７７９１６  ２０１０年１２月２３日  ２４ＡＲ２４６１３８（８５６４−０００２２６）
１２／９７８０２７  ２０１０年１２月２３日  ２４ＡＲ２４６１４０（８５６４−０００２２８）
上に列挙した同時係属出願の開示は、その全体が本明細書中に引用によって援用されている。
【００１７】
図１に示したように、例の実施形態のＥＯＲＳ１０００は、柔軟性のある規模または商業的な規模のベースでいくつかの異なるタイプの金属酸化物の電解還元を可能にするいくつかのモジュラ構成部品を含む。例の実施形態のＥＯＲＳ１０００は、電解質容器１０５０を含み、容器１０５０中で電解質を溶融するおよび／または溶解することが要求される場合には、ヒータ１０５１と接触するまたはそうでなければヒータ１０５１によって加熱される。電解質容器１０５０は、還元しようとする材料のタイプに基づいて選択されるハロゲン塩、または可動酸化物イオンを与える可溶性酸化物を含有する塩などの適切な電解質で満たされる。例えば、ＣａＣｌ2およびＣａＯ、またはＣａＦ2およびＣａＯ、またはある種の他のＣａ系電解質、またはＬｉＣｌおよびＬｉ2Ｏなどのリチウム系電解質混合物を、希土類酸化物、またはウラン酸化物またはプルトニウム酸化物などのアクチニド酸化物、または使用済み核燃料などの複雑な酸化物を還元する際に使用することができる。電解質を、その融点に基づいてさらに選択することができる。例えば、ＬｉＣｌおよびＬｉ2Ｏの電解質塩混合物は、標準気圧において６１０℃付近で溶融するようになる、ところがＣａＣｌ2およびＣａＯの混合物は、ほぼ８５０℃の動作温度を必要とすることがある。溶解した酸化物種の濃度を、電気化学的手段または他の手段によって可溶性の酸化物または塩化物を添加することにより還元中に制御することができる。
【００１８】
ＥＯＲＳ１０００は、フレームを包含させるためのいくつかの支持部材および構造部材を、ならびにそれ以外では支持部および構造の他の構成部品を含むことができる。例えば、１つまたは複数の側面支持部１１０４は、天板１１０８まで延伸し、天板を支持することができ、天板１１０８は電解質容器１０５０へのアクセスを可能にするために電解質容器１０５０の上方に開口部（図示せず）を含むことができる。天板１１０８を、天板１１０８に接続しその周りのグローブボックス（図示せず）によってさらに支持するおよび／または分離することができる。いくつかの標準化された電気接点１４８０（図２）および冷却源／ガス排気部を、天板１１０８上にまたはその近くに設けることができ、アノード構成部品およびカソード構成部品がモジュラ位置のところでＥＯＲＳ１０００によって支持され、ＥＯＲＳ１０００を介して動作可能になることを可能にする。リフトバー１１０５および／またはガイドロッド１１０６を含むリフトバスケットシステムを、カソードアセンブリ１３００に接続するおよび／または吊り下げることができ、カソードアセンブリ１３００は、電解質容器１０５０中の溶融した電解質中へと下へ延伸する。かかるリフトバスケットシステムは、ＥＯＲＳ１０００の残りの部分および関係する構成部品を動かさずにカソードアセンブリ１３００の選択的なリフトまたは他の操作を可能にすることができる。
【００１９】
図１では、ＥＯＲＳ１０００を、様々な支持要素によって支持され、電解質容器１０５０中へと延伸するいくつかのアノードアセンブリ１２００と交互に配置されるいくつかのカソードアセンブリ１３００を有する状態で示す。アセンブリを、さらに、ＥＯＲＳ１０００中の対応する供給源への標準化された接続部を介して電力を与えるまたは冷却することができる。１０個のカソードアセンブリ１３００および１１個のアノードアセンブリ１２００を図１には示したが、エネルギーリソース、還元すべき材料の量、生成すべき金属の所望の量、等に応じて、任意の数のアノードアセンブリ１２００およびカソードアセンブリ１３００をＥＯＲＳ１０００内で使用することができる。すなわち、順応性があり、可能性として大きく、商業的な規模の電解還元システムを形成するために、個々のカソードアセンブリ１３００および／またはアノードアセンブリ１２００を追加するまたは削除することができる。このようにして、例の実施形態のＥＯＲＳ１０００、アノードアセンブリ１２００およびカソードアセンブリ１３００のモジュラ設計を介して、例の実施形態は、早く、簡略化した単一ステージ還元動作で、材料製造要求およびエネルギー消費制限をより良く満足させることができる。モジュラ設計は、さらに、例の実施形態の迅速な修理および標準化した製造、より低い製造および改装のコストおよび時間消費を可能にすることができる。
【００２０】
図２は、アクセスのために電解質容器１０５０からモジュラカソードアセンブリ１３００だけを選択的にリフトするように、上昇したリフトバー１１０５およびガイドロッド１１０６を含むバスケットリフトシステムを有し、反応物質金属酸化物のローディングまたはカソードアセンブリ１３００から生成した還元金属のアンローディングを可能にするための、代替構成のＥＯＲＳ１０００の説明図である。図２の構成では、いくつかのモジュラ電気接点１４８０は、天板１１０８中の開口部の周りのモジュラ位置のところに整列して示される。例えば、電気接点１４８０を、ＥＯＲＳ１０００の内部のモジュラカソードアセンブリ１３００および／またはアノードアセンブリ１２００のいくつかの異なる配列および位置を可能にするナイフエッジ接点とすることができる。
【００２１】
図１に示したように、バスバー１４００、アノード電力ケーブル１４１０、および／またはカソード電力ケーブル１４２０を含む電力配送システムは、電気接点（図示せず）を介して、アノードアセンブリ１２００および／またはカソードアセンブリ１３００へ個別の電荷を供給することができる。動作中には、電解質容器１０５０中の電解質を、加熱するおよび／もしくは溶解することによって、またはそれ以外では還元しようとする酸化物と相溶性の液体電解質材料を供給することによって、液化させることができる。液化した電解質材料の動作温度は、使用する材料に基づいて、ほぼ４００〜１２００℃の範囲であってもよい。例えば、Ｎｄ2Ｏ3、ＰｕＯ2、ＵＯ2、使用済み酸化物核燃料などの複合酸化物、または希土類鉱石、等を含む酸化物材料を、カソードアセンブリ１３００中へとロードし、カソードアセンブリ１３００が、液体電解質中へと延伸し、その結果、酸化物材料は、電解質およびカソードアセンブリ１３００と接触する。
【００２２】
カソードアセンブリ１３００およびアノードアセンブリ１２００は、反対の電荷または極性を与えるように電源に接続され、所望の電気化学的に発生した還元電位が、カソードにおいて金属酸化物中へと流れる還元体電子によってカソードのところに作られるように、電流制御電気化学プロセスが生じる。発生した還元電位のために、カソードアセンブリ１３００内の酸化物材料中の酸素が、酸化物イオンとして液体電解質中へと放たれ、溶解する。酸化物材料中の還元された金属は、カソードアセンブリ１３００中に留まる。カソードアセンブリにおける電解反応を、式（１）によって表すことができ、
（金属酸化物）＋２ｅ-→（還元した金属）＋Ｏ2-          （１）
ここでは、２ｅ-は、カソードアセンブリ１３００によって供給される電流である。
【００２３】
アノードアセンブリ１２００のところでは、電解質中に溶解した負の酸素イオンは、アノードアセンブリ１２００へ負電荷を移動させることができ、酸素ガスへと変換する。アノードアセンブリにおける電解反応を、式（２）によって表すことができ、
２Ｏ2-→Ｏ2＋４ｅ-          （２）
ここでは、４ｅ-は、アノードアセンブリ１２００中へと入る電流である。
【００２４】
例えば、溶融したＬｉ系塩が電解質として使用される場合には、上のカソード反応を、式（３）によって言い換えることができ、
（金属酸化物）＋２ｅ-＋２Ｌｉ+→（金属酸化物）＋２Ｌｉ
→（還元した金属）＋２Ｌｉ+＋Ｏ2-          （３）
しかしながら、この具体的な反応系列は、生じないことがあり、リチウム堆積が生じる電位よりも小さな負電位のところにカソードアセンブリ１３００が維持される場合などの、中間電極反応が可能である。可能性のある中間電極反応は、式（４）および（５）によって表される反応を含み、
（金属酸化物）＋ｘｅ-＋２Ｌｉ+→Ｌｉx（金属酸化物）          （４）
Ｌｉx（金属酸化物）＋（２−ｘ）ｅ-＋（２−ｘ）Ｌｉ+
→（還元した金属）＋２Ｌｉ+＋Ｏ2-          （５）
（４）および（５）に示した中間反応における金属酸化物結晶構造中へのリチウムの取り込みは、金属酸化物の導電性を向上させることができ、還元に好ましい。
【００２５】
基準電極ならびに他の化学モニタおよび電気的モニタを、電極電位および還元の速度を制御するために使用することができ、したがって、アノードまたはカソードの損傷／腐食／過熱／等を制御するために使用することができる。例えば、基準電極を、カソード表面の近くに設置することができ、電極電位をモニタし、アノードアセンブリ１２００およびカソードアセンブリ１３００への電圧を調節することができる。還元のためにだけ十分な定常電位を与えることは、塩素放出などのアノード反応およびリチウムまたはカルシウムなどの電解質金属の自由浮遊液滴などのカソード反応を回避することができる。
【００２６】
液体電解質中の溶解した酸化物イオン種、例えば、電解質として使用する溶融したＬｉＣｌ中のＬｉ2Ｏの効率的な輸送は、例の実施形態のＥＯＲＳ１０００における還元速度および非酸化金属の製造を向上させることができる。交互に配置したアノードアセンブリ１２００およびカソードアセンブリ１３００は、大量生産用のアノードおよびカソードの表面積を増加させると同時に、溶解した酸化物イオンの飽和および電解質全体の均一さを改善することができる。例の実施形態のＥＯＲＳ１０００は、攪拌機、混合器、振動機、等をさらに含むことができ、溶解した酸化物イオン種の拡散による輸送を増進させる。
【００２７】
化学的および／または電気的なモニタリングは、アノードアセンブリ１２００とカソードアセンブリ１３００との間の電位が増加するまたは溶解した酸化物イオンの量が減少するときなどで、上に説明した還元プロセスが完了したことを示すことができる。所望の程度の完了で、保持されている還元した金属を含むカソードアセンブリ１３００を容器１０５０内の電解質から持ち上げることによって、上に論じた還元プロセスにおいて作られた還元した金属を、カソードアセンブリ１３００から採取することができる。プロセス中にアノードアセンブリ１２００のところに集められた酸素ガスを、アセンブリによって定期的にまたは連続的に取り去ることができ、さらに使用するために排出するまたは集めることができる。
【００２８】
例の実施形態のＥＯＲＳ１０００の構造および動作を上に示し、説明してきたが、援用した文書中にまたはどこかに記載されているいくつかの異なる構成要素は、例の実施形態で使用可能であり、ＥＯＲＳ１０００の具体的な動作および特徴を、さらに詳細に説明することができることが理解される。同様に、例の実施形態のＥＯＲＳ１０００の構成要素および機能性は、上に与えられたまたは援用した文書における具体的な詳細に限定されないだけでなく、当業者の必要性および制限にしたがって変えることができる。
例の実施形態のカソードアセンブリ
図３は、例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００の説明図である。モジュラカソードアセンブリ３００は、図１に関連して上に説明したカソードアセンブリ１３００として使用可能である場合がある。例の実施形態のアセンブリ３００を、ＥＯＲＳ１０００（図１〜図２）からの構成要素およびＥＯＲＳ１０００で使用可能な構成要素を用いて図示するが、例の実施形態は、他の電解還元システムにおいて使用可能であることが理解される。同様に、一例のアセンブリ３００が図３および図４に示されているが、複数の例のアセンブリ３００が、電解還元装置で使用可能であることが理解される。ＥＯＲＳ１０００（図１〜図２）では、例えば、バランスの取れたモジュラアノードアセンブリおよび／またはモジュラカソードアセンブリを形成するために、複数のカソードアセンブリを、単一のＥＯＲＳ１０００中で使用することができる。
【００２９】
図３に示したように、例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００は、バスケット３１０を含み、バスケット３１０中に還元用の酸化物または他の材料を設置することができる。バスケット３１０は、上側部分３１１および下側部分３１２を含むことができ、これらの部分は、還元システム中での使用の便宜を図るために異なる構造を有することができる。例えば、下側部分３１２を、上に論じたような溶融塩電解質などの液体電解質と相互に作用する／液体電解質中へと入るような構造にすることができる。上側部分３１１が電解質のレベルの上方に存在することができるままで、下側部分３１２を上側部分３１１から垂直に位置をずらすことができ、任意の電解質中への浸漬／延伸を確実にすることができる。
【００３０】
下側部分３１２は、還元しようとする材料を保有するまたはそうでなければ保持するバスケットまたは他の収納容器を形成することができる。図３に示したように、下側部分３１２を、３つ以上の区画に分割することができ、下側部分３１２中で還元しようとする材料を分けるおよび／または均等に分配することができる。下側部分３１２内で分けることはまた、還元動作中に対象材料とバスケット３１０との間の直接接触のためおよび電気を流すための追加の表面積を与えることができる。下側部分３１２および上側部分３１１を十分に隔て、ギャップまたは他の開口部を画定することができ、そこを通って材料を下側部分３１２中へと設置することができる。例えば、図３に示したように、上側部分３１１および下側部分３１２を、共有されるシート金属側面部３１５に沿ったリベット点３１６のところで接合することができ、その結果、例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００の平坦な面に沿った酸化物入口用のギャップを画定することができる。上側部分３１１および下側部分３１２がある種の不連続性を含むことができるとはいえ、電流は両方の部分を通って依然として流れることができ、２つの部分がリベット点３１６または任意の他の適切な電気化学的接続部を介して柔軟に機械的に接続されることが理解される。
【００３１】
透過性材料３３０は、図３の例の実施形態では下側部分３１２の平坦な面に沿って設置される。透過性材料３３０は、還元しようとする材料が電解質中へとまたはバスケット３１０の外に物理的に分散しないように、ウラン酸化物などの還元しようとする材料を保持したままで下側部分３１２中へと液体電解質が入り込むことを可能にする。透過性材料３３０は、例えば、不活性メンブランおよび細孔質金属板を含み、そこを通るイオン化した電解質に対して回復力がありその通過を可能にする任意の数の材料を含むことができる。透過性材料３３０を、シート金属端部３１５および底部に接合することができ、酸化物または還元した金属が下側部分３１２から漏れ出すことを防止する収納容器を形成することができる。このようにして、下側部分３１２は、還元用の数キログラムの材料を保有し、融通性があり商業的な規模での還元を可能にする空間を設けることができ、一方で、溶融した電解質が固化するまたは固まることがある領域を削減する。
【００３２】
上側部分３１１を、中空で囲まれたもの、または還元システムにおいて使用できる任意の他の所望の形状および長さとすることができる。バスケット３１０の上側部分３１１および下側部分３１２がアセンブリ支持部３４０から延伸し、これによって支持されるように、上側部分３１１は、アセンブリ支持部３４０に接合する。アセンブリ支持部３４０は、電解質の上方に例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００を支持することができる。例えば、アセンブリ支持部３４０は、上方から電解質容器１０５０中へと延伸するモジュラカソードアセンブリを支持するために、ＥＯＲＳ１０００内の天板１１０８と重なるように延伸することができる。下側部分３１２はイオン化した高温の電解質中へと延伸することができるが、上側部分３１１からの分離は、上側部分３１１およびモジュラカソードアセンブリ３００の残りの部分への熱および／または腐食性物質の移動を減少させることができ、損傷および消耗を減少させることができる。透過性材料３３０用のおよびバスケットを通る電解質の相互作用のために大きな表面積を与えるように、バスケット３１０をアセンブリ支持部３４０に沿って延伸する平坦な形状で示すが、バスケット３１０を、所望の機能および内容物に基づいて任意の方式で、成形し、位置を決め、および大きさを決めることができる。
【００３３】
図３および図４に示したように、例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００は、カソード電極板３５０をさらに含む。カソード電極板３５０は、アセンブリ支持部３４０を通り延伸するおよび／またはこれによって支持される場合があり、バスケット３１０中へと延伸することができる。カソード電極板３５０は、バスケット３１０中へと、下側部位３１２中へとかなりの長さ延伸することができ、その結果、下側部位３１２とともに電解質中に浸漬し、下側部位３１２内に保有される還元しようとする酸化物材料と直接接触する。図４に示したように、カソード電極板は、バスケット３１０とうまく合うまたは一致する形状または構造を含むことができ、一例として、下側部位３１２の３個の個別の下側バスケットに一致するように下側部分のところで３つの区画へと分割することができる。
【００３４】
カソード電極板３５０は、電極板３５０が接触することができるバスケット３１０内の電解質または酸化物材料中へと／からカソード電極板３５０から／中へと流れる間接電流を除いて、バスケット３１０とは電気的に絶縁される。かかる絶縁を、バスケット３１０からカソード電極板３５０を物理的に分離することを含むいくつかの方法で実現することができる。図３に示したように、カソード電極板３５０は、バスケット３１０に直接触れることなくバスケット３１０の中央部分へと延伸することができる。図４に示したように、カソード電極板３５０およびバスケット３１０を電気的に絶縁したままで、バスケット３１０の内部で適正に整列させるために、１つまたは複数の絶縁性パッドまたはバンド３５５をカソード電極板３５０上に設置することができる。絶縁性バンド３５５を、上側部分３１１の内側表面に対して据えるおよび／またはセラミック材料などのやはり熱絶縁体である材料から製造する場合には、バンド３５５は、カソード電極板３５０までのまたはバスケット３１０の上側部分３１１中への熱伝達を付加的に妨げることができる。さらに、カソード電極板３５０の支持部３８０が、アセンブリ支持部３４０上に載る場合には、絶縁性パッドまたはバッファ３７０を、カソード電極板３５０の支持部３８０とアセンブリ支持部３４０との間に挟むことができ、２つの構造物を互いに電気的に絶縁することができる。
【００３５】
上側部分３１１、シート金属端部３１５、下側部分３１２分割部、および底部を含むバスケット３１０、ならびにカソード電極板３５０は、動作電解質によって引き起こされることがある腐食または熱損傷に対して回復力があり、かつ還元される材料と実質的に反応しない電気的導電性材料から製造される。例えば、ステンレス鋼またはもう１つの非反応性金属合金またはタングステン、モリブデン、タンタル、等を含む金属材料を、バスケット３１０およびカソード電極板３５０用に使用することができる。例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００の他の構成部品を、絶縁体３７０、バンド３５５、および把手構造（下記に論じる）を除いて、同様に導電性とすることができる。カソード電極板３５０およびバスケット３１０内の材料を、さらに、強度および剛性を高めるように製造し、成形することができる。例えば、硬化させたヘムまたはリブ３５１をカソード電極板３５０にまたはシート金属端部３１５に形成することができ、湾曲することまたは他のゆがみおよび／またはカソード電極板３５０とバスケット３１０との間の位置ずれのリスクを低下させることができる。
【００３６】
図３に示したように、リフトハンドル３８１を、支持部３８０に接続することができ、独立してカソード電極板３５０の取り外し、移動、または他の取り扱いを可能にする。例えば、カソード電極板３５０を、ハンドル３８１を介してユーザによってカソードアセンブリ３００から取り外すことができ、バスケット３１０だけを残すことができる。これは、カソード電極板３５０を選択的に洗浄する、修理する、もしくは交換する際に、および／またはバスケット３１０中へと／から材料を採取するもしくは挿入する際に、有利である場合がある。リフトハンドル３８１は、カソード電極板３５０および支持部３８０とは電気的に絶縁され、ユーザの感電死および例の電解還元システムを通る他の望まない電流を防止する。
【００３７】
カソードアセンブリ支持部３４０は、バスケット３１０および可能性としてカソード電極板３５０を含むカソードアセンブリ３００を取り外す／挿入するまたはそれ以外には取り扱うもしくは移動させるためのリフトバスケットポスト３９０をさらに含むことができる。リフトバスケットポスト３９０を、カソードアセンブリ支持部３４０のいずれかの端部のところに設置することができる、および／または例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００の残りの部分とは絶縁することができる。ＥＯＲＳ１０００などの、大きな還元システムにおいて使用するときには、個々のモジュラカソードアセンブリ３００、ならびにバスケット３１０およびカソード電極板３５０を含むそのすべての部分構成部品を、リフトバスケットポスト３９０を介して様々な位置のところに、自動的にまたは手動で移動させ、取り扱うことができる。
【００３８】
図３に示したように、例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００は、１つまたは複数のカソードアセンブリ接続部３８５を含み、そこではモジュラカソードアセンブリ３００を、電力を受電するために機械的かつ電気的に接続することができる。カソードアセンブリ接続部３８５を、標準プラグおよび／もしくはケーブル、または例のモジュラカソードアセンブリ３００では、例の電力分配システムから受電するフォークタイプの接続部（図５）中へと据えるように成形されたナイフエッジ接点を含む様々な形状およびサイズとすることができる。カソードアセンブリ接続部３８５の同等な対を、モジュラカソードアセンブリ３００の一方または両方の側に設置することができ、アセンブリへ均等な電力を供給することができる。
【００３９】
カソードアセンブリ接続部３８５は、例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００の内部の様々な構成要素に電気的に接続され、適切な還元電位を供給することができる。例えば、２つの別々の対のカソードアセンブリ接続部３８５ａおよび３８５ｂを、異なる電源に接続することができ、アセンブリ３００の様々な部品に異なる電力、電流、電圧、極性、等を供給することができる。図４に示したように、内側接続部３８５ａを、支持部３８０を介してカソード電極板３５０に接続することができる。内側接続部３８５ａは、電気的に接触せずに絶縁体３７０およびアセンブリ支持部３４０を通って延伸することができ、その結果、カソード電極板３５０を各々の他の構成部品とは絶縁することができる。外側接続部３８５ｂを、アセンブリ支持部３４０およびバスケット３１０に直接接続することができる。このようにして、カソード電極板３５０およびバスケット３１０に、２つの間を電気的にショートせずに、様々な電流、電圧、極性、等を、供給することができる。
【００４０】
図５は、例のカソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂの説明図であり、これは絶縁体によって囲まれたフォークタイプの導電性接点を含むことができ、モジュラカソードアセンブリ接続部３８５ａおよび３８５ｂへの電力を受電し、給電することができる。当然のことながら、接点４８５ａおよび４８５ｂを任意の構成または構造にすることができ、モジュラカソード接続部３８５ａおよび３８５ｂは、嵌め合い用の同等で反対の構成を与えることができる。アノードアセンブリ接点４８０をまた、カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂの近くに示す。各カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂを、モジュラカソードアセンブリに対して利用可能になるように望まれる任意の（１つまたは複数の）位置のところで天板１１０８内に据えることができる。各カソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂを、平行、に還元システムの反対側にある他の接点と整列させることができ、その結果、モジュラカソードアセンブリ３００用の平坦で、薄型の電気接点領域が形成され、その領域は接続部３８５ａおよび３８５ｂを介してモジュラカソードアセンブリ３００に接続される。
【００４１】
カソードアセンブリ接点４８５ｂおよび４８５ａは、様々なレベルの電力、電圧、および／または電流を接続部３８５ａおよび３８５ｂ、したがって、それぞれバスケット３１０およびカソード電極板３５０に供給することができる。例えば、接点４８５ａは、アノード接点４８０を介して供給した反対の極性のレベルの近くで、接続部３８５ａおよびカソード電極板３５０により多くの電力を供給することができる。これは、上に論じた還元体系にしたがって、カソード電極板３５０から電解質または還元しようとする材料中への、そして最終的にはアノードアセンブリへの電子の流れを生じさせることができ、バスケット３１０中に保有された酸化物または他の材料を還元することができる。
【００４２】
接点４８５ｂは、接点４８５ｂと比較して、接点３８５ｂおよびバスケット３１０へ、より低いおよび／または反対の極性の二次電力を供給することができる。一例として、より低い二次電力を、２．３Ｖおよび２２５Ａとすることができ、一方で一次レベルの電力を２．４Ｖおよび９５０Ａとすることができる、または一次および二次電力レベルを、例えば、カソード電極板３５０とバスケット３１０との間で反対極性のものとすることができる。このようにして、反対で可変の電力を、接続部３８５ａおよび３８５ｂを介してカソードアセンブリ接点４８５ａおよび４８５ｂと接触する例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００に供給することができる。加えて、電力の一次レベルおよび二次レベルの両方を、または例の還元システムを動作させるための任意の他の所望のレベルもしくは可変レベルの電力を、接点４８５ａを介して接続部３８５ａへ供給することができる。下記の表１は、各接点および各接点への電力線に対する電力供給の例を示す。
【００４３】
【表１】
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バスケット３１０がカソード電極板３５０とは反対の極性で帯電されるときに二次アノードとして作用することができるために、電流は、カソード電極板３５０とバスケット３１０との間の電解質または還元しようとする材料を通って流れることができる。例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００中のこの二次内部電流は、金属リチウムまたは溶解した金属アルカリ原子もしくはアルカリ土類原子がバスケット下側部位３１２から出ることを防止することができ、下側部位３１２は、金属酸化物原材料などの還元しようとする材料とは接触しないことがある。バスケットの内部の電解質が溶解した金属アルカリ原子またはアルカリ土類原子を含有するとオペレータが判断するときなどで、オペレータは、還元システムの測定した電気的特性に基づいてバスケット３１０を選択的に帯電させることができる。
【００４４】
図１に示したように、例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００は、カソードアセンブリ１３００として利用可能であり、標準化され、還元することの必要性に基づいて数の点で、互換性のある組み合わせで使用される場合がある。例えば、各モジュラカソードアセンブリ３００が、同じように構成された接点３８５を含む場合には、いずれかのモジュラカソードアセンブリ３００を、別の１つのものと置き換えることができる、またはＥＯＲＳ１０００などの還元システム中の他の対応するように構成された場所へと移動させることができる。各アノードアセンブリに電力を供給し、カソードアセンブリと交互に配置するなどで近接して設置することができ、カソードアセンブリ中の金属酸化物に対する所望の、効率的な還元作用を与えることができる。かかる柔軟性は、例の実施形態のモジュラカソードアセンブリ３００を使用する例の実施形態において、制御したリソース消費量でならびにシステムの複雑さおよび／または損傷のリスクを低減して、予想可能であり一様な量で大量の還元した金属を形成することを可能にすることができる。
【００４５】
上に論じた例の実施形態を、例のシステムおよびアノードアセンブリ実施形態に関連して独特な還元プロセスおよび還元方法において使用することができる。例の方法は、還元システムの内部に１つまたは複数のモジュラカソードアセンブリの位置または構成を決定するステップを含む。かかる決定は、還元しようとする材料の量、所望の動作電力レベルまたは動作温度、アノードアセンブリ位置、および／またはシステムのいずれかの他の設定したパラメータまたは所望の動作パラメータに基づく場合がある。例の方法は、カソードアセンブリを電源にさらに接続することができる。例のアセンブリがモジュールであるために、外部接続を同様に均等に行うことができ、単独型の接続は、すべての例の実施形態のカソードアセンブリで機能することができる。アノードアセンブリおよび／またはカソードアセンブリを電解質と接触させて所定の位置に配置するために、還元システム中で使用する電解質を溶融物または流体とすることができる。
【００４６】
電流または電圧または極性で測定した所望の１つまたは複数の電力レベルを、カソードアセンブリに電気システムを介して印加し、その結果、例の方法ではカソードアセンブリ内のバスケットおよび／または電極板を帯電させる。この帯電させることは、バスケットおよび電極板が、近くのアノードと接触している金属酸化物および電解質と接触しながら、バスケット内の金属酸化物または電解質中でバスケットと接触している金属酸化物を減少させ、一方で、カソードアセンブリ内の電解質中へと溶解した一部の酸素を脱イオン化する。例の方法は、修理の必要性またはシステム構成の必要性に基づいて還元システムの内部のアセンブリのモジュラ部品またはアセンブリ全体をさらに交換することができ、可変量の還元した金属を生成することができ、ならびに／または所望の電力レベル、電解質温度、および／もしくはモジュラ構成に基づくいずれかの他のシステムパラメータで動作することができる、柔軟性のあるシステムを提供する。還元に続いて、還元した金属を取り出すことができ、還元した金属の個々の特性に基づいて様々な化学プロセスにおいて使用することができる。例えば、還元したウラン金属を、核燃料へと再処理することができる。
【００４７】
例の実施形態がこのように説明され、例の実施形態を、ありきたりの実験を介しておよびさらなる独創的な活動をせずに変えることができることが、当業者には認識されるであろう。例えば、３個の長方形の区画室を含むカソードアセンブリ内のバスケットが示されているが、他の数および形状の区画室ならびにバスケットの全体的な構成を、期待されるカソードアセンブリ配置、電力レベル、必要な酸化電位、等に基づいて使用することができることが、当然のことながら理解される。変形形態は、例の実施形態の精神および範囲から乖離するようには見なされず、当業者には明らかであるようなすべてのかかる変更は、別記の特許請求の範囲の範囲内に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４８】
３００  モジュラカソードアセンブリ
３１０  バスケット
３１１  上側部分
３１２  下側部分
３１５  共有シート金属側面部
３１６  リベット点
３３０  透過性材料
３４０  アセンブリ支持部
３５０  カソード電極板
３５１  リブ
３５５  バンド
３７０  絶縁体
３８０  支持部
３８１  リフトハンドル
３８５  カソードアセンブリ接続部
３８５ａおよび３８５ｂ  カソードアセンブリ接続部
３９０  リフトバスケットポスト
４８０  アノードアセンブリ接点
４８５ａおよび４８５ｂ  カソードアセンブリ接点
１０００  電解酸化物還元システム（ＥＯＲＳ）
１０５０  電解質容器
１０５１  ヒータ
１１０４  側面支持部
１１０５  リフトバー
１１０６  ガイドロッド
１１０８  天板
１２００  アノードアセンブリ
１３００  カソードアセンブリ
１４００  バスバー
１４１０  アノード電力ケーブル
１４２０  カソード電力ケーブル
１４８０  電気接点
【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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