(57)【要約】【課題】酸溶液に対し難溶性を示す物質に混在する核燃料物質を抽出しその総量を適正に評価する核燃料物質の計量管理方法を提供する。【解決手段】核燃料物質の計量管理方法は、少なくともＵＯ2、(U,Zr)O2、金属Ｆｅ、及び金属Ｚｒを包含した燃料デブリ１０から主に金属鉄及び金属Ｆｅ，金属Ｚｒを分離する第１分離工程（Ｓ１１）と、金属Ｆｅ及び金属Ｚｒとともに分離されたウランを計量する第１計量工程（Ｓ２１）と、固体として存在する第１残渣１１を酸溶液に浸漬して主にＵＯ2を溶解させて分離する第２分離工程（Ｓ１２）と、分離されたウランを計量する第２計量工程（Ｓ２２）と、固体として存在する第２残渣１２に含まれる(U,Zr)O2から主にＵＯ2を分離する第３分離工程（Ｓ１３）と、分離されたウランを計量する第３計量工程（Ｓ２３）と、を含んでいる。【選択図】  図１
2015125139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも酸化ウラン、この酸化ウランと酸化ジルコニウムとの固溶体、金属鉄、及び金属ジルコニウムを包含した燃料デブリから主に前記金属鉄及び前記金属ジルコニウムを分離する第１分離工程と、
前記第１分離工程で前記金属鉄及び前記金属ジルコニウムとともに分離されたウランを計量する第１計量工程と、
前記第１分離工程の終了後に固体として存在する第１残渣を酸溶液に浸漬して主に前記酸化ウランを溶解させて分離する第２分離工程と、
前記第２分離工程で分離された前記ウランを計量する第２計量工程と、
前記第２分離工程の終了後に固体として存在する第２残渣に含まれる前記固溶体から主に前記酸化ウランを分離する第３分離工程と、
前記第３分離工程で分離された前記ウランを計量する第３計量工程と、を含むことを特徴とする核燃料物質の計量管理方法。
【請求項２】
前記第１分離工程は、前記燃料デブリを陽極で支持し溶融塩に浸漬し電解して陰極に前記金属鉄及び前記金属ジルコニウムを析出させることを特徴とする請求項１に記載の核燃料物質の計量管理方法。
【請求項３】
前記第１分離工程は、前記燃料デブリを液体金属に浸漬して前記金属鉄及び前記金属ジルコニウムを溶解させることを特徴とする請求項１に記載の核燃料物質の計量管理方法。
【請求項４】
前記第２分離工程において、さらに溶媒抽出法、沈殿法及びイオン交換法のうちいずれかを用いて酸化ウランを回収することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の核燃料物質の計量管理方法。
【請求項５】
前記第３分離工程は、前記第２残渣を溶融塩に浸漬し前記固溶体から前記酸化ウランを溶解させて分離することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の核燃料物質の計量管理方法。
【請求項６】
前記第３分離工程において、酸化モリブデン及び酸化タングステンのうち少なくとも一つを溶融助剤として前記溶融塩に投入することを特徴とする請求項５に記載の核燃料物質の計量管理方法。
【請求項７】
前記第３分離工程において、前記溶融塩は塩化物系の溶融塩であり塩素ガスが吹き込まれることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の核燃料物質の計量管理方法。
【請求項８】
前記第３分離工程において、さらに前記溶融塩に電極を挿入し溶解している前記酸化ウランを電極に析出させて回収することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の核燃料物質の計量管理方法。
【請求項９】
前記第３分離工程は、前記第２残渣を電解還元して前記酸化ウランを金属ウランに変換しこの金属ウランを溶融塩電解により電極に析出させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の核燃料物質の計量管理方法。
【請求項１０】
前記第３分離工程は、前記第２残渣にフッ素を反応させて生成したフッ化ウランを揮発させて冷却トラップにより回収することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の核燃料物質の計量管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸溶液に対し難溶性を示す物質に混在する核燃料物質の計量管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
恒常的に軽水炉から発生する使用済燃料は、核燃料である酸化ウランが焼結した状態となっている。
突発的な過酷事故により原子力発電施設で発生する燃料デブリは、酸化ウランを封入した被覆管及び炉内構造物などが溶融し再凝固して形成される。
【０００３】
このため燃料デブリは、酸化ウラン、炉内構造物に由来する鉄合金、被覆管に由来するジルコニウム合金、ジルコニウムと水とが高温で反応し生成した酸化ジルコニウム、及びこれら酸化ウランと酸化ジルコニウムとの固溶体が混在した状態となっている。
【０００４】
核燃料である酸化ウランは、臨界防止の観点から、厳密な計量管理が求められている。
このために、燃料デブリを、原子力発電施設から取り出し中長期的に貯蔵するにあたり、この燃料デブリから酸化ウランを分離回収する必要がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４５２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来から使用済燃料の再処理に広く用いられている湿式法を燃料デブリに適用した場合、酸溶解により燃料デブリの全量を溶解することは不可能で、酸化ジルコニウムと酸化ウランとの固溶体等といった酸化ウランを含む残渣が発生する。
このように、燃料デブリに含まれる酸化ウランは、硝酸などの酸溶液に対し難溶性を示す上述した物質に混在しているため、分離回収が困難で計量管理に課題があった。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、酸溶液に対し難溶性を示す物質に混在する核燃料物質を抽出しその総量を適正に評価する核燃料物質の計量管理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る核燃料物質の計量管理方法は、少なくとも酸化ウラン、この酸化ウランと酸化ジルコニウムとの固溶体、金属鉄、及び金属ジルコニウムを包含した燃料デブリから主に前記金属鉄及び前記金属ジルコニウムを分離する第１分離工程と、前記第１分離工程で前記金属鉄及び前記金属ジルコニウムとともに分離されたウランを計量する第１計量工程と、前記第１分離工程の終了後に固体として存在する第１残渣を酸溶液に浸漬して主に前記酸化ウランを溶解させて分離する第２分離工程と、前記第２分離工程で分離された前記ウランを計量する第２計量工程と、前記第２分離工程の終了後に固体として存在する第２残渣に含まれる前記固溶体から主に前記酸化ウランを分離する第３分離工程と、前記第３分離工程で分離された前記ウランを計量する第３計量工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、酸溶液に対し難溶性を示す物質に混在する核燃料物質を抽出しその総量を適正に評価する核燃料物質の計量管理方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る核燃料物質の計量管理方法の第１実施形態を示す工程図。
【図２】本発明に係る核燃料物質の計量管理方法の第２実施形態を示す工程図。
【図３】本発明に係る核燃料物質の計量管理方法の第３実施形態を示す工程図。
【図４】本発明に係る核燃料物質の計量管理方法の第４実施形態を示す工程図。
【図５】本発明に係る核燃料物質の計量管理方法の第５実施形態を示す工程図。
【図６】本発明に係る核燃料物質の計量管理方法の第６実施形態を示す工程図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように第１実施形態に係る核燃料物質の計量管理方法は、少なくとも酸化ウラン、この酸化ウランと酸化ジルコニウムとの固溶体、金属鉄及び金属ジルコニウムを包含した燃料デブリ１０から主に金属鉄及び金属ジルコニウム（Ｆｅ，Ｚｒ）を分離する第１分離工程（Ｓ１１）と、この第１分離工程（Ｓ１１）で金属鉄及び金属ジルコニウム（Ｆｅ，Ｚｒ）とともに分離されたウラン（Ｕ）を計量する第１計量工程（Ｓ２１）と、第１分離工程（Ｓ１１）の終了後に固体として存在する第１残渣１１を酸溶液に浸漬して主に酸化ウラン（ＵＯ2）を溶解させて分離する第２分離工程（Ｓ１２）と、この第２分離工程（Ｓ１２）で分離されたウラン（Ｕ）を計量する第２計量工程（Ｓ２２）と、この第２分離工程（Ｓ１２）の終了後に固体として存在する第２残渣１２に含まれる固溶体（(U,Zr)O2）から主に酸化ウラン（ＵＯ2）を分離する第３分離工程（Ｓ１３）と、この第３分離工程（Ｓ１３）で分離されたウラン（Ｕ）を計量する第３計量工程（Ｓ２３）と、を含んでいる。
【００１２】
燃料デブリ１０には、核燃料である酸化ウラン（ＵＯ2）を主体として、炉内構造物に由来する金属鉄（Ｆｅ）、被覆管に由来する金属ジルコニウム（Ｚｒ）、ジルコニウムと水とが高温で反応し生成した酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、及びこれら酸化ウランと酸化ジルコニウムとの固溶体（(U,Zr)O2）が混在した状態となっている。
第１分離工程（Ｓ１１）は、酸溶液に対して難溶性を示す金属鉄及び金属ジルコニウム（Ｆｅ，Ｚｒ）を燃料デブリ１０から分離することを目的としている。
【００１３】
第１実施形態における第１分離工程（Ｓ１１）は、燃料デブリ１０を陽極で支持し溶融塩に浸漬し電解して陰極に金属鉄及び金属ジルコニウム（Ｆｅ，Ｚｒ）を析出させる。
このように、Ｆｅ，Ｚｒを燃料デブリ１０から分離する第１分離工程（Ｓ１１）の他の実施例として、燃料デブリ１０を液体金属に浸漬して金属鉄及び金属ジルコニウム（Ｆｅ，Ｚｒ）を溶解させる方法がある。そのような液体金属としては、Ｆｅ，Ｚｒと相溶する水銀、カドミウム等が挙げられる。
【００１４】
第１計量工程（Ｓ２１）は、第１分離工程（Ｓ１１）において、溶融塩の浴中にＦｅ，Ｚｒとともに分離したウランや、陰極にＦｅ，Ｚｒとともに析出したウランを計量する。
具体的には、ＩＣＰ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）等といった多元素の定性定量分析・同位体分析が可能な分析装置により、ウラン濃度を測定し、分離されたウランの総量を計量する。
第１分離工程（Ｓ１１）で燃料デブリ１０から分離した酸化ウランは、溶融塩や電極析出金属に均一に分散しているので、少量を採取するだけで、臨界防止のための計量管理を厳密に行うことができる。
【００１５】
第１分離工程（Ｓ１１）の終了後には、酸化ウラン（ＵＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、及びこれらの固溶体（(U,Zr)O2）を主成分とする第１残渣１１が固体として存在している。
第２分離工程（Ｓ１２）では、第１残渣１１を酸溶液に浸漬して主に酸化ウラン（ＵＯ2）を溶解させて分離する。この場合の酸溶液は硝酸が好適に採用されるが、酸化ウラン（ＵＯ2）を溶解させる機能を有するものであれば適宜用いることができる。
【００１６】
この第１残渣１１は、酸溶液に難溶性を示す金属鉄及び金属ジルコニウムが除去されているので、含まれる酸化ウラン（ＵＯ2）が効率良く酸溶液に溶解する。
しかし、酸化ジルコニウムとの固溶体（(U,Zr)O2）に含まれる酸化ウラン（ＵＯ2）は、この酸溶液に対し、難溶性を示す。
【００１７】
第２分離工程（Ｓ１２）は、図示を省略するが、酸溶液に溶解した酸化ウラン（ＵＯ2）を、さらに溶媒抽出法、沈殿法及びイオン交換法のうちいずれかを用いて酸化ウラン（ＵＯ2）を固相として回収する場合もある。
特にシュウ酸もしくはＮ−シクロヘキシル−２−ピロリドンなどを用いた沈殿法によれば、酸化ウラン（ＵＯ2）の回収方法を簡素化させ、使用する装置の小型化を図ることができる。
【００１８】
第２計量工程（Ｓ２２）は、この第２分離工程（Ｓ１２）で、酸溶液に溶解している酸化ウラン（ＵＯ2）を計量する。
第２分離工程（Ｓ１２）で第１残渣１１から分離した酸化ウランは、酸溶液に均一に分散しているので、少量を採取するだけで、臨界防止のための計量管理を厳密に行うことができる。
なお、溶媒抽出法、沈殿法又はイオン交換法等によって固相分離された酸化ウラン（ＵＯ2）についても同様である。
【００１９】
第２分離工程（Ｓ１２）の終了後には、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、及び酸化ウランと酸化ジルコニウムとの固溶体（(U,Zr)O2）を主成分とする第２残渣１２が固体として存在している。
【００２０】
第３分離工程（Ｓ１３）は、第２残渣１２を溶融塩に浸漬し固溶体（(U,Zr)O2）から酸化ウラン（ＵＯ2）を溶解して分離する。そのような溶融塩としては、酸化物系の溶融塩が採用され、特にモリブデン酸溶融塩が好適である。
なお溶融塩による固溶体（(U,Zr)O2）の溶解は、溶解条件の設定により酸化ウラン（ＵＯ2）を選択的に溶解させたり、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）も含めた全量を溶解させたりもできる。
【００２１】
第３計量工程（Ｓ２３）は、この第３分離工程（Ｓ１３）で溶融塩に溶解している酸化ウラン（ＵＯ2）を計量する。
第３分離工程（Ｓ１３）で、第２残渣１２から分離した酸化ウランは、溶融塩に均一に分散しているので、少量を採取するだけで、臨界防止のための計量管理を厳密に行うことができる。
第３分離工程（Ｓ１３）の終了後には、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）を主成分とする第３残渣１３が固体として存在している。
【００２２】
このように、第１分離工程（Ｓ１１）、第２分離工程（Ｓ１２）及び第３分離工程（Ｓ１３）を経ることにより、燃料デブリ１０に含まれる酸化ウランを分離し、他の媒体に対して均一に分散させた状態で計量管理することができるため、臨界が防止された保存を行うことができる。
【００２３】
（第２実施形態）
次に図２に基づいて本発明における第２実施形態について説明する。
なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第２実施形態の核燃料物質の計量管理方法では、第３分離工程（Ｓ１３）において、酸化モリブデン及び酸化タングステンのうち少なくとも一つが溶融助剤１４として溶融塩に投入される。
モリブデン酸溶融塩の場合は酸化モリブデン（ＭｏＯ3）が、塩化物系溶融塩の場合は塩化モリブデン（ＭｏＣｌ6）が、溶融助剤１４として好適に用いられる。
これにより、固溶体（(U,Zr)O2）に含まれる酸化ウラン（ＵＯ2）の溶融塩への溶解を促進させることができる。
【００２４】
（第３実施形態）
次に図３に基づいて本発明における第３実施形態について説明する。
なお、図３において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第３実施形態の核燃料物質の計量管理方法では、第３分離工程（Ｓ１３）において、溶融塩は塩化物系の溶融塩であり塩素ガスが吹き込まれている。
これにより、溶融塩に浸漬された固溶体（(U,Zr)O2）に含まれる酸化ウラン（ＵＯ2）の溶解を促進させることができる。
【００２５】
（第４実施形態）
次に図４に基づいて本発明における第４実施形態について説明する。
なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第４実施形態の核燃料物質の計量管理方法では、第３分離工程（Ｓ１３）において、溶融塩溶解させた後（Ｓ１３Ａ）、さらに溶融塩に電極を挿入し溶解している酸化ウラン（ＵＯ2）を電極に析出させて回収する（Ｓ１３Ｂ）。
これにより、酸化ウラン（ＵＯ2）を固相として回収することができる。
【００２６】
（第５実施形態）
次に図５に基づいて本発明における第５実施形態について説明する。
なお、図５において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第５実施形態の核燃料物質の計量管理方法では、第３分離工程（Ｓ１３）において、第２残渣１２を電解還元して酸化ウラン（ＵＯ2）を金属ウラン（Ｕ）に変換し（Ｓ１３Ｃ）、この金属ウラン（Ｕ）を溶融塩電解により電極に析出させる（Ｓ１３Ｄ）。
これにより、金属ウラン（Ｕ）を固相として回収することができる。
【００２７】
（第６実施形態）
次に図６に基づいて本発明における第６実施形態について説明する。
なお、図６において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第６実施形態の核燃料物質の計量管理方法では、第３分離工程（Ｓ１３）において、第２残渣１２にフッ素を反応させて生成したフッ化ウラン（ＵＦ6）を揮発させて（Ｓ１３Ｅ）、冷却トラップにより回収する（Ｓ１３Ｆ）。
固溶体（(U,Zr)O2）にフッ素と反応させることにより、揮発性のフッ化ウラン（ＵＦ6）、フッ化ジルコニウム（ＺｒＦ4）を揮発させて冷却トラップで回収することができる。
この際に、温度差を利用して、フッ化ウラン（ＵＦ6）を選択的に回収することもできる。
【００２８】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の核燃料物質の計量管理方法によれば、酸溶液に難溶性を示す金属鉄、金属ジルコニウム、及び酸化ウランと酸化ジルコニウムとの固溶体を含む燃料デブリから、核燃料物質である酸化ウランを抽出し、その総量を適正に評価することができる。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３０】
１０…燃料デブリ、１１…第１残渣、１２…第２残渣、１３…第３残渣、１４…溶融助剤、Ｓ１１…第１分離工程、Ｓ１２…第２分離工程、Ｓ１３（Ｓ１３Ａ、Ｓ１３Ｂ、Ｓ１３Ｃ、Ｓ１３Ｄ、Ｓ１３Ｅ、Ｓ１３Ｆ）…第３分離工程、Ｓ２１…第１計量工程、Ｓ２２…第２計量工程、Ｓ２３…第３計量工程。
【図１】
2015125139.tif 000003
【図２】
2015125139.tif 000004
【図３】
2015125139.tif 000005
【図４】
2015125139.tif 000006
【図５】
2015125139.tif 000007
【図６】
2015125139.tif 000008