(57)【要約】【課題】塩化リチウム溶融塩媒質内でウラン酸化粉末をリチウム金属と反応させ、ウラン金属粉末に転換し、転換されたウラン金属粉末を直接ろ過方式によって塩化リチウム溶融液と分離して回収できるウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置を提供する。【解決手段】ウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置は、加熱炉１０、円錐形の下部形状の反応容器２５、密閉蓋３５、アルゴンガス注入管及び排出管、排出口開閉用バルブアセンブリー（３７，３９）、一台以上の撹拌機３０、リチウム金属供給機６０、冷却ジャケットを含む反応器２０、反応器から排出される混合物質をろ過する多孔性フィルター４０、及び溶融塩回収タンク５０を含む。該装置は、高温の溶融塩系でリチウムとの反応によりウラン酸化物をウラン金属に転換し、転換された金属を、多孔性フィルター４０を介して溶融塩から分離回収する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウラン酸化物をウラン金属に転換する装置において、
高温の反応条件を維持させるための加熱手段を備えた加熱炉と、
下部中心に排出口を設け下部形状を排出口に向かって下降する傾斜を持った円錐形に形成した反応容器と、反応容器を密閉する密閉蓋と、アルゴンガスを注入及び排出させるための注入管及び排出管とを含む反応器と、
前記排出口を開閉するバルブアセンブリーと、
反応容器内部の混合物を均一に混合するための一台以上の撹拌機と、
独立した加熱手段を含み、前記密閉蓋に脱着可能に設置されリチウム金属を溶融状態で反応器に供給するリチウム金属供給機と、
圧縮空気の循環により断熱効果を発生させるために密閉蓋に内蔵される冷却ジャケットと、
加熱炉内部の反応器下部に位置し反応器から排出される混合物をろ過する多孔性フィルターと、
加熱炉内部の多孔性フィルターの下部に位置し、多孔性フィルターを透過した溶融塩を回収する溶融塩回収タンクと
を備えることを特徴とするウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。
【請求項２】
前記加熱炉が、個別に温度制御が可能で、各々上下に間隔をおいて順々に内蔵された多数の加熱手段を含むことを特徴とする請求項１記載のウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。
【請求項３】
前記多孔性フィルターが、マグネシア材質で形成され、反応器で生成された微細なウラン金属粉末を分離回収できることを特徴とする請求項１記載のウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。
【請求項４】
前記バルブアセンブリーが、密閉蓋上部の空気圧シリンダーと空気圧シリンダーの出力端に連結され排出口を開閉する棒形態のバルブを含むことを特徴とする請求項１記載のウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。
【請求項５】
反応器の中心を基準に対称の位置に設置された一対の前記撹拌機を含むことを特徴とする請求項１記載のウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。
【請求項６】
前記撹拌機が、気密性維持の為にマグネチックドライブを使用して動力伝達される反応器外部のモーター及び反応器内部の駆動軸を含むことを特徴とする請求項１または請求項５記載のウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。
【請求項７】
加熱炉の内壁と加熱炉内部の反応器の外壁及び溶融塩回収タンクの外壁との間に位置する反応器補助タンクをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウラン酸化物の金属転換及びろ過回収装置に関するものである。より詳細には、塩化リチウム溶融塩媒質内でウラン酸化物をリチウム金属と反応させ、ウラン金属粉末に転換し、転換されたウラン金属粉末を多孔性フィルターを利用した直接ろ過によって塩化リチウム溶融液と分離して回収する装置に関するものである
【０００２】
【従来の技術】
発電用及び研究用原子炉等で使用後に排出された使用後核燃料には、多量のウラン酸化物が含まれている。実際に、使用後核燃料は、大部分がウラン酸化物であり、使用後核燃料を取扱う分野ではウラン酸化物をウラン金属に転換することが、重要な研究テーマの一つになっていて、ウラン金属への転換と関連した多様な技術が開発されている。
【０００３】
一例として、ウラン酸化物とフッ酸を反応させて得られる四フッ化ウラン（ＵＦ４）をマグネシウムまたはカルシウムを利用した還元反応を通してウラン金属を得る方法が使用されてきた。
【０００４】
しかし、この方法は、反応物に使用されるフッ素の腐食性が強く取扱いが容易ではないだけではなく、反応による副産物と発生するフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）またはフッ化カルシウム（ＣａＦ２）には、ウランが含まれているため処理が複雑で工程の効率性が低下し、処理費用が多くかかるため経済的な方法とは言えなかった。
【０００５】
上述した方法の欠点を補完するために登場したものとして、中間物質としてウラン塩化物を製造した後、ウラン金属に転換する方法が紹介されたことがある。
その一例として、フッ酸を使用する代わりに三酸化ウランを水素で還元して二酸化ウランにした後、炭素粉末と混合して６００℃以上の温度を維持した流動式反応器で塩素等のガスと反応させ四塩化ウラン（ＵＣｌ４）を製造した後、電気分解によって陰極でウラン金属を析出させる方法が開発されたことがある（特許文献１参照）。
【０００６】
また異なる例として、やはり６００℃以上の温度で維持された反応器に二酸化ウランと炭素の混合物を入れ、塩素ガスを注入して反応させることによって四塩化ウランを製造した後、第３の金属を使用して金属ウランを回収する方法が開発されたことがある（特許文献２参照）。
【０００７】
最近になって、ウラン酸化物の金属転換反応は、塩化リチウム溶融塩を媒質にしたウラン酸化粉末と溶融リチウム金属との固体−液体−液体反応を通してウラン金属を回収する方法が使用されている。しかし、溶融塩を反応媒質に利用する工程は、高温の運転条件と溶融塩取扱い上の難しさによって工程開発に多くの制約を受けている。言い換えれば、溶融塩系工程は、溶融塩の空気中吸収特性の為、必ず不活性雰囲気でおこなわなければならず、溶融点以下の温度で固化する特性があるため必ず使用しようとする溶融塩の融点温度以上で作業が進行されなければならない等の制約がともなう。
【０００８】
実際に、空気中の酸素または水分との酸化反応が爆発的に起きるリチウム金属を使用するため、不活性雰囲気が維持された密閉条件で遂行しなければならず、塩化リチウムの融点以上の６５０℃程度の温度で反応がなされなければならない。また、生成されたウラン金属粉末を回収するためには、反応媒質の塩化リチウム溶融塩との分離作業もやはり融点温度以上の高温で遂行しなければならない。
【０００９】
ウラン酸化物をリチウムとの還元反応により金属に転換する従来の方法をもう少し詳しく見てみると、ウラン酸化物としてＵＯ２ペレット（ｐｅｌｌｅｔ）を使用してリチウムと反応させウラン金属に転換させる方法は、反応表面積が小さいＵＯ２ペレットの使用するため５０時間以上の長い反応時間が所要される問題点があり、それにもかかわらず金属転換率が相対的に低いという短所があった。また、使用するＵＯ２ペレットに微細な気孔が存在するため、生成されたウラン金属の気孔内に塩化リチウム及び酸化リチウムの反応残溜物が不純物として存在する問題点があった。
【００１０】
一方、反応時間の短縮と微細な気孔の影響から逃れるために、ウラン酸化物として反応表面積が大きいウラン酸化粉末（ＵＯ２  粉末またはＵ３Ｏ８  粉末）を使用する方法は、生成されたウラン金属が微細な粉末形態であるためこれを高温の溶融塩系から分離しなければならないという易しくない問題点があった。金属転換装置に遠心分離機を装着して転換されたウラン金属粉末を遠心分離機により分離回収する方法が提示されたことがあるが、遠心分離機を高温の固体−液体溶融塩系に適用するのには多くの制約が付きまとい実用化には限界がある。
【００１１】
結局、反応時間を短縮させるためには、反応表面積が大きい粉末形態のウラン酸化物を使用することが有利であるが、金属に転換されたウランもまた粉末形態で生成されるため、高温の溶融塩からこれらを分離するという難しい問題点を解決すれば実用化が可能である。
【００１２】
【特許文献１】
米国特許第５，１６４，０５０号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，４２１，８５５号明細書
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような従来技術の問題点を解消するため、本発明の目的は、不活性雰囲気の密閉された反応条件で塩化リチウム溶融塩を媒質にしてウラン酸化粉末をリチウムとの還元反応によりウラン金属粉末に転換させ、ウラン酸化物−塩化リチウム溶融塩−溶融リチウム反応系から生成された微細なウラン金属粉末を直接ろ過方式で塩化リチウム溶融塩と分離して回収できる装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
これを実現するために本発明は、ウラン酸化物をウラン金属に転換する装置において、高温の反応条件を維持させるための加熱手段を備えた加熱炉と、下部中心に排出口を設け下部形状を排出口に向かって下降する傾斜を持った円錐形に形成された反応容器と反応容器を密閉する密閉蓋とアルゴンガスを注入及び排出させるための注入管及び排出管とを含む反応器と、前記排出口を開閉するバルブアセンブリーと、反応容器内部の混合物を均一に混合するための一台以上の撹拌機と、独立した加熱手段を含み、前記密閉蓋に脱着可能に設置されリチウム金属を溶融状態で反応器に供給するリチウム金属供給機と、圧縮空気の循環によって断熱効果を発生させるために密閉蓋に内蔵される冷却ジャケットと、加熱炉内部の反応器下部に位置し反応器から排出される混合物をろ過する多孔性フィルターと、加熱炉内部の多孔性フィルターの下部に位置し、多孔性フィルターを透過した溶融塩を回収する溶融塩回収タンクとを備えることを特徴とするウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置を提供する。
【００１５】
前記加熱炉は、個別に温度制御が可能で、各々上下に間隔をおいて順々に内蔵された多数の加熱手段を含むことを特徴とし、前記多孔性フィルターは、マグネシア材質で形成され反応器で生成された微細なウラン金属粉末を分離回収できることを特徴とし、前記バルブアセンブリーは、密閉蓋上部の空気圧シリンダーと空気圧シリンダーの出力端に連結され排出口を開閉する棒形態のバルブを含むことを特徴とする。
【００１６】
そして、反応器の中心を基準に対称の位置に設置された一対の前記撹拌機を含むことを特徴とし、該撹拌機は気密性維持のためにマグネチックドライブを使用して動力伝達がなされる反応器外部のモーター及び反応器内部の駆動軸を含むことを特徴とする。
【００１７】
さらに、加熱炉の内壁と加熱炉内部の反応器の外壁及び溶融塩回収タンクの外壁間に位置する反応器補助タンクを含むことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい一実施形態を添付した図面に基づいてさらに詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明のウラン酸化物の金属転換及びろ過回収装置の全体構成図である。本発明の実施例によるウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置は、大きく分けて、高温の反応条件を維持させるための加熱炉１０と、加熱炉上部に配置される反応器２０と、反応器２０下部に位置し反応器から排出される混合物質をろ過する多孔性フィルター４０と、多孔性フィルターの下部に位置し多孔性フィルターを透過した溶融塩を回収する溶融塩回収タンク５０等を含んだ構成で成り立っている。
【００２０】
加熱炉１０は、内部に円筒形空間を備え、反応器２０と多孔性フィルター４０及び溶融塩回収タンク５０を内蔵した状態で、工程上要求される温度条件を維持させるものであり、個別に温度制御が可能な複数の加熱手段（非図示）が各々上下に間隔をおいて順々に内蔵されている。例えば、３段に区分する場合、上段、中段、下段に各々加熱手段を装着し、ＰＩＤ方式により個別に温度を制御することによって、加熱炉１０の円筒形空間内部を高さによる上下間の温度偏差を最小にして全体的に温度を均一に維持でき、これにより反応媒質に使用される塩化リチウムを融点以上の温度に維持させるのに適合する。言い換えれば、反応媒質に使用される塩化リチウムを反応時だけではなく、ろ過工程を含む最終的な工程が終わるまで溶融状態に維持するために内部に位置する反応器２０、溶融塩回収タンク５０等を６５０℃程度の温度に均一に維持できるようにする。
【００２１】
反応器２０は、加熱炉１０によって温度条件が維持された状態で、ウラン酸化物とリチウム間の還元反応を発生させるものであり、大きく分けて、ウラン酸化物と反応媒質に使用される溶融塩化リチウム及び溶融リチウムが混合された状態で収容される反応容器２５と、反応容器２５の上部を覆い内部空間を密閉する密閉蓋３５を含む。もちろん、反応器２０は反応容器２５と密閉蓋３５が一体化した圧力タンク形に形成することも可能である。
【００２２】
反応容器２５は、金属転換工程を終わった混合物を下部に位置する多孔性フィルター４０に排出できるように下段部中心に形成される排出口２１を備え、排出を円滑にするために円錐形の下段部形状を持つように形成する。この円錐形下段部２３の傾斜は３５°以上にすることが好ましい。
【００２３】
反応器内部には、固体−液体の溶融塩反応系を均一に混合するために一つ以上の撹拌機３０を設置する。ウラン酸化物−塩化リチウム−リチウム溶融塩は、６５０℃で固体−液体−液体の３相で存在し、これらの反応物間の密度差が大きいため混合に難しさが伴うため、反応物を混合して反応効率を高めるために撹拌機３０を設置する。
【００２４】
この撹拌機３０は、一般的な撹拌機が貫通する形態の駆動軸を使用すれば気密性が下がるので、外部空気が反応器２０内部に引入れられる可能性があり、反応器外部のモーター（非図示）と反応器内部の駆動軸２９の気密性維持が保障された状態でモーターと駆動軸２９間の動力伝達がなされるように、密閉蓋３５に装着されたマグネチックドライブ２７、及び反応物に漬る駆動軸２９の端部に設置された撹拌用プロペラ３３を含んで構成する。マグネチックドライブ２７と反応器外部のモーター（非図示）間を直接連結することもできるけれど、付加的なモーター装着に対する便宜性を考慮して連結用フレキシブルジョイント（非図示）を使用する。
【００２５】
また、駆動時液面に発生する渦巻き（Ｖｏｒｔｅｘ）を防止するために、一対の撹拌機３０を備え、これらを反応器２０の中心を基準にしてお互いに対称の位置に設置することが好ましい。
【００２６】
反応容器２５の排出口２１は、空気圧シリンダー３７と棒形態のバルブ３９で構成されたバルブアセンブリーにより開閉される。空気圧シリンダー３７は、反応器２０外部に露出するように密閉蓋３５上部に設置し、空気圧シリンダー３７の出力端にバルブ３９が密閉蓋３５を貫通する形態で装着し、上昇時にバルブ３９の下段部が排出口２１を開放し、下降時にバルブ３９の下段部が排出口２１を閉鎖する。
【００２７】
密閉蓋３５には、冷却ジャケット（非図示）が内蔵されていて、冷却ジャケットの入口４３と出口４４を通して持続的に圧縮空気を注入し排出することによって断熱効果を発生させる。これによって、高温に維持された反応器２０内部の熱から密閉蓋３５上部に設置された各種機器と作業者を保護できる。
【００２８】
また、反応器２０には、アルゴンガスを注入及び排出させるための注入管４６と排出管４７を設置する。これを通して反応器２０内部の圧力が大気圧より若干高い状態を維持するようにアルゴンガスを継続して流し送ることによって反応器内部を不活性雰囲気に維持できる。
【００２９】
一方、リチウム金属供給機６０を密閉蓋３５に脱着可能に設置し、反応器２０内部が不活性雰囲気に維持され密閉された条件でリチウム（Ｌｉ）金属を取扱えるようにする。リチウム金属供給機６０は、独立した加熱手段（非図示）と熱電対６１を備えている。ゆえに固体状態で充填されるリチウム金属を溶融させ液体状態で反応器に供給できる。つまり、リチウム金属を不活性雰囲気のグローブボックス内で計量しリチウム金属注入口６３を通してリチウム金属供給機に充填した後、リチウム金属供給機６０をグローブボックスから取りだし反応器２０上部の密閉蓋３５に結合し、この状態で独立に（別個に）備えた加熱手段によってリチウム金属を溶融させ反応器２０に供給する。
【００３０】
前記多孔性フィルター４０は、反応器下部にフィルターアダプター４５によって装着し、バルブ上昇による排出口２１開放時、反応器から排出される混合物をろ過して金属転換反応で生成されるウラン金属粉末と溶融塩を分離する。多孔性フィルターは、気孔の大きさが１０μｍ程度で高温の溶融塩系で耐腐食及び熱的安定性が良好なマグネシア材質を使用し、床面と縁面（側面）を持った容器形態に形成する。
【００３１】
前記溶融塩回収タンク５０は、多孔性フィルター４０の下部に位置し、多孔性フィルターを透過した溶融塩を貯蔵する。
以上のような構成に合わせて、ウラン酸化物及び塩化リチウムを注入するための試料注入口１１を密閉蓋３５に備えていて、反応器２０内部の温度と圧力を測定するための熱電対１５と圧力計１７を備えている。
【００３２】
さらに、加熱炉１０の内壁と加熱炉内部の反応器２０の外壁及び溶融塩回収タンク５０の外壁間に位置する反応器補助タンク７０を含むことができる。反応器補助タンク７０は、反応が終了後、反応器から溶融塩回収タンク５０に排出される混合物が溶融塩回収タンク５０外部に漏出した場合にも、漏出した混合物によって加熱炉１０内部が汚染されることを防止する。
【００３３】
以上、上述した本発明によるウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置を利用してウラン金属粉末を製造し回収する過程を説明する。
まず、試料注入口１１を通して一定量の塩化リチウムとウラン酸化粉末を反応器２０に注入し、加熱手段を制御して反応器内部温度を６５０℃まで加熱して塩化リチウムを溶融させる。加熱する過程で、反応器２０内部の温度が６００℃に到達したら注入管４６と排出管４７を利用してアルゴンガスの高圧充填と排出を反復することによって空気及び塩化リチウムに含有された水分を除去し、反応器２０内部を不活性雰囲気にする。
【００３４】
塩化リチウムが溶融し温度が６５０℃に一定に維持されると、リチウム金属供給機６０に前もって準備しておいた溶融したリチウム金属を反応器２０に注入した後、一対備えられた撹拌機３０を２５０ｒｐｍの速度で作動させ、ウラン酸化物とリチウムとの還元反応が起きるようにする。
【００３５】
リチウム金属供給機６０により供給されるリチウム金属は、初期に総注入量の５０  ％を注入し、反応時間が２時間経過するにしたがって１０％ずつ追加供給する。リチウム金属は、塩化リチウム溶融塩に対する溶解度（６５０℃で０．５ｍｏｌ％）と密度（０．５１１ｇ／ｃｍ３）がとても低いため、金属転換反応中に過剰供給された大部分のリチウム金属は、液状の塩化リチウム溶融塩上部に浮遊し、これにより相当量の蒸発したリチウム金属が反応器２０外部に排出される心配がある。このような現象を防止するために、リチウム金属を初期に全量注入しないで反応時間が経過するにしたがってリチウム金属を一定量ずつ注入する。
【００３６】
反応器２０の温度を６５０℃、撹拌速度を２５０ｒｐｍの状態で反応を継続進行させ、この時アルゴンガスが反応器を通して継続して流れるようにすることによって不活性雰囲気を維持できるようにする。
【００３７】
金属転換反応に必要な時間は、１０時間程度であり、時間が経過して反応が終了すると、空気圧シリンダー３７によりバルブ３９を上昇させ反応容器２５下部の排出口２１を開放させる。排出口開放と同時に生成されたウラン金属粉末と液状の溶融塩が排出口下部に位置したマグネシア材質の多孔性フィルター４０に排出され、また多孔性フィルター４０でろ過による混合物の分離が発生する。
【００３８】
最終的に、ろ過が終わると加熱炉１０の電源を遮断し常温で冷却させた後、反応器２０と多孔性フィルター４０を解体して多孔性フィルターにろ過されたウラン金属粉末と溶融塩回収タンク５０に集められた溶融塩を回収することによって、ウラン酸化物の金属転換及びろ過回収作業が終わる
【００３９】
【発明の効果】
以上の本発明によるウラン酸化物金属転換及びろ過回収装置を提供することによって、高温の溶融塩系でリチウムとの反応によりウラン酸化物をウラン金属に転換し、転換された金属を溶融塩から分離回収可能にする。反応物質に微細なウラン酸化粉末を使用可能になり反応時間を短縮させ反応効率を高める効果を得られる。合わせて、ウラン酸化粉末に適用された本発明は、窮極的には、ウラン酸化物が大部分を占める使用後核燃料の酸化粉末にも適用して使用後核然料を金属に転換するために使用できる等の広い活用範囲を持っている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウラン酸化物の金属転換及びろ過回収装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１０：  加熱炉                    １１：  試料注入口
１５、６１：  熱電対                １７：  圧力計
２０：  反応器                    ２１：  排出口
２３：  円錐形下段部              ２５：  反応容器
２７：  マグネチックドライブ      ２９：  駆動軸
３０：  撹拌機                    ３３：  撹拌用プロペラ
３５：  密閉蓋                    ３７：  空気圧シリンダー
３９：  バルブ                    ４０：  多孔性フィルター
４３：  冷却ジャケットの入口      ４４：  冷却ジャケットの出口
４５：  フィルターアダプター      ４６：  注入管
４７：  排出管                    ５０：  溶融塩回収タンク
６０：  リチウム金属供給機        ６３：  リチウム金属注入口
７０：  反応器補助タンク
【図１】
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