(57)【要約】【課題】本発明は、使用済み燃料の再処理時に固形分の配管移送を不要とし、上澄液移送手段の目詰りを防止し、メンテナンスフリーとしたものである。【解決手段】使用済み燃料再処理装置は、使用済み燃料の再処理時に、使用済み燃料溶解液１１が案内される反応容器１２と、この反応容器を回転させるモータ２１と、反応容器１２内にシュウ酸を添加するシュウ酸投入手段１９と、反応容器１２内に開口する上澄液抜出し口１５ａから上澄液を抜き出して配管移送させる上澄液移送手段１５とを有し、使用済み燃料溶解液１１にシュウ酸を添加して反応容器１２を回転させたとき、その回転遠心力により使用済み燃料溶解液１１を固形分のシュウ酸化合物１６と上澄液１４とに分離し、分離された上澄液１４を上澄液移送手段１５で回収させるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済み燃料の再処理時に、使用済み燃料溶解液が案内される反応容器と、
この反応容器を回転させるモータと、
前記反応容器内にシュウ酸を添加するシュウ酸投入手段と、
前記反応容器内に開口する抜出し口から上澄液を抜き出して配管移送させる上澄液移送手段とを有し、
前記使用済み燃料溶解液にシュウ酸を添加して前記反応容器を回転させたとき、その回転遠心力により使用済み燃料溶解液をシュウ酸化合物と上澄液とに分離し、分離された上澄液を前記上澄液移送手段で回収させることを特徴とする使用済み燃料の再処理装置。
【請求項２】
前記使用済み燃料溶解液にシュウ酸を添加する際、シュウ酸水溶液を共沸温度まで加熱して固形分のシュウ酸化合物を生成させる請求項１に記載の使用済み燃料の再処理装置。
【請求項３】
前記反応容器に設けられた上澄液移送手段は上澄液抜出し口が前記反応容器内に延びて上澄液中に開口された請求項１に記載の使用済み燃料の再処理装置。
【請求項４】
前記反応容器内にはスクレーパが放射方向に進退可能に設置され、このスクレーパは前記反応容器の周壁面に付着したシュウ酸化合物を掻き取り可能に設けられた請求項１に記載の使用済み燃料の再処理装置。
【請求項５】
前記スクレーパは中央の固定シャフトに支持脚を介して放射状に進退可能に設けられ、アクチュエータの駆動により、シュウ酸化合物を掻き取る突出位置と前記反応容器の周壁面から後退した後退位置との間を移動自在に設けられた請求項４に記載の使用済み燃料の再処理装置。
【請求項６】
前記反応容器の周壁面に付着したシュウ酸化合物に向けて高圧水または高圧硝酸水溶液を吐出する吐出ノズルが前記反応容器に設けられた請求項１に記載の使用済み燃料の再処理装置。
【請求項７】
使用済み燃料の再処理時、反応容器内の使用済み燃料溶解液にシュウ酸を添加してシュウ酸化合物を沈殿させる工程と、
前記反応容器を回転させ、回転による遠心力で使用済み燃料溶解液を固形分のシュウ酸化合物と上澄液に分離させる工程と、
前記反応容器で分離された上澄液をその抜出し口から回転遠心力を利用して抜き出し、回収する工程とを有することを特徴とする使用済み燃料の再処理方法。
【請求項８】
前記反応容器内で分離された固形分のシュウ酸化合物は、上澄液回収後に３００℃まで加熱して乾燥させる工程と、
前記シュウ酸化合物の乾燥終了後に前記反応容器内に溶融塩を投入してその溶解温度まで加熱してシュウ酸化合物の酸化物に転換する工程とを備える請求項７に記載の使用済み燃料の再処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用済み燃料を再処理する際、固形分の配管移送を不要にした使用済み燃料の再処理装置および再処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所から発生する使用済み燃料を再処理して、使用済み燃料中に含まれる有用な物質を分離して精製・回収し、再び燃料として再利用する技術の代表的なプロセスとして、ピューレックス法がある。原子力発電所からの使用済み燃料の中には、ウラン（Ｕ）やプルトニウム（Ｐｕ）などの超ウラン元素（ＴＲＵ）の他に、核分裂生成物（ＦＰ）としてアルカリ金属（ＡＭ）元素、アルカリ土類金属（ＡＥＭ）元素、白金族元素が含まれている。
【０００３】
ピューレックス法を用いた再処理方法では、使用済み燃料を解体して細かくせん断した後、硝酸を満たした溶解槽に入れて中身の燃料を溶解させる。使用済み燃料を溶解した後、偶数の価数を持つイオンを主に抽出する性質があるリン酸トリブチル（ＴＢＰ）溶液を抽気液として使用し、硝酸溶液とＴＢＰ系における金属イオン（Ｕ，Ｐｕ等）の分配比の違いを利用してＦＰ等の分離を行ない、ＵとＰｕを分離させる。ＵとＰｕは、各々Ｕ精製工程、Ｐｕ精製工程で精製するプロセスとなっている。
【０００４】
その際、核不拡散性の観点から、Ｐｕが単独で回収できない再処理プロセスが望まれている。そこで、ピューレックス法の再処理プロセスを一部変更し、Ｕを６価に維持したまま、４価の状態で存在するＰｕを３価に還元させてＵのみをＴＢＰ溶液に抽出させて高純度のＵを得るとともに、Ｐｕをマイナーアクチニド（ＭＡ）と一緒に回収する再処理プロセスが求められる。
【０００５】
特許文献１には、使用済み燃料を解体・せん断後、硝酸溶解し、電解還元して価数調整した後、シュウ酸を添加してシュウ酸塩沈殿を生じさせてＵ，Ｐｕの沈殿量を制御し、遠心分離させて固液分離し、Ｕ，ＴＲＵ、希土類元素を回収する使用済み燃料の再処理方法が記載されている。
【０００６】
しかし、この使用済み燃料の再処理方法では、使用済み燃料溶解液にシュウ酸を添加してシュウ酸塩沈殿時に固形分を遠心分離する方法が記載されているだけで、シュウ酸塩沈殿を早く生じさせるための温度条件や、遠心分離により生成された固形分の回収方法は開示されておらず、遠心分離を行なう上で必要な使用済み燃料の再処理装置の構成は示されていない。
【０００７】
また、再処理プロセスとして特許文献２に記載の使用済み燃料再処理方法が提案されている。この使用済み燃料再処理方法における使用済み燃料の再処理では、Ｕ抽出工程で高純度のＵを抽出した後、残った使用済み燃料溶液中には、Ｐｕと少量のＵと多量のＭＡとＦＰが含まれている。このＰｕを単独で回収できないように少量のＵとＭＡとＦＰと同時にＰｕをシュウ酸化合物として沈殿させ、回収する改良アクアパイロプロセス法が存在する。
【０００８】
この改良アクアパイロプロセス法を用いると、Ｐｕと少量のＵと、ＭＡとＦＰとをシュウ酸化合物として回収することができるが、シュウ酸化合物の沈殿物（固形分）をポンプにて配管移送させなければならない。
【０００９】
シュウ酸化合物をポンプ移送させる使用済み燃料の再処理装置について図３に示すものがある。この再処理装置は、電解抽出後の使用済み燃料溶解液１を入れた反応容器２と、沈殿物のシュウ酸化合物２ａを移送するポンプ３を備えた配管移送系統４と、配管移送される沈殿物を乾燥させるヒータ５と乾燥後にシュウ酸化合物２ａを酸化転換する溶融場の容器６と、溶融場を加熱するヒータ７で構成されている。
【００１０】
しかし、この再処理装置ではポンプ移送系統４のポンプ３や配管が詰まる可能性がある。ポンプ３が詰まった場合、ポンプ移送系統４やポンプ３をメンテナンスする必要があるが、この配管移送系統４では、ポンプ３は使用済み燃料溶解液１により放射性物質（ＲＩ）で高いレベルに汚染されているために、ポンプ３を直接メンテナンスすることができない。
【００１１】
このため、ポンプのメンテナンスは、遠隔操作によりポンプから核燃料やＲＩを取り除く除染作業を事前に行なってからのメンテナンスとなり、ポンプ移送系統の保守やメンテナンスに多大な作業時間と手間隙が必要となる。
【００１２】
その他の固形分であるシュウ酸化合物（沈殿物）の移送方法として、ベルトコンベアを用いて移送する方法も存在する。しかし、ベルトコンベアを用いた移送方法では、ベルトコンベア上に沈殿物が直接載るため、ベルトコンベアが放射性物質（ＲＩ）で高レベルに汚染され、ポンプと同様にメンテナンスを直接行なうことができない。このため、シュウ酸化合物を移送しないで済む改良アクアパイロプロセス法の開発が強く望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平８−５４４９３号公報
【特許文献２】特開２００９−２８８１７８号公報
【特許文献３】特開２００４−１９８１８０号公報
【特許文献４】特開平４−２１９１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
使用済み燃料の再処理において、核不拡散性の観点からＰｕを単独で回収できない再処理プロセスとしてピューレックス法のプロセスを一部変更し、Ｕを６価に維持したままＰｕを３価に電解還元させ、ＵのみをＴＢＰ溶液に抽出させて高純度のＵを得るとともに、ＰｕとＭＡ，ＦＰを一緒に回収する。回収したＰｕとＭＡ，ＦＰは残留した少量のＵとともにシュウ酸化合物として沈殿させている。
【００１５】
しかし、シュウ酸化合物は固形分であるため、シュウ酸化合物を移送する際に配管や移送ポンプが詰まる可能性がある。シュウ酸化合物を配管移送させるポンプ移送系統では、シュウ酸化合物を含む使用済み燃料溶解液によってポンプ移送系統が高レベルで汚染されているため、そのままではメンテナンス作業を行なうことができず、保守・管理が面倒で多大な作業時間と労力が必要となる。
【００１６】
しかも、ポンプ移送系統のメンテナンス作業を行なう前に、核燃料や放射性物質（ＲＩ）を取り除く遠隔操作の除染作業が必要となる。事前の除染作業は、面倒な遠隔操作で行なわなければならず、手間隙がかかり、多大な労力と作業時間を必要とする。
【００１７】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、使用済み燃料の再処理時に固形分であるシュウ酸化合物の配管移送を不要とし、配管の詰まりを解消したメンテナンスフリーの使用済み燃料の再処理装置およびその再処理方法を提供することを目的とする。
【００１８】
本発明の他の目的は、反応容器から固形分のシュウ酸化合物の配管移送を不要とし、反応容器内でシュウ酸化合物に溶融塩を投入して加熱し、シュウ酸化合物の酸化物に転換して生成させる使用済み燃料の再処理装置および再処理方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る使用済み燃料の再処理装置は、上述した課題を解決するために、使用済み燃料の再処理時に、使用済み燃料溶解液が案内される反応容器と、この反応容器を回転させるモータと、前記反応容器内にシュウ酸を添加するシュウ酸投入手段と、前記反応容器内に開口する抜出し口から上澄液を抜き出して配管移送させる上澄液移送手段とを有し、前記使用済み燃料溶解液にシュウ酸を添加して前記反応容器を回転させたとき、その回転遠心力により使用済み燃料溶解液をシュウ酸化合物と上澄液とに分離し、分離された上澄液を前記上澄液移送手段で回収させることを特徴とするものである。
【００２０】
また、使用済み燃料の再処理方法は、使用済み燃料の再処理時、反応容器内の使用済み燃料溶解液にシュウ酸を添加してシュウ酸化合物を沈殿させる工程と、前記反応容器を回転させ、回転による遠心力で使用済み燃料溶解液を固形分のシュウ酸化合物と上澄液に分離させる工程と、前記反応容器で分離された上澄液を抜出し口から回転遠心力を利用して抜き出し、回収する工程とを有することを特徴とする再処理方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る使用済み燃料の再処理装置およびその再処理方法によれば、使用済み燃料溶解液にシュウ酸を添加して反応容器を回転させることにより、固形分のシュウ酸化合物と上澄液とを分離させ、分離された上澄液を回転遠心力を利用して上澄液移送手段で抜き出して回収する構成としたので、固形分の配管移送を不要とし、上澄液移送手段の目詰りを確実に防止でき、上澄液移送手段をメンテナンスフリーとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る使用済み燃料の再処理装置の実施形態を示す構成図。
【図２】図１に示される使用済み燃料の再処理装置における反応容器の回転時の断面状態を示す図。
【図３】ポンプを使用した従来の使用済み燃料の再処理装置を示す簡略的な系統図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明に係る使用済み燃料の再処理装置の実施形態を示す構成図である。この使用済み燃料の再処理装置１０は、原子力発電所から発生する使用済み燃料を再処理して使用済み燃料から有用な物質を分離精製し、回収する際に用いられる。この再処理装置１０は、細かくせん断された使用済み燃料を図示しない溶解槽に入れた硝酸溶液で燃料溶解させた後に、リン酸トリブチル（ＴＢＰ）溶液を抽出液として用いて溶解抽出される使用済み燃料溶解液を対象とする。
【００２５】
使用済み燃料の再処理装置１０は、図１に示すように、遠心分離機を兼ね、かつ、電解抽出後の使用済み燃料溶解液１１を入れた円筒状の反応容器１２と、外周部に設けられて反応容器１２を加熱するヒータ等の加熱手段１３と、反応容器１２から使用済み燃料溶解液１１の上澄液１４を抜き出して移送する上澄液移送手段１５と、反応容器１２の内周壁面に付着して固形成分のシュウ酸化合物１６を掻き取るスクレーパ１７と、スクレーパ１７で掻き取れなかった残りのシュウ酸化合物１６を落とす高圧水または高圧硝酸水溶液を反応容器１２内に吐出する吐出ノズル１８と、後工程の乾燥工程で乾燥後のシュウ酸化合物１６を酸化転換する溶融塩投入手段１９と、上澄液移送手段１５で移送される上澄液１４を回収する上澄液回収槽２０と、反応容器１２を回転させるモータ２１とを備えて構成される。
【００２６】
原子力発電所からの使用済み燃料は、解体せん断工程で解体され、細かくせん断されて図示しない溶解槽に送られる。溶解工程では、溶解槽は硝酸で満たされており、使用済み燃料は全量が溶解され、使用済み燃料溶解液１１となる。このとき、Ｕは６価の状態で、Ｐｕは４価の状態で、またＭＡのネプツニウム（Ｎｐ）は５価の状態で存在している。
【００２７】
溶解工程を経た使用済み燃料溶解液は、電解価数調整工程に案内されて電解酸化還元が行なわれ、電解価数が調整される。電極電位の調整により、例えば、Ｕは６価、Ｎｐは５価の状態を維持しながら、Ｐｕは３価に電解還元され、一部４価に還元されたＵは、逆にＵ自身が６価に酸化される。
【００２８】
Ｕは大部分が６価であるので、Ｕ抽出工程でＴＢＰ（リン酸トリブチル）−３０％ドデカンで抽出すると、６価のＵのみが、ＴＢＰ−３０％ドデカン溶液に抽出される。Ｐｕの３価イオン、Ｎｐの５価イオンは、一部のＵの４価イオン、ＭＡやＦＰとともに水溶液に残留する。
【００２９】
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【００３０】
このシュウ酸沈殿工程でシュウ酸化合物１６が沈殿して生成されたら、硝酸の溶解度を下げ、シュウ酸沈殿物を多くするために、冷却する。
【００３１】
シュウ酸化合物１６の沈殿物が生成した後、遠心分離機を兼ねる反応容器１２をモータ２１を駆動させて、沈殿物を反応容器１２の周壁面に遠心力で付着される。反応容器１２の回転速度は例えば３０００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍで、内径は数ｍ〜１０数ｍφである。反応容器１２の回転により、シュウ酸化合物１６の沈殿物は反応容器１２の周壁面側に付着し、この内周側に上澄液が位置される。反応容器１２が回転しているときの断面構造の概略図を図２に示す。このとき、付着するシュウ酸化合物１６の厚さ（層厚）は、反応容器１２の大きさ（容量）や再処理される使用済み燃料溶解液１１の処理量が予め決められているので、予測することができ、定められる。
【００３２】
回転する反応容器１２の沈殿物（シュウ酸化合物１６）の内周側に位置する上澄液１４は、上澄液抜出し口１５ａから上澄液移送手段１５を通して上澄液回収槽２０に回収される。上澄液１４には反応容器１２の回転により遠心力が作用しており、この遠心力を利用して上澄液１４は上澄液抜出し口１５ａから抜き出され、上澄液移送手段１５を通って上澄液回収槽２０に送られ、回収される。その際、反応容器１２、上澄液回収槽２０や溶解槽、上澄液移送手段１５等には、強酸である硝酸およびシュウ酸に腐食しない材質が用いられる。例えば反応容器１２には、ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１６Ｌのステンレス鋼、セラミック、石英などが用いられる。上澄液移送手段１５の上澄液抜出し口１５ａは反応容器１２内に開口しているが、この上澄液抜出し口１５ａは放射方向に進退移送可能に構成してもよい。
【００３３】
上澄液回収後、反応容器１２の内周壁に付着したシュウ酸化合物１６は、スクレーパ１７で掻き落され、反応容器１２の底部に堆積される。スクレーパ１７は、複数枚の掻落しブレードが固定設置の支持シャフト２４に対し、放射方向に進退自在に、一例として例えばテレスコピック状の支持脚２７を介して支持される。スクレーパ１７は例えば横断面十字状の掻落しブレードがリンク機構２５を介してアクチュエータ２６に作動直結される。アクチュエータ２６の駆動により、リンク機構２５を介してスクレーパ１７は反応容器１２の内周面に近接あるいは周接可能な突出位置と、反応容器１２内周面から離間した後退位置との間を放射方向に進退可能に設けられる。スクレーパ１７は、放射方向に安定的に進退移動ができるように、複数の支持脚２７が設けられる。複数の支持脚２７は支持シャフト（固定シャフト）２４の軸方向に適宜離間して設けられる（図示省略）。スクレーパ１７の進退移動は、リンク機構等の進退機構とアクチュエータとを組み合せて構成される。
【００３４】
スクレーパ１７は、使用済み燃料溶解液１１からシュウ酸化合物１６を分離させる分離工程時や上澄液の回収（配管移送）工程時には、反応容器１２内周面から離間した後退位置に保持され、上澄液１４の回収後にシュウ酸化合物１６の掻落し時にアクチュエータ２６の作動でスクレーパ１７は突出した突出位置に保持される。
【００３５】
なお、図２では、スクレーパ１７の支持脚をアクチュエータ２６からリンク機構２５を介して進退移動させる例を示したが、リンク機構を省略し、アクチュエータ２６によりスクレーパ１７を直接的に、あるいは支持脚２７を介して放射方向に進退移動させてもよい。反応容器１２の内周壁に近接あるいは接触して、反応容器１２の回転により、反応容器１２の壁面に付着している固形分のシュウ酸化合物１６を掻き落し、反応容器１２の底部に堆積させる。シュウ酸化合物１６を掻き落した後、加熱手段１３を作動させてシュウ酸化合物１６を３００℃程度まで加熱し、乾燥させる。シュウ酸化合物１６は反応容器１２内で回収させ、そのまま収納するので、配管移送により外部に回収させる必要はない。
【００３６】
シュウ酸化合物１６の乾燥終了後、溶融塩投入手段１９により、溶融塩投入口１９ａから溶融塩を反応容器１２内に投入し、投入された溶融塩が溶融する温度まで５００℃〜６００℃程度に加熱される。
【００３７】
この加熱された溶融塩の中にシュウ酸化合物１６を堆積させてシュウ酸化合物１６を酸化物に乾燥する。このようにして、Ｕ，Ｐｕ，ＭＡおよび希土類元素の酸化物が得られる。
【００３８】
図１および図２に示される使用済み燃料再処理装置において、全ての処理工程が終了した後、反応容器１２の壁面にシュウ酸化合物１６が付着していた場合には、吐出ノズル１８から高圧水または高圧硝酸水溶液を吐出して反応容器壁面を洗浄させる。反応容器１２に吐出ノズル１８を備えることで反応容器１２は遠心清澄機として機能し、反応容器１２内が必要時に洗浄される。そして、洗浄液が溜った反応容器１２に、電解抽出後の使用済み燃料溶解液１１を加えて、シュウ酸沈殿化合物を生成する工程に移り、シュウ酸化合物１６の生成が繰り返される。
【００３９】
図１に示された使用済み燃料の再処理装置１０においては、使用済み燃料の再処理工程で、固形分（沈殿物）であるシュウ酸化合物１６を移送させず、上澄液１４だけを抜き出して上澄液回収槽２０に回収させた。固形分であるシュウ酸化合物１６を上澄液移送手段１５の配管で移送させると、配管内で固形分のシュウ酸化合物が配管内壁に固着して配管の詰る可能性がある。
【００４０】
しかし、この実施形態に示す使用済み燃料の再処理装置１０では、配管内をシュウ酸化合物１６の固形分を移送させることがないので、配管の詰りを確実にかつ有効的に防止することができる。また、上澄液移送手段の配管にて移送される上澄液は固形分のシュウ酸化合物１６ではなく、シュウ酸化合物１６は配管移送されることがないので、上澄液移送手段１５の配管に移送ポンプを設置することは必ずしも必要としない。
【００４１】
本実施形態の使用済み燃料の再処理装置１０および再処理方法では、遠心分離装置を構成する反応容器１２内にスクレーパ１７を放射方向に進退可能に設置し、使用済み燃料溶解液から分離された固形分のシュウ酸化合物（シュウ酸沈殿物）の配管移送を不要とした固形分の回収方法、また、使用済み燃料溶解物にシュウ酸を添加してシュウ酸化合物のシュウ酸沈殿を早く生じさせるための温度条件、さらに、反応容器１２内に高圧水や高圧硝酸水を吐出する吐出ノズルを設け、遠心清澄機を兼ねる反応容器内を洗浄する方法、さらには、反応容器１２内で固形分のシュウ酸化合物から分離された上澄液を回転遠心力を利用して配管移送し、回収する上澄液回収方法が、従来の使用済み燃料の再処理方法と相違する。
【符号の説明】
【００４２】
１０  使用済み燃料の再処理装置
１１  使用済み燃料溶解液
１２  反応容器
１３  加熱手段
１４  上澄液
１５  上澄液移送手段
１５ａ  上澄液抜出し口
１６  シュウ酸化合物
１７  スクレーパ
１８  吐出ノズル
１９  溶融塩投入手段
１９ａ  溶融塩投入口
２０  上澄液回収槽
２１  モータ
２４  支持シャフト
２５  リンク機構
２６  アクチュエータ
２７  支持脚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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