(57)【要約】【課題】燃料再処理の際に、希土類元素を効率的に分離回収し再利用可能とする。【解決手段】希土類元素、Ｕ及びＴＲＵを含む高レベル廃液を化学反応により沈殿させ固体沈殿物を生成する沈殿工程（Ｓ１）と、前記沈殿物を希土類酸化物、Ｕ酸化物及びＴＲＵ酸化物に転換する酸化物転換工程（Ｓ２）と、前記酸化物のうちＵ酸化物及びＴＲＵ酸化物のみをＵ金属及びＴＲＵ金属に還元させる還元工程（Ｓ３）と、前記希土類酸化物並びに前記Ｕ金属及びＴＲＵ金属を溶融Ｃｄに浸漬する浸漬処理工程（Ｓ４）と、前記溶融Ｃｄの界面に浮遊する希土類酸化物を分離回収する分離回収工程（Ｓ５）と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素、ウラン及び超ウラン元素を含む高レベル廃液を化学反応により沈殿させ固体沈殿物を生成する沈殿工程と、前記沈殿物を希土類酸化物、ウラン酸化物及び超ウラン元素酸化物に転換する酸化物転換工程と、前記酸化物のうちウラン酸化物及び超ウラン元素酸化物のみをウラン金属及び超ウラン元素金属に還元させる還元工程と、前記希土類酸化物並びに前記ウラン金属及び超ウラン元素金属を溶融カドミウムに浸漬する浸漬処理工程と、前記溶融カドミウムの界面に浮遊する希土類酸化物を分離回収する分離回収工程と、を有することを特徴とする希土類元素の分離回収方法。
【請求項２】
前記還元工程で用いられる還元剤はアルカリ金属であることを特徴とする請求項１記載の希土類元素の分離回収方法。
【請求項３】
前記分離回収工程で希土類酸化物が分離された溶融Ｃｄを電解槽内の陽極槽に移送し電解精製を行う電解精製工程と、電解精製されたウラン、超ウラン元素を蒸留する蒸留工程と、蒸留後のウラン、超ウラン元素を射出鋳造する射出鋳造工程と、をさらに有することを特徴とする請求項１又は２記載の希土類元素の分離回収方法。
【請求項４】
前記還元工程の前に希土類元素の価数を変える前処理を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の希土類元素の分離回収方法。  
【請求項５】
前記電解精製工程における電解精製後の溶融カドミウムを前記浸漬処理工程における溶融カドミウムとして再利用することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の希土類元素の分離回収方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の希土類元素の分離回収方法を実施するための希土類元素の分離回収装置であって、内部に溶融カドミウムが収容され希土類酸化物並びに還元されたウラン金属及び超ウラン元素金属が浸漬される抽出槽と、前記抽出槽内に挿入された吸引ノズルと、下方が開放され前記ノズルの周囲を覆うように配置されたノズルカバーと、を有することを特徴とする希土類元素の分離回収装置。
【請求項７】
還元されたウラン金属及び超ウラン元素金属を含む溶融カドミウムが収容される溶融カドミウム保持槽と、陽極槽を有する電解槽と、電解精製後の溶融カドミウムが保持される陽極カドミウム保持槽と、をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の希土類元素の分離回収装置。
【請求項８】
前記抽出槽、溶融カドミウム保持槽及び陽極カドミウム保持槽を気密構造とするとともに、ガス容器及び吸引ポンプにそれぞれ配管を介して接続したことを特徴とする請求項６又は７記載の希土類元素の分離回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料再処理プロセスにおいて希土類元素を分離回収するための希土類元素の分離回収方法および分離回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
使用済酸化物燃料中のＵ（ウラン）、ＴＲＵ（超ウラン元素）、又は高レベル廃液中のＴＲＵを金属に転換し高速炉等の炉心で燃焼するシステムでは、酸化物を化学的または電気化学的に還元し金属に転換したうえで電解精製法によりＵ、ＴＲＵなどの有用な元素を精製回収して蒸留などの工程を経て射出鋳造により金属燃料を製造して再利用する（特許文献１、２）。
【０００３】
その際、使用済燃料や高レベル廃液中に含まれるＦＰ（核分裂生成物）元素のうち貴金属元素（ＮＭ）等は還元の際金属に転換したうえで溶融塩中に溶解させ分離回収する。一方、希土類元素（ＲＥ）については溶融塩中に拡散した希土類元素をゼオライト等に吸着処理させることで、希土類元素の分離回収を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２２７６３１号公報
【特許文献２】特開２０１４−１０５３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、使用済燃料や高レベル廃液中に含まれるＦＰ元素のうち貴金属元素等は還元の際金属に転換した上で溶融塩中に溶解するため分離が容易である。しかしながら希土類元素については酸化物として還元生成物中に残留し電解とともに溶融塩中に拡散するため電解精製時の陰極への混入が課題となる。例えば、希土類元素が金属燃料に混入すると燃料中で相分離が生じ、燃料組成の均一性が維持できなくなる可能性がある。
【０００６】
そのため、従来は溶融塩中に拡散した希土類元素をゼオライトに吸着処理することで希土類元素の分離回収を実施してきたが、廃棄物の発生量が増加したり、装置が大型化する等の課題があった。
【０００７】
本発明の実施形態は、上記課題を解決するためになされたもので、希土類元素を効率的に分離回収し再利用可能とするとともに、廃棄物の発生量を低減させ、かつ、希土類元素の混入を抑制することで高純度のＵ、ＴＲＵを回収することができる希土類元素の分離回収方法および分離回収装置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】
上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る希土類元素の分離回収方法は、希土類元素、Ｕ及びＴＲＵを含む高レベル廃液を化学反応により沈殿させ固体の沈殿物を生成する沈殿工程と、前記沈殿物を希土類酸化物、Ｕ酸化物及びＴＲＵ酸化物に転換する酸化物転換工程と、前記酸化物のうちＵ酸化物及びＴＲＵ酸化物のみをＵ金属及びＴＲＵ金属に還元させる還元工程と、前記希土類酸化物並びに前記Ｕ金属及びＴＲＵ金属を溶融Ｃｄ（カドミウム）に浸漬する浸漬処理工程と、前記溶融Ｃｄの界面に浮遊する希土類酸化物を分離回収する分離回収工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の実施形態に係る希土類元素の分離回収装置は、内部に溶融Ｃｄが収容され希土類酸化物並びに還元されたＵ金属及びＴＲＵ金属が浸漬される抽出槽と、前記抽出槽内に挿入された吸引ノズルと、下方が開放され前記ノズルの周囲を覆うように配置されたノズルカバーと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、希土類元素を効率的に分離回収し再利用可能とするとともに、廃棄物の発生量を低減させ、かつ、希土類元素の混入を抑制することで高純度のＵ、ＴＲＵを回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る希土類元素の分離回収方法の処理フロー図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施形態に係る抽出槽の構成図。
【図３】本発明の実施形態に係る希土類元素の分離回収装置の全体構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る希土類元素の分離回収方法および分離回収装置の実施形態について図１乃至図３を用いて説明する。
【００１３】
［希土類元素の分離回収工程］
本実施形態に係る希土類元素の分離回収工程を、図１の処理フロー図及び図２、図３を用いて説明する。なお、本実施形態では、希土類元素の分離回収はＵ、ＴＲＵの分離回収プロセス中に行われるものであるので、Ｕ、ＴＲＵの分離回収プロセスについても説明する。
【００１４】
（Ｓ１；沈殿工程）
まず、前処理が終了し酸化物に転換された使用済燃料等の高レベル廃液を沈殿分離工程で化学反応により沈殿させる。沈殿剤としては例えばシュウ酸が用いられ、高レベル廃液にシュウ酸を添加することで、シュウ酸塩からなる固体沈殿物が生成される。沈殿後の上澄み液は廃棄される。
【００１５】
（Ｓ２；酸化物転換工程）
次に、沈殿工程Ｓ１で沈殿した固体沈殿物を加熱乾燥処理等により酸化物に転換する。
【００１６】
（Ｓ３；還元工程）
酸化物転換工程Ｓ２で転換された酸化物を化学還元又は電解還元により還元処理する。還元剤としては、Ｕ（ウラン）、ＴＲＵ（超ウラン元素）の酸化物は還元反応により金属に還元するが、希土類酸化物６は還元反応しない例えばＬｉ等のアルカリ金属からなる還元剤が用いられる。したがって、Ｕ、ＴＲＵ酸化物のみが金属に還元され、Ｕ金属及びＴＲＵ金属からなる還元生成物５となるが、希土類酸化物６は還元されず酸化物のままである。
【００１７】
（Ｓ４；浸漬処理工程）
次に、還元工程Ｓ３で得られた希土類酸化物６を含む還元生成物５を溶融Ｃｄ１０が収容されている抽出槽１に浸漬し溶融Ｃｄ１０中に溶解させる（図２（ａ））。このとき、還元生成物５に含まれるＵ、ＴＲＵはＣｄと合金を形成し液体として溶融Ｃｄ１０中に拡散するが、希土類酸化物６は固体のままで溶融Ｃｄ１０中を拡散し比重差により溶融Ｃｄ１０の界面に浮遊する（図２（ａ）、（ｂ））。
【００１８】
（Ｓ５；分離回収工程）
浸漬処理工程Ｓ４で溶融Ｃｄ１０の界面に浮遊する希土類酸化物６を分離回収する（図２（ａ）、（ｂ））。一方、液体合金状態のＵ、ＴＲＵを含む溶融Ｃｄ１０は吸引ノズル８から配管１２ａを介して溶融Ｃｄ保持槽２に移送される（図２（ａ）、（ｂ）、図３）。
【００１９】
これにより、希土類元素を効率的に分離回収できるとともに、希土類元素を含有しない純度の高いＵ、ＴＲＵ金属を回収することが可能となる。
【００２０】
（Ｓ６；電解精製工程）
次に、Ｕ、ＴＲＵが溶解した溶融Ｃｄ１０を溶融Ｃｄ保持槽２から電解槽３内の陽極槽７に配管１２ｂを介して移送し、これを陽極として電解精製処理を行い、溶融Ｃｄ１０中のＵ、ＴＲＵを精製回収する（図３）。
【００２１】
本実施形態では、陽極としてＵ、ＴＲＵが溶解した溶融Ｃｄを用いることで、電気化学的に溶解しない不純物は陽極槽７内に残留し、粉末として電解液１１中に拡散しないため不純物が陰極（図示せず）へ混入するのを防止することができ、純度の高いＵ、ＴＲＵの電解精製が可能となる。
【００２２】
（Ｓ７及びＳ８；蒸留工程及び射出鋳造工程）
次に、電解精製工程（Ｓ６）で精製回収されたＵ、ＴＲＵを蒸留工程で分離回収し、射出鋳造工程で組成の均一な高純度の金属燃料を製造する。
【００２３】
［希土類元素の分離回収装置］
（抽出槽の構成及び機能）
分離回収工程（Ｓ５）において希土類元素の分離回収に用いられる抽出槽１の構成及び機能を、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
【００２４】
還元工程（Ｓ３）で得られた希土類酸化物６を含む還元生成物５は金属メッシュ等からなるバスケット１７に収容され、抽出槽１内の溶融Ｃｄ１０中に浸漬される。
【００２５】
溶融Ｃｄ１０に浸漬した還元生成物５中のＵ、ＴＲＵはＣｄと合金を形成し液体として溶融Ｃｄ１０中に拡散する。このとき、還元生成物５中に含まれる未還元の希土類酸化物６は固体のまま溶融Ｃｄ１０中に拡散し比重差によって溶融Ｃｄ１０の界面に浮遊する（図２（ａ））。
【００２６】
この状態で抽出槽１の底部まで挿入した吸引ノズル８より底部からＵ、ＴＲＵ合金を含む溶融Ｃｄ１０を吸引し配管１２ａを介して溶融Ｃｄ保持槽２へ移送する。この吸引ノズル８の周囲には下方が開放したノズルカバー９が上下動可能に設けられており、ノズルカバー９の下端部は吸引ノズル８の下端部よりも下方に位置するように構成されている。
【００２７】
したがって、吸引ノズル８により溶融Ｃｄ１０を吸引する場合、界面に浮遊した希土類酸化物６を吸引することなく、Ｕ、ＴＲＵ合金を含む溶融Ｃｄ１０のみを吸引することができる。この溶融Ｃｄ１０の吸引後に、図２（ｂ）に示すように、界面に浮遊している希土類酸化物６を分離回収する。
なお、希土類酸化物６を溶融Ｃｄ１０の吸引前に分離回収してもよい。
【００２８】
（分離回収装置の全体構成及びＣｄの再利用）
図３は浸漬処理工程（Ｓ４）、分離回収行程（Ｓ５）及び電解精製工程（Ｓ６）で用いられる抽出槽１、溶融Ｃｄ保持槽２、内部に陽極槽７及び電解液１１を有する電解槽３、並びに陽極Ｃｄ保持槽４の全体構成図である。
【００２９】
溶融Ｃｄ保持槽２は抽出槽１から移送されたＵ、ＴＲＵ合金を含む溶融Ｃｄ１０を溶融状態のまま一時的に保持し、陽極Ｃｄ保持槽４は電解精製後の溶融Ｃｄ１０を一時的に保持する。抽出槽１、溶融Ｃｄ保持槽２及び陽極Ｃｄ保持槽４は加熱装置を備えた気密構造物であり、ガス容器１５及びポンプ１６にそれぞれガス供給系配管１３、ガス吸引系配管１４を介して接続され、抽出槽１、溶融Ｃｄ保持槽２及び陽極Ｃｄ保持槽４の内部を加圧、減圧することで、溶融Ｃｄ１０の移送が行われる。
なお、ガス供給系配管１３、ガス吸引系配管１４には各所に開閉弁が設けられているが、本図では省略している。
【００３０】
抽出槽１内の溶融Ｃｄ１０は、ポンプ１６により溶融Ｃｄ保持槽２内を減圧するか及び／又はガス容器１５から加圧ガスを抽出槽１に供給し抽出槽１を加圧することで、配管１２ａを介して溶融Ｃｄ保持槽２へ移送される。溶融Ｃｄ保持槽２、陽極槽７及び陽極Ｃｄ保持槽４間の溶融Ｃｄ１０の移送も同様に加圧することで配管１２ｂ、１２ｃを介して行われる。その後、溶融Ｃｄ１０を再利用する場合は、陽極Ｃｄ保持槽４を加圧及び／又は抽出槽１を減圧して溶融Ｃｄ１０を配管１２ｄを介して抽出槽１に移送する。
【００３１】
なお、それぞれの保持槽にはあらかじめ予備のＣｄを装荷しておくことで、Ｃｄ合金の抽出と電解精製の速度のバランスがずれても、プロセスを滞らせることなく処理を継続することができる。
【００３２】
（効果）
本実施形態によれば、希土類元素の分離回収手段として比重差を利用した分離回収手段を用いたことで、従来の吸着材による分離手段に比して廃棄物の発生量を大幅に抑制することができるとともに、希土類元素を確実かつ効率的に分離回収することができる。また、希土類元素の混入が少ない高純度のＵ、ＴＲＵを分離回収することができる。さらに、Ｃｄを再利用することで省資源化及び低コスト化を図ることができる。
【００３３】
（変形例１）
浸漬処理工程（Ｓ４）ではＵ、ＴＲＵが同時にＣｄに抽出されるが、次の電解精製工程（Ｓ６）を経ることなく、合金Ｃｄを直接蒸留することによっても金属のＵ、ＴＲＵ混合物を得ることができる。
【００３４】
（変形例２）
上記実施形態において、高レベル廃液等には、ＴＲＵやマイナアクチニド（ＭＡ）が混合した状態となっている。したがって、還元工程（Ｓ３）において希土類のみを酸化物として残留させれば次の浸漬処理工程でＵ、ＴＲＵと希土類酸化物６の分離効率を向上させることができる。
【００３５】
そこで還元工程（Ｓ３）の前に前処理を行うことで安定した希土類酸化物６を形成させることで、浸漬処理工程（Ｓ４）における希土類元素の分離回収効率を向上させることができる。
【００３６】
この前処理手段として、例えば、希土類元素がＣｅ（セリウム）の場合、Ｃｅは３価（Ｃｅ（III））又は４価（Ｃｅ（IV））の陽イオンとなるが、Ｃｅをより生成自由エネルギーが安定なＣｅ（III）となるように前処理する。具体的にはＣｅを水素ガス気流中で加熱した後、還元雰囲気で冷却する。
本変形例２によれば希土類元素の分離効率をより向上させることができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【００３８】
１…抽出槽、２…溶融Ｃｄ（カドミウム）保持槽、３…電解槽、４…陽極Ｃｄ（カドミウム）保持槽、５…還元生成物、６…希土類酸化物、７…陽極槽、８…吸引ノズル、９…ノズルカバー、１０…溶融Ｃｄ、１１…電解液、１２ａ〜１２ｄ…配管、１３…ガス供給系配管、１４…ガス吸引系配管、１５…ガス容器、１６…ポンプ、１７…バスケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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