(57)【要約】【課題】使用済燃料からのアクチニドの分離において、より安定的にアクチニドの分離が可能な方法およびその分離装置を提供する。【解決手段】本発明に係るマイナーアクチニド（MA）の分離方法は、使用済燃料からMAを分離する方法であって、前記使用済燃料に含まれる各カチオン元素成分のフッ化物の混合物を用意するフッ化物混合物用意工程と、500℃未満の沸点を有する第１元素群フッ化物を分離するために150℃以上500℃未満の温度範囲内で加熱・制御する第１分離熱処理工程と、1500℃以上の沸点を有し前記MAを含む第３元素群フッ化物を分離するために500℃以上900℃以下の温度範囲内で加熱・制御する第２分離熱処理工程と、前記第３元素群フッ化物を酸化物に転換する第３元素群酸化物転換工程と、前記第３元素群酸化物を硝酸水溶液に溶解する第３元素群酸化物溶解工程と、前記第３元素群硝酸溶液に抽出液を添加して前記MAを分離するMA溶媒抽出工程とを有することを特徴とする。【選択図】図２
2017211194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済燃料からマイナーアクチニドを分離する方法であって、
前記使用済燃料に含まれる各カチオン元素成分とフッ素ガスとを化合させて前記各カチオン元素成分のフッ化物を生成しフッ化物混合物を用意するフッ化物混合物用意工程と、
複数種のフッ化物の混合物から、300℃未満の融点または500℃未満の沸点を有する第１元素群フッ化物を分離するために、150℃以上500℃未満の温度範囲内で加熱・制御する第１分離熱処理工程と、
複数種のフッ化物の混合物から、900℃以上の融点または1500℃以上の沸点を有し前記マイナーアクチニドを含む第３元素群フッ化物を分離するために、500℃以上900℃以下の温度範囲内で加熱・制御する第２分離熱処理工程と、
前記第３元素群フッ化物と水蒸気とを化学反応させて前記マイナーアクチニドを含む第３元素群酸化物に転換する第３元素群酸化物転換工程と、
前記第３元素群酸化物を硝酸水溶液に溶解して第３元素群硝酸溶液を得る第３元素群酸化物溶解工程と、
前記第３元素群硝酸溶液に、窒素ドナー錯化剤と有機溶媒とを含む抽出液を添加して前記マイナーアクチニドを分離するマイナーアクチニド溶媒抽出工程とを有することを特徴とするマイナーアクチニドの分離方法。
【請求項２】
請求項１に記載のマイナーアクチニドの分離方法において、
前記フッ化物混合物用意工程、前記第１分離熱処理工程、前記第２分離熱処理工程、前記第３元素群酸化物転換工程、前記第３元素群酸化物溶解工程、および前記マイナーアクチニド溶媒抽出工程をその順で行い、
前記第１分離熱処理工程は、前記フッ化物混合物用意工程で用意した前記フッ化物混合物から、前記第１元素群フッ化物を分離する工程であり、
前記第２分離熱処理工程は、300℃以上900℃未満の融点または500℃以上1500℃未満の沸点を有する第２元素群フッ化物と前記第３元素群フッ化物とを分離する工程であることを特徴とするマイナーアクチニドの分離方法。
【請求項３】
請求項１に記載のマイナーアクチニドの分離方法において、
前記フッ化物混合物用意工程、前記第２分離熱処理工程、前記第３元素群酸化物転換工程、前記第３元素群酸化物溶解工程、および前記マイナーアクチニド溶媒抽出工程をその順で行い、前記第１分離熱処理工程を前記第２分離熱処理工程と同時に行い、
前記第２分離熱処理工程は、前記フッ化物混合物用意工程で用意した前記フッ化物混合物から前記第３元素群フッ化物を分離する工程であり、
前記第１分離熱処理工程は、前記フッ化物混合物から前記第３元素群フッ化物を分離した残部に対して行う工程であり、300℃以上900℃未満の融点または500℃以上1500℃未満の沸点を有する第２元素群フッ化物と前記第１元素群フッ化物とを分離する工程であることを特徴とするマイナーアクチニドの分離方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイナーアクチニドの分離方法において、
前記溶媒抽出工程における前記窒素ドナー錯化剤は、6,6’-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-1,2,4-ベンゾトリアジン-3-イル)-2,2’-ビピリジン、2,9-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-ベンゾ-1,2,4-トリアジン-3-イル)-1,10-フェナントロリン、4-ターシャリーブチル-6,6’-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-ベンゾ-1,2,4-トリアジン-3-イル)-2,2’-ビピリジン、および2,9-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-ベンゾ-1,2,4-トリアジン-3-イル)-4-ターシャリーブチル-1,10-フェナントロリンから選ばれる一種以上であることを特徴とするマイナーアクチニドの分離方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のマイナーアクチニドの分離方法において、
前記溶媒抽出工程における前記有機溶媒は、炭素数6以上15以下の直鎖アルカン、炭素数6以上10以下の脂肪族一価アルコール、シクロヘキサノン、およびリン酸トリブチルから選ばれる一種以上であることを特徴とするマイナーアクチニドの分離方法。
【請求項６】
使用済燃料からマイナーアクチニドを分離する分離装置であって、
反応容器内で前記使用済燃料に含まれる各カチオン元素成分とフッ素ガスとを化合させて前記各カチオン元素成分のフッ化物を生成するフッ化反応を行うと共に、前記各カチオン元素成分のフッ化物の一部をガス化して気固分離するフッ化反応兼フッ化物気固分離装置と、
分離された前記各カチオン元素成分のフッ化物の一部または残部を所定の温度範囲内で加熱・制御することによって前記一部または残部のフッ化物の内の一部をガス化して更に分離するフッ化物揮発分離装置とを有し、
前記フッ化反応兼フッ化物気固分離装置は、前記反応容器の壁面温度を制御する壁面温度制御機構を有し、前記壁面温度は、ガス化して分離する前記一部のフッ化物のそれぞれの飽和蒸気圧が、前記各カチオン元素成分のフッ化物全体の内の当該一部のフッ化物の含有率から算出される分圧以上の蒸気圧となる温度範囲の温度であり、
前記フッ化物揮発分離装置は、前記所定の温度範囲内に加熱・制御するフッ化物揮発温度制御機構を有し、前記所定の温度範囲は、前記ガス化して更に気固分離するフッ化物の飽和蒸気圧が、前記一部または残部のフッ化物の内の当該ガス化して更に分離するフッ化物の含有率から算出される分圧以上の蒸気圧となる温度範囲であることを特徴とするマイナーアクチニドの分離装置。
【請求項７】
請求項６に記載のマイナーアクチニドの分離装置において、
前記フッ化物揮発分離装置は、前記フッ化反応兼フッ化物気固分離装置によって分離された固相フッ化物に対して作用するように接続されていることを特徴とするマイナーアクチニドの分離装置。
【請求項８】
請求項６に記載のマイナーアクチニドの分離装置において、
前記フッ化物揮発分離装置は、前記フッ化反応兼フッ化物気固分離装置によって分離された気相フッ化物に対して作用するように接続されていることを特徴とするマイナーアクチニドの分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用済燃料から所定のアクチニドを分離する方法および該方法を実行するための分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、原子力発電所から排出される使用済燃料は、再利用される核燃料物質（ウランおよびプルトニウム）が再処理によって分離・回収された後、ガラス固化体へ加工され、地層処分される計画となっている。現行のプルトニウム−ウラン溶媒抽出法（PUREX法）で再処理する場合、高レベル放射性廃棄物（高レベル放射性廃液およびそのガラス固化体の総称）には、核分裂生成物（FP）と半減期が非常に長い放射性核種（長半減期放射性核種）のマイナーアクチニド（MA）とが主に含まれている。長半減期放射性核種のMAの存在のため、ガラス固化体の地層処分では、数十万年レベルの期間で安定に閉じ込めておく必要があると言われている。
【０００３】
ここで、アクチニド（アクチノイドとも称する）について簡単に説明する。アクチニドとは、原子番号89〜103までの元素の総称であり、核燃料として使用されるウラン（U）およびプルトニウム（Pu）と、それ以外のマイナーアクチニド（MA）とに大別される。すなわち、MAとは、アクチニドに属する超ウラン元素からPuを除いた元素のことを言い、代表的にはネプツニウム（Np）、アメリシウム（Am）、キュリウム（Cm）が挙げられる。
【０００４】
現在、ガラス固化体の保管・管理期間の短縮を目的として、使用済燃料の再処理において発生する高レベル放射性廃液からMAを分離・回収する技術が種々研究されている。これは、分離回収したMAは中性子を照射することにより別の短半減期放射性核種や非放射性核種に壊変することができ、それにより長半減期放射性核種の難点を克服することができるためである。
【０００５】
例えば、特許文献１（WO 2015/059777 A1）には、イオン液体を用いて使用済燃料からアクチニドを分離する分離方法において、前記使用済燃料をフッ化剤と反応させて固体フッ化物を生成し、生成した前記固体フッ化物をイオン液体に溶解し、前記固体フッ化物をイオン液体に溶解した溶液からアクチニドを分離することを特徴とするアクチニドの分離方法が、開示されている。特許文献１によると、使用済燃料の成分をイオン液体に効率よく溶解させることができるようになり、使用済燃料からそれぞれのアクチニド（U、PuおよびMA）を分離するための設備を簡素化することができるとされている。
【０００６】
特許文献２（特開2016-8891）には、イオン液体を用いて使用済燃料の成分を含む物質からアクチニドを分離する分離方法において、錯化剤と前記イオン液体を含む第１の溶液に前記使用済燃料を溶解させる溶解ステップと、前記使用済燃料を溶解させた前記第１の溶液に抽出溶媒を接触させることで、前記アクチニドを前記抽出溶媒に分離回収する回収ステップを備えることを特徴とするアクチニドの分離方法が、開示されている。特許文献２によると、適切な錯化剤を利用することによって、使用済燃料の成分を溶解するために必要なイオン液体の量を低減することができるようになり、アクチニドの分離を低コスト化することができるとされている。
【０００７】
また、非特許文献１（Aneheim等の学術論文）には、アクチニドの分離プロセスにおいて、トリ-ブチルホスフェイト（TBP）のシクロヘキサノン溶液にビス-トリアジン-ビピリジン（BTBP）を組み合わせた抽出剤（錯化剤を溶解した有機溶媒溶液）を用いることにより、ランタニド元素群を含む硝酸水溶液からからアクチニド元素群を効率よく抽出できると報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０５９７７７号
【特許文献２】特開２０１６−８８９１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Emma Aneheim, Christian Ekberg, Anna Fermvik, Mark R. St. J. Foreman, Teodora Retegan and Gunnar Skarnemark: A TBP/BTBP-based GANEX Separation Process. Part 1: Feasibility, Solvent Extraction and Ion Exchange, 28 2010 pp. 437-458.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者等は、使用済燃料から各種成分を分離する方法において、従来技術よりも高い分離効率および／または従来技術よりも低いコストを達成する方法について鋭意研究を行った。その研究を通して、錯化剤を利用した溶媒抽出法は、分離効率とコストとを両立させる観点から、利点があると考えられた。なかでも、MA元素と結合するための窒素原子を構造中に含む錯化剤（窒素ドナー錯化剤、例えば非特許文献１のBTBP）の利用は大変魅力的なものであった。
【００１１】
しかしながら、本発明者等が窒素ドナー錯化剤を利用した各種成分の分離について種々検討したところ、残念ながらMA元素の分離がばらつく（MA元素の収率がばらつく）場合が散見された。すなわち、従来技術の単純組み合わせでは望ましい結果が得られないことが分かった。
【００１２】
一方、処理・処分すべき高レベル放射性廃棄物の総量は年々増加しており、有効かつ安全な処理・処分方法が強く求められている。言い換えると、高い分離精度が安定して得られ、かつより簡便に（すなわち低コストで）アクチニドの分離が可能な方法に対するニーズは強い。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、使用済燃料からのアクチニドの分離において、従来技術と同等の簡便さを維持しながら、より安定的にアクチニドの分離が可能な方法、および該方法を実行するための分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（I）本発明の一態様は、使用済燃料からマイナーアクチニドを分離する方法であって、
前記使用済燃料に含まれる各カチオン元素成分とフッ素ガスとを化合させて前記各カチオン元素成分のフッ化物を生成しフッ化物混合物を用意するフッ化物混合物用意工程と、
複数種のフッ化物の混合物から、300℃未満の融点または500℃未満の沸点を有する第１元素群フッ化物を分離するために、150℃以上500℃未満の温度範囲内で加熱・制御する第１分離熱処理工程と、
複数種のフッ化物の混合物から、900℃以上の融点または1500℃以上の沸点を有し前記マイナーアクチニドを含む第３元素群フッ化物を分離するために、500℃以上900℃以下の温度範囲内で加熱・制御する第２分離熱処理工程と、
前記第３元素群フッ化物と水蒸気とを化学反応させて前記マイナーアクチニドを含む第３元素群酸化物に転換する第３元素群酸化物転換工程と、
前記第３元素群酸化物を硝酸水溶液に溶解して第３元素群硝酸溶液を得る第３元素群酸化物溶解工程と、
前記第３元素群硝酸溶液に、窒素ドナー錯化剤と有機溶媒とを含む抽出液を添加して前記マイナーアクチニドを分離するマイナーアクチニド溶媒抽出工程とを有することを特徴とするマイナーアクチニドの分離方法を提供するものである。
【００１５】
（II）本発明の他の一態様は、使用済燃料からマイナーアクチニドを分離する分離装置であって、
反応容器内で前記使用済燃料に含まれる各カチオン元素成分とフッ素ガスとを化合させて前記各カチオン元素成分のフッ化物を生成するフッ化反応を行うと共に、前記各カチオン元素成分のフッ化物の一部をガス化して気固分離するフッ化反応兼フッ化物気固分離装置と、
分離された前記各カチオン元素成分のフッ化物の一部または残部を所定の温度範囲内で加熱・制御することによって前記一部または残部のフッ化物の内の一部をガス化して更に分離するフッ化物揮発分離装置とを有し、
前記フッ化反応兼フッ化物気固分離装置は、前記反応容器の壁面温度を制御する壁面温度制御機構を有し、前記壁面温度は、ガス化して分離する前記一部のフッ化物のそれぞれの飽和蒸気圧が、前記各カチオン元素成分のフッ化物全体の内の当該一部のフッ化物の含有率から算出される分圧以上の蒸気圧となる温度範囲の温度であり、
前記フッ化物揮発分離装置は、前記所定の温度範囲内に加熱・制御するフッ化物揮発温度制御機構を有し、前記所定の温度範囲は、前記ガス化して更に気固分離するフッ化物の飽和蒸気圧が、前記一部または残部のフッ化物の内の当該ガス化して更に分離するフッ化物の含有率から算出される分圧以上の蒸気圧となる温度範囲であることを特徴とするマイナーアクチニドの分離装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、使用済燃料からのアクチニドの分離において、従来技術と同等の簡便さを維持しながら、より安定的にアクチニドの分離が可能な方法、および該方法を実行するための分離装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】銀フッ化物（AgF）の飽和蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。
【図２】第１実施形態に係るマイナーアクチニドの分離方法の工程例を示すプロセスフローチャートである。
【図３】第１実施形態に係るマイナーアクチニドの分離装置におけるフッ化反応兼フッ化物気固分離装置およびフッ化物揮発分離装置の構成例を示す模式図である。
【図４】第２実施形態に係るマイナーアクチニドの分離方法の工程例を示すプロセスフローチャートである。
【図５】第２実施形態に係るマイナーアクチニドの分離装置におけるフッ化反応兼フッ化物気固分離装置およびフッ化物揮発分離装置の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、前述したマイナーアクチニドの分離方法（I）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記フッ化物混合物用意工程、前記第１分離熱処理工程、前記第２分離熱処理工程、前記第３元素群酸化物転換工程、前記第３元素群酸化物溶解工程、および前記マイナーアクチニド溶媒抽出工程をその順で行い、
前記第１分離熱処理工程は、前記フッ化物混合物用意工程で用意した前記フッ化物混合物から、前記第１元素群フッ化物を分離する工程であり、
前記第２分離熱処理工程は、300℃以上900℃未満の融点または500℃以上1500℃未満の沸点を有する第２元素群フッ化物と前記第３元素群フッ化物とを分離する工程である。
（ii）前記フッ化物混合物用意工程、前記第２分離熱処理工程、前記第３元素群酸化物転換工程、前記第３元素群酸化物溶解工程、および前記マイナーアクチニド溶媒抽出工程をその順で行い、前記第１分離熱処理工程を前記第２分離熱処理工程と同時に行い、
前記第２分離熱処理工程は、前記フッ化物混合物用意工程で用意した前記フッ化物混合物から前記第３元素群フッ化物を分離する工程であり、
前記第１分離熱処理工程は、前記フッ化物混合物から前記第３元素群フッ化物を分離した残部に対して行う工程であり、300℃以上900℃未満の融点または500℃以上1500℃未満の沸点を有する第２元素群フッ化物と前記第１元素群フッ化物とを分離する工程である。
（iii）前記溶媒抽出工程における前記窒素ドナー錯化剤は、6,6’-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-1,2,4-ベンゾトリアジン-3-イル)-2,2’-ビピリジン（BTBP）、2,9-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-ベンゾ-1,2,4-トリアジン-3-イル)-1,10-フェナントロリン（BTPhen）、4-ターシャリーブチル-6,6’-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-ベンゾ-1,2,4-トリアジン-3-イル)-2,2’-ビピリジン、および2,9-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-ベンゾ-1,2,4-トリアジン-3-イル)-4-ターシャリーブチル-1,10-フェナントロリンから選ばれる一種以上である。
（iv）前記溶媒抽出工程における前記有機溶媒は、炭素数6以上15以下の直鎖アルカン、炭素数6以上10以下の脂肪族一価アルコール、シクロヘキサノン、およびリン酸トリブチルから選ばれる一種以上である。
【００１９】
また、本発明は、前述したマイナーアクチニドの分離装置（II）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（v）前記フッ化物揮発分離装置は、前記フッ化反応兼フッ化物気固分離装置によって分離された固相フッ化物に対して作用するように接続されている。
（vi）前記フッ化物揮発分離装置は、前記フッ化反応兼フッ化物気固分離装置によって分離された気相フッ化物に対して作用するように接続されている。
【００２０】
［本発明の基本思想］
前述したように、本発明者等は、使用済燃料から各種成分を分離する方法において、従来技術よりも高い分離率および／または従来技術よりも低いコストを達成する方法について鋭意研究を行った。しかしながら、窒素ドナー錯化剤を利用した使用済燃料各種成分の分離率について種々検討したところ、MA元素の分離率がばらつく場合が散見された。
【００２１】
そこで、本発明者等は、MA元素の分離率がばらつく要因について、詳細な調査・検討を行った。その結果、窒素ドナー錯化剤は、MA元素の他に、使用済燃料に含まれる銀（Ag）成分やパラジウム（Pd）成分と錯体を形成し易いということが判った。使用済燃料にAg成分やPd成分が含まれていると、それら成分が窒素ドナー錯化剤と錯体を形成してしまうことでMA元素の分離率がばらついてしまうことが判った。言い換えると、MA元素の分離を安定的・効率的に行うためには、MA元素を溶媒抽出する前の段階で、Ag成分およびPd成分を分離する必要があると考えられた。
【００２２】
しかしながら、Agフッ化物やPdフッ化物は沸点が高く（例えば、AgFの沸点は1159℃であり、PdF2の沸点は更に高いと考えられる）、各フッ化物の沸点の差異を利用して分離しようとする場合、分離装置の設備コストや運転コストが増大し易いという弱点がある。また、1200℃程度以上の温度になるとMA元素フッ化物の融点と同レベルになり、MA元素フッ化物の揮発を考慮するとMA元素の分離率が低下することが危惧された。
【００２３】
このような弱点・問題に対し、本発明者等は、低コストで安定的にMA元素を分離するために、Ag成分およびPd成分を低コストで効率的に分離する方法について更に鋭意検討した。その中で、本発明者等は、フッ化物の蒸気圧に着目し、温度による蒸気圧の差異を利用することによって特定の元素のフッ化物を効率的に分離できることを見出した。
【００２４】
分離の原理について簡単に説明する。フッ化物は沸点以下でも蒸気圧を有し、その飽和蒸気圧は温度が上昇すると指数関数で大きくなる。飽和蒸気圧と外圧（例えば大気圧）とが等しくなる温度が沸点である。
【００２５】
ここで、分離処理する対象物として、複数種のフッ化物の混合物を想定する。複数種全てのフッ化物が気相になったとすると、各フッ化物ガスは、混合物中のそれぞれのモル分率に応じた分圧を有することになる。全圧（分圧の合計）を大気圧とすると、各分圧は当然のことながら大気圧未満である。
【００２６】
ある温度におけるあるフッ化物の飽和蒸気圧が該フッ化物の分圧未満の場合、該フッ化物の揮発は基本的に起こらない。言い換えると、あるフッ化物の飽和蒸気圧が混合物中のモル分率に応じた分圧以上になると、該フッ化物が揮発し始めることになる。
【００２７】
全圧が大気圧の場合、各分圧は大気圧未満であることから、所定のフッ化物が揮発する蒸気圧に達する温度は該フッ化物の沸点未満の温度である。すなわち、フッ化物の混合物を分離対象のフッ化物の沸点以上まで加熱しなくても、該分離対象のフッ化物を揮発分離することができる。
【００２８】
使用済燃料に含まれる代表的なカチオン元素としては、ウラン（U）、プルトニウム（Pu）、モリブデン（Mo）、ルテニウム（Ru）、ニオブ（Nb）、ジルコニウム（Zr）、銀（Ag）、パラジウム（Pd）、スズ（Sn）、セシウム（Cs）、ルビジウム（Rb）、イットリウム（Y）、バリウム（Ba）、サマリウム（Sm）、ストロンチウム（Sr）、マイナーアクチニド（例えばアメリシウム（Am））が挙げられる。これらカチオン元素のフッ化物の融点および沸点を表１に示す。なお、MA元素の化学的性質は互いによく似ているため、Am以外のMA元素のフッ化物の融点および沸点も、AmF3のそれらと同等と考えられる。
【００２９】
【表１】
2017211194.tif 000003
【００３０】
表１に示したように、使用済燃料に含まれるカチオン元素のフッ化物は、その融点・沸点の温度領域から３つの元素群に大別できる。第１元素群のフッ化物は、融点・沸点が低いフッ化物であり、本発明では300℃未満の融点または500℃未満の沸点を有する元素群と定義する。第２元素群のフッ化物は、融点・沸点が中程度のフッ化物であり、本発明では300℃以上900℃未満の融点または500℃以上1500℃未満の沸点を有する元素群と定義する。第３元素群のフッ化物は、融点・沸点が高いフッ化物であり、本発明では900℃以上の融点または1500℃以上の沸点を有する元素群と定義する。
【００３１】
図１は、銀フッ化物（AgF）の飽和蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。図中には、使用済燃料中のAg成分含有率の一例から算出される分圧も示した。図１を見ると、まず、飽和蒸気圧は温度が上昇すると指数関数で大きくなることが確認される。そして、約700℃以上の温度では、AgFの飽和蒸気圧が使用済燃料中のAg成分含有率から算出される分圧よりも高くなることが分かる。これは、700℃未満の温度ではAgFは固相または液相状態にあるが、700℃以上になるとAgFは揮発して気相状態となり、分離可能になることを意味する。
【００３２】
以上説明したように、本発明の技術的思想によれば、フッ化物の沸点未満の温度で分離可能になることから、分離装置の設備コストや運転コストを抑制することができる。また、飽和蒸気圧は温度の指数関数で表されることから、小さな温度差（例えば10℃）であっても大きな蒸気圧差となる。これは、高い分離率（分離する際の元素種の混合の抑制）につながる。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
【００３３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００３４】
［本発明の第１実施形態］
図２は、第１実施形態に係るMAの分離方法の工程例を示すプロセスフローチャートであり、図３は、第１実施形態に係るMAの分離装置におけるフッ化反応兼フッ化物気固分離装置およびフッ化物揮発分離装置の構成例を示す模式図である。図２，３を参照しながら、第１実施形態に係るMAの分離方法および分離装置について説明する。
【００３５】
図２，３に示したように、まず、フッ化反応兼フッ化物気固分離装置10の反応容器11内で、フッ素ガスを流しながら使用済燃料を加熱し、使用済燃料に含まれる各カチオン元素成分とフッ素ガスとを化合させて各カチオン元素成分のフッ化物を生成しフッ化物混合物を用意するフッ化物混合物用意工程を行う。フッ化反応は発熱反応のため、当該反応が一旦開始すればフッ化物生成は自発的に進行する。フッ化反応領域（例えば火炎領域）は1200℃程度の温度になると言われている。
【００３６】
次に、同じくフッ化反応兼フッ化物気固分離装置10の反応容器11内で、生成したフッ化物混合物から第１元素群フッ化物を分離するために、150℃以上500℃未満の温度範囲内で加熱・制御する第１分離熱処理工程を行う。具体的には、壁面温度制御機構12によって反応容器11の壁面温度を当該温度範囲（150℃以上500℃未満）に制御する。フッ化反応領域で1200℃程度の温度になったフッ化物ガスは、反応容器の壁面に接触すると速やかに該壁面の温度まで冷却される。
【００３７】
当該温度範囲（150℃以上500℃未満）は、第１元素群フッ化物はガス状態を維持するが、第２・第３元素群フッ化物は固化する温度領域である（表１参照）。固相の第２・第３元素群フッ化物は、シャッター13を介してフッ化反応兼フッ化物気固分離装置10の鉛直下方に直接接続されたフッ化物揮発分離装置20内に堆積し、気相の第１元素群フッ化物は、フッ化物揮発分離装置20を通過して別途回収される。その結果、気相の第１元素群フッ化物と固相の第２・第３元素群フッ化物とを気固分離することができる。
【００３８】
分離した第１元素群フッ化物には、原子炉燃料として再利用できるU成分およびPu成分が含まれているため、気相の第１元素群フッ化物を固化した後、従前の再処理技術を利用してU成分およびPu成分を分離・回収することができる。
【００３９】
次に、シャッター13を閉じ、固相状態で分離された第２・第３元素群フッ化物に対して、フッ化物揮発分離装置20を用いて500℃以上900℃以下の温度範囲内で加熱・制御する第２分離熱処理工程を行う。700℃以上900℃以下の温度範囲がより好ましい。温度制御は、フッ化物揮発温度制御機構21によって行う。
【００４０】
前述したように、第２元素群フッ化物は、300℃以上900℃未満の融点または500℃以上1500℃未満の沸点を有するフッ化物であり、当該フッ化物の飽和蒸気圧がその含有率から算出される分圧以上の蒸気圧となる温度に加熱することにより、沸点未満の温度で揮発させることができる。
【００４１】
一方、第３元素群フッ化物は、900℃以上の融点または1500℃以上の沸点を有するフッ化物であることから、500℃以上900℃以下の温度範囲内では固相のままである。その結果、第２分離熱処理工程によって、第２元素群フッ化物と第３元素群フッ化物とを気固分離することができる。固相の第３元素群フッ化物は、フッ化物揮発分離装置20内に残存し、気相の第２元素群フッ化物は、フッ化物揮発分離装置20から排出されて別途回収される。
【００４２】
第２元素群フッ化物には、窒素ドナー錯化剤と結合して錯体を形成し易いAg成分およびPd成分が含まれており、第２元素群フッ化物と第３元素群フッ化物とを分離することによって、MA元素成分の溶媒抽出を阻害する成分（Ag成分およびPd成分）を除去することができる。分離した気相の第２元素群フッ化物は、固化した後、放射性廃棄物として処分する。本発明は、この第２元素群フッ化物と第３元素群フッ化物とを分離するプロセスに最大の特徴がある。
【００４３】
次に、固相状態で分離された第３元素群フッ化物に対して、フッ化物−酸化物転換装置を用いて、高温の水蒸気と化学反応させて第３元素群の酸化物に転換する第３元素群酸化物転換工程を行う。第３元素群酸化物転換工程およびフッ化物−酸化物転換装置に特段の限定はなく、従前の技術を利用できる。
【００４４】
次に、酸化物溶解装置を用いて、得られた第３元素群酸化物を硝酸水溶液に溶解して第３元素群硝酸溶液を得る第３元素群酸化物溶解工程を行う。第３元素群酸化物溶解工程および酸化物溶解装置に特段の限定はなく、従前の技術を利用できる。
【００４５】
次に、得られた第３元素群硝酸溶液に対して、マイナーアクチニド溶媒抽出装置を用いて、窒素ドナー錯化剤と有機溶媒とを含む抽出液を添加してMAを分離するマイナーアクチニド溶媒抽出工程を行う。
【００４６】
抽出液の窒素ドナー錯化剤としては、6,6’-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-1,2,4-ベンゾトリアジン-3-イル)-2,2’-ビピリジン（BTBP）、2,9-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-ベンゾ-1,2,4-トリアジン-3-イル)-1,10-フェナントロリン（BTPhen）、およびBTBPやBTPhenに置換基（tert-ブチル基）を付与した4-ターシャリーブチル-6,6’-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-ベンゾ-1,2,4-トリアジン-3-イル)-2,2’-ビピリジン、2,9-ビス(5,5,8,8-テトラメチル-5,6,7,8-テトラヒドロ-ベンゾ-1,2,4-トリアジン-3-イル)-4-ターシャリーブチル-1,10-フェナントロリンから選ばれる一種以上を好ましく用いることができる。
【００４７】
また、抽出液の有機溶媒としては、炭素数6以上15以下の直鎖アルカン（例えばドデカン）、炭素数6以上10以下の脂肪族一価アルコール（例えばオクタノール）、シクロヘキサノン、およびリン酸トリブチルから選ばれる一種以上を好ましく用いることができる。
【００４８】
以上の工程により、使用済燃料からMA元素成分を効率よく安定的に（すなわち低コストで）分離することができる。
【００４９】
［本発明の第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係るMAの分離方法の工程例を示すプロセスフローチャートであり、図５は、第２実施形態に係るMAの分離装置におけるフッ化反応兼フッ化物気固分離装置およびフッ化物揮発分離装置の構成例を示す模式図である。
【００５０】
図４，５に示したように、第２実施形態に係るMAの分離方法および分離装置は、第１分離熱処理工程、第２分離熱処理工程、フッ化反応兼フッ化物気固分離装置において第１実施形態のそれらと異なり、他を同じとするものである。よって、以下では、第１分離熱処理工程、第２分離熱処理工程、フッ化反応兼フッ化物気固分離装置についてのみ説明する。
【００５１】
第２実施形態においては、フッ化反応兼フッ化物気固分離装置15の反応容器16内で、生成したフッ化物混合物から第３元素群フッ化物を分離するために、500℃以上900℃以下の温度範囲内で加熱・制御する第２分離熱処理工程を行う。具体的には、壁面温度制御機構17によって反応容器16の壁面温度を当該温度範囲（500℃以上900℃以下）に制御する。フッ化反応領域で1200℃程度の温度になったフッ化物ガスは、反応容器の壁面に接触すると速やかに該壁面の温度まで冷却される。
【００５２】
当該温度範囲（500℃以上900℃以下）は、第１・第２元素群フッ化物はガス状態を維持するが、第３元素群フッ化物は固化する温度領域である。その結果、気相の第１・第２元素群フッ化物と固相の第３元素群フッ化物とを気固分離することができる。
【００５３】
固相の第３元素群フッ化物は、フッ化反応兼フッ化物気固分離装置15の鉛直下方に直接接続された第３元素群フッ化物回収容器18に堆積し、気相の第１・第２元素群フッ化物は、第３元素群フッ化物回収容器18を通過してフッ化物揮発分離装置20に投入される。第２元素群フッ化物のガス状態を維持するため、第３元素群フッ化物回収容器18の壁面も壁面温度制御機構17によって当該温度範囲に制御することが好ましい。
【００５４】
そして、本実施形態では、第２分離熱処理工程と同時に、フッ化物揮発分離装置20において第１元素群フッ化物を分離する第１分離熱処理工程を行う。具体的には、フッ化物揮発温度制御機構21によってフッ化物揮発分離装置20の壁面温度を、150℃以上500℃未満の温度範囲内で加熱・制御する。フッ化物揮発分離装置20に投入された第１・第２元素群フッ化物ガスは、フッ化物揮発分離装置20の壁面に接触すると速やかに該壁面の温度まで冷却される。
【００５５】
当該温度範囲（150℃以上500℃未満）は、第１元素群フッ化物はガス状態を維持するが、第２元素群フッ化物は固化する温度領域である。固相の第２元素群フッ化物は、フッ化物揮発分離装置20内に堆積し、気相の第１元素群フッ化物は、フッ化物揮発分離装置20を通過して別途回収される。その結果、気相の第１元素群フッ化物と固相の第２元素群フッ化物とを気固分離することができる。
【００５６】
以上の工程により、使用済燃料から第１・第２・第３元素群フッ化物をそれぞれ分離することができる。その後の工程は、第１実施形態と同様に行うことができる。
【００５７】
第２実施形態は、第１実施形態に比して分離装置の構成が若干複雑になるが、第２分離熱処理工程と第１分離熱処理工程とを同時に行うことができることから、プロセス時間が短縮する（作業効率が向上する）という利点がある。
【００５８】
上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
10…フッ化反応兼フッ化物気固分離装置、11…反応容器、12…壁面温度制御機構、
13…シャッター、
15…フッ化反応兼フッ化物気固分離装置、16…反応容器、17…壁面温度制御機構、
18…第３元素群フッ化物回収容器、
20…フッ化物揮発分離装置、21…フッ化物揮発温度制御機構。
【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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