(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済み酸化物燃料を核燃料回収容器内に収容し、この核燃料回収容器を電解槽内の溶融塩に浸漬して前記酸化物燃料中のウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの酸化物を前記溶融塩中で還元剤である金属リチウムと反応させてウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属に還元した後、前記溶融塩に含まれる希土類元素の酸化物、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の塩を分離除去し、さらに還元されたウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属を回収するとともに前記金属リチウムを電解法により再生、再利用する使用済み酸化物燃料の還元装置において、前記金属リチウムを再生する陰極が前記核燃料回収容器に挿入されこの陰極と前記核燃料回収容器は一体化されてなることを特徴とする使用済み酸化物燃料の還元装置。
【請求項２】
前記核燃料回収容器はポーラスセラミックにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の使用済み酸化物燃料の還元装置。
【請求項３】
前記核燃料回収容器内に陰極と攪拌機を設置してなることを特徴とする請求項１記載の使用済み酸化物燃料の還元装置。
【請求項４】
前記攪拌機の表面にセラミックコーティング層を設けてなることを特徴とする請求項３記載の使用済み酸化物燃料の還元装置。
【請求項５】
前記電解槽をセラミックで構成するか、または前記電解槽の内面にセラミックコーティング層を設けてなることを特徴とする請求項１記載の使用済み酸化物燃料の還元装置。
【請求項６】
前記電解槽内に設置する陽極にセラミックで形成される保護管を設けることなく、前記溶融塩の分解に伴う塩素ガスの発生を防止することを特徴とする請求項１記載の使用済み酸化物燃料の還元装置。
【請求項７】
前記核燃料回収容器の外側に金属リチウムを装荷してなることを特徴とする請求項１記載の使用済み酸化物燃料の還元装置。
【請求項８】
使用済み酸化物燃料をポーラスセラミックスによって形成され陰極が挿入され一体化された核燃料回収容器内に収容し、この核燃料回収容器を電解槽内の溶融塩に浸漬して前記酸化物燃料中のウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの酸化物を溶融塩中で還元剤である金属リチウムと反応させてウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属に還元した後、前記溶融塩相に含まれる希土類元素の酸化物、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の塩を分離・除去し、さらに還元されたウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属を回収するとともに還元剤である金属リチウムを電解法により再生、再利用する使用済み酸化物燃料の還元方法において、前記核燃料回収容器を還元終了後、一定時間溶融温度を保持しながら溶融塩相と分離することにより、核燃料回収容器内の塩をポーラスセラミックスによって排除することを特徴とする使用済み酸化物燃料の還元方法。
【請求項９】
前記溶融塩はアルカリ金属元素の塩化物または、アルカリ土類金属元素の塩化物もしくはフッ化物の単塩あるいは混合塩であることを特徴とする請求項８記載の使用済み酸化物燃料の還元方法。
【請求項１０】
鉄または鉄酸化物もしくは鉄塩化物を前記溶融塩中に混合することによりウランと鉄が合金を形成して融点が低下して溶融することにより球状の還元生成物とすることを特徴とする請求項８記載の使用済み酸化物燃料の還元方法。
【請求項１１】
前記還元工程は温度630 ℃〜800 ℃の範囲で操作することを特徴とする請求項10記載の使用済み酸化物燃料の還元方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力発電所から発生する使用済み燃料中の二酸化ウラン（ＵＯ2 ）から不要な核分裂生成物（ＦＰ）を分離し、かつ該燃料中に含まれる長半減期の放射性物質の大半を占める超ウラン元素（ＴＲＵ）を分離して精製・回収し、燃料として再利用できるようにする使用済み酸化物燃料の還元装置およびその還元方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電所から発生する使用済み燃料には、ウランおよび超ウラン元素の酸化物の他に、核分裂生成物であるアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素などの酸化物が含まれている。そして、このような使用済み燃料を再処理し、原子燃料成分などの有用な成分を分離精製し回収する方法としては、ピュ−レックス法が商業的に最も広く用いられている。
【０００３】
この方法は、使用済み燃料を硝酸に溶解し、共除染工程でＴＢＰ（トリブチルリン酸）などの有機溶媒によりウラン（Ｕ）とプルトニウム（ＰＵ）とを抽出した後、ウラン−プルトニウム分配、ウランの精製、プルトニウムの精製などの工程を経て、製品として回収する方法である。
【０００４】
しかしながら、この方法では、核分裂生成物の分離（共除染）、ウラン−プルトニウム分配、ウランの精製、プルトニウムの精製などの工程に数多くの抽出段を必要とするだけでなく、溶解および抽出に用いる硝酸やＴＢＰが、放射線損傷によりあるいは化学的に分解して劣化が生じるため、廃棄物の発生量が多くなり廃棄物処理工程が複雑になるという問題があった。
【０００５】
一方、このようなピュ−レックス法以外にも、高温化学法が研究されている。例えば、米国アルゴンヌ国立研究所では、リチウムプロセスとして、使用済み燃料を溶融塩でリチウム（Ｌｉ）らにより還元し、ウランとプルトニウムおよびマイナ−アクチニド（ＭＡ）を金属として一括して回収した後、これらの金属を電解精製して燃料製品として回収する方法が開発されている。
【０００６】
この方法は、ピュ−レックス法と比較すると、放射線による溶媒の劣化がないため、廃棄物の発生量が少ない。そのうえに、分離工程が一段で良く、さらに同一の装置で複数の工程を行うのでプロセス機器がコンパクトになるという利点を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のリチウムプロセスでは、還元反応により生成するウランとプルトニウムおよびマイナ−アクチニド（ＭＡ）の金属生成物にこの反応で同伴して生成した還元反応を抑制する酸化リチウム（Ｌｉ2 Ｏ）溶融塩が混ざるため、ウランとプルトニウムおよびマイナ−アクチニドの酸化物をリチウムにより完全に還元することが難しく、これらの金属の回収率が低い。
【０００８】
また、還元工程で生成するウランとプルトニウムおよびマイナ−アクチニド（ＭＡ）の金属生成物の形態は、ウランとプルトニウムおよびマイナ−アクチニドの酸化物とこの反応で使用する還元剤であるリチウム（Ｌｉ）の形態により決まるので、還元生成物中に溶融塩が同伴されるため、還元生成した金属に混入したもしく付着した溶融塩を分離するプロセスが必要である。
【０００９】
還元工程で回収される金属に付着した溶融塩中のＬｉ2 Ｏは、電解精製工程に持ち込まれた場合、金属を再酸化して電解を阻害し、ウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの収率を低下させるため、電解精製工程への溶融塩の持ち込み量をできるだけ低減することが課題である。
【００１０】
電解精製工程への希土類元素の持ち込みも防止する必要があった。すなわち、還元された金属（還元金属）とともに希土類元素が酸化物の状態で電解精製工程に持ち込まれた場合には、ウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドとともに希土類元素が回収されるおそれがあり、燃料設計上の要求から、製品中の希土類元素をできるだけ低減する必要がある。
【００１１】
本発明は、上記各課題を解決するためになされたもので、ウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属への還元率を上げることができ、かつ燃料製品中の希土類元素の含有率を低減することができる使用済み酸化物燃料の還元装置およびその還元方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明はウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属への還元率の向上と電解精製工程に持ち込まれるＬｉ2 Ｏ量などの低減により回収率を向上するとともに、還元時の溶融塩と酸化物との比率を改善し、かつ燃料製品中の希土類元素の含有率を低減することができる使用済み酸化物燃料の還元装置およびその還元方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、使用済み酸化物燃料を核燃料回収容器内に収容し、この核燃料回収容器を電解槽内の溶融塩に浸漬して前記酸化物燃料中のウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの酸化物を前記溶融塩中で還元剤である金属リチウムと反応させてウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属に還元した後、前記溶融塩に含まれる希土類元素の酸化物、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の塩を分離除去し、さらに還元されたウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属を回収するとともに前記金属リチウムを電解法により再生、再利用する使用済み酸化物燃料の還元装置において、前記金属リチウムを再生する陰極が前記核燃料回収容器に挿入されこの陰極と前記核燃料回収容器は一体化されてなることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、前記核燃料回収容器はポーラスセラミックにより形成されていることを特徴とする。
本発明では、電解槽内で使用済み燃料を溶融塩中でリチウムにより還元し、前記燃料中のウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの酸化物を金属に還元した後、同伴する生成物を溶融塩により洗浄，除去し、次いで得られた還元金属を溶融塩中で電解精製して、ウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドを回収するにあたり、前記還元工程において、同伴して生成する酸化リチウム（Ｌｉ2 Ｏ）のリチウム（Ｌｉ）への再生を同時に行い、前記溶融塩中の酸化リチウムの濃度を低く抑える。
【００１５】
請求項１および２の発明によれば、還元剤Ｌｉの還元を行う酸化物回収容器と再生を行う電解槽の間の輸送を解消して還元効率を向上させ、使用後に廃棄物となる溶融塩の発生量と使用した酸化物回収容器等の廃棄物を減容化することが可能となる。
【００１６】
請求項３の発明は、前記核燃料回収容器内に還元反応を促進するための攪拌機を設置してなることを特徴とする。
請求項３の発明によれば、核燃料回収容器内で酸化物燃料を還元した後に生成した酸化リチウム（Ｌｉ2 Ｏ）を速やかに陰極で反応させてＬｉに再生するとともに、陰極の電解反応で同時に生成した酸素の核燃料回収容器外への放出を促して、陽極の炭素電極と反応させることが可能となる。
【００１７】
請求項４の発明は、前記攪拌機の表面をセラミックでコーティングしてなることを特徴とする。
装荷したＬｉが過剰に酸化物燃料と接触したり、電解槽（反応容器）の壁に付着するのを避けることが可能となる。Ｌｉが過剰に存在すると、還元反応初期において酸化物との接触で生成したＬｉ2 Ｏと未反応のＬｉとの相互作用により、Ｌｉ2 Ｏは酸化物からの離脱（塩中への溶解）が阻害される。
【００１８】
一方、未反応Ｌｉは酸化物表面に生成したＬｉ2 Ｏにより充分な還元反応に必要な量が供給されず、還元反応が抑制される。また、Ｌｉが電解槽（反応容器）の壁に付着すると、還元生成物回収の際に同伴するＬｉを除去するために複雑な分離操作工程を設ける必要がある。そこで、請求項４の発明により、供給したＬｉが還元反応に有効に消費され、還元生成物とＬｉの分離操作の簡素化が可能となる。
【００１９】
請求項５の発明は、前記電解槽の内面をセラミックで覆ってなることを特徴とする。
請求項５の発明によれば、陽極の炭素電極が摩耗してカーボンダストが発生した際の炭素電極と反応容器が電気的に短絡するのを防止することができる。
【００２０】
請求項６の発明は、前記電解槽の陽極にセラミックの材料から形成される保護管を不要としてなることを特徴とする。
請求項６の発明によれば、請求項５の発明の作用に記載したカーボンダストを、溶融塩内に拡散しないようなポーラスセラミックなどの陽極の保護管を不要とし、陽極の電解反応に必要な酸素の円滑な供給が可能となる。
【００２１】
請求項７の発明は、前記核燃料回収容器の外側に金属リチウムを装荷してなることを特徴とする。
請求項８の発明は、使用済み酸化物燃料をポーラスセラミックスによって形成され陰極が挿入され一体化された核燃料回収容器内に収容し、この核燃料回収容器を電解槽内の溶融塩に浸漬して前記酸化物燃料中のウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの酸化物を溶融塩中で還元剤である金属リチウムと反応させてウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属に還元した後、前記溶融塩相に含まれる希土類元素の酸化物、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の塩を分離・除去し、さらに還元されたウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属を回収するとともに還元剤である金属リチウムを電解法により再生、再利用する使用済み酸化物燃料の還元方法において、前記核燃料回収容器を還元終了後、一定時間溶融温度を保持しながら溶融塩相と分離することにより、核燃料回収容器内の塩をポーラスセラミックスによって排除することを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明によれば、溶融温度を保持したまま核燃料回収容器を溶融塩と分離することで、分離直後に核燃料回収容器内に残存している塩を液体の状態で核燃料回収容器から排除し、冷却後の生成物を回収する際、塩を除去するための複雑な操作工程を解消することが可能となる。
【００２３】
請求項９の発明は、前記溶融塩はアルカリ金属元素の塩化物または、アルカリ土類金属元素の塩化物もしくは、フッ化物の単塩あるいは混合塩であることを特徴とする。
【００２４】
請求項９の発明によれば、溶融塩としてアルカリ金属またはアルカリ土類金属の塩化物の単塩または、混合塩を使用することができる。溶融塩としてこのような塩化物もしくはフッ化物を用いることにより、使用済み燃料中の核分裂生成物であるアルカリ金属およびアルカリ土類金属を酸化物または、塩化物もしくはフッ化物として、溶融塩中に保持することができる。
【００２５】
請求項10の発明は、鉄または鉄酸化物もしくは鉄塩化物を前記溶融塩中に混合することによりウランと鉄が合金を形成して融点が低下して溶融することにより球状の還元生成物とすることを特徴とする。
【００２６】
請求項11の発明は、前記還元工程を温度630 ℃〜800 ℃の範囲で操作することを特徴とする。
このような溶融塩中での使用済み燃料の還元温度は630 〜800 ℃とし、還元生成物であるウラン金属、プルトニウム金属およびマイナ−アクチニド金属を鉄と合金を形成して融点が低下することにより溶融して球状にすることができる。本発明では、溶融塩の融点より若干高い温度で還元が行われるが、還元力の比較的低いＬｉを還元剤として使用するので、装置の構成材料が腐食しにくく、したがって材料の選定が容易である。
【００２７】
本発明においては還元剤としてリチウムが使用されているが、同伴して生成するＬｉ2 ＯのＬｉへの再生が同時に行われ、還元工程を通して溶融塩中のＬｉ2 Ｏの濃度が低く抑えられているので、充分に還元力が高められ、ウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの酸化物が完全に金属に還元される。また、Ｌｉ2 ＯをＬｉに再生して使用しているので、使用済み燃料に対してしようされる溶融塩の量が低減される。
【００２８】
なお、前記還元されたウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属を分離工程を設けることなく回収するために、前記溶融塩中の全リチウム濃度を10mol ％以下に維持することにより過剰なリチウムが前記核燃料回収容器の壁等への付着を防止することが望ましい。
【００２９】
この場合、溶融塩として、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）もしくはフッ化リチウム（ＬｉＦ）の単塩または、塩化リチウムと塩化カリウムとの混合塩（ＬｉＣｌ−ＫＣｌ）もしくは塩化リチウムとフッ化リチウムとの混合塩（ＬｉＣｌ−ＬｉＦ）もしくはフッ化リチウムとフッ化カリウム（ＬｉＦ−ＬｉＫ））を使用し、還元工程でこのような溶融塩中の金属Ｌｉ濃度を10mol ％以下にするとともに、Ｌｉ2 Ｏの濃度を、１mol ％以下に維持することが望ましい。
【００３０】
Ｌｉ2 Ｏの溶解度に対して十分大きな濃度差を持たせることができ、その結果、還元工程で酸化物表面に生成するＬｉ2 Ｏの拡散が容易となり、還元反応が促進される。また、全Ｌｉ濃度を10mol ％以下にすることにより粘度を低くして反応容器内でＵＯ2 およびＬｉを均一に分布させることができる。
【００３１】
また、使用済み燃料を金属製などのバスケットに入れて溶融塩中で還元した後、バスケットを溶融塩から引き上げて100 〜1000rpm の回転数で回転させ、Ｌｉ2 Ｏを含む付着塩を遠心力により除去することが望ましい。Ｌｉ2 Ｏは還元された金属を再酸化して電解を阻害するので、電解精製工程の前にＬｉ2 Ｏを除去することが必要であるが、付着塩中のＬｉ2 Ｏ濃度が十分低く抑制されているうえに、バスケットの回転により遠心力で付着塩が除去されるので、同伴するＬｉ2 Ｏのない還元生成物を得ることができる。
【００３２】
さらに、ウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドが溶解した還元金属を陽極として電解を行うことにより、固体陰極または液体陰極にウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニド金属を回収することができる。
【００３３】
また、還元金属はウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドのみを含む球状の鉄合金であるので、このような電解では、溶融塩を交換することなく半永久的に使用できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１から図10を参照しながら本発明に係る使用済み酸化物燃料の還元装置およびその還元方法の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る酸化物燃料の還元装置およびその還元方法の一実施の形態を説明するための燃料再処理工程全体を概略的に示す工程図である。図１を参照しながら、本実施の形態の全体の流れを概略的に説明する。
【００３５】
出発材料は燃料被覆管内に充填されている使用済み酸化物燃料であり、これにはウラン（Ｕ）、プルトニウム（ＰＵ）およびマイナーアクチニド（ＭＡ）の酸化物のほかに、核分裂生成物であるアルカリ金属とアルカリ土類金属、希土類元素の酸化物などが含まれている。
【００３６】
本実施の形態においては、この使用済み酸化物燃料を解体・せん断工程１で解体し、せん断した後、脱被覆工程２で機械的に被覆を脱離・除去する。次に脱被覆された酸化物燃料を還元・塩再生工程３で、溶融塩中でＬｉにより還元すると同時に、生成したＬｉ2 ＯをＬｉに再生する。
【００３７】
そして、希土類分離工程４で、還元された金属（還元金属）からＬｉ2 Ｏと希土類元素等をそれぞれ分離・除去した後、電解精製工程５で、電解によりＵ、ＰＵ、ＭＡをそれぞれ回収し、燃料加工工程６で加工して金属燃料とする。
【００３８】
このような還元，塩再生工程３においてＬｉによる還元反応は例えば酸化ウランＵＯ2 の場合、以下の反応式で示される。
ＵＯ2 ＋４Ｌｉ→Ｕ＋２Ｌｉ2 Ｏ
【００３９】
この反応において、ＵＯ2 は固体であり、Ｌｉは液体なので、それらの量は上記の平衡にほとんど関係せず、一方、Ｌｉ2 Ｏは溶融塩に溶解していることから、Ｌｉ2 Ｏの濃度が反応の進行に大きな影響を与える。生成するＬｉ2 Ｏを反応系外に除去すれば反応は右に進み、ＵＯ2 は全てＵに還元される。すなわち、生成するＬｉ2 ＯをＬｉに電解再生して溶融塩中のＬｉ2 Ｏの濃度を常に低く保ちながら還元を行うことでＬｉの還元力を有効に利用できる。
【００４０】
図２は以上のような還元反応を円滑に進めるための本発明に係る還元装置を示す縦断面図である。
図２中、符号７は例えばＬｉＣｌやＬｉＣｌ−ＫＣｌの溶融塩で、還元装置本体を構成する反応容器８内に収容されている。反応容器８は電解槽となるもので、その内面にはセラミックコーティング層14が施されている。反応容器８内には炭素電極の陽極９と陰極10を挿入する核燃料回収容器11が設置され、核燃料回収容器11内にはセラミックコーティング層14が施された攪拌機12が設置されるとともに酸化物燃料13が装荷される。
【００４１】
反応容器８と核燃料回収容器11との間の溶融塩７の液面上にリチウム（Ｌｉ）15が装荷され、陽極９と陰極10との間に電源16から電圧が印加され、溶融塩７中で塩の分解が発生しない範囲の電圧（約３Ｖ）が印加されて、電解再生を行うようになっている。
【００４２】
第１の実施の形態では、Ｌｉ15を反応容器８内の核燃料回収容器11の外側に装荷することによりＬｉ15が徐々に核燃料回収容器11内に浸透して酸化物燃料13と接触し、還元反応が進行するとともに、陰極10で再びＬｉ15に再生された時に発生する酸素が核燃料回収容器11の外へ分散する。さらにセラミックコーティングした攪拌機12を核燃料回収容器11内に設置することで酸素の分散を助長し、陽極（炭素電極）９へ供給する。
【００４３】
これらの過程で起こる電極反応は以下の通りである。
Ｌｉ2 Ｏ→２Ｌｉ+ ＋Ｏ2 - 
（陽極）
２Ｏ2-＋Ｃ→ＣＯ2 ＋４ｅ- 
または  Ｏ2-＋Ｃ→ＣＯ＋２ｅ- 
（陰極）
Ｌｉ+ ＋ｅ- →Ｌｉ
還元終了後は核燃料回収容器11を溶融塩７より分離し、核燃料回収容器11内に残存する溶融塩７は前記核燃料回収容器11から排除して反応容器８に戻す。
【００４４】
次に図３にＬｉの電解輸送の模式図を陰極10側の電解反応をもとに示す。
酸化物燃料13を還元したＬｉ15は、Ｌｉ2 Ｏとなって溶融塩７内に分散し、一部は陰極10でＬｉ15に再生される。再生されたＬｉ15も一部が酸化物燃料13の還元に再利用されるが残りは溶融塩７内に分散する。溶融塩７内に分散したＬｉ15は酸化物燃料13の還元に寄与しないことから、効率的な還元ができない。
【００４５】
この電解輸送が実際に確認された実験例について図４から図６を参照して説明する。
図４は溶融塩７に添加したＬｉ2 Ｏを電解法によってＬｉ15に再生する実験装置図である。図５および図６は、図４の装置を用いて行った実験結果で、実際に流した電気量とＬｉ2 Ｏ濃度の関係を表している。
【００４６】
反応容器８内のあらかじめＬｉ2 Ｏの一定量を添加した溶融塩７に、定電流電源供給装置17の陽極（炭素電極）９および陰極10を繋いで一定電流を流す。供給した電気量に対して戻り側の電気量を確認するため、陰極10と定電流電源供給装置17の間にクーロンメータ18を接続する。さらに電解によって陰極10で生成したＬｉ15は、ポーラスセラミック製保護管19内に保持・濃縮させて回収する。
【００４７】
Ｌｉ2 Ｏ濃度計算値21は電気量とあらかじめ投入したＬｉ2 Ｏ量から評価したものである。通電した電気量の増加にともなってＬｉ2 Ｏは陰極10でＬｉ15に再生されてポーラスセラミック製保護管19内に濃縮するため、Faraday 則にもとづいて計算したＬｉ2 Ｏの分解量がそのまま減少量として求められる。
【００４８】
Ｌｉ2 Ｏ濃度分析値22は一定電気量毎に溶融塩（浴）をサンプリング、分析した実測値である。分析方法は、Ｌｉ2 Ｏを水に溶解した際、アルカリ性の水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）を生成する化学反応を利用した中和滴定による。ただしＬｉ15も同様の化学反応でＬｉＯＨを生成するため、Ｌｉ2 ＯとＬｉ15が混在している場合、両者を区別して定量することはできない。以下にＬｉ2 ＯとＬｉ15が水と反応してＬｉＯＨを生成する化学反応式を各々示す。
Ｌｉ2 Ｏ＋Ｈ2 Ｏ→２ＬｉＯＨ
２Ｌｉ＋２Ｈ2 Ｏ→２ＬｉＯＨ＋Ｈ2 ↑
【００４９】
図５でＬｉ2 Ｏ濃度が、通電した電気量に追従して漸減しているのは、陰極10でＬｉ15が効率的に回収されているためである。実験後、陰極10のポーラスセラミック製保護管19内にＬｉ15のインゴットが生成しており、電流効率も90％以上を得ることができる。
【００５０】
一方、図６でＬｉ2 Ｏ濃度計算値21に対してＬｉ2 Ｏ濃度分析値22が一定で変化がみられないのは、図４の実験装置図において地絡によって反応容器８と定電流電源供給装置17の間にも電流が流れていたためである。これにより本来の陰極10に加えて反応容器８自体も陰極10としてはたらくため、Ｌｉ2 Ｏはポーラスセラミック製保護管19で覆われた陰極10より反応容器８でＬｉ15に再生される。
【００５１】
反応容器８はポーラスセラミック製保護管19のような保持機能をもたないため、再生されたＬｉ15が溶融塩内に分散する電解輸送が起こっていることを示している。この事象を解決するため、反応容器８の内面は絶縁、耐熱性に有利な材質であるセラミックとする必要がある。
【００５２】
また、図５および図６の結果から、上述し、かつ図２に示したように、本実施の形態において核燃料回収容器11を、Ｌｉ15が最も濃縮されやすい陰極10に取り付けることで、Ｌｉ15を直接酸化物燃料13に接触させ、電解輸送を解消して効率的な還元が可能となることがわかる。
【００５３】
図７はカーボンダスト23による電気的短絡が発生する好ましくない装置の一例である。陽極（炭素電極）９は酸化物燃料13を還元した後に生成したＬｉ2 Ｏが、陰極10で分解した際、発生する酸素と化学的に反応して二酸化炭素（ＣＯ2 ）または一酸化炭素（ＣＯ）となるが、一部は物理的な摩耗によりカーボンダスト23として溶融塩（浴）内を分散する。
【００５４】
この装置では陽極（炭素電極）９に流れる電流が、カーボンダスト23を介して陽極（炭素電極）９と反応容器８が接触することにより、反応容器８側にも流れて電気的短絡が発生する原因になる。
【００５５】
図８は陽極９にポーラスセラミック製保護管19を設け、カーボンダスト23の分散を防止した例を示している。すなわち、カーボンダスト23が反応容器８と接触しないよう、陽極（炭素電極）９を金属リチウムと反応しないマグネシアのようなポーラスセラミック製保護管19で覆って保護すると、Ｌｉ2 Ｏの分解によって発生した酸素の透過が低下して陽極（炭素電極）９への酸素の供給が不足し電解反応が阻害される。
【００５６】
その結果、陽極（炭素電極）９のポーラスセラミック製保護管19内に保持されている溶融塩７の分解が始まり、陰イオンである塩化物イオンが陽極（炭素電極）９で反応して塩素ガスが発生する。塩素ガスは強い腐食性、毒性があるので装置の健全性を損ね、操業上も問題になる。
【００５７】
そこで、請求項５の発明のように電解槽、つまり反応容器８自体をセラミックとするか、または内面をセラミックコーティング層14を設けて陽極９を絶縁することにより、上述した電気的短絡を解消するとともに、請求項６の発明のように陽極９にセラミック材で形成した保護管を設けることなく、塩の分解にともなう塩素ガスの発生も防止することが可能となる。
【００５８】
つぎに第２の実施の形態として請求項10〜11に係る発明を図２、図９を参照して説明する。
図２において、ＬｉＣｌやＬｉＣｌ−ＫＣｌのような溶融塩７と還元剤であるＬｉ15が収容された金属製の反応容器８と、使用済み酸化物燃料13を入れて溶融塩７中に浸漬された核燃料回収容器11、および陽極９と陰極10および電源16とから構成され、使用されている。
【００５９】
このような装置では、第１の実施の形態と同様に、還元により生成したＬｉ2 ＯをＬｉに再生しながら還元が行われる。そして、バスケット内に直接投入された酸化物燃料13を撹拌機12により撹拌して溶融塩７に分散し、Ｌｉで還元を行うが、請求項10の発明においては還元されたウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属は溶融塩７中に溶解、分散した鉄もしくは同じくＬｉにより還元された鉄と合金を形成して球状の生成物として回収する。
【００６０】
また、ウランと鉄の状態図を図９に示す。この図から、ウランと鉄の合金（Ｕ−Ｆｅ合金）は725 ℃以上で液体である。前記還元工程において、還元されたウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属が、分散した鉄もしくは同じくＬｉにより還元された鉄と合金を形成して球状の生成物を形成するには、反応容器８内の溶融塩７の温度は、請求項11の発明で述べたとおり塩化リチウムの融点より高い温度でかつ鉄とウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの金属が固溶体を形成する温度でウラン、プルトニウムおよびマイナ−アクチニドの還元率が低くならない温度である630 ℃から800 ℃の範囲であることが重要である。
【００６１】
使用する溶融塩はＬｉＣｌやＬｉＣｌ−ＫＣｌの代わりに、ＬｉＦ、ＬｉＣｌ−ＬｉＦ、ＬｉＦ−ＫＦ、ＮａＦ−ＫＦを用いることも可能である。前記還元剤として使用する全Ｌｉの濃度は、10mol ％以下であることが重要である。
【００６２】
この場合、還元反応終了後に核燃料回収容器11の回転を止めるか、あるいは100rpm程度の速さで回転させながら１〜５時間保持することもできる。前記核燃料回収容器11の回転を止めるかあるいは100rpm程度の速さで回転させた場合は、還元により得られた金属粒子が成長して粒径が増大し、希土類元素などとの分離が容易になる。
【００６３】
また、この場合、還元温度よりも０〜100 ℃高い温度に保持することも、金属の粒子成長に有効であり、さらに還元時に100rpm程度に核燃料回収装置11の回転速度を変化させ、還元と粒子成長を交互に行うこともできる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化物燃料の還元効率の向上と、還元生成物を回収する際に、Ｌｉ、塩などの電解精製工程時に障害となる不純物を効率よく取り除くことが容易となり、装置の小型化が可能となる。また、電極反応に必要なイオンの移動を阻害しないようにすることで、塩の分解による塩素ガスの発生を抑制して装置寿命の延命化および操業上の環境改善を図ることができる。さらに、生成した還元生成物を溶融塩と分離することなく球状の金属として回収できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る使用済み酸化物燃料の還元装置および還元方法を説明するための燃料再処理工程図。
【図２】本発明に係る使用済み酸化物燃料の還元装置の一例を示す縦断面図。
【図３】図２の還元装置においてＬｉの電解輸送状態を説明するための模式図。
【図４】図２において、溶融塩中のＬｉ2 Ｏを電解法によってＬｉに再生するための装置概略図。
【図５】図４においてＬｉの電解輸送がみられなかった場合の特性図。
【図６】図４においてＬｉの電解輸送があった場合の特性図。
【図７】カーボンダストにより陽極と反応容器の間で電気的短絡が発生する装置の例を概略的に示す縦断面図。
【図８】陽極に保護管を設けてカーボンダストの分散を防止した装置の例を概略的に示す縦断面図。
【図９】
ウランと鉄の状態図。
【符号の説明】
１…解体・せん断工程、２…脱被覆工程、３…還元・塩再生工程、４…希土類分離工程、５…電解精製工程、６…燃料加工工程、７…溶融塩、８…反応容器（電解槽）、９…陽極（炭素電極）、10…陰極、11…核燃料回収容器、12…攪拌機、13…酸化物燃料、14…セラミックコーティング層、15…Ｌｉ、16…電源、17…定電流電源供給装置、18…クーロンメータ、19…保護管、20…電流、21…Ｌｉ2 Ｏ濃度計算値、22…Ｌｉ2 Ｏ濃度分析値、23…カーボンダスト。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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