⽇本原⼦⼒学会 水化学部会 第45回定例研究会 （Web開催）

リチウムの同位体分離濃縮技術
テーマ選定の背景

2023.06.15
三菱重⼯業株式会社 原⼦⼒セグメント プラント設計部 系統設計課
前田

ZCS-OR-230006

哲宏© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

1. PWRプラントの系統構成概要• 原⼦⼒発電所では、核燃料から⽣じる熱エネルギーを蒸気に変えてタービンへ伝える。
• 加圧水型原⼦⼒発電所（PWR）では、放射能を含む１次系と含まない２次系に分かれている。
• 原⼦炉から１次冷却材に取り出された熱は、蒸気発⽣器を介して２次系に伝わり、タービンを回すことで発電している。

蓄 圧注 入タ ン
ク

高圧注入ポンプ(低圧注入系)

制御棒

蒸気系統
主給水制御弁

タービ ンバ イパ ス弁

冷却器(高圧注入系)

蒸気発生器

加圧器
逃がしタンク加 圧器(格納容器スプレイ系)
格納容器スプレイポンプ

高 圧タービ ン

格納容器スプレイ

主蒸気隔離弁

燃料取替
用水タンク

主蒸気安全弁

原子炉格納容器

主蒸気逃が し弁

１次系

発電機

海水
復水ポンプ

高圧給水加熱器
燃料(余熱除去系)
再循環サンプ

ほう酸タンク低圧タービン

循環水ポンプ取水口

余熱除去冷却器ポンプ

1次系
補給水タンク２次系

湿分分離加熱器

原子炉

海水脱気器

1次冷却材
ポンプ

放水口
復水ブースタ
復水 グランドポンプ
脱塩装置コンデンサ

再生熱交換器

復給⽔ 主給水ポンプ
系統

低圧給水加熱器

充てんポンプ
薬品タンク

水素脱塩塔

ほう酸ポンプ

体積制御タンク

補給水ポンプ(化学体積制御系)

フィルタ
F© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

復水タンク
補助給水ポンプ
2次系
補給水タンク2

2. PWR１次冷却材のpH管理• １次冷却材には、炉⼼の反応度制御を目的にほう素（ほう酸）を添加。
• 構成材料の腐⾷抑制の観点から、１次冷却材のpH調整剤としてアルカリである水酸化リチウムを添加し、過剰なLiは、脱塩塔（イオン交換樹脂）により除去している。（ほう素-リチウム管理バンド）• リチウムは、天然Liを同位体濃縮した、濃縮Li-7を使用している。
-ほう素は中性⼦を吸収しLi-7を⽣成するため、LiによるpH管理が容易。
Li-6は中性⼦と反応しトリチウムが⽣成するため、同位体濃縮した濃縮Li-7を使用。
Naは中性⼦との反応によるNa-24の⽣成および材料健全性の観点で不適。
原子炉格納容器
非再生冷却器
再生熱交換器

Li除去

Ｆ

冷却材脱塩塔中性子ほう素（B-10）

リチウム（Li-7）

Ｆ

加圧器

蒸気発生器

ほう酸添加

体積制御
タンク ほう酸タンク
ほう酸タンク 純水

原子炉容器
一次冷却材
ポンプ

一次系薬品注入
1次系薬品タンク

Li濃度上限Li濃度下限Li濃度
中心

定常運転中のB-Li管理バンド

LiOH添加© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

33. 濃縮Li-7の調達性1)• 天然のリチウムは、Li-6（7.59 ％）とLi-7（92.41 %）が存在するが、放射線環境下ではLi-6からトリチウムが⽣成する。したがって、PWR１次系で使用されるリチウムは、放射化によるトリチウム⽣成を抑制すべく、Li-7を99.9 %まで濃縮したものを使用している。
• 濃縮Li-7は核兵器の副産物とみられる。また、濃縮には水銀が使用されるため（水銀アマルガム法）、濃縮Li-7の供給は中国とロシアの2か国に限定される。
• この2か国のうち、中国ではPWRプラントの新設増加や溶融塩型原⼦炉（MSR）の導入により、Li-7の消費量が増加、今後もますます増える⾒込みである。中国で⽣産された濃縮Li-7は、中国国内で全て消費され、不⾜分はロシアから調達している。
• ⽇本を含めた世界中のPWRで使用されている濃縮Li-7は、ロシアからの供給に頼っている状況であり、価格高騰等の背景から、米国をはじめ、各国で対策の検討が進められている。

1) U.S. Government Accountability Office GAO-13-716, “Managing Critical Isotopes: Stewardship of Lithium-7 is Needed toEnsure a Stable Supply”, 2013.
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4. 濃縮Li-7に対する国内外の検討状況• 濃縮Li-7の価格高騰といった背景から、国内外で対策の研究が推進されている。
• 具体的には、濃縮Li-7の回収、使用量の削減、代替剤の検討、新たな製造⽅法の探索が進められている。
- 冷却材中で⽣成したLi-7やイオン交換樹脂に吸着したLi-7の回収- 冷却材のほう素濃度の低下によるLi添加量の削減
バーナブルポイズン活用による、冷却材中ほう素濃度の低下
濃縮B-10の導入（中性⼦と反応するB-10を濃縮したほう酸を使用することでほう酸添加量の削減が可能）- Li-7代替剤の検討- 濃縮Li-7製造⽅法の検討© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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5. Li-7関連の研究の⼀例（Li代替剤）• 米国を中⼼に、リチウム（LiOH）の代替剤としてカリウム（KOH）の検討が進められている2)。
• 天然カリウムは安価な材料であり、耐腐⾷性はリチウムよりも有利というデータもある。
• 過去にはVVER（ロシア型PWR）において適用実績があるが、PWR構成材料や燃料健全性に対する影響について確認する必要がある。また、運用⾯では、化学管理⼿順（B, Li, Kの3元素が対象）や廃棄物に対する影響といった評価も必要である。
• ⽇本国内では、⽇本原⼦⼒発電㈱殿がKOH環境における応⼒腐⾷割れ（SCC）に関する研究を進めており、Liと同程度といったデータも得られている。
応⼒腐⾷割れに対するLiOHとKOH環境の比較3)
2) K. Fruzzetti, et al., “Evaluation of Potassium Hydroxide for Reactor Coolant pHT Control in Western PWRs”, proceedings of the20th Int. Conf. on Water Chemistry of Nuclear Reactor Systems (NPC2016), Brighton, UK, October 2-7, (2016)
3) K. Kakitani et al., “The Effect of Dissolved Hydrogen Concentration on theSCC Initiation of Ni-Based Alloy in the Primary Water
With KOH”, proceedings of 30th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE30), Kyoto, Japan, May 21-26, (2023)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

66. まとめ• PWRプラントの１次冷却材のpH調整剤として使用されている濃縮Li-7は、中国・ロシアに⽣産が限定されている。
• 中国で⽣産される濃縮Li-7は、中国国内で消費されるため、⽇本を含め世界各国で使用される濃縮Li-7はロシアからの輸入に頼っている状況である。
• 価格高騰などの背景から、世界各国で対策の検討が進められており、国内でもLiの代替剤や濃縮⼿法の開発が進められている。
• 水化学との関係も密接なLi関連研究の重要度は増加していることから、本⽇の定例研究会のテーマとして「リチウムの同位体分離濃縮技術」を選定した。

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