MCCCE法を用いたリチウム-7濃縮技術開発
ー最新の開発概要ー
令和5年6月15日*長谷川 信1、福森 麻衣1、山田 楓1、綱田 宜司2、田中 健哉2、岸本 忠史3(1. アトックス、2. ペスコ、3. 阪大)

1．技術開発の背景
 PWRプラントの⼀次冷却⽔は、反応度制御のために添加するホウ酸によって材料腐⾷が進むため、⽔酸化リチウム（LiOH）を添加することでpHを調整している。
 天然のLiにはLi-6(7.5％)とLi-7(92.5%)の同位体が存在する。
 Li-6は中性⼦吸収材（Li-6+n→He+H-3）であるため、原⼦炉の運転制御の⾯と被ばく管理の⾯からLi-7を濃縮する必要がある。
 しかし、Li-7の供給元がロシアのみで、⽔銀アマルガム法で⽣産。
 ⽔銀アマルガム法は唯⼀実⽤化されている⽅法であるが、⽔銀を使⽤するため環境問題の原因となる。
 Li-6は国際規制物質のため、Li-7に関する情報収集が難しい。
 以上のように、Li-7の安定供給には、安全保障上の課題、世界的な環境問題、そしてサプライチェーンの課題がある。

課題1︓安全保障上の課題
Li-7の⼊⼿を輸⼊（特にロシア）に頼っている
課題2︓世界的な環境問題
⽔銀アマルガム法は環境問題の原因となる⽔銀を⽤いる

Li-7供給の課題

２．技術開発の⽬的と体制
 これらの課題解決のために、経済⾯及び環境⾯を考慮した新たな国内供給体制の確⽴と、安定したサプライチェーンの早急な構築が必要。

 既往法に代わる同位体濃縮⽅法として、MCCCE*法を⽤いたLi-7濃縮技術の開発を⽬的とする。

*MCCCE︓Multi-Channel Counter Current Electrophoresis

 開発体制として、⼤阪⼤学の技術開発ラボを中⼼に開発を進め、アトックスはこれら技術開発を効率的に展開できるようプロジェクト管理を実施。

注）本研究は資源エネルギー庁の補助事業「原⼦⼒の安全性向上に資する技術開発事業」にて実施。

実施体制

３．Li同位体の濃縮技術の開発経緯
 Ｌｉ同位体の濃縮回収技術の開発は、１９７０年代にＬｉ同位体分離の様々な原理について研究を実施。しかしながら、ほとんどの技術は分離効率が低く、工業化や大量製造のスケールアップが困難。
参考：同位体分離法としては、アマルガム法、分子蒸留、イオン交換法、電気泳動法（溶融塩法）、溶媒抽出法等が知られている。
 これまでに実用化された分離法は、水酸化リチウム水溶液とリチウムアマルガム（リチウムと水銀の合金）との間のリチウム同位体の向流交換反応を用いる水銀アマルガム法のみ。
 アマルガム法の分離係数は1.02～1.07程度であるが、水銀による環境汚染の観点から、代替できる同位体分離法の研究を実施。しかし、同位体分離係数、エネルギー消費量の観点から、大量製造のスケールアップは困難との結果。
 以上の理由から、現状は工業的なＬｉ同位体分離法はアマルガム法以外には無い。

４．Li-7の世界の供給状況【Li-7の供給体制】
 ロシアが供給全体の70〜80%のシェアを占め、欧⽶、⽇本へ輸出。
 残りの20〜30%は中国で⽣産、消費。
 ロシア、中国ともに⽔銀アマルガム法によりLi-7を製造。
【安定供給に向けた主要輸⼊国の取り組み】
 仏国（英国等）: 国際協⼒に基づく安定供給体制の構築
 ⽶国︓官⺠協働による供給状況の監視と国内⽣産能⼒確保の検討を実施。

５．MCCCE法の概要• MCCCE法は、電気泳動のキャピラリー法と向流法を組み合わせた⽅法。
• 電圧を印加し、電気泳動により物質を移動させる⼀⽅で、向流する溶液を流すことで⽬的同位体を濃縮する。
＜MCCCE法の原理＞① ⽔溶液中には2種類のLiイオンが存在する（7Li+, 6Li+）。
② 電場がかかるとLiイオンが移動する。
③ 2種類のLiイオンは移動のしやすさが異なるため移動速度に差が出る（7Li+の⽅が電場による動きが遅い）。

④ 電場と逆⽅向に⽔の流れ（向流）を発⽣させる。
⑤ 電場で動きやすい6Li+は下側へ移動し、電場で動き難い7Li+は向流で流され上側に濃縮される。

*MCCCE︓Multi-Channel Counter Current Electrophoresis

６．Li-7濃縮技術の開発ステップ

７．FS段階の技術開発の進め⽅８．プロトタイプ試験装置（円筒型）による基礎開発【課題】• 市販のBNを流路素材としていたが、溶液が気孔に浸透していたことを確認。
• これにより、絶縁性が保たれず、通電。
• その結果、イオン分布が乱れることで、試験条件が⼀定に保てず、試験結果に再現性が無かった。
【改善点】• 絶縁材の絶縁性低下による電圧不安定の改善⇒樹脂含侵し絶縁性を向上したBN板を使⽤• 溶液速度分布の広がりを抑える対策⇒泳動路内に抵抗（濾紙）を挿⼊• 濃縮試験条件をサーベイする⽅法の改善⇒パラメータ評価のためシミュレーションツールを開発【濃縮試験結果】• 樹脂を含侵した絶縁材採⽤で、安定した電圧印加が可能• シミュレーションツールにより濃縮試験条件サーベイ及び濾紙挿⼊で安定的に試験を実施• 分離係数として⽐較的定常的に1.03〜1.04。これは⽔銀アマルガム法の分離係数と遜⾊ない
結果
市販のBN板樹脂含浸BN板９．新型試験装置による実⽤化に向けた開発【新型試験装置を製作】• 分離係数の向上と合わせて、実⽤化に向け、流路の形状を既存の円筒型から平板型に変更。
• これにより下記の向上・改善を期待。
1)均等な冷却による温度の⼀様性 2)理想的な速度分布（層流）
3)多段化が容易な装置構造
4)モジュール製作コストの低減化【濃縮試験結果】• これまで、新型試験装置を⽤いた試験にて、円筒型の試験装置で得られた以上の分離係数1.03〜1.04が安定的に取得。
• また、条件によっては分離係数1.05のチャンピオンデータを取得。
• 今後は、試験の結果を整理し、性能確認試験を進め、更なる分離係数の向上を⽬指す。

新型装置の外⾒写真

濃縮試験結果10．シミュレーションによる流動解析• シミュレーション結果を濃縮試験に反映することにより、効率的に濃縮試験を進めることが可能。
• 平板形状流路内の電場解析を実施し、その結果を数値シミュレーションへ応⽤。
• 数値シミュレーションの結果、平板流路を使⽤した場合、暫定的な評価ではあるが分離係数が約1.13まで向上できることが判明。
• イオン挙動に対する電場／流動の影響評価⼿法を整備したことで、装置形状⼨法・試験条件の最適化に⽬途。

JAEAのスパコンとCFD解析コードを活⽤した⼿法整備

11．FS（後期）を進める上での課題整理
１．MCCCE法の濃縮性能に係る主な課題整理
新型濃縮装置の分離性能は、約1.05と安定的な結果、既往⽅法（⽔銀アマルガム法）と⽐較して遜⾊がない値。
但し、実⽤化に向けてモジュール装置をカスケードに組む上で、以下の確認が必要。
 装置構造1) カスケード構成にするために、モジュール装置構造の確定
2) 運転条件とプロダクト濃度・量との関係整理
 カスケード運転3) モジュール装置の固体差がないかの確認
4) ⻑期濃縮運転におけるモジュール装置の信頼性の確認
２．実⽤プラントとしての成⽴性
5) 電気・冷却⽔等のユーティリティー設備の設備容量の確認
6) 運転監視⽅法の検討

FS後期（2年間）で開発のキーとなるモジュール装置及びカスケード条件に係る実⽤化に向けての性能評価を実施、合わせてプラント成⽴性の評価も実施

12．まとめ
本報告では、新たな同位体濃縮法であるMCCCE法を⽤いたLi-7濃縮技術の開発についての最新の状況を報告した。
【整理１︓背景】• Li-7はPWRの⽔質管理の⽤途で需要があるが、供給元が現在ロシアのみという現状。
• これは安全保障上、環境影響上、課題。
• 将来的には、経済⾯及び環境⾯を考慮した新たな国内供給体制の構築が必要。
【整理２︓技術開発】• 流路素材の改良として、BNに樹脂を含侵させ、絶縁性の向上を実施。
• 円筒型流路の課題を解決するために、流路形状を平板型流路へ変更新型試験装置の開発を実施、安定的な濃縮結果を取得。
• 今後は実⽤化を⽬指して、スケールアップに向けてさらなる検証を展開。