主要な研究成果

金属燃料乾式再処理プロセスにおける工学規模技術開発
背 景
金属燃料の乾式再処理技術開発においては、実験室規模の原理実証試験結果を基に、主要な工程に関する基本的なプロセスが提案されている。本プロセスの実用性を確認するためには、実規模装置の開発を行い処理速度や物質収支等を評価し、提案されたプロセスに対する工学的成立性を示す必要がある。

目 的
プロセス全体の処理速度や核燃料物質の回収率に影響する工程を工学規模で実証するために、①溶融塩電解精製工程の処理速度向上、②核燃料物質を含むアクチニド元素の高効率回収、および溶融塩電解精製工程から排出される③塩廃棄物の合理的処理に関する技術開発を行う。これらに対し、表 1 に示す具体的な開発目標を設定し、同表および図 1 に示す 5 つの項目を実施する。

主な成果（1）電解精製工程の U回収速度向上技術の開発
陰極析出物（回収 U）の切削機構および燃料を装荷する陽極バスケットを改良することにより、約 30cm径の電極アセンブリ 1 組で、789 g-U/h の U 回収速度が得られ、目標値の約 93%に達した（図 2）。同規模の電極 1 組を用い、年間（20 時間/日、200 日/年運転）で、3.16t の U を回収でき、実用装置として十分な速度が得られることを確認した。
（2）電解精製試験用模擬燃料製造（1）の電解精製試験で用いる模擬燃料を製造するために、工学規模射出鋳造試験を U-10wt%Zr 合金を用いて 10 回実施し、約 500 本の U-Zr 合金スラグを製造した結果、実用的な燃料スラグ品質と高い歩留まりを達成し、射出鋳造技術の可能性を明らかにした（2006 年度年報参照）。
（3）使用済塩からのアクチニド回収技術の開発
比較的緩やかな攪拌を伴う単純な抽出器を用いた向流単段抽出試験を行い、試験結果（図 3）とモデル計算から、抽出器 6 段で目標の回収率が得られることを示した。さらに、多段装置を用いた向流抽出試験から、単純な構造で運転制御が容易な抽出器においても、向流多段還元抽出技術が十分に工学規模で成立することを確認した。
（4）電解精製槽におけるアクチニドと FP の性状分析
米国アイダホ国立研究所（INL）で操業中の電解槽から、塩と Cd のろ過、塩/Cd 界面サンプル採取、および浸漬試験片付着物の採取を行い、酸化物等のロスとなる固形物がほとんど発生しないことを確認した。
また、照射済燃料に生成する被覆管内面反応層（Pu 等が取込まれる）が、電解精製により除去できることも確認した。表 2 に示す主な結果から、実燃料を処理している実規模電解槽において、燃料物質等のロスが目標値以下であることを確認した。
（5）塩廃棄物固化体製造技術の開発（2）の燃料製造工程から発生する廃モールド（石英ガラス）や燃料中ボンドナトリウム、および塩吸蔵ゼオライトを原料としたガラス結合ソーダライト固化体を製造し、廃棄物固化体として十分な性能を有することを確認した（図 4）。
以上より、工学規模装置や実操業中電解精製槽の処理速度や物質収支等を評価し、主要工程における基本プロセスが工学的に成立することを確認した。
本研究は、旧電源開発促進対策特別会計法に基づく文部科学省からの受託事業として、（財）電力中央研究所が実施した平成 14 年度〜平成 18 年度「金属燃料の乾式再処理プロセスの合理化に関する技術開発」の成果である。

今後の展開各工程をつなげた再処理システムとしての工学的成立性の確認や、照射済燃料を用いたホット試験を行う。
主担当者

原子力技術研究所

関連報告書

平成 14 年度〜平成 18 年度「金属燃料の乾式再処理プロセスの合理化に関する技術開発」成果報告書、電力中央研究所（2003 年 3 月、2004 年 3 月、2005 年 3 月、2006 年 3 月、2007 年 3 月）

次世代サイクル領域

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上席研究員

塚田毅志

5．原子力発電／原子力技術
表1 目的を達成するための開発目標と事業項目
目的
開発目標
実施項目
（図1）
①電解精製工程の処理速度向上技 ①Uの電解回収速度を従来型（棒状）に対し4倍相当以上に上げ、（1）
工学規模で実証
術の工学的成立性の確認（2）②核燃料物質およびMAの高効率回 ②-2工学規模装置において、MAの回収率99.5％以上の達成の確認（3）
収技術の工学的成立性の確認（4）②-2電解精製工程からの核燃料物質およびMAのロスが全処理量の0.5％以下に抑えられることの確認③塩廃棄物の合理的な処理方法③電解精製工程の使用済塩、射出成型時の廃モールド、およびボン（5）
ドNaを原料とした安定な廃棄物固化体製造方法の確立

表2 電解精製槽からの核燃料物質およびMAのロス率の評価
発生状況および主な成分
主にU、Cd。Al、Siも検出

発生量
ロス率0.007〜0.03wt%（対溶融塩） 0.005〜0.02wt%（塩全量に対する累積U処理量より評価）
2
電解槽壁面固着物 UとCdの化合物
0.34〜0.36g/cm （表面積当） 通常運転中のロスとならない
ハル（相互反応層） 反応層中のPu等は電解により除去 0.002〜0.004g/cm
0.04〜 0.1wt%（燃料重量当りのされる。付着塩中にPu、U等が存在。 （U+Pu/被覆管1cm当り）
ロス率。付着塩込み）（1）電解精製工程のU回収速度向上技術の開発
使用済金属燃料
ACT+FP+Na

使用済Cd+FP
ACT+FP

ボンドNa
蒸発除去

被覆管（ハル）
ACT+
Cd+塩

溶融塩電解精製

ACT-Zr合金
ACT

陰極処理

燃料製造
（射出成型）

陰極析出物からの塩及びCdの蒸発除去

U及びPuの除染・回収
Na,Cs,Sr等

新U、新Zr

使用済塩（塩+ACT+FP）

再生塩（塩+ACT）

酸化処理

新燃料

金属廃棄物
固化体製造

Cd蒸留

Cd+Li

還元抽出
Cd+ACT （アクチニド回収）

逆抽出

FP︵４︶
電解
精製槽における
アクチニドと使用済塩（塩+FP）

再生塩

追加塩の性状分析

ゼオライトと接触（FPの除去）Na,Cs,Srの炭酸塩など、、、ゼオライト+塩+FP

ホウ酸、アルミナ、、、︵2︶
電解精製
試
験
用模擬
燃料
製
造

使用済モールド（石英）

塩廃棄物
固化体製造

←工学規模単段還元抽出試験装置
3
Cd 中Li

希土類のモル分率（10- 3 ）発生場所
浴塩中固形物

2

塩中Y

塩中Gd

Cd中Gd

1

Cd 中Y
Cd 中Ce

ACT:アクチニド
FP :核分裂生成物（5）塩廃棄物固化体製造技術の開発（3）使用済塩からのアクチニド回収技術の開発

塩中Ce

0

図1

金属燃料の乾式再処理プロセスと実施項目

060

120

180

時間（分）

図3 工学規模単段還元抽出試験での希土類とLiの濃度変化の実験値（点）と計算値（線）[単純な構造を持つ抽出器により十分な物質移動が起きることを確認]

改良陽極バスケット（左）と陰極析出物掻き取り機構（右）1200

ガラス結合ソーダライト→

1.0E+00

従来型（棒状）70 ℃

平成16年度
実験室規模試験平成17年度工学規模試験における
目
標

ライン

600

Si浸出速度 [g/m2･d]

今年度
工学規模試験

800

平成16年度工学規模試験

事業

400

20050 ℃

25 ℃

1.0E-0 1
1.0E-0 2

ｶﾞﾗｽ固化体からの浸出速度
1×10-3g/m2･d（MCC-,60℃）

1.0E-0 3
1.0E-0 4本

U処理速度（g-U/h）

1000

従来型配置（電中研−東芝共同研究）

00102030

4050

1.0E-0 5 06050100150

浸漬時間 [日]電極構造物占有体積（L）

図2 工学規模電解試験におけるU回収速度評値[従来型に対し約4倍の性能を持つ電極を開発]

図4 ガラス結合ソーダライト固化体の性能評価結果[ガラス固化体と同等の性能を持つ固化体を開発]

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