JP2003166094A - 電解還元装置および方法 - Google Patents

電解還元装置および方法

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JP2003166094A JP2001366421A JP2001366421A JP2003166094A JP 2003166094 A JP2003166094 A JP 2003166094A JP 2001366421 A JP2001366421 A JP 2001366421A JP 2001366421 A JP2001366421 A JP 2001366421A JP 2003166094 A JP2003166094 A JP 2003166094A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 操業温度を下げられると共に使用済酸化物燃
料を還元する場合に後段の電解精製工程との間での廃棄
物発生量を少なくできる。 【解決手段】 還元対象である酸化物２を保持する陰極
３と、陽極４と、酸化物２および陽極４が浸される溶融
塩５と、該溶融塩５を収容する容器６と、陰極３および
陽極４に電流を通電して酸化物２を還元する直流電源７
とを備える電解還元装置１において、溶融塩を塩化リチ
ウム−塩化カリウム共晶塩とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、溶融塩に浸した陽
極と還元対象である酸化物を保持する陰極とに電流を通
電して酸化物を還元する電解還元装置および方法に関す
る。さらに詳述すると、本発明は原子力発電所の使用済
み酸化物燃料や鉱物の金属への還元に適した電解還元装
置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】原子力発電所の使用済み酸化物燃料を金
属に還元する方法として、化学還元方法と電解還元方法
とが知られている。
【０００３】化学還元方法としては、例えば塩化リチウ
ムまたは塩化リチウムおよび塩化カリウムから成る溶融
塩に還元剤としてリチウムを添加し、使用済酸化物燃料
を化学的に還元する方法が開発されている（特開平８−
５４４９３号）。
【０００４】ところが、この化学還元方法では、化学的
に活性な還元剤のリチウムを使用しているので、還元剤
自体の劣化や容器等の腐食を生じ易く、長時間に亘る還
元処理は困難である。また、還元剤が塩化カリウムを還
元してしまうので、カリウムの蒸気が発生してしまい、
これが発火する虞がある。さらに、還元剤が反応して生
成する酸化リチウムの濃度を少なくとも飽和溶解度以下
に抑えなくてはならないので、これを満たす量の塩化リ
チウムを必要としてしまう。このため、使用済酸化物燃
料の約２７倍もの体積の溶融塩が必要になってしまい、
装置が大型化してしまう。
【０００５】これに対し、電解還元方法としては、陰極
に保持される還元対象である酸化チタンと陽極とを例え
ば塩化カルシウムから成る溶融塩に浸し、陰極および陽
極に電流を通電して酸化チタンを還元する方法が開発さ
れている（NATURE,VOL.407,21/SEP/2000,P361-364）。
【０００６】この電解還元方法によれば、還元剤自体の
劣化は生じ難いので長時間に亘る還元処理が十分可能に
なる。また、カリウムの蒸気の発生は無く、これに起因
する発火の虞が無い。さらに、酸化リチウムの濃度の制
限が無いため必要な物量を減らして装置の小型化を図れ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た電解還元方法では、塩化カルシウムの融点が７７４℃
であるため操業温度は８００℃以上になってしまい、エ
ネルギの大量消費や容器材料の腐食等の問題を生ずるこ
とがある。また、塩化カルシウムを溶融塩として原子力
発電所の使用済酸化物燃料を金属に還元するようにする
と、還元後の使用済酸化物燃料の電解精製工程での溶融
塩が塩化リチウム−塩化カリウム共晶塩であることか
ら、使用済酸化物燃料から塩化カルシウムを一旦洗浄し
なければならず、処理が煩雑であると共に電解精製工程
との間での廃棄物量の増大を招いてしまう。
【０００８】そこで、本発明は、操業温度を下げられる
と共に使用済酸化物燃料を還元する場合には後段の電解
精製工程との間での廃棄物発生量を少なくできる電解還
元装置および方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、還元対象である酸化物を保
持する陰極と、陽極と、酸化物および陽極が浸される溶
融塩と、該溶融塩を収容する容器と、陰極および陽極に
電流を通電して酸化物を還元する直流電源とを備える電
解還元装置において、溶融塩は塩化リチウム−塩化カリ
ウム共晶塩であるようにしている。また、請求項７記載
の発明は、陰極に保持される還元対象である酸化物と陽
極とを溶融塩に浸し、陰極および陽極に電流を通電して
酸化物を還元する電解還元方法において、溶融塩は塩化
リチウム−塩化カリウム共晶塩であるようにしている。
【００１０】塩化リチウム−塩化カリウム共晶塩の融点
は、塩化リチウムと塩化カリウムの比率によって変わり
純粋な塩化カリウムの場合に最高で７７０℃程度であ
る。このため、適切な比であれば従来使用していた塩化
カルシウムの融点（７７４℃）よりも低いので、従来の
８００℃〜１０００℃よりも低い操業温度で電解還元を
実現できるようになり、エネルギの消費量を低減できる
と共に容器材料の腐食を抑制することができる。
【００１１】ここで、操業温度を例えば６５０℃以下に
するためには、塩化リチウム−塩化カリウム共晶塩の融
点を６１０℃以下にする必要がある。このため、塩化リ
チウム：塩化カリウム＝Ｘモル％：１００−Ｘモル％と
したときに、３５≦Ｘ≦１００であるようにすることが
望ましい。特に塩化リチウム：塩化カリウム＝４８モル
％：５２モル％であるときに融点は３５０℃で最も低く
なる。このときは操業温度を５００℃程度に抑えること
ができる。
【００１２】また、酸化物として使用済酸化物燃料を還
元する場合には還元時の溶融塩と還元後の電解精製処理
での溶融塩とがいずれも塩化リチウム−塩化カリウム共
晶塩であるので、還元処理から電解精製処理への移行時
に洗浄が不要になり作業性が良くなると共に、還元工程
と電解精製工程との間での廃棄物発生量を少なくするこ
とができる。
【００１３】しかも、化学還元反応を利用して使用済酸
化物燃料を還元する場合に比べると、使用済酸化物燃料
の約５倍程度の体積の溶融塩で足りるようになるので、
装置の小型化を図ることができる。また、化学還元反応
を利用する場合より酸化リチウムの濃度が常に低いの
で、より多くの種類の酸化物を還元できる可能性があ
る。多くの種類の元素を還元できると共に酸化リチウム
濃度が常に低いので、後段の電解精製工程に持ち込まれ
る酸素量が減少し、ここで発生する酸化物の処理の手間
を軽減できる。また、塩化カリウムを使用してもカリウ
ムの蒸気の発生は無く、これに起因する発火の虞が無
い。
【００１４】そして、請求項２記載の発明は、還元対象
である酸化物を保持する陰極と、陽極と、酸化物および
陽極が浸される溶融塩と、該溶融塩を収容する容器と、
陰極および陽極に電流を通電して酸化物を還元する直流
電源とを備える電解還元装置において、溶融塩は塩化リ
チウムであるようにしている。また、請求項８記載の発
明は、陰極に保持される還元対象である酸化物と陽極と
を溶融塩に浸し、陰極および陽極に電流を通電して酸化
物を還元する電解還元方法において、溶融塩は塩化リチ
ウムであるようにしている。
【００１５】塩化リチウムの融点は６０６℃である。こ
のため、従来使用していた塩化カルシウムの融点（７７
４℃）よりも低いので、従来の８００℃〜１０００℃よ
りも低い６５０℃程度の操業温度で電解還元を実現でき
るようになり、エネルギの消費量を低減できると共に容
器材料の腐食を抑制することができる。また、酸化物と
して使用済酸化物燃料を還元する場合には、還元時の溶
融塩が塩化リチウムであり還元後の電解精製処理での溶
融塩が塩化リチウム−塩化カリウム共晶塩であるので、
還元処理から電解精製処理への移行時に洗浄が不要にな
り作業性が良くなると共に、還元工程と電解精製工程と
の間での廃棄物発生量を少なくすることができる。
【００１６】しかも、化学還元反応を利用して使用済酸
化物燃料を還元する場合に比べると、使用済酸化物燃料
の約５倍程度の体積の溶融塩で足りるようになるので、
装置の小型化を図ることができる。また、化学還元反応
を利用する場合より酸化リチウムの濃度が常に低いの
で、より多くの種類の酸化物を還元できる可能性があ
る。多くの種類の元素を還元できると共に酸化リチウム
濃度が常に低いので、後段の電解精製工程に持ち込まれ
る酸素量が減少し、ここで発生する酸化物の処理の手間
を軽減できる。
【００１７】さらに、請求項３記載の発明は、還元対象
である酸化物を保持する陰極と、陽極と、酸化物および
陽極が浸される溶融塩と、該溶融塩を収容する容器と、
陰極および陽極に電流を通電して酸化物を還元する直流
電源とを備える電解還元装置において、溶融塩は塩化カ
リウムであるようにしている。また、請求項９記載の発
明は、陰極に保持される還元対象である酸化物と陽極と
を溶融塩に浸し、陰極および陽極に電流を通電して酸化
物を還元する電解還元方法において、溶融塩は塩化カリ
ウムであるようにしている。しかも、化学還元反応を利
用して使用済酸化物燃料を還元する場合に比べても、使
用済酸化物燃料の約５倍程度の体積の溶融塩で足りるよ
うになるので、装置の小型化を図ることができる。
【００１８】したがって、酸化物として使用済酸化物燃
料を還元する場合に、還元時の溶融塩が塩化カリウムで
あり還元後の電解精製処理での溶融塩が塩化リチウム−
塩化カリウム共晶塩であるので、還元処理から電解精製
処理への移行時に洗浄が不要になり作業性が良くなると
共に、還元工程と電解精製工程との間での廃棄物発生量
を少なくすることができる。
【００１９】しかも、化学還元反応を利用して使用済酸
化物燃料を還元する場合に比べると、使用済酸化物燃料
の約５倍程度の体積の溶融塩で足りるようになるので、
装置の小型化を図ることができる。また、化学還元反応
を利用する場合より酸化リチウムの濃度が常に低いの
で、より多くの種類の酸化物を還元できる可能性があ
る。多くの種類の元素を還元できると共に酸化リチウム
濃度が常に低いので、後段の電解精製工程に持ち込まれ
る酸素量が減少し、ここで発生する酸化物の処理の手間
を軽減できる。また、塩化カリウムを使用してもカリウ
ムの蒸気の発生は無く、これに起因する発火の虞が無
い。
【００２０】一方、請求項４記載の発明は、請求項１か
ら３までのいずれか記載の電解還元装置において、溶融
塩には酸素供給源が添加されているようにしている。
【００２１】したがって、酸化物から放出された酸素が
酸素供給源によって陽極に移送される。このため、陽極
と陰極との間で十分な電流が流れるようになるので、処
理の高速化を実現することができる。また、陽極から発
生する気体が酸素や二酸化炭素になるので、酸素供給源
を用いずに陽極から腐食性のある塩素ガスが発生するこ
とを避けることができる。ここでの酸素供給源として
は、酸化リチウムあるいは酸化カルシウムを使用するこ
とができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。図１に本
発明の電解還元装置１の実施形態を示す。この電解還元
装置１は、還元対象である酸化物２を保持する陰極３
と、陽極４と、酸化物２および陽極４が浸される溶融塩
５と、該溶融塩５を収容する容器６と、陰極３および陽
極４に電流を通電して酸化物２を還元する直流電源７と
を備えるものとしている。そして、溶融塩５は塩化リチ
ウム−塩化カリウム共晶塩であるようにしている。この
ため、従来よりも低い操業温度で電解還元を実現できる
ようになるので、エネルギの消費量を低減できると共に
容器６の腐食を抑制することができる。
【００２３】本実施形態では塩化リチウム−塩化カリウ
ム共晶塩は、塩化リチウム：塩化カリウム＝４８モル
％：５２モル％であるようにしている。このため、融点
が３５０℃になるので、操業温度を５００℃程度にまで
下げることができる。
【００２４】還元対象である酸化物２としては、原子力
発電所の使用済酸化物燃料を用いている。すなわち、使
用済酸化物燃料に含まれる酸化ウランやウラン分裂物の
酸化物を還元するようにしている。このため、還元時の
溶融塩５と還元後の電解精製処理での溶融塩とがいずれ
も塩化リチウム−塩化カリウム共晶塩であるので、還元
処理から電解精製処理への移行時に洗浄が不要になり作
業性が良くなると共に、還元工程と電解精製工程との間
での廃棄物発生量を少なくすることができる。
【００２５】また、溶融塩５には酸素供給源が添加され
ている。このため、酸化物２から放出された酸素が酸素
供給源によって陽極４に移送される。よって、陽極４と
陰極３との間で十分な電流が流れるようになるので、高
速処理を実現することができる。さらに、陽極４から発
生する気体が酸素や二酸化炭素になるので、酸素供給源
を用いずに陽極４から腐食性のある塩素ガスが発生する
ことを避けることができる。酸素供給源としては酸化リ
チウムを使用している。
【００２６】この溶融塩５を入れる容器５はステンレス
製とされている。そして、陰極３はステンレス製のバス
ケット８を有している。このバスケット８の内部に酸化
物２が収容される。そして、バスケット８ごと溶融塩５
に漬けられることにより、酸化物２が溶融塩５に漬けら
れる。陽極４は炭素製の本体９と白金製のリード１０と
を有している。
【００２７】上述した電解還元装置１により酸化物２を
電解還元する手順を以下に説明する。
【００２８】塩化リチウム：塩化カリウム＝４８モル
％：５２モル％とした塩化リチウム−塩化カリウム共晶
塩に０．１ｗｔ％の酸化リチウムが溶解した溶融塩５を
容器６に入れて５００℃で溶融させる。そして、陰極３
のバスケット８に酸化物２を収容して溶融塩５に浸す。
また、陽極４も溶融塩５に浸す。陽極４と陰極３に直流
電源７を接続してＸボルトの電圧を印加する。陽極４か
ら酸素を発生する場合にはＸは約２．５〜２．８、二酸
化炭素を発生する場合にはＸは約１．５〜１．８であ
る。
【００２９】これにより、酸化物２中の酸素はイオンに
なって溶融塩５中を移行する。この移行は酸素供給源に
より促進される。酸素イオンは陽極４の本体９の表面で
反応して二酸化炭素になる。この二酸化炭素は気泡１１
になって気相中に排出される。なお陽極４の本体９は消
耗するので定期的に交換するようにする。
【００３０】酸化物２は還元されて最終的には金属にな
る。そして、この金属は、バスケット８の引き上げによ
り溶融塩５から取り出されて電解精製槽に輸送され、ア
クチニド元素を取り出して新たな金属製の核燃料の原料
になる。
【００３１】上述したように本実施形態の電解還元装置
１によれば、還元時の溶融塩５と還元後の電解精製処理
での溶融塩とがいずれも塩化リチウム−塩化カリウム共
晶塩であるので、還元処理から電解精製処理への移行時
に洗浄が不要になり作業性が良くなると共に、還元工程
と電解精製工程との間での廃棄物発生量を少なくするこ
とができる。
【００３２】しかも、化学還元反応を利用して使用済酸
化物燃料を還元する場合に比べると、使用済酸化物燃料
の約５倍程度の体積の溶融塩で足りるようになるので、
装置１の小型化を図ることができる。また、化学還元反
応を利用する場合より酸化リチウムの濃度が常に低いの
で、より多くの種類の酸化物を還元できる可能性があ
る。多くの種類の元素を還元できると共に酸化リチウム
濃度が常に低いので、後段の電解精製工程に持ち込まれ
る酸素量が減少し、ここで発生する酸化物の処理の手間
を軽減できる。また、塩化カリウムを使用してもカリウ
ムの蒸気の発生は無く、これに起因する発火の虞が無
い。
【００３３】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で
ある。例えば、本実施形態では、溶融塩５に酸素供給源
として酸化リチウムを添加しているが、これには限られ
ず酸化カルシウムなどの溶融塩５に可溶で安定な酸化物
を使用することができる。また、本実施形態では溶融塩
５に酸素供給源を添加しているが、これには限られず添
加しなくても良い。この場合、陽極４からは塩素ガスが
気相中に排出されるようになる。塩素ガスによる腐食を
考慮する必要の無い場合には、酸素供給源の省略により
作業工程を少なくできると共に処理コストを下げること
ができるようになる。
【００３４】また、本実施形態では溶融塩５として塩化
リチウム−塩化カリウム共晶塩を使用しているが、これ
には限られず塩化リチウムのみを使用するようにしても
良い。この場合、塩化リチウムの融点は６０６℃である
ので、従来よりも低い６５０℃程度の操業温度で電解還
元を実現できるようになり、エネルギの消費量を低減で
きると共に容器６の腐食を抑制することができる。ある
いは溶融塩５として塩化カリウムのみを使用するように
しても良い。いずれの場合も酸化物２として使用済酸化
物燃料を還元する場合に、還元時の溶融塩５の成分が還
元後の電解精製処理での溶融塩の成分に含まれるものな
ので、還元処理から電解精製処理への移行時に洗浄が不
要になり作業性が良くなると共に、還元工程と電解精製
工程との間での廃棄物発生量を少なくすることができ
る。
【００３５】さらに、本実施形態では陽極４の本体９を
炭素製にしているが、これには限られず白金製としても
良い。この場合、陽極４からは酸素が発生するようにな
る。
【００３６】また、本実施形態では還元対象の酸化物と
して原子力発電所の使用済酸化物燃料を用いているが、
これには限られず例えば鉱石などとしても良い。
【００３７】
【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１から３記載の電解還元装置および請求項７から９記載
の電解還元方法によれば、従来の８００℃〜１０００℃
よりも低い操業温度で電解還元を実現できるようにな
り、エネルギの消費量を低減できると共に容器材料の腐
食を抑制することができる。
【００３８】また、酸化物として使用済酸化物燃料を還
元する場合には、還元時の溶融塩の成分が還元後の電解
精製処理での溶融塩の成分と同一または含まれるものな
ので、還元処理から電解精製処理への移行時に洗浄が不
要になり作業性が良くなると共に、還元工程と電解精製
工程との間での廃棄物発生量を少なくすることができ
る。
【００３９】しかも、化学還元反応を利用して使用済酸
化物燃料を還元する場合に比べると、使用済酸化物燃料
の約５倍程度の体積の溶融塩で足りるようになるので、
装置の小型化および廃棄物発生量の低減を図ることがで
きる。また、化学還元反応を利用する場合よりも多くの
種類の元素を還元できると共に酸化リチウム濃度が常に
低いので、後段の電解精製工程に持ち込まれる酸素量が
減少し、ここで発生する酸化物の処理の手間を軽減でき
る。また、塩化カリウムを使用する場合でもカリウムの
蒸気の発生は無く、これに起因する発火の虞が無い。
【００４０】一方、請求項４記載の電解還元装置によれ
ば、溶融塩には酸素供給源が添加されているので、陽極
と陰極との間で十分な電流が流れるようになって、処理
の高速化を実現することができる。また、陽極から発生
する気体が酸素や二酸化炭素になるので、酸素供給源を
用いずに陽極から腐食性のある塩素ガスが発生すること
を避けることができる。ここでの酸素供給源としては、
酸化リチウムあるいは酸化カルシウムを使用することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電解還元装置の一実施形態を示す概略
図である。
【符号の説明】
１ 電解還元装置 ２ 酸化物 ３ 陰極 ４ 陽極 ５ 溶融塩 ６ 容器 ７ 直流電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K058 AA21 AA25 AA30 BA01 BA13 BB05 CB04 CB12 DD02 DD05 EB14 ED03 FC02 FC07

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 還元対象である酸化物を保持する陰極
    と、陽極と、前記酸化物および前記陽極が浸される溶融
    塩と、該溶融塩を収容する容器と、前記陰極および前記
    陽極に電流を通電して前記酸化物を還元する直流電源と
    を備える電解還元装置において、前記溶融塩は塩化リチ
    ウム−塩化カリウム共晶塩であることを特徴とする電解
    還元装置。
  2. 【請求項２】 還元対象である酸化物を保持する陰極
    と、陽極と、前記酸化物および前記陽極が浸される溶融
    塩と、該溶融塩を収容する容器と、前記陰極および前記
    陽極に電流を通電して前記酸化物を還元する直流電源と
    を備える電解還元装置において、前記溶融塩は塩化リチ
    ウムであることを特徴とする電解還元装置。
  3. 【請求項３】 還元対象である酸化物を保持する陰極
    と、陽極と、前記酸化物および前記陽極が浸される溶融
    塩と、該溶融塩を収容する容器と、前記陰極および前記
    陽極に電流を通電して前記酸化物を還元する直流電源と
    を備える電解還元装置において、前記溶融塩は塩化カリ
    ウムであることを特徴とする電解還元装置。
  4. 【請求項４】 前記溶融塩には酸素供給源が添加されて
    いることを特徴とする請求項１から３までのいずれか記
    載の電解還元装置。
  5. 【請求項５】 前記酸素供給源は酸化リチウムであるこ
    とを特徴とする請求項４記載の電解還元装置。
  6. 【請求項６】 前記酸素供給源は酸化カルシウムである
    ことを特徴とする請求項４記載の電解還元装置。
  7. 【請求項７】 陰極に保持される還元対象である酸化物
    と陽極とを溶融塩に浸し、前記陰極および前記陽極に電
    流を通電して前記酸化物を還元する電解還元方法におい
    て、前記溶融塩は塩化リチウム−塩化カリウム共晶塩で
    あることを特徴とする電解還元方法。
  8. 【請求項８】 陰極に保持される還元対象である酸化物
    と陽極とを溶融塩に浸し、前記陰極および前記陽極に電
    流を通電して前記酸化物を還元する電解還元方法におい
    て、前記溶融塩は塩化リチウムであることを特徴とする
    電解還元方法。
  9. 【請求項９】 陰極に保持される還元対象である酸化物
    と陽極とを溶融塩に浸し、前記陰極および前記陽極に電
    流を通電して前記酸化物を還元する電解還元方法におい
    て、前記溶融塩は塩化カリウムであることを特徴とする
    電解還元方法。
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