JPS6035287B2 - 硝酸ウラニルまたは／および硝酸プルトニウムの脱硝装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は硝酸ウラニルまたは／および硝酸プルトニウム
を平板型流動層を用いて熱分解により脱硝し連続的に安
定して三酸化ウランまたは／および二酸化プルトニウム
に転換せしめることを可能ならしめる硝酸ゥラニルまた
は／および硝酸プルトニウムの脱硝装置に関する。

本発明は硝酸ウラニルまたは／および硝酸プルトニウム
を対象とするものであるが、記述の簡略化のため、まず
硝酸ゥラニルのみを対象とする場合について記述する。

使用済核熱料の再処理工場においては、核分裂生成物お
よびプルトニウム分と分離されたウランが硝酸ウラニル
溶液として得られ、これを濃縮した後、熱分解により脱
硝し、三酸化ウランに転換せしめるのが常法である。こ
の場合の熱分解脱硝法としては、ポット法、縄梓床法、
流動層法等が行われるが、今日では流動層法が最も効率
のよい方法として広く実用されるにいたつている。一方
、従来脱硝装置として実用化されている流動層反応装置
はすべて円筒型であり、この種の円筒型流動層反応装置
を硝酸ゥラニル等の微濃縮ウランの脱硝装置として使用
する場合には臨界管理上の観点から、該流動層反応装置
の最大径が制限される。硝酸ゥラニルの流動層反応によ
る脱硝は通常反応装置を適当な温度に維持し、装置底部
より流動層を維持するための流動化気体を導入し、かつ
装置の側壁等の適当な箇所に設けた噴霧ノズルより硝酸
ゥラニルの水溶液または融液を贋霧用気体とともに装置
内に噴霧することによって行われる。運転開始時には通
常所定量の三酸化ウランが種粒子として装置内に導入さ
れるが、一旦脱硝反応が開始されると、該反応によって
生成する三酸化ウラン粒子が流動層を形成し、反応の進
行につれて生成される三酸化ウラン粒子を適当な方法に
よって装澄から取り出すことによって連続的に操業が行
われる。流動層反応装置は一般にその内部において気体
の線速度が一定になるように使用するのが実際的であり
、硝酸ゥラニルの流動層脱硝装置の場合においても、装
置底部より供給されて流動層を形成する流動化気体およ
び硝酸ウラニル水溶液の導入に同伴する噴霧用気体並び
に硝酸ウラニルの熱分解による脱硝によって生成する反
応生成気体（比０，ＮＯＸ等）の合計量が装置断面種に
見合った量になるようにコントロールされなければ、正
常な流動層を維持することが困難となる。

硝酸ウラニルの熱分解による脱硝に従来のごとき円筒型
の流動層反応装置を使用する場合には、上述したように
、臨界管理上から最大直径が制限されるので、単位基数
当りの処理能力が制限を受けることになる。

その対策として、平板型のの流動層反応装置の使用が提
案された。すなわち、平板型流動層反応装置を使用すれ
ば、流動層の厚さは臨界管理上の制限を受けるが、流動
層の横方向の幅の拡大は可能であり、このように横方向
の幅を拡大することにより該流動層反応装置の装置断面
積や伝熱面積を増大させることができ、従って装置の単
位基数当りの処理能力を増大させることができ、かつ負
荷車の変動に対し容易に対応することも可能である。し
かしながら、この種の平板型流動層反応装置はその構造
上流動層の横方向の幅が大きくなるので、場合によって
は、内部粒子の混合、分散が充分に行なわれないという
問題点を有している。従来の一般的な円筒型流動層反応
装置および上記提案された平板型流動層反応装置では、
いずれも装置底部よりの流動化気体の供給部（以下、ウ
インドボックスという）は単一区分で構成されており、
ウィンドボックス外部から供給された流動化気体はこの
ウィンドボックス内で均一な圧力となり、通常金属性金
網等で構成された整流器を通って流動層内にほぼ均一な
線速度で導入される。

一方、本出願人は特開昭５５−７５２７号公報において
、流動層中に噴霧ノズルにより硝酸ゥラニル溶液を贋慶
し、硝酸ゥラニルを熱分解により脱硝して三酸化ウラン
に転換せしめる流動層脱硝反応において、生成する三酸
化ウラン粉末の平均粒径を４００仏ｍ以下に保持しない
と流動層の安定性が急激に低下し、長時間安定して操業
を続けることが不可能であることを開示している。この
場合の流動層は円筒形、円錐形または両者の組み合せの
形状であり、生成三酸化ウラン粒子の平均粒径を４００
ムｍ以下に保持するための脱硝反応条件は次の通りであ
る。反応温度 ２４０〜３５０つ○ 流動化気体の線速度 ２０〜６０ｃｍ／ｓｅｃ（空塔基準） 贋霧用（空気／溶液）比 ２５０〜５００（体積比） 流動層高／層蓬比 ４〜６ このように、生成三酸化ウラン粒子の平均粒釜を４００
仏ｍ以下に保持するためには、反応温度、流動化気体の
線速度、流動層反応装置への硝酸ゥフニル溶液の曙霧条
件等を適当に選択することが必要であるが、脱硝流動層
を長時間安定して確保するためには、さらに流動層内に
おける均一性、特に熱的均一性を維持することが必須要
件となる。

すなわち、本発明に係る硝酸ウラニルの脱硝反応は急激
な吸熱反応であり、かつまた硝酸ウラニルの熱分解、水
分の蒸発等により、流動層内の硝酸ウラニル導入部近傍
においては多量の気体が生成され、該導入部分の伝熱速
度が著しく低下する。さらに、通常採用し得る項霧条件
においては、頃霧ノズルからの項霧体の流動層内への到
達深度は数肌〜１渡欧肌程度であり、該脱硝反応は該贋
霧体と流動物の混合領域が流動層内に拡散して行く過程
で進行するが、この拡散が不充分であると、脱硝反応に
必要な熱量の効果的供給が不充分となり、その場合には
該頃霧体中の液体状物質の該流動物に対する割合が局所
的に過剰となり、ケーキング現象起こり、正常な流動層
の形成が困難となって流動層反応装置を長期的に安定し
て連続運転することが可能となる。本発明者らはウィン
ドボックスが単一区分構造である平板型流動層反応装置
を用いての硝酸ウラニルの脱硝反応において、平板型流
動層の横方向の幅がある大きさ以上に大きくなった場合
、流動層の内部で硝酸ウラニル導入部とその反対側（対
称位置に２個の頃霧ノズルを有する流動層においては硝
酸ゥラニル導入部、すなわち壁側に近い部分と中心部）
とにおける生成三酸化ウラン粒子の混合、分散が不充分
となることにより、反応部への伝熱量が不足して前述の
ケーキングを起こしたり、または生成三酸化ウランの物
性（粒径、残留硝酸ゥラニル量等）が不均一になる現象
が発生することを観測し、その対策について検討した結
果流動化気体の供給機構を変えることに着目し、本発明
に到達した。

以上は硝酸ウラニルのみを対象とした場合であるが、二
酸化プルトニウムまたは硝酸ゥラニルと硝酸プルトニウ
ムの混合物を対象とする場合も同様である。すなわち、
本発明は平板型流動層の横方向の幅の大きさに関係なく
、硝酸ウラニルまたは／および硝酸プルトニウムを平板
型流動層反応による熱分解によって脱硝し連続的に安定
して直接三酸化ウランまたは／および二酸化プルトニウ
ムに転換せしめることを可能ならしめる硝酸ウラニルま
たは／および硝酸ゥラニルの脱硝装置を提供するもので
、その要旨とするところは、噴霧ノズルを平板型流動層
を使用して硝酸ウラニルまたは／および硝酸プルトニウ
ムを熱分解により脱硝して三酸化ウランまたは／および
二酸化プルトニウムに転換せしめる硝酸ゥラニルまたは
／および硝酸プルトニウムの脱硝装置において、装置底
部の流動化気体の供給部を複数個の区分に分割し、該分
割された区分ごとに供給する流動化気体の量を変化させ
、該平板型流動層内に強制的に三酸化ウランまたは／お
よび二酸化プルトニウム粒子の流れを生ぜしめるように
構成したことを特徴とする硝酸ゥラニルまたは／および
硝酸プルトニウムの脱硝装置、にある。

本発明は、以上のごとく、ウィンドボックスを複数個の
区分に分割し、分割された区分ごとに供給する流動化気
体の量を変化させ、それら流動化気体を従来の装置の場
合と同様に水平に保持されている整流器を介して流動層
内に吹き込み、流動層の横方向における流動化気体の線
速度をコントロールすることにより、流動層内の三酸化
ウランまたは／および二酸化プルトニウム粒子に強制的
に流れを生ぜしめてそれら三酸化ウランまたは／および
二酸化プルトニウム粒子の混合、分散を促進し、それに
よって流動層内の上記反応部への伝熱量の不足を解消さ
せ、硝酸ウラニルまたは／および硝酸プルトニウムの熱
分解による脱硝を連続的に安定して行なわせ、生成され
る三酸化ウランまたは／および二酸化プルトニウムの物
性の均一化を可能ならしめるものである。

本発明はさらに上記ウィンドボックスの分割化に組み合
わせて整流器を傾斜させるという構成をとることができ
る。

この場合の整流器の傾斜角度は使用される整流器の種類
、生成される三酸化ウラン、二酸化プルトニウム粒子の
物性によって異なるが、望ましくはこれらの粒子の安息
角以上である。但し、この場合はこれら粒子を流動させ
ている関係上、安息角度以下でも充分効果的であると思
われる。この組合せ構成によって、流動層内における上
記三酸化ウランまたは／および二酸化プルトニウム粒子
の強制的な流れをより強力に促進し、それら粒子の混合
、分散をより効果的に行なわせ、それによって硝酸ウラ
ニルまたは／および二酸化プルトニウムをより確実に熱
分解により脱硝し、連続的に安定して物性の均一な三酸
化ウランまたは／および二酸化プルトニウムに転換せし
めることを可能とするものである。次に、本発明を図面
を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例の一部断面を含む正面図、第
２図は本発明の別の実施例の一部断面を含む正面図であ
る。

第１図に示された実施例は整流器８は水平に保持され、
ウインドボックス７は３個の区分に分割された構成をと
る場合であり、かつ脱硝対象は硝酸ウラニルである。

ウィンドボックス７の３分割区分を贋霧ノズル９に近い
側からＡ部，Ｂ部，Ｃ部と呼称することにする。図にお
いて、流動化気体供給系１５より送られてきた流動化気
体（空気、水蒸気）は流量指示計４〜６および流量調整
バルブ１〜３によりそれぞれの所定流量に設定された後
、ウィンドボックス７のＡ部，Ｂ部，Ｃ部にそれぞれ供
給される。

ウィンドボックス７のそれら流動化気体は水平に保持さ
れた整流器８から流動層１０内に吹き込まれる。流動層
１０は三酸化ウラン粒子および流動化気体、鰭霧用気体
、反応生成気体で構成されている。一方、硝酸ウラニル
（ＵＮＨ）供給系１ ６より子熱された状態で供給され
た原料物質である硝酸ゥラニル溶液は曙霧用気体供給系
１７よりの同じく子熱された状態の噴霧用気体とともに
流動層１０の一端に取り付けられた噴霧ノズル９から流
動層１０内に噴霧される。

装置は外部より電気抵抗加熱手段によって所定温度に加
熱されている。また、運動開始時に必要な流動層を形成
するための三酸化ウラン粒子はＵ０３シードホツパー１
３より供給される。かくて、ウィンドボックス７のＡ
部，Ｂ部，Ｃ部よりそれぞれ異なる量の流動化気体が所
要温度に保持されている流動層１０内に異なる線速度で
吹き込まれるとともに頃霧ノズル９からは硝酸ゥラニル
溶液と贋霧用気体が同じく流動層１０内に階霧される。

この構成において、ウィンドボックス７のＣ部からの流
動化気体の線速度を最も速く、Ａ部からの流動化気体の
線速度を最も遅くすることによって、Ｃ部上方の流動層
１０内の三酸化ウラン粒子は一部流動化気体とともに流
動層１０上表面に向って持ち上げられ、流動層１０の上
表面で左側に向って移動し、同時に流動層１０の下部付
近の三酸化ウラン粒子は右側に向って移動する。

このように、ウィンドボックス７のＡ部，Ｂ部，Ｃ部か
らの流動化気体の線速度をそれぞれ適宜変化させること
によって、流動層１０内に強制的に三酸化ウラン粒子の
流れを生ぜしめ、その混合、分散を促進することによっ
て流動層１０内の熱的均一性を確保し、それによって硝
酸ウラニルを熱分解により脱硝し連続的に安定して物性
の均一な三酸化ウランに転換せしめることを可能ならし
めるもろである。かくて、硝酸ウラニルの脱硝により生
成した三酸化ウラン粒子は溢流管１２により連続的に流
動層１０より外部に取り出される。

また、流動化気体、噴霧用気体および反応生成気体は園
気分雛フィルター１１を通過する際、同伴する三酸化ウ
ラン粒子を固気分機フィルター１１に浦集させ、オフガ
ス処理系１４に送られる。第２図に示された別の実施例
は整流器８ａが傾斜し、ウィンドボックス７は同じくＡ
部，Ｂ部，Ｃ部に３分割された構成をとる場合であり、
かつ脱硝対象は硝酸ウラニルである。

整流器８ａ以外のすべての符号は第１図の場合と同じも
のを示す。この場合は傾斜した整流器８ａと分割された
ウィンドボックス７の組合せによって、流動層１０内に
おける上記三酸化ウラン粒子の強制的な流れをより強力
に促進し、該粒子の混合、分散をより効果的に行なわせ
、それによって第１図の実施例による効果をより確実な
らしめるものである。上記において、ウィンドボックス
７のＡ部，Ｂ部，Ｃ部からの流動化気体の線速度につい
てはＢ部からの流動化気体の線速度を最も遅くすること
もできる。また、ウインドボックス７の分割も上記の３
分割に限定されるものではない。噴霧ノズルについては
流動層の両端に１個ずつを設けることも可能である。さ
らに、以上において、硝酸ウラニルのみを脱硝対象とす
る場合について述べたが、硝酸プルトニウムのみまたは
硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合物を脱硝対象と
することもできる。本発明は、以上のように、上記構成
をとることによって、平板型流動層の横方向の幅の大き
さに関係なく、硝酸ウラニルまたは／および硝酸プルト
ニウムを熱分解により脱硝して連続的に安定して直接均
一な所定物性を有する三酸化ウランまたは／および二酸
化プルトニウムに転換せしめることを可能ならしめる硝
酸ウラニルまたは／および硝酸プルトニウムの脱硝装置
であって、核熱料処理上きわめて有用である。

なお、本発明装置は装置の寸法については臨界値があり
、また相応の遮蔽上の考慮も必要であるが、それらの問
題は放射化学、核工学の知識に照らして当業者が容易に
決定設計できる問題であるのでここではその詳細に立ち
入らないこととする。

次に、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する
が、本発明はその要旨を越えない限り以下の実施例によ
って限定されるものではない。

実施例において、整流器より流動層内に導入される流動
化気体の線速度は単に流動化気体線速度と、硝酸ウラニ
ル溶液の導入速度は処理速度と、また（空気／硝酸ゥラ
ニル溶液）の容量比は項霧化条件（Ａ／Ｌ）と託す。実
施例 本実施例は第１図に示す装置を使用し、次の条件で硝酸
ゥラニルの脱硝を行なった。

反応温度 ２８５００ 硝酸ウラニル溶液濃度 １２００タＵ／そ処理速度
５０ｋ９Ｕ／ｈｒ噴霧化条件（Ａ／Ｌ）
５００流動層高さ １．５肌 Ａ部よりの流動化気体線速度 ２０仇／ｓｅｃＢ 〃
〃 〃 ４０Ｃの／ＳｅｃＣ ″
″ ″ ６０肌／Ｓｅｃ生成したＵ０３粒子は
溢流管より自由に流出させ、連続的に取り出せた。

この条件では装置を４畑時間連続運転したが、特に不都
合な点は観察されず、更に連続運転が可能であった。

特に、反応温度条件において、噴霧ノズルの取り付けら
れている壁面に近い個所に取り付けた温度計の指示温度
（以下、Ｔ，と記す）と同じ水平位置で噴霧ノズルと反
対側の壁面に近い個所に取り付けた温度計の指示温度（
以下、Ｔ２と記す）の温度差はほとんどなかった。比較
例 本比較例は実施例１と同一装置を使用し、次の条件で硝
酸ウラニルの脱硝を行なった。

反応温度 ２８５００ 硝酸ゥラニル溶液濃度 １２００タＵ／〆処理速度
５０ｋ９Ｕ／ｈｒ噴霧化条件（Ａ／Ｌ）
５００流動層高さ １．５肌 Ａ部よりの流動化気体線速度 ４０肌／ｓｅｃＢ 〃
〃 〃 ４０弧／ＳｅｃＣ 〃
〃 〃 ４０伽／Ｓｅｃこの条件で運転した結果、
硝酸ゥラニル溶液導入開始直後より温度指示値Ｔ，とＴ
２の間に温度差が生じ始め、反応時間の経過とともにこ
の温度差は増大し、６時間経過後ではＴ２＝２８５００
，Ｔ，＝２６５ｏｏを示した。

その頃より流動状態は急激に悪化し、噴霧圧も上昇し、
流動層の一部が流動していない状態が観察されたので、
運転を打切った。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の一部断面図を含む正面図、
第２図は本発明の別の実施例の一部断面を含む正面図で
ある。 図において、１，２，３・・・・・・流量調整バルフ、
４，５，６・・・・・・流量指示計、７・・・・・・ウ
ィンドボックス、８・・・・・・水平な整流器、８ａ・
・・・・・傾斜した整流器、９・・・・・・贋霧ノズル
、１０・・・…流動層、１１・・・・・・固気分離フィ
ルター、１２…・・・溢流管、１３・・・・・・Ｕ０３
シードホッパ−、１４・・・・・・オフガス処理系、１
５・・・・・・流動化気体供給系、１６・・・・・・Ｕ
ＮＨ供給系、１７・・・・・・噴霧用気体供給系。 券？図第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 噴霧ノズルを有する平板型流動層を使用して硝酸ウ
   ラニルまたは／および硝酸プルトニウムを熱分解により
   脱硝して三酸化ウランまたは／および二酸化プルトニウ
   ムに転換せしめる硝酸ウラニルまたは／および硝酸プル
   トニウムの脱硝装置において、装置底部の流動化気体の
   供給部を複数個の区分に分割し、該分割された区分ごと
   に供給する流動化気体の量を変化させ、該平板型流動層
   内に強制的に三酸化ウランまたは／および二酸化プルト
   ニウム粒子の流れを生ぜしめるように構成したことを特
   徴とする硝酸ウラニルまたは／および硝酸プルトニウム
   の脱硝装置。 ２ 噴霧ノズルを有する平板型流動層を使用して硝酸ウ
   ラニルまたは／および硝酸プルトニウムを熱分解により
   脱硝して三酸化ウランまたは／および二酸化プルトニウ
   ムに転換せしめる硝酸ウラニルまたは／および硝酸プル
   トニウムの脱硝装置において、装置底部の流動化気体の
   供給部から該平板型流動層に流動化気体を供給する整流
   器を傾斜させかつ該流動化気体の供給部を複数個の区分
   に分割し、該分割された区分ごとに供給する流動化気体
   の量を変化させ、該平板型流動層内に強制的に三酸化ウ
   ランまたは／および二酸化プルトニウム粒子の流れを生
   ぜしめるように構成したことを特徴とする硝酸ウラニル
   または／および硝酸プルトニウムの脱硝装置。