JPS6224191A - 電解還元による使用済核燃料の再処理方法 - Google Patents

電解還元による使用済核燃料の再処理方法

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JPS6224191A
JPS6224191A JP60163709A JP16370985A JPS6224191A JP S6224191 A JPS6224191 A JP S6224191A JP 60163709 A JP60163709 A JP 60163709A JP 16370985 A JP16370985 A JP 16370985A JP S6224191 A JPS6224191 A JP S6224191A
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uranium
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根本 慎一
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    • Y02W30/50Reuse, recycling or recovery technologies

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  • Extraction Or Liquid Replacement (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、使用済核燃料の再処理方法に関し、さらに
詳しくは、ビューレックス湿式再処理法の改良に関する
ものである。
このビューレックス湿式再処理法は、使用済核燃料に含
まれるウランおよびプルトニウムを核分裂生成物から分
離し、ざらにウランとプルトニウムを精製した形で回収
する方法である。
〈従来の技術〉 従来から実施されているビューレックス湿式再処理法の
一例を第2図を参照して説明する。
使用済核燃料は前処理したのち硝酸に溶解し、溶液組成
の調整を行なって溶媒抽出操作を施す。
この溶媒抽出操作は、共除染工程1分配工程。
プルトニウム精製工程およびウラン精製工程の4つに大
別され、ウランおよびプルトニウムはこれらの各工程に
適切な原子価に調整されて処理される。抽出溶媒として
は、ウランおよびプルトニウムを選択的に効率よく抽出
するリン酸1〜リブチル(TBP)が広く使用されてい
る。
共除染工程においては第1抽出器1および第2抽出器2
を設け、第1抽出器1ではウランは6価U(VI)、プ
ルトニウムは4価Pu(IV)でTBPに抽出され核分
裂生成物(FP)と分離される。第2抽出器2では、T
BP相に抽出されたウランおよびプルトニウムが第1抽
出器1と同じ原子価のもとて水溶液相に逆抽出される。
分配工程は第3抽出器3および第4抽出器4から成り、
第2抽出器2で逆抽出されたウランおよびプルトニウム
水溶液は硝酸濃度調整ののち、第3抽出器3に送られる
。ここで再度TBPにより同じ原子価のもとてウランお
よびプルトニウムが抽出され、核分裂生成物との一周の
分離が促進される。第4抽出器4においては、TBP相
に抽出されているU(VI)J5よびpu(IV)のう
ちプルトニウムのみがウラナス(4価ウラン)等の還元
剤でPu (III)に還元される。このときの還元反
応式は下記(1)式の通りであり、またこの反応の平衡
定数は2規定硝酸溶液中では下記(2)式のようになる
ことが明らかとなっている。
U (IV) +2Pu (IV) +21−120に
=・1.6X ’l Q17 このようにプルトニウムを3価に還元すると、TBPへ
の抽出性が極めて低くなり水溶液相に逆抽出される。一
方、ウランについては6価を保ってTBP相に抽出され
たまま次の工程に送り込まれる。このようにして分配工
程ではプルトニウムとウランの分配が行なわれる。更に
微量の核分裂生成物はプルトニウム側である水溶液相に
逆抽出される。
ウラン精製工程は第5抽出器5、第6抽出器6および第
1抽出器1から成り、いずれの抽出器においてもウラン
は6価に保たれたまま抽出および逆抽出され、極微濃度
で混在するプルトニウムおよび核分裂生成物から分離精
製されてウラン製品を回収できる。なお、この工程にお
いてもプルトニウムの還元剤としてウラナス等が用いら
れている。
プルトニウム精製工程は第8抽出器8および第9抽出器
9から成り、先の第4抽出器4で水溶液相に分配された
Pu (III)はTBPに高い抽出性を持つPu(I
V)に原子価調整された後、第8抽出器8でTBPによ
り抽出され微濃度の核分裂生成物と分離される。次いで
第9抽出器でウラナス等の還元剤によりPu (III
)に還元されTBP相から水溶液相に逆抽出されて、精
製された形でプルトニウム製品を回収できる。
以上のように、従来のビューレックス湿式再処理法では
、ウランおよびプル1ヘニウムを核分裂生成物から分離
し、ウランとプルトニウムをそれぞれ純粋な形で取出す
ことを主眼としている。
しかしながら、将来、高速増殖炉等によって発生する使
用済核燃料を再処理しようとした場合、前述したウラナ
スによる還元を利用したご。
ニーレックス湿式■処理法では、高速増殖炉使用済核燃
料中に含まれているプルトニウムの量が軽水炉に比べ極
めて多いため、プル1〜ニウム還元剤であるウラナスの
必要量が極端に増えることが明らかとなり、また使用済
核燃料中に含まれているウラナスの同位体比をできるだ
け変化させないことを考えると、現在のビューレックス
湿式再処理法の適用は実用上、大きな問題を含むことに
なる。
このため最近では、プルトニウムを3画に還元するため
にウラナスを用いる代りに、電解還元したり硝酸ヒドロ
キシルアミンを使用する方法が検討されている。いずれ
の方法も基本的にはプルトニウム還元剤としてウラナス
を用いる上述したビューレックス湿式再処理法と工程自
体大きな相違はない。すなわち電解還元法は、第2図の
第4抽出器4および第9抽出器9に電解還元機能をもた
せるために、抽出器内部に電解還元用の電極を組込むも
のである。一方、硝酸ヒドロキシルアミン法は、第2図
の第4抽出器4および第9抽出器9で使用するプルトニ
ウム還元剤として硝酸ヒドロキシルアミンを用いるもの
である。
〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、電解還元法や硝酸ヒドロキシルアミン法
においても以下のような問題点がある。
まず電解還元法においては、抽出器内部に電解還元用の
電極を組込まなければならないために、製作は勿論通常
の管理等が極めて複雑となる。これは、TBP相と水溶
液相との混合相において電解還元を行なうために、電極
面へのTBP相の付着あるいは陽極を隔離する隔膜への
付着や目詰りを防止する対策が必要となると同時に、抽
出器としての機能を損わないようにする配慮も必要とな
るからである。
一方、硝酸ヒドロキシルアミン法の場合、プルトニウム
の還元速度の観点から低濃度の硝酸溶液中で反応させる
必要があり、高濃度(2〜3規定)の硝酸溶液中で反応
させようとする場合には、鉄などを反応系に添加する必
要がある等の欠点を有する。更にPu (III)のT
BP相へのリークを防止する意味で硝酸ヒドロキシルア
ミンとは別な還元剤の併用の必要があったりする。
また、これらいずれの方法においても、第2図の第4抽
出器4でPu(IV)をpu (III)に還元したの
ち第8抽出器8へ送る前にPu (III)をPu(I
V)へ酸化し、さらに第9抽出器9において再びPU(
IV)をPu (III)へ還元するといった煩雑な原
子価調整を行なう必要がある。
加えて、第8抽出器8においては、TBP相へのプル1
−ニウム負荷を大きくとることによって回収プルトニウ
ムの濃度を高くすることが考えられているが、TBP相
のプルトニウム濃度が高くなると、TBP相のプルトニ
ウム錯体は稀釈剤に対する溶解度が低いため、その濃度
によってはTBP相が二相に分離してしまったり、プル
トニウムのα線によりTBP相が損傷を受けたりすると
いった工程管理上の問題がある。
ちなみにTBP相中のプルトニウム濃度の最大値は40
Ω/J2.程度であることが知られている。
このようにTBP相に高濃度のプルトニウムを抽出する
ことは必ずしも良い結果をもたらすことはなく、従って
プルトニウムの抽出に関して核物質の臨界管理だけでな
く抽出化学上の濃度管理も行なわなければならないとい
う新たな問題を生ずる。
ざらに硝酸ヒドロキシルアミン法の場合、回収プルトニ
ウムの蒸発濃縮工程に先立って硝酸ヒドロキシルアミン
を分解する必要があるといった欠点もある。
以上のように、現在、検討されている電解還元法や硝酸
ヒドロキシルアミン法をビューレックス湿式再処理工程
に適用する場合にも多くの問題を含む。更に将来、核燃
料再処理工程においても核拡散防止対策が必要となるこ
とを考えた場合、これら方法においてはその対策の1つ
であるプル1−ニウム製品をプルトニウムとウランの混
合物として定量的に回収することが困難となってくる。
この発明は上述したごとき従来技術における問題点を解
消することを目的としてなされたものであり、特にPu
(IV)のPu ([1)への還元を電解還元によって
行なうとともに、電解還元操作と抽出分離操作の両方を
最も効率良く行なうことができる方法を提供せんとする
ものである。
この発明のざらに別な目的は、プルトニウムの回収に際
して、核拡散防止上効果的なウランとの混合物として定
量的に回収することができる使用済核燃料再処理方法を
提供することである。
この発明の更に別な目的は、従来のビューレックス湿式
再処理法において行なっていたようなPu (IV) 
→Pu (III) 、およびPu (III)→Pu
(IV)の煩雑な原子価調整操作を必要としない、改良
された使用済核燃料再処理方法を提供することである。
く問題点を解決するための手段〉 この発明によれば、従来のビューレックス湿式再処理に
おける電解還元法のように抽出器に電解還元用電極を組
込んで電解還元と抽出分離とを同時に行なわず、電解還
元操作と抽出分離操作をそれぞれ別個の電解還元槽と抽
出器で独立して行なうことによって上記の目的を達成さ
せている。
すなわちこの発明においては、従来のビューレックス湿
式再処理法と同様に先ず硝酸溶液中の「プランとプルト
ニウムをTBPのごとき抽出溶媒で抽出し、それらを分
離することなく核分裂生成物のみを従来のビューレック
ス湿式再処理法で1qられる精製ウランや精製プルトニ
ウムと同じレベルとなるまで除去したのち、それらを逆
抽出させてU(VI)およびPu(IV)を含有する硝
酸水溶液のごとき水性溶液を得る。
この水溶液に、硝酸濃度調整および安定剤(例えばヒド
ラジン等)添加といった従来から必要とされている慣用
的処理を施したのち、電解還元槽を用いて電解還元する
。この電解還元は、水溶液中に含まれる全てのPu(I
V)をPu (1)にし、かつU(IV)が見出される
ようになるまで行なう。このようにすると電解還元槽出
口の水溶液中にはU (VI) 、 U (IV)およ
びPu (III)が含まれることになる。次いでこの
水溶液を次工程の抽出器に導き、TBPのごとき抽出溶
媒と接触させることによって、溶媒相にU(VI)を、
水溶液相にPu (nl)とU(IV)とをそれぞれ分
配させる。この抽出操作は演用的な抽出器を用いても効
率よく(テなうことができる。かくして得られた溶媒相
からはウランを回収でき、一方、水溶液相からはプルト
ニウムとウランとをそれらの混合物として回収できる。
上記の電解還元操作により精製されるU(IV)は、電
解条件を選定することによってその濃度をコントロール
できるため、定量的にPu (III)にU(IV)を
混合させることが可能となる。
また、上記で得られたPl、J (III)とU(IV
)を含む水溶液相を必要に応じて再度第2の抽出溶媒と
接触させることによって、第2の溶媒相にU(IV)を
、水溶液相にPu (III)をそれぞれ分配させるこ
とができ、かくしてプルトニウムの精製を行なうことも
できる。この場合にも、Pu (IV) →Pu (I
II) 、およびPu(m)→pu(IV)の煩雑な原
子価調整操作を必要とすることはない。
〈実施例〉 以下、この発明について実施例を挙げて更に詳しく説明
する。第1図にこの発明の改良ビューレックス湿式再処
理フローを示す。まず使用済核燃料は軽水炉使用済核燃
料の前処理操作と基本的にはほぼ同様な前処理を施され
硝酸に溶解し調整される。なお、この調整液中のプルミ
ルニウム含有泄は高速増殖炉使用済核燃料の場合、軽水
炉のそれと比較し約10倍はど高くなる。
この調整液を第1抽出器11内でTBPと接触させウラ
ン、プルトニウムをTBPに抽出し、核分裂生成物から
分離する。続いてTBP相に抽出されているウラン、プ
ルトニウムを逆抽出せずに第2抽出器12で核分裂生成
物の洗浄操作を行なう。なお、この洗浄操作ではウラン
プルトニウムの水溶液相への漏れを極力少なくするため
に新なTBPを供給する。このためTBP相中のウラン
、プル1〜ニウムの濃度が少々低下することになる。こ
のような操作を経たTBP相のウラン、プルトニウムを
第3抽出器13で希硝酸によって水溶液相に逆抽出させ
る。
この逆抽出液の硝[6度をウラン、プルトニウムの抽出
し易い濃度に調整し、再び第4抽出器14でTBPによ
る抽出操作を行ないより一層の核分裂生成物との分離を
行なう。その後、第5抽出器15で第3抽出器13と同
様な操作でTBP相のウラン、プルトニウムを逆抽出し
、水溶液とする。これによって結果として従来法と同じ
レベルまで核分裂生成物との分離が達成できるのであ葛
なお、ここまでの操作は基本的には従来法と同じであり
、容易に理解されよう。したがって、第2抽出器12の
洗浄操作を従来法と同様な逆抽出操作とし、抽出器を新
たに追加し抽出操作を行なっても水沫と同じレベルの核
分裂生成物との分離を達成できる。
このようにして得た水溶液相のウラン、プル1〜ニウム
混合液を、硝酸濃度を調整したのち蒸発缶20にて蒸発
濃縮操作を行なう。なお、この蒸発濃縮操作は必ずしも
必要としないが、次の工程である電解還元操作のために
はウラン。
プルトニウム濃度が高いほど好ましいことが実験的に明
らかとなっている。したがってウラン濃度が常温におい
ても結晶化しない程度まで濃縮を行なっても良いが、通
常は300M 12程度まで濃縮することが好ましい。
この操作ののち、安定剤(ヒドラジン等)を添加し、電
解還元槽30によって電解還元を行なう。
ここで、電解還元に関する一実施例を挙げて説明する。
この発明においてヒドラジン共存下の硝酸溶液中でウラ
ンとプルトニウムはチタンを陰極とする電極面で電解還
元される。この還元反応によって生ずるpu (III
)の量は同−条。
外下においてU(IV)の量と比較し約10倍はど高く
、かつウランとプルトニウムとが共存する系においては
ざらにPu (III)の生成量が多くなることが判明
している。つまりこれは、電解還元によってウランとプ
ルトニウムは陰極において併発的に還元されるが、電解
還元によって生じたU(IV)は続いて前記(1)式の
還元反応によりPu(IV)と反応してPu(IV)を
Pu (II)に還元するためである。また、この反応
の平衡定数は2規定硝酸溶液中で前記(2)式%式% これらの関係から、電解還元によって生成したU(IV
)は、(1)式によりPu(IV)を還元し、(2)式
の平衡定数の値からして、殆んどのPu(IV)が還元
さしなイカキリ、U(IV)を見出すことはできないこ
とが判る。
よって、プルトニウムとウランが共存する系における電
解還元反応は見かけ上プルトニウムの還元が優先し、殆
んどのプルトニウムが還元されたのちウランの還元に移
行するのである。
以上のことから第1図のフローシートにおける電解還元
槽30の形状は電極形状、面積、通過する溶液の流量、
供給電流が条件として与えられれば任意に決定できる。
また電解還元槽30は、従来から使用されている抽出器
内に電解還元用電極を組込んだ装置とは異なり、電解還
元のみに着目すれば良いため、構造が単純であり、再処
理工程に組込んだ場合の保守性が大幅に軽減できるもの
である。
この電解還元槽30にはウランとプルトニウムの混合水
溶液が供給されるが、その時の電解還元条件は前述した
ように電解還元槽30出口からU(IV)が見出される
よう選定すれば、プルトニウムの殆んど全てがTBPに
非抽出性のPu (III)に還元されていることにな
る。なお、U(IV)については、Pu (III)の
安定剤的な効果を有するから、ある程度のLl(IV)
の濃度となるようすることが好ましい。更に、電解還元
条件によってはもっと大量のU(IV)を共存させるこ
とが容易に行なえる。
このように、電解還元槽30出口における組成をPu 
(DI) 、 U (IV)およびU(VI)とし、第
6抽出器16による分配工程に供給する。この抽出器1
6は従来から公知となっている抽出器であれば良く、何
ら特徴を有するものでない。
この工程において、TBPでU(VI)を抽出し、Pu
 (III)とU(IV)を水溶液相に分配させ分離を
行なう。
なお、この抽出器16内においてもU(IV)はPu 
(III)の安定剤として作用するから、ある程度のU
(IV)の存在は好ましく、TBP相のU(lへのプル
トニウムリークを防止する意味でも重要となる。
硝酸溶液中におけるU(IV)の安定性はヒドラジン存
在下において極めて安定であることが知られており、9
0日近くまで0.5%/日の速度で直線的に酸化される
ことが知られている。
したがって、U(IV)とPu (III)の共存する
溶液中においてはPu (nl)の安定性はU(IV)
の安定性に委ねられることになる。つまり、U(IV)
がある濃度共存する硝酸溶液中ではPu (III)は
極めて安定であると言える。
しかしTBPが共存する抽出器内部ではこのように安定
性の高いU(IV)もめる程度酸化される。これについ
ては抽出器としてミキサ・セ゛トラを用いウラナスの酸
化について調べた結果、供給したウラナスの一部が抽出
器内で酸化されるが、殆んどのウラナスはプルトニウム
側に回収されることが判明した。したがって、アルドニ
ウム側に共存させるウランの口は供給するウラナス伍に
依存する。
更に、抽出器を空気接触の少ないパルスカラム等を用い
れば、より定量的にウラナスをプルトニウム側に共存さ
せることが可能となる。
したがって水溶液相としてプルトニウムとウランの混合
物を定量的に回収するには抽出器としてパルスカラムが
好ましい。
次工程でおる第7抽出器17では、極微濃度のプルトニ
ウムをウランから分離するため洗浄操作のみを行なう。
なお、この洗浄にはプルトニウムの還元剤をおる程度用
いた方が好ましいが、その母は対象とするプル1〜ニウ
ムが微濃度で必るため極く少量で良い。核分裂生成物に
ついてはすでに前工程で極めて高い除染係数で分離され
ており、プルトニウムの除去にだけ着目すれば良い。し
かしこの工程は基本的には核分裂生成物の洗浄効果もあ
ることから、この工程でより一層の分離が促進されるこ
とになる。続いて、第8抽出器18によって希硝酸でウ
ランを逆抽出し、水溶性の精製ウラン製品として回収す
る。これは従来の逆抽出工程と同じである。
一方、第6抽出器16での水溶液相にはプルトニウム(
III)と電解還元槽の条件によりU(IV)が定量的
に混合している。プルトニウムとウランの混合物として
回収するには、これを混合製品とすれば良い。また、プ
ルトニウムのみ精製した形で回収するには第9抽出器1
9を設け、Pu (III)中のU(IV)(7)抽出
をTBPで行なえば、Pu (III)の精製品として
回収できるのである。ちなみにウラン(IV)のTBP
に対する抽出性はPu (III)のそれと比較し約1
00倍高く、しかも精製プルトニウムとして得るために
は、先の電解還元槽出口のU(IV)を必要最少限とし
ており、この工程における抽出すべきウラン(IV)が
極めて少ない。
このため、容易にU(IV)を抽出分離できる。
なお、この精製工程は従来の精製工程の考え方が適用で
きる。以上のようにこの発明のプルトニウム精製工程で
はプルトニウムをTBPに抽出させることを必要とせず
、TBPのα線による劣化も従来考えられている方法に
比し少なく抑えることができることになる。
〈発明の効果〉 この発明は上記したように、従来のビューレックス湿式
再処理法に電解還元法を適用し、ウランとプルトニウム
を含む水性溶液を電解還元してプルトニウムを抽出溶媒
に非抽出性のPu (III)に還元し分離するもので
必って、特に電解還元槽における電解還元工程と抽出器
における抽出分離工程とを各々独立させて行なうもので
ある。そのため、現在諸外国で検討されているような抽
出器に電解還元用電極を組込んだ電解還元と抽出分離機
能を併せもつ装置と比較すると、装置の構造や形状が単
純化できるとともに、装置の運転や保守等が極めて容易
になる。すなわち、電解還元槽については電解還元機能
のみに着目すれば良く、電極の形状、配置等を任意に選
定することができ、一方抽出器については従来の技術お
よび装置をそのまま応用することができる。
また、プルトニウムの分配および精製工程についてみる
と、従来のビューレックス湿式再処理法においてはプル
トニウムの原子価を(IV)→(nI)→(IV)→(
III)のように何度も調整する必要があり、それに応
じて適切な酸化還元剤を使用し烈ければならなかったが
、この発明においてはプルトニウムの原子価を電解還元
により(IV)→(In)に還元したのちは原子価調整
を佇なう必要はなく、また酸化還元剤として特別な試薬
を用いる必要もない。
ざらに、この発明におけるプルトニウムの精製工程では
、従来のビューレックス湿式再処理法におけるようにプ
ルトニウムを抽出溶媒に抽出させることがないため、抽
出溶媒の劣化を低く抑えることができるといった利点も
ある。
【図面の簡単な説明】 第1図はこの発明の実施例を示すフローシート、および
第2図は従来のビューレックス湿式再処理法を示すフロ
ーシートであり、いずれにおいても点線はTBP相流、
実線は水溶液相流を表わす。 11.12.13,14,15,16,17゜18.1
9・・・抽出器、20・・・蒸発缶、30・・・電解還
元槽。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、使用済核燃料の再処理工程で生成されるU(VI)お
    よびPu(IV)を含有する水性溶液を電解還元して該水
    性溶液がU(VI)、 U(IV)およびPu(III)を含有するようになるまで
    還元し、次いで該水性溶液を抽出溶媒と接触させて溶媒
    相にU(VI)を、水性溶液相にPu(III)とU(IV)
    とをそれぞれ分配させ、該溶媒相からウランを回収し、
    一方該水性溶液相からプルトニウムとウランとをそれら
    の混合物として回収することを特徴とする電解還元によ
    る使用済核燃料の再処理方法。 2、使用済核燃料の再処理工程で生成されるU(VI)お
    よびPu(IV)を含有する水性溶液を電解還元して該水
    性溶液がU(VI)、 U(IV)およびPu(III)を含有するようになるまで
    還元し、次いで該水性溶液を抽出溶媒と接触させて溶媒
    相にU(VI)を、水性溶液相にPu(III)とU(IV)
    とをそれぞれ分配させ、該溶媒相からウランを回収し、
    一方該水性溶液相は再度第2の抽出溶媒と接触させて第
    2の溶媒相にU(IV)を、水性溶液相にPu(III)を
    それぞれ分配させ、該第2の溶媒相からウランを回収し
    、該水性溶液相からプルトニウムを回収することを特徴
    とする電解還元による使用済核燃料の再処理方法。
JP60163709A 1985-07-24 1985-07-24 電解還元による使用済核燃料の再処理方法 Granted JPS6224191A (ja)

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