原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
超臨界流体を用いた全アクチニド一括分離システムの開発
(受託者)独立行政法人日本原子力研究開発機構
(研究代表者)小山智造 次世代原子力システム研究開発部門研究主席
(再委託先)新型炉技術開発株式会社，国立大学法人名古屋大学
(研究代表者)小山智造 次世代原子力システム研究開発部門研究主席
(再委託先)新型炉技術開発株式会社，国立大学法人名古屋大学
１．研究開発の背景とねらい
再処理の経済性向上のためには，再処理を構成する工程を削減することが効果的である。大幅な工程の削減を実現するために超臨界流体を用いた全アクチニド一括分離システムの開発を提案した。本システムでは溶解，清澄及び抽出工程を一体化するとともに，全アクチニドを一括抽出するため，溶解，清澄，マイナーアクチニド(MA)分離などの工程及び設備が削減できる。全アクチニド一括分離システム全体の概念のブロックフローを図１に示す。このうち本事業では，囲み内の直接抽出工程，MA/Lｎ洗浄工程，U/Pu/Np逆抽出工程に相当する部分を対象としている。
本事業の開発目標は，全アクチニドを一括して使用済燃料から分離回収するプロセス技術を未照射MOX燃料及び使用済燃料を用いた試験により実証することである。このため，プロセスに関する基礎物性データの取得，常圧及び超臨界条件下での直接抽出試験を実施し，プロセスの成立性を示す。
このプロセスを用いた再処理方法では，従来のPUREX法の主要工程（溶解・清澄・調整・抽出）と高放射性廃液からのMAの抽出工程を，直接抽出という単一工程に簡素化できると同時に，高放射性廃液量の削減も可能となるため，経済性と環境適合性に優れた再処理システムが実現できる。
２．研究開発成果
【プロセス構築及び基礎物性データ取得】
（１）プロセス構築
全アクチニド一括分離システム全体の概念は図１に示したが， これらのプロセスについて主要プロセス条件の検討，設備構成の検討，工程系統図の作成及び物質収支の検討を実施した。
主要プロセス条件の検討においては，これまでの知見に基づいて主要プロセス条件を運転圧力26MPa，運転温度60℃，TBP飽和度，硝酸利用率をそれぞれ80%と設定し，基本モデルのプロセスフローシートを基に洗浄，逆抽出のフローシート構築を行った。設備構成の検討においては，再処理プラントの全体構成を明らかにした上で，全アクチニド一括抽出分離システムの中枢設備である直接抽出設備に必要とされる機能及び機器構成を明確にした。物質収支については，50tHM/年のプラントを基に評価し，機器サイズ等を決定した。これらはこれまでU，Puを回収対象として設計検討されてきたものと同様であり，実現可能な装置概念およびサイズの機器である。これにより基本的な成立性を有するプロセス概念であることが確認できた。
また，この概念を基本として【全アクチニド超臨界直接抽出実証】で述べるグローブボックス及びセル用の超臨界条件用の試験装置の設計を進めている。
全アクチニド一括分離システム全体の概念は図１に示したが， これらのプロセスについて主要プロセス条件の検討，設備構成の検討，工程系統図の作成及び物質収支の検討を実施した。
主要プロセス条件の検討においては，これまでの知見に基づいて主要プロセス条件を運転圧力26MPa，運転温度60℃，TBP飽和度，硝酸利用率をそれぞれ80%と設定し，基本モデルのプロセスフローシートを基に洗浄，逆抽出のフローシート構築を行った。設備構成の検討においては，再処理プラントの全体構成を明らかにした上で，全アクチニド一括抽出分離システムの中枢設備である直接抽出設備に必要とされる機能及び機器構成を明確にした。物質収支については，50tHM/年のプラントを基に評価し，機器サイズ等を決定した。これらはこれまでU，Puを回収対象として設計検討されてきたものと同様であり，実現可能な装置概念およびサイズの機器である。これにより基本的な成立性を有するプロセス概念であることが確認できた。
また，この概念を基本として【全アクチニド超臨界直接抽出実証】で述べるグローブボックス及びセル用の超臨界条件用の試験装置の設計を進めている。
(２）基礎物性データの取得
①分配係数の測定
分配係数の測定はこのプロセスの特徴である高塩濃度，高酸濃度領域においてU＋Pu＋Am試験及びU＋模擬FP試験を実施し，U，Pu, Amのアクチニドに加えて Ce，Eu，Nd，Zr，Ru, Re(Tcの模擬)，Moの分配係数を測定した。分配係数の測定データの例を図２，３に示す。また，これらの測定結果を元にシミュレーション計算に適用可能な実験式も作成した。
②流動性把握試験
プロセス構築で述べたように，このプロセスにはMA/Ln洗浄とU/Pu/Np逆抽出という二つの向流接触による工程がある。これを基礎試験用に送液量，有機相1cm3/min，水相1cm3/min程度という非常に小さい流量で実現する装置として堰によって多段化した小型洗浄・逆抽出器を想定し，その流動性の把握試験を実施した。
超臨界流体と硝酸溶液との向流接触可能範囲を測定した試験結果を図４に示す。
試験結果を元に装置として十分成立することが確認でき，その結果を設計へ反映した。
①分配係数の測定
分配係数の測定はこのプロセスの特徴である高塩濃度，高酸濃度領域においてU＋Pu＋Am試験及びU＋模擬FP試験を実施し，U，Pu, Amのアクチニドに加えて Ce，Eu，Nd，Zr，Ru, Re(Tcの模擬)，Moの分配係数を測定した。分配係数の測定データの例を図２，３に示す。また，これらの測定結果を元にシミュレーション計算に適用可能な実験式も作成した。
②流動性把握試験
プロセス構築で述べたように，このプロセスにはMA/Ln洗浄とU/Pu/Np逆抽出という二つの向流接触による工程がある。これを基礎試験用に送液量，有機相1cm3/min，水相1cm3/min程度という非常に小さい流量で実現する装置として堰によって多段化した小型洗浄・逆抽出器を想定し，その流動性の把握試験を実施した。
超臨界流体と硝酸溶液との向流接触可能範囲を測定した試験結果を図４に示す。
試験結果を元に装置として十分成立することが確認でき，その結果を設計へ反映した。
【全アクチニド超臨界直接抽出実証】
（１）常圧条件下での未照射MOXを用いた直接抽出試験
H18年度までに常圧条件下での未照射MOX直接抽出試験に使用する装置を，過去行ったグローブボックス試験及びセル試験の経験と使用するグローブボックスの取り合い点を考慮して装置構成を固め，モックアップ試験を実施した。H19年度はこの装置を用いて直接抽出試験を実施し，U, PuとともにAmが抽出される条件を得た。U，PuともにAmが抽出された試験の結果を図5に示す。この条件をもとに超臨界条件での試験を平成20年度以降に実施する。
H18年度までに常圧条件下での未照射MOX直接抽出試験に使用する装置を，過去行ったグローブボックス試験及びセル試験の経験と使用するグローブボックスの取り合い点を考慮して装置構成を固め，モックアップ試験を実施した。H19年度はこの装置を用いて直接抽出試験を実施し，U, PuとともにAmが抽出される条件を得た。U，PuともにAmが抽出された試験の結果を図5に示す。この条件をもとに超臨界条件での試験を平成20年度以降に実施する。
（２）超臨界条件下での未照射MOXを用いた直接抽出試験
直接抽出性能及び逆抽出，洗浄の実証のための，未照射MOX燃料を用いた超臨界条件下の直接抽出試験を行うに当り，前例のない環境下での試験装置の性能，作動性などを事前に確認するために事前検証試験装置を製作し，事前検証試験を実施した。
設計においてはプロセス，安全，配置･配管に関する詳細設計の他，安全設計として直接抽出塔での超臨界CO2の流量低下または停止に伴うTBP硝酸錯体の温度上昇（要件：反応熱等によりTBP硝酸系での安全温度である135℃を超えないこと。），バルブや蓋の誤開，漏洩（要件：グローブボックス内に設置する機器であるため，CO2の放出時の負圧が維持されること。）などを設計基準事象として選定して検討し，安全上問題がないことを確認した。
事前検証試験ではコールド試薬を用いた試験の他，グローブによる操作性，保守性などを含む。この試験により，改良点など実機設計への反映事項を摘出した。装置に根本的及び大きな問題点がなく，成立しており，十分試験機能を果たすことが確認できた。
H19年度にはグローブボックスに設置する試験装置の詳細設計を進め，製作を行っている。
直接抽出性能及び逆抽出，洗浄の実証のための，未照射MOX燃料を用いた超臨界条件下の直接抽出試験を行うに当り，前例のない環境下での試験装置の性能，作動性などを事前に確認するために事前検証試験装置を製作し，事前検証試験を実施した。
設計においてはプロセス，安全，配置･配管に関する詳細設計の他，安全設計として直接抽出塔での超臨界CO2の流量低下または停止に伴うTBP硝酸錯体の温度上昇（要件：反応熱等によりTBP硝酸系での安全温度である135℃を超えないこと。），バルブや蓋の誤開，漏洩（要件：グローブボックス内に設置する機器であるため，CO2の放出時の負圧が維持されること。）などを設計基準事象として選定して検討し，安全上問題がないことを確認した。
事前検証試験ではコールド試薬を用いた試験の他，グローブによる操作性，保守性などを含む。この試験により，改良点など実機設計への反映事項を摘出した。装置に根本的及び大きな問題点がなく，成立しており，十分試験機能を果たすことが確認できた。
H19年度にはグローブボックスに設置する試験装置の詳細設計を進め，製作を行っている。
（３）超臨界条件下での使用済燃料を用いた直接抽出試験
使用済燃料を用いた超臨界条件下での直接抽出試験についても同様に，事前検証試験装置を製作して事前試験を実施した。マニュピュレータによる操作性，保守性などを確認し，改良点など実機設計への反映事項を摘出した。事前検証試験の状況を図６に示す。
セル内に設置する試験装置の設計には上記の事前検証試験の結果を反映するとともに，使用済燃料を用いた超臨界直接抽出試験を実施する既設ホット試験施設（ホットセル）における安全性や遠隔操作性の観点から，搬入，設置する試験装置とのインターフェース等に関する検討も実施している。
遠隔操作性に関する検討としては使用済燃料の直接抽出試験の流れ図及び作業実施項目を作成し，遠隔操作性を考慮した装置仕様の検討に反映させた。下記項目のセル内作業について作業方法及び手順をまとめ，装置仕様検討に反映させた
これらの結果を反映して，現在セル内に設置する装置を製作中である。
なお，使用済燃料超臨界直接抽出試験では，ホットセル内への新たな装置設置およびセル貫通プラグの変更があることから，核燃料使用許可変更申請及び施設検査受検が必要となる。本作業では，上記試験装置のホットセル内への設置に必要な許認可手続きおよび施設検査受検準備作業を実施し，必要な許認可を取得している。
使用済燃料を用いた超臨界条件下での直接抽出試験についても同様に，事前検証試験装置を製作して事前試験を実施した。マニュピュレータによる操作性，保守性などを確認し，改良点など実機設計への反映事項を摘出した。事前検証試験の状況を図６に示す。
セル内に設置する試験装置の設計には上記の事前検証試験の結果を反映するとともに，使用済燃料を用いた超臨界直接抽出試験を実施する既設ホット試験施設（ホットセル）における安全性や遠隔操作性の観点から，搬入，設置する試験装置とのインターフェース等に関する検討も実施している。
遠隔操作性に関する検討としては使用済燃料の直接抽出試験の流れ図及び作業実施項目を作成し，遠隔操作性を考慮した装置仕様の検討に反映させた。下記項目のセル内作業について作業方法及び手順をまとめ，装置仕様検討に反映させた
これらの結果を反映して，現在セル内に設置する装置を製作中である。
なお，使用済燃料超臨界直接抽出試験では，ホットセル内への新たな装置設置およびセル貫通プラグの変更があることから，核燃料使用許可変更申請及び施設検査受検が必要となる。本作業では，上記試験装置のホットセル内への設置に必要な許認可手続きおよび施設検査受検準備作業を実施し，必要な許認可を取得している。
【周辺技術の開発】
超臨界条件下の未照射MOXの直接抽出試験において多数のサンプルをとることは困難であることから，サンプル分析の補完を兼ねてリアルタイムで測定可能な多系列分光光度分析装置を開発している。
分析の可能性について検討し，一般製品の光路長（0.1〜1.0 cm）の光学セルで全ての系統液のPu，U及びU，Pu溶液を除いた系統液のAmに対応できることが明らかとなった。これに合わせて多系列分光光度分析装置を製作し，機能確認を行い，試験に使用が可能であることを確認した。装置多系列分光光度分析装置の系統図を図７に示す。
超臨界条件下の未照射MOXの直接抽出試験において多数のサンプルをとることは困難であることから，サンプル分析の補完を兼ねてリアルタイムで測定可能な多系列分光光度分析装置を開発している。
分析の可能性について検討し，一般製品の光路長（0.1〜1.0 cm）の光学セルで全ての系統液のPu，U及びU，Pu溶液を除いた系統液のAmに対応できることが明らかとなった。これに合わせて多系列分光光度分析装置を製作し，機能確認を行い，試験に使用が可能であることを確認した。装置多系列分光光度分析装置の系統図を図７に示す。
