１．研究開発の背景とねらい

　将来における核燃料サイクルの有力な選択肢である高速増殖炉サイクルの研究開発方針では従来の湿式再処理技術とはまったく異なる概念の溶融塩及び液体金属等を溶媒として用いる乾式再処理技術を適用する「金属電解法」が｢副概念｣として選定されている。乾式プロセスは、工程が単純であり従来の湿式再処理プロセスに比べて経済性の向上が期待されている。また、プルトニウム(Pu)回収の際には長寿命で放射線毒性の強いマイナーアクチノイド(MA)を随伴するため、核不拡散性に優れている。Pu回収後の溶融塩にはMA及び核分裂生成物(FP)が含まれるが、これらを取り除くことによって溶融塩の再利用が可能となり、廃棄物量が低減される。さらにMAをFPと分離して回収し、高速増殖炉等によって核変換し短寿命の核種に変換することによって、地層処分における廃棄物量、潜在的有害度及び環境負荷の低減が期待できる。しかし、FPのうち希土類元素はMAと化学的性質がよく似ているため、高い回収率でMAを分離回収するのは容易ではない。
　これまで、カドミウム(Cd)やビスマス(Bi)等の液体金属を溶媒とし、リチウム等を還元剤として用いる液体金属抽出法によって、熱力学的特性の差を利用して溶融塩中のMAを希土類元素から分離回収できることが実験室レベルで実証されている[1]。しかし、高い回収率でMAを回収する際には希土類元素の混入は避けられない。そこで湿式法で採用されているような向流多段抽出法を採用することになるが、分離性能の高い液体金属を見出せば抽出段数を少なくすることができる。また、MAの溶解度が大きい液体金属を用いれば、使用する液体金属の量を少なくすることができるため設備をさらに小型化することができ、これによって経済性の飛躍的向上が期待される。液体金属抽出法では、液体金属相中及び溶融塩相中の元素の化学ポテンシャルの差に応じて二相に各元素が分配される。この際、液体金属中の化学ポテンシャルまたは活量係数の差が小さいほど分離係数は大きくなることが知られている[2]。液体ガリウム(Ga)中のPuと希土類元素であるセリウムの活量係数の差は他の液体金属中の場合よりも小さいことが報告されており[3]、液体Gaを液体金属抽出法に適用することにより、液体金属中及び溶融塩中における化学的性質がPuと類似しているMAと希土類元素の分離性能が向上することが期待される。
　本技術開発では、液体金属抽出法においてこれまで研究開発が行われてきたCdやBiより優れた性能を示す可能性のある液体金属であるGaの適用性を確認し、経済性の飛躍的向上が可能な乾式法による高効率MA分離回収プロセスの成立性を確認することを目的として、平成17年度から19年度までの3年計画で以下の4項目の技術開発及び総合評価を行う。(1)トレーサー量を用いた分配挙動基礎試験では、トレーサー量の希土類とMAを使用して溶融塩-液体Ga系の分配挙動を測定し、MA分離性能を概略評価する。(2)液体Ga中のMA及びFP基礎物性試験では、液体Ga中のMA及び模擬FP元素である希土類元素の溶解度及び活量を測定し、分配挙動試験とプロセス検討の基礎データとする。(3)分配挙動試験では、溶融塩と液体Gaを用いてマクロ量のMAと希土類の分離回収試験を行い、効率の高いMA分離回収を実証する。(4)プロセス検討では、上記の基礎データ及び文献調査結果を用いて、液体Gaを用いた液体金属抽出法によるMA回収設備の基本設計を行い、使用する溶融塩、液体Ga、還元剤等の物量を評価する。(5) 総合評価では、4項目の技術開発項目における成果、課題、進捗状況について整理し、本技術開発で得られた成果、明らかになった課題等を総合的に評価する。

２．研究開発成果

(1) トレーサー量を用いた分配挙動基礎試験
　試験の準備として電気炉を調整し加熱性能を確認するとともに、Ga中の金属元素の定量方法として放射線測定法と化学分離法の手順を確認した。また、液体Ga、塩化リチウム-塩化カリウム(LiCl-KCl)共晶溶融塩系(773K)において液体Ga中のリチウム金属濃度をパラメーターとしてMAと希土類の分配係数を測定した(図1）。さらに、MA分離性能の高い「液体Ga/溶融塩」系の探索のため、液体Ga、塩化ナトリウム-塩化カリウム(NaCl-KCl)共晶溶融塩系(1073K)においてMAと希土類の分配係数を測定中である。分配挙動は溶融塩中の酸化物イオン濃度に影響されることが示唆され、酸化物イオン濃度の制御が重要であることがわかった。
(2) 液体Ga中のMA及びFP基礎物性試験
　溶解度測定試験準備のため、Ga-Ce合金を硝酸を用いて水溶液中へ溶解する方法を確認した。また、希土類金属、希土類塩化物を含んだ塩化リチウム-塩化カリウム共晶溶融塩、Ga-希土類液体合金で構成された電池の起電力測定を、温度を変化させて行い活量を導出した。MAを用いた試験の準備のため、ホット試験施設において試料の加熱、起電力測定等のホット試料を用いる試験の測定手順を確認するとともに、塩化アメリシウム(AmCl₃)の調製など試料及び実験装置の準備を行った。調製した塩化アメリシウム試料の分析をX線回折法で行い、純度の高い試料であることを確認した(図2)。Ga-MA液体合金を含む電池の起電力測定をAm濃度及び温度を変化させて行い、液体Ga中のAmの溶解度及び活量を導出する。
(3) 分配挙動試験
　ホット試験施設において分配挙動試験のための測定手順を確認し、試料及び実験装置の準備を行うとともに、液体Ga及び溶融塩試料中の金属元素の定量分析方法を確認した。調製した塩化アメリシウム試料などを用いてマクロ量の希土類とAmの分離回収試験を行う。
(4) プロセス検討
　MA回収プロセス及び抽出機の文献調査及び液体Gaの物性値の調査を行い、それに基づいてプロセス及び抽出機の概念検討を行った。また、液体Gaを用いた液体金属抽出法によるMA回収設備の基本的な設計を行った。また、使用する溶融塩、液体Ga、還元剤等の物量評価の基準を定め、物量評価を行っている。

３．今後の展望

　MA分離性能の高い「液体金属/溶融塩」系の探索のために、さらに実験を行い、液体金属や溶融塩および温度などの条件の選定を進めるための基礎データを取得する。また、液体Gaのように融点が低く蒸気圧が低い液体金属を用いた再処理プロセスの構築を目指して研究を行う予定である。

４．参考文献

[1] K. Kinoshita et al., J. Nucl. Sci. Technol., 36, pp.189-197 (1999).
[2] V.A. Lebedev, Atomic Energy, 47, pp.731-733 (1979).
[3] D. Lambertin et al., J. Nucl. Mater., 341, pp.131-140 (2005).
[4] JCPDS-International Centre for Diffraction Data, PDF#71-2102.