原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

液体Gaを用いた高効率マイナーアクチノイド分離回収技術の開発

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では従来の湿式再処理技術とは全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の適用が検討されている。乾式プロセスは工程が単純であり高い経済性が期待されるとともに、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。
　これまでにカドミウム(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]。本事業では、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た。

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(再委託先: 国立大学法人京都大学)
　トレーサー量のAm、希土類元素(Eu、Ce)を含んだ液体Ga/溶融塩系試料に還元剤(Li)、酸化剤(GaCl₃)を加え、平衡状態での液体Ga相と溶融塩相中の各元素の濃度を測定し、Am と希土類の分配係数とGa中の還元剤(アルカリ金属)濃度の関係を導出した。また、分配係数の比である分離係数を計算した。液体Ga/塩化リチウム-塩化カリウム(LiCl-KCl)共晶溶融塩系(773K)におけるAmとEuの分離係数は780、AmとCeの分離係数は8であり、これらの値はCdを用いた系における値と同程度である。ただし、Amの分配係数は、試料の一部が酸化物または酸化塩化物と考えられる沈殿を生成し、系内に溶解しなかったために誤差を含んでいる可能性がある。液体Ga/塩化ナトリウム-塩化カリウム(NaCl-KCl)混合溶融塩系(〜1073K)における実験では、試料中に共存させた金属が分配係数の測定値に影響を与える現象が確認された。酸化物イオンのスカベンジャーとしての能力が高い金属であるCeとZrの両方を共存(共存金属の重量はトレーサー核種の重量の7500倍以上)させた場合(図1のRun No.5と6)には他の場合(図1のRun No.1〜4)に比べAm とCeの分配係数が3桁程度大きくなり、CeとZrの両方を共存させ塩中の酸化物イオン濃度が小さい系([O^2-]/molkg^-1<10^-4.99と推定)におけるAmとCeの分離係数は約30と評価された。いずれの液体Ga/溶融塩系においても溶融塩中の酸化物イオンが分配係数に影響を及ぼすことが示唆された。

(2) 液体Ga中のMA及びFP基礎物性試験
　起電力法により液体Ga中のCe及びAmの活量を測定し、活量係数を導出した。活量係数は温度上昇とともに大きくなり、723KにおけるCe及びAmの活量係数は10^-13±1及び10^-9±1であることがわかった(図2)。また、活量係数の比較より、CeはCd中よりもGa中で安定化することが示唆された。液体Ga中のCeの飽和溶解度は温度上昇とともに大きくなり、723Kにおいて0.4±0.1at%であることを示した。この値及び温度依存性は液体Cd中での挙動と類似していることが判明した。

(3) 分配挙動試験
　空気雰囲気グローブボックス内にICP発光分析装置を設置し、溶融塩及び液体金属試料中のCeなどの希土類元素及びAmの定量分析を同一の試料を用いて行うことを可能とした。LiCl-KCl共晶溶融塩と液体Ga 及び還元剤(Li)を用いてマクロ量のMA と希土類の分離回収試験を実施した。等モル量のAm塩化物及びCe塩化物(塩相中の重量比はそれぞれ0.022及び0.015wt%)を含んだLiCl-KCl共晶溶融塩と液体Ga 及び還元剤(Li)を用いて773Kにおいて実施したマクロ量のAm とCeの分離回収試験の結果、分配係数は液体Ga/LiCl-KCl共晶溶融塩系(773K)におけるトレーサー量での分配挙動試験と同程度の値が得られ、分離係数を約10と評価した。

(4) プロセス検討
　金属燃料及び酸化物燃料の再処理における液体Gaを用いたMA分離回収プロセスの概念構築及び基本的な設計を行った。ここで、分離回収したMAを含んだ液体GaからのMA回収方法は、金属燃料については固体電極への電解回収法、酸化物燃料については塩相への逆抽出後に酸化物沈殿とする方法とした。本事業で取得した基礎データに基づいて抽出段数などを検討し、使用する溶融塩、液体Ga、還元剤等の物量を評価した。評価基準は高速増殖炉サイクルの実用化戦略研究フェーズIIの公表結果[2]とした。高速増殖炉用金属燃料サイクルにおける電解回収工程後の溶融塩からのMA回収プロセスに液体Gaを使用する場合、本研究で得られたAmとCeの分離係数(30)を用いた計算により、抽出段数が2段でアクチノイドの回収率が99%以上、希土類元素の混入率が20から30wt%程度となることを示した(この際、AmとCe以外の希土類元素の分離係数はCd及びBi系の報告における分離係数に見られる系統性を用いて推定した)。さらにGa中の金属元素の溶解度の推測値(773Kにおいて1at%)等を用いて物量評価を行い、燃料再処理施設におけるセル容積及び使用する液体金属量及び価格を算出し、液体Cdを用いた場合と同程度のMA分離回収プロセスが成立する可能性があるという結論を得た。

(5) 総合評価
　Am及びCeを用いた基礎試験によって液体Ga/溶融塩系においてMAと希土類の分離が可能であることを、プロセス検討によってMA分離回収プロセスの成立性を確認した。また、773KでのGa中のAm及びCeの活量係数の比が1073Kで報告されているPuとCeの活量係数の比[3]よりも2桁程度小さいことが、本研究で得られたAm/Ce分離性能がPuとCeの活量係数の比[3]から予想される値よりも小さいという実験結果の主な原因であることを示した。

図1 液体Ga/NaCl-KCl系における分配係数

図2 液体Ga中の金属元素の活量係数

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実証を目指した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] 「高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究フェーズII技術検討書−(2)燃料サイクルシステム―」JAEA-Research-2006-043 (2006).
[3] D. Lambertin et al., J. Nucl. Mater., 341, pp.131-140 (2005).
[4] A. Laplace, J. Finne, O. Conocar, S. Delpech, J. Vermeulen, L. Blairat, G. Picard, E. Walle, J. Lacquement, Proceedings of 9th OECD/NEA Information Exchange Meeting on Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation, p.289-298(2007).
[5] V.A. Lebedev, Atomic Energy, 47, pp.731-733 (1979).