原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

乾式再処理廃塩からのマイナーアクチニド回収に関する研究開発

１．研究開発の背景とねらい

　本事業では、乾式再処理技術で発生する廃塩から、マイナーアクチニドを回収し高速炉の燃料に用いるアクチニドリサイクル及び希土類元素等の核分裂生成物を取り除き塩の再利用を可能とした、燃料の有効利用及び廃棄物の大幅な減容による環境負荷低減に資するため、廃塩からの核分裂生成物、マイナーアクチニドの除去技術及び高純度マイナーアクチニド回収技術の成立性検討を実施した。
　提案した方法は、乾式再処理技術の廃塩処理及びマイナーアクチニドの分離・回収に湿式分離の概念を応用するものである。提案した分離システムの概念図を図1 に示す。乾式再処理で発生する廃塩を溶解し、廃塩に含まれるSr, 希土類元素(RE)、マイナーアクチニド(MA)をピリジン樹脂を充填したカラムを用いて分離し、LiCl-KCl を精製すると共に、MA をRE 等から分離して、回収するものである。本法では分離に用いた溶液は回収して再利用でき、ピリジン樹脂は繰り返し利用が可能であることから廃棄物発生量が極めて少なく、また、本法は樹脂を用いることから、比較的コンパクトなプラント設計が可能となると予想される。
　本法は分離媒体として図２に示すようなピリジン樹脂を用いる。ピリジン樹脂は六員環の中に窒素が入った構造を持っており、この構造が物理的・化学的に重要な特長を持たせている。物理的には耐放射線性の強さであり、その構造より放射線により結合が切られ窒素が外れることが少ない。特に塩酸溶液系での耐放射線性は強く、10MGy のCo-60 のγ 線照射でも放射線の影響による吸着容量の低下が5%程度であり、極めて強い耐放射線を示す。化学的には、ピリジン基はソフトドナー抽出剤としての機能と弱塩基性陰イオン交換樹脂の機能を持っている。この二つの機能を有効に活用することによって、廃塩からのMA 回収等、本法での目的が達成できると考えている。
　今回は平成１８年度から平成２０年度までの３ヵ年の研究結果について記述する。

２．研究開発成果

　アルカリ金属元素(AM;Li, K, Rb, Cs)、アルカリ土類元素(AE;Sr)、RE の塩酸-メタノール混合溶液中でのピリジン樹脂への吸着特性として分配係数を図3 に示す。メタノールの添加量が増えるにつれ吸着量が増大し、メタノールが60%の時に最大となり、更に割合が増えると減少する傾向が全ての核種で観測された。AM の分配係数は、いずれの溶媒組成においてもそれほど大きな値を示さないが、吸着量の大きな元素がメタノール濃度を変えることにより変わることを発見した。つまり、メタノールの比率が40％程度までではLi が最もよく吸着しているが、50％を超えるとKの吸着量が大きくなる。AE、RE については、AM よりも大きな分配係数を持ち、RE > AE > AM の順番で、メタノールの添加量を変えても変わらない。Li, K とのSr, RE との分離に関してはメタノール添加率30%でSr との分離(分解能)が、50%でRE との分離が最大になることを確認した。MAと他の元素の分離は塩酸-メタノール混合溶液で完全に達成できることを確認した。
　次に、廃塩水溶液を用いた時のAM、AE、RE、MA のピリジン樹脂への吸着特性について調査した。吸着は、塩化物濃度が5M を超えるあたりから観測され、吸着の大きさはMA ≫ RE > AE ≧ AM の順であり、この傾向は塩酸-メタノール混合溶媒系と同じある。しかしながら、REの元素間の吸着挙動は塩酸-メタノール混合溶液での順序と逆に軽い元素から溶離する結果が得られた。この結果はピリジン樹脂が配位子機能とイオン交換機能を持つことに由来し、溶液組成によりこの機能の発現が違うことから生じるものであると考えられる。両溶液間の比較としてMAとREの分配係数を図4に示す。なお、塩酸-メタノール溶液には本研究開発以外で行った重希土類の結果を含む。

　得られた基礎データを基にして廃塩処理システムとして廃塩の水溶液を着点し、塩酸-メタノール溶液で展開してLiCl-KCl塩の精製・MA分離を行い、最後に水でMAを洗い流して回収するというものである。廃塩水溶液はLiCl-KClが完全に溶けてピリジン樹脂に吸着する塩化物濃度5Mの条件とし、塩酸-メタノール溶液は最も分離条件の良いメタノール添加量30%の条件とする。MA含有模擬廃塩を用いてこのシステムに従い行った試験結果が図5に示すものである。イオン交換水で切り替えた部分をMA回収部とするとAmは99.0%、Cmは97.5%の回収率であり、MAの純度は99%以上であった。また、このシステムを基に想定される廃塩発生量を処理するのに必要なプラントについて検討した。その結果、直径71cm, 高さ2mのカラムで処理が可能であり、極めて小規模のものですむことを確認した。

この試験によりMA回収は完全に達成できることを確認したが、廃塩精製においてはCsがLiとKから分離できず、またSrの分離も完全ではないため、廃塩精製としては不十分であることが確認された。そこで廃塩精製として陽イオン交換によるシステムを提案し、図6のようにピリジン樹脂と組み合わせる手法を提案した。本法はまだ開発の必要があるが、現時点でLiについてはほぼ純粋なものが得られる条件を見出している。

３．今後の展望

　提案した複合システムの成立性等の実際のプラントを想定した研究開発を更に行う予定である。また、ゼオライト吸着法などとの他法との比較評価を今後進める予定である。