原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
抽出クロマトグラフィ法によるMA 回収技術の開発
（研究代表者）駒 義和 東海研究開発センター 核燃料サイクル工学研究所
（再委託先）国立大学法人東京工業大学
１．研究開発の背景とねらい
高速増殖炉サイクル実用化研究開発において、再処理システムの革新技術の一つとして抽出クロマトグラフィ法の研究開発を進めている。本事業では、工学規模（処理量10kgHM/h の再処理プラントから発生する高レベル放射性廃液（HLLW）の処理を想定）におけるマイナーアクチニド (MA、Am とCm を指す) 回収技術について、分離回収プロセス、分離塔を中心とした装置及び関連する遠隔運転保守技術を開発し、その基本性能を確認することを目的として、下記の項目を実施している。
(1)アメリシウム及びキュリウム回収用抽出クロマトグラフィ塔の開発
高速増殖炉サイクル実用化研究開発において、再処理システムの革新技術の一つとして抽出クロマトグラフィ法の研究開発を進めている。本事業では、工学規模（処理量10kgHM/h の再処理プラントから発生する高レベル放射性廃液（HLLW）の処理を想定）におけるマイナーアクチニド (MA、Am とCm を指す) 回収技術について、分離回収プロセス、分離塔を中心とした装置及び関連する遠隔運転保守技術を開発し、その基本性能を確認することを目的として、下記の項目を実施している。多孔性SiO2 粒子にポリマーを被覆した担体（SiO2-P）に抽出剤を担持した吸着材を用いる。5 種類の抽出剤（下記）を候補として、分離性能、安全性、使用後の処理方法に関する基礎的なデータを収集する。
- n-octyl(phenyl)-N,N-diisobutylcarbamoylmethylphosphine oxide (CMPO)
- N,N,N'N'-tetraoctyl-3-oxapentane-1,5-diamide (TODGA)
- 2,6-bis(5,6-dialkyl-1,2,4-triazine-3-yl-pyridine (R-BTP、アルキル基（R-）としてiso-hexyl 基を有するもの）
- bis(2-ethylhexyl)hydrogen phosphate (HDEHP)
- tetrakis(alkylpyridylmethyl)ethylenediamine (TRPEN)
さらに、各吸着材を用いたMA 回収フローシートを構築し、分離回収性能を評価する。これらを総合的に評価し、最適なMA 回収フローシートを選定する。
②要素機器開発
工学規模相当の寸法を有する分離塔を中核とする要素試験装置を製作し、分離塔内における液体、固体、気体の流動性、温度制御性等の安全性評価、耐久性に関する試験を行う。要素試験装置は、分離塔、要素試験システム及び試験用計装システムから構成する。
(2)クロマトグラフィ塔の遠隔運転保守技術の開発
①遠隔運転保守技術の開発
吸着材交換等のメンテナンス方法について、遠隔操作性の観点から考慮すべき点及びその対策を検討し、試験によりその有効性を確認する。また、自動運転を考慮した制御システム、異常事象を検知及び抑制するための計装制御システムを検討する。
②工学規模機器開発
工学規模での基本性能を評価するための工学規模試験装置を設計・製作し、安全性及び遠隔運転保守性に関わる基本性能の確認・評価試験を実施する。
平成18 年度からこれまでに得られている研究開発成果のうち、平成20 年度に得た成果を中心に概要を紹介する。
２．研究開発成果
２.１ アメリシウム及びキュリウム回収用抽出クロマトグラフィ塔の開発
図中の溶液組成は、ガンマ線照射において浸漬していた溶液を示す。
(i) 吸着材分離性能比較評価
MA とランタニド (Ln) 回収を目的としたTODGA 吸着材、並びにMA/Ln 分離を目的としたTRPEN吸着材について、硝酸溶液中における代表的な核分裂生成物（FP）、TRU 元素等の吸着挙動や溶離挙動を調べた。
TODGA 吸着材については、HLLW の模擬液からAm、Cm 及びLn を吸着して他のFP と分離し、水により溶離することを確認した。TRPEN 吸着材については、硝酸イオンを含む弱酸性 (pH 4.5)の溶液からAm 及びCm を吸着し、Ln を先に溶離することにより相互分離の可能性を確認した。図１にクロマトグラムを示す。
(ii) 吸着材安全性評価
TRPEN 吸着材について、耐硝酸性、耐放射線性、耐熱性を調べるため、吸着材を硝酸溶液と接触、または硝酸溶液と接触させながら高線量γ 線を照射し、抽出剤の溶出量及び劣化度（吸着性能の変化）を測定した。さらに、硝酸及び放射線により劣化した吸着材の熱分析を行い、吸着材の熱的安定性を調べた。
吸着材から硝酸溶液への溶出は、浸漬時間並びに硝酸濃度とともに増加する。γ線照射が吸着容量に与える影響は、図2 に示すように他の吸着材と異なり低下する傾向は認めらなかった。TRPEN 吸着材は未使用の場合に220 ℃位から質量が減少する。硝酸もしくはγ線に曝露することにより、140 ℃位から分解が開始する。270 ℃近傍にみられる発熱ピークは、曝露により強度が減じられた。
(iii) 使用済吸着材処理方法検討
TODGA 吸着材及びR-BTP 吸着材について、使用済吸着材の洗浄方法、洗浄後の抽出剤及びポリマーの分解方法、さらに、回収したSiO2-P 担体の再利用の可能性を評価した。また、溶出する抽出剤の回収方法を検討した。
使用済吸着材からの抽出剤洗浄については、アセトン及びジクロロメタンが優れており、50℃程度の高温において洗浄率が高い。洗浄後の抽出剤及びポリマーの分解については、800℃までの温度にて分解が可能であることを確認した。また、それぞれの抽出剤を再び含浸した再生吸着材を調製し、吸着容量を調べた所、再生TODGA 吸着材は未使用のものと同等の吸着性能を有するが、再生R-BTP吸着材は3 分の1 程度に低下することを確認した。
溶出した抽出剤の回収については、SiO2-P 及び活性炭を用いた回収は困難であった。
(iv) MA 回収フローシート構築
分離回収の目標を達成するよう、各吸着材の特徴に配慮したフローシートを構築・設定した。MA-Ln 回収工程及びMA/Ln 分離工程から成る2 サイクルのシステムを対象として、CMPO とTODGA吸着材をMA-Ln 回収に、また、HDEHP、R-BTP 及びTRPEN 吸着材をMA/Ln 分離にそれぞれ用いるフローシートに基づき、カラム法によるコールド試験を行った。MA を回収する条件、FP を除染する条件を確認することができた。
(i) 安全性評価試験
分離塔に充填する吸着材は可燃物を含み、また、放射線分解により水素が発生することから、火災・爆発安全が重要である。供給液に含まれる固体微粒子等により分離塔が閉塞すると、放射性物質の崩壊熱による温度の上昇を招く。このような事象の抑制を目的として、模擬物質を使った閉塞挙動の把握に関する試験、閉塞を想定した分離塔充填層の温度上昇に関する試験を行った。
ステンレス鋼 (SUS) 等の模擬粒子を含む水を小さなカラム（φ20 mm×h150 mm）に送り、蓄積の様子と圧力の変化を観察した。SUS 粒子は、図3 に示すように、カラム上部のフィルタと充填層の上部に蓄積した。流れの乱れを表す見かけの理論段高さは、圧力による変化は認められず、閉塞した場合にあっても充填層の内部は健全であることが分かった。
粒子の蓄積に伴い、圧力が上昇する。平均粒径5μm の粒子を供給した場合の圧力変化を図4 に示す。圧力の変化は、粒子径に依存し、粒子径が大きいと圧力の変化がより大きくなる。供給液を清澄して大きな粒子を十分に取り除くとともに、圧力を監視して閉塞に至る前に処置する運転方法が必要である。
供給した水の粒子密度：0.7 g/L
供給した水の粒子密度：0.7 g/L
保温ジャケット：21℃もしくは50℃
(ii) 耐久性確認試験
要素試験装置を用いた耐久性試験のため、CMPO 吸着材を調製し、所定の吸着容量を有することを確認した。
２．２ クロマトグラフィ塔の遠隔運転保守技術の開発
(i)遠隔操作性検討・試験
高レベル放射性溶液を取り扱うので、運転、保守、補修を遠隔操作にて行う必要がある。分離塔の性能を維持するために日常的に実施する維持・管理項目及び異常時に必要となる遠隔運転保守を整理した。
通常操作時の手順、設備を維持・管理するための検査方法・場所・頻度・考慮事項及び対策については、遠隔機器を用いた遠隔操作が必要となる作業は、抽出剤回収塔内の吸着材ユニット交換作業及びバルブ、ポンプ及び分析装置の交換作業に限定しうることを確認し、併せて操作時に必要となる装置類等を明らかにした。
異常時に必要となる遠隔運転保守については、閉塞、分離性能の低下、破損・漏えい及び火災・爆発の4 つの事象を対象に検討した。分離塔における閉塞時の洗浄、吸着材抜出、分離塔交換等の作業手順等、各事象が発生した際の保守作業を具体化し、各機器及び施設に必要となる設備を整理した。
(2)工学規模機器開発
平成19 年度に実施した工学規模試験装置の構造検討結果に基づき、工学規模試験装置を製作した。工学規模試験装置は、10kgHM/h の再処理プラントにおけるHLLW 処理量（約750L/d、実用規模の1/4 相当）を模擬した試験装置である。安全の確保に係わる機構、遠隔運転に必要な吸着材の充てん・抜き出し機構などを備えるものとし、溶液の供給槽や貯留槽を含めたシステムとした。
製作に先立ち、工学規模試験における評価項目を満足するための装置構成や分離塔を遠隔交換するための構造について具体化し、工学規模試験装置の系統図を作成するとともに、遠隔操作による吸着材及び分離塔自体の交換を可能とする分離塔構造を決定した。図6 に工学規模試験装置の系統を示す。
３．今後の展望
図6 工学規模試験装置の系統
プロセス開発については、各吸着材の分離性能評価、安全性評価、及び使用後の処理方法検討を完了し、トレーサー濃度のAm 及びCm を用いる分離回収試験を行い、これらのデータを基に最適なフローシートを選定する。
要素機器開発については、放射線による水素の発生率に関するデータを実験的に求めるとともに、繰り返し操作を行う観点からの耐久性について調べ、これまでに得た成果と合わせて、分離塔を中心とする基本システムを取りまとめる。
遠隔運転保守技の開発については、これまでの成果を基に、実用的と考えられるメンテナンス方法、自動運転を考慮した制御システム等を取りまとめる。工学
規模機器開発については、安全性及び遠隔運転保守性に関する試験を行い、この結果を基に実用システムの構想を取りまとめる。
全体を総合して、プロセス、機器、遠隔、工学までの一連のシステムについて実用に最も近いシステムを提案する。
