原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

フッ化技術を用いた自在性を有する再処理法に関する研究開発

１．研究開発の背景とねらい

図１　FLUOREX法のコンセプトフロー

図２　実施内容と開発分担

　本事業では、軽水炉サイクルから高速炉サイクルへの移行期を主な対象とし、移行期に発生する各種の使用済燃料(軽水炉、プルサーマル、高速炉)を共通に処理出来る自在性に富んだ再処理法としてフッ化物揮発法と溶媒抽出法から構成される再処理法(以下、FLUOREX法、図１)を開発中である。FLUOREX法は脱被覆後の使用済燃料にフッ素を作用させ、Uの大部分を揮発性のフッ化物に転換し、高精製度の回収UF₆とし、再濃縮や貯蔵への対応を容易にすると共に、Puは残余のUと共に固体フッ化物として回収し、酸化物に転換後、溶媒抽出法で精製し、高精製度のMOXを得る再処理法である。
　本事業では、これまでのUフッ化特性の把握等の各種開発成果[１]を踏まえ、①FLUOREX法の主要ポイントの一つである高精製度UF₆の回収を行うためのU精製法の確立、②酸化物転換系の最小工学規模試験による技術確立、③実用上重要な乾式法(フッ化物揮発法)と湿式法のインターフェイスでの課題である微量フッ素持込の影響評価、を行いFLUOREX法の技術確立をめざすことを目的として平成20年度から平成22年度までの3ヶ年計画で実施している(図２)。平成20年度は主として、試験装置の整備等の試験準備を実施し、平成21、22年度は、U、模擬FP、模擬Pu、およびPuを用いた各種試験を実施する計画である。

２．研究開発成果

(１)UF₆精製技術の開発

図３　フレーム炉試験装置全景

図４　U精製法の検討

　FLUOREX法では使用済燃料にフッ素を作用させ、大部分のウランをUF₆ガスに転換して揮発分離する。分離したUF₆は微量同伴するPuF₆をPuトラップであるUO₂F₂トラップで除去したのち、U精製系で同伴する揮発性FPを固体吸着剤を用いた吸着塔で吸着除去し、高精製度まで精製する。UF₆精製試験を行うために、前公募研究(平成16〜19年度文部科学省革新的原子力システム技術開発公募事業)において製作、使用したフレーム炉試験装置(最小工学規模；500gU/hr規模)を活用し、本試験を実施するための吸着トラップ等を製造し、このフレーム炉試験装置に取付けた(図３)。試験装置は使用済燃料中で揮発性フッ化物を生成する元素(Nb、Mo、Tc、Ru、Sb、Te、Pu、Np)のうち取扱いが困難なPu、Np、Tc以外の元素を、Uならびに不揮発性FPフッ化物を生成する元素(Rb、Sr、Zr、Ce、Nd等で代表)と混合し、フレーム炉でフッ化した主成分UF₆の気体状のフッ化物のU精製系の各吸着トラップ(構築した乾式吸着剤法によるUO₂F₂、NaF、MgF₂、BaF₂吸着剤トラップ)での吸着性能が評価出来る装置とした(図４)。UF₆に同伴する主要な揮発性フッ化物の気体はUO₂F₂トラップでPu、Npが吸着除去され、NaFトラップでNb、Ru、Sbが、MgF₂でNb、Mo、Sb、Tc、Teが、さらにBaF₂でMoが吸着除去されると想定している。
　UF₆精製試験を実施するための試験装置の設計、製作、設置、並びに模擬物質等を用いた装置の機能確認試験を実施し、試験が可能であることを確認した。引き続き、U精製系の各吸着トラップ(UO₂F₂、NaF、MgF₂、BaF₂吸着剤、等)での吸着性能等を評価する試験を実施しており、高精製度のUF₆回収が可能なことを明らかとする予定である。また、PuトラップであるUO₂F₂吸着剤へのPuの吸着特性についてはロシアでの試験実施を準備中である。

(２)酸化物転換技術の開発

　FLUOREX法では、フレーム炉底部に残渣として残る不揮発性物質(U、Pu、FPのフッ化物)を酸化物転換工程にて酸化物に転換する。その後、硝酸への溶解工程を経た上で溶媒抽出によって処理する。フレーム炉からの残渣、並びにPuトラップからのUO₂F₂は、高温加水分解法を用いて酸化物に転換する。
　これまでの開発成果[１]を踏まえて、実機装置として想定されるロータリーキルンの最小工学規模の試験装置を製作し、小規模ボート炉試験結果から想定された酸化物転換条件をベースにU、模擬FPを用いた試験を行い、実機設計のための適正な転換処理条件の検討を行う計画である。平成20年度は、酸化物転換試験を実施するための回分式の小型ロータリーキルン試験装置(図５)の設計、製作および設置を行った後に、模擬物質としてフッ化物試薬を用いた機能確認試験を行い、試験装置として健全性および特性などを確認した。キルン本体は、回転制御可能な円筒炉心管および電気炉から成り、回転数0〜5rpmの範囲で可変、最高使用温度1000℃とした。水蒸気供給系は定量供給された水を全量気化することで、100%水蒸気を定量供給可能とした。オフガス処理系ではガス洗浄器に吸収液を張ったアルカリ洗浄瓶を設置し、試験中のHF濃度の経時変化から脱フッ素挙動の経時変化の確認を可能とした。
　引き続き、Uフッ化物、模擬FPフッ化物を用いた酸化物転換試験を実施中である。

図５　ロータリーキルン試験装置外観

(３)酸化物転換後回収物の湿式工程への影響評価

　FLUOREX法における湿式工程側の装置材料の腐食については、前段工程の酸化物転換後に残存するフッ素成分の持ち込みを考慮し、HNO₃-HF系の溶液条件で各種材料の腐食評価ならびに防食技術の検討を進めてきた[１]。その結果、材料側からの防食方法としてはNi-高Cr合金の適用が有望であり、SUS鋼に比べて大幅に腐食が抑制されることが実験的に示された。また、溶液側からの防食方法としてフッ素マスキング技術を提案した。溶液中の遊離F^-をマスキング剤により錯化させることで、F^-としての作用を無力化し、腐食低減を狙ったもので、ZrO(NO₃)₂をマスキング剤として利用することで、SUS鋼等に対して大幅な腐食抑制効果を示すことを明らかにした。
　一方、湿式工程の前段工程に配置される酸化物転換工程の開発成果から、酸化物転換後に残留する多くのフッ化物系化合物の化学形態はフッ化物(MF)でなく、オキシフッ化物(MOF)であることがわかってきた。そのため、より実際の系に近い形で装置材料の腐食を評価するため、このオキシフッ化物形態を溶解した溶液環境での腐食活性を評価を行った。硝酸溶液中にオキシフッ化物の試薬を溶解した環境で浸漬腐食試験(図６)を行い、フッ化物溶解条件で得られた腐食速度や材料表面状態と比較検討を行った。また、溶液中のF成分の分析を行うことで、腐食速度と溶液中F成分濃度の関係についても検討した。さらに、これまでにF^-共存硝酸溶液に対する有望な防食技術として検討を進めてきたフッ素マスキング技術を対象に、オキシフッ化物の溶解条件に対する有効性についても検討を行った。腐食試験の結果から、YbF₃とYbOFの溶解条件の比較では、YbOF溶解条件で約30%程度腐食速度が低下する傾向が得られ、フッ化物溶解条件よりもFLUOREX法での同伴が想定されるオキシフッ化物溶解条件の方がステンレス鋼の腐食環境はやや緩和される傾向を示した(図７)。
　引き続き、実機での条件を模擬するため、フッ素に加えて燃料溶解成分中の腐食促進種(Ru等)を含む、酸化物転換後の模擬溶解液中での腐食試験を実施中である。

図６　腐食試験状況

図７　添加F形態の影響

３．今後の展望

　３年間の事業の中間段階であり、これまでは試験装置整備の段階であったが、当初計画通りに進捗しており、今後、本格的試験実施に伴い有意義な成果を出していく考えである。

４．参考文献

[１]平成16〜19年度文部科学省革新的原子力システム技術開発公募事業「フッ化技術を用いた高経済性再処理法に関する技術開発」総合報告書、日立ＧＥニュークリア・エナジー(株)、平成20年3月