原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

液化ガスを媒体とする使用済燃料からのアクチニド抽出法の開発

１．研究開発の背景とねらい

　本事業では液化ガスを媒体とすることにより，使用済燃料からアクチニドを抽出する新しい方法を開発することを目的とする．具体的には，使用済燃料を液化二酸化窒素で酸化物から硝酸塩に転換した後，液化炭酸ガス中に溶解したリン酸トリブチル（TBP）により， アクチニドを選択的かつ一括して抽出する技術を開発する．本事業で媒体として用いる二酸化窒素は常圧での沸点が294 Kと低く，常温付近で温度変化をさせることで，液体から気体へと自由に変化させることができる．したがって，密度の高い液体の二酸化窒素中で酸化物を硝酸塩に転換したのち，減圧もしくは昇温させることで生成する硝酸塩と媒体かつ反応物である二酸化窒素の分離が可能となる．一方，二酸化炭素についても，臨界点が304 K，7.38 MPaと比較的低く，この臨界点付近で温度と圧力を制御することで，密度の高い液体もしくは超臨界状態での抽出や気化による分離が容易となる．このように，僅かなエネルギーで温度や圧力を調整することで相変化を起こすことができる液化ガスの特長を最大限に利用し，現在の湿式の再処理法を乾式に近い状況で行う．
　本研究では，ウラン及びランタニドの酸化物を模擬燃料として使用し，これらを液化二酸化窒素を媒体として硝酸塩へ転換する技術および液化二酸化炭素等の媒体中での硝酸塩からの金属抽出後の相互分離技術の開発を，平成17〜19年度の3年間で行なった．

２．研究開発成果

２．１硝酸塩転換技術の開発
　硝酸塩転換技術の開発については，二酸化ウランを出発物質として，三酸化ウランに酸化した後，二酸化窒素と接触させることで硝酸ウラニルを生成できることを明らかとした(図1）．出発試料の形状が前段階の酸化反応に大きく影響することが明らかとなった．後段の硝酸塩転換では，二酸化窒素を液体の状態で保つことで，三酸化ウラン1.2 gについても100%転換できることを確認した．また，ランタニドの酸化物等を含む模擬ウラン燃料ペレットを用いた場合，ウラン以外の元素，ストロンチウム，ジルコニウム，セリウム，ネオジムも硝酸塩転換されることが明らかとなった(表1および2)．セリウムは4価であることから，プルトニウムの模擬物質として用いているが，この結果より，燃料中に含まれるプルトニウムについても硝酸塩転換が可能となると考えられる．

２−２．アクチニド抽出・分離技術の開発
　アクチニド抽出・分離技術の開発では，TBP硝酸ウラニル，TBP硝酸ネオジム，TBP硝酸セリウムの20，40，60℃における二酸化炭素への溶解度データを得た(図2)．この溶解度データを基にTBP硝酸ウラニル，TBP硝酸ネオジム，TBP硝酸セリウムの抽出・分離について検討を行った結果，抽出に関しては元素による抽出速度の影響はなく，一方，分離については溶解度データから予測される分離係数が得られることを明らかとした．

２−３．プロセスの検討
　プロセスの検討では，図3に示す装置を用いて模擬ウラン燃料ペレットの硝酸塩転換および抽出・分離の一連の化学操作を行い，問題なく操作を行うことができた．分離係数を求めたところ，モリブデン，ルテニウム，パラジウム，ストロンチウムについては高い値が得られ，一方，ジルコニウム，ネオジムについては低い値となったが，いずれの元素についても溶解・抽出残渣もしくは液相の濃度が高くなることが確認できた(図4)．これらの結果より，気相を回収して得られるセリウムとウランの純度を向上できることを明らかとした．

３．今後の展望

　本研究結果より，本提案法による使用済み燃料からのアクチニドの回収が可能であることが明らかとなり，従来のPUREX法と比較して，水，ドデカン等の溶媒を用いないことから，放射性廃液の大幅削減ならびに設備簡略化が可能となると考えられる．また，超臨界二酸化炭素を抽出媒体に用いたSUPER-DIREX 法^1-3)と比較しても，SUPER-DIREX 法の有するC-14 の工程内蓄積の問題や使用済燃料や硝酸とTBP が長時間接触することによる有機劣化生成物による工程全体の安全性低下に関わる問題も解決が可能となると考えられる．

４．参考文献

1) 三菱重工業株式会社他，平成14年度革新的実用原子力技術開発提案公募事業成果報告書，平成15年3月．

2) 三菱重工業株式会社他，平成15年度革新的実用原子力技術開発提案公募事業成果報告書，平成16年3月．

3) 三菱重工業株式会社他，平成16年度革新的実用原子力技術開発提案公募事業成果報告書，平成17年3月．