原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

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ている。
　我々が提案している方法は、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。提案する分離システム全体の概念図を図1に示す。乾式再処理でウラン及びプルトニウムの回収を行なった後に発生する廃塩を溶解させ、その溶液をピリジン樹脂が充填されたカラムに通すことにより、廃塩からSr, 希土類元素(RE)、マイナーアクチニド(MA)を分離し、LiCl-KClを精製すると共に、マイナーアクチニドを希土類元素等から分離して、回収するものである。分離に用いた溶液は回収して再利用を行い、ピリジン樹脂は何度でも用いることが可能であることから、廃棄物の発生量が極めて少ないと予想されるのがこの方法の特徴的な点の一つである。また、湿式再処理でも樹脂を用いた方法であることから、比較的コンパクトなプラント設計が可能となる。本法では、分離媒体としてピリジン樹脂と塩酸系溶液を用いる。ピリジン樹脂は図2に示すように、六員環の中に窒素が一つ入った構造(ベンゼン環の炭素の一つを窒素に置き換えた構造)を持っていることが特徴であり、このため化学的に極めて丈夫な構造を持ち、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、極めて放射線に強いものであることが確認されている[1]。また、この構造は化学的にも重要な意味を持つ。つまり、ピリジン樹脂は窒素配位子を持つ、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。その結果、この二つの機能を有効に活用することによって、本法での目的が達成できる。ソフトドナー抽出剤の機能を用いることにより、化学的性質の類似したマイナーアクチニド(3価のアクチニド(An(III))と希土類元素(RE)を分離することができ(図3 [2])、またイオン交換の機能により、乾式再処理で用いるアルカリ金属塩のLi,KとSrや希土類元素を分離することが可能となるのである。
　今回は、平成18年度に得られた成果の中から、廃塩処理の基礎的なデータ収集として行った、塩酸-メタノール混合溶液を用いたアルカリ金属元素(Li, K, Rb, Cs)、Sr、希土類元素(Y, La,Ce, Gd)の樹脂への吸着特性について報告する。

２．研究開発成果

　実験試料溶液は、Li、K、Rb及びCs（アルカリ金属元素）、Sr（アルカリ土類金属元素）、Y、La、Ce及びGd（希土類元素）を選択し、各元素の塩化物を用いてそれぞれ10mMとなるように調整した。吸着分離試験は、直径1cm高さ50cmのカラムを用いて行ない、カラム下端より流出する溶液を分取し、炎光分析及びICP-MSにて各元素の同定・濃度評価を行った。
　結果は、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%の時に最も大きくなり、更に割合が増えると減少する傾向がみられた。この傾向は全ての核種で観測された。また、メタノールの添加量が増えるにつれて、分離の度合いが大きくなっていくが、60vol%になったところを頂点として、更に添加していくと小さくなる傾向が見られた。その結果を詳細に評価するため分配係数と分解能をクロマトグラムから求めた。分配係数を図4に示す。アルカリ金属元素の分配係数は、いずれの溶媒組成においてもそれほど大きな値を示さず、特に、展開溶媒のメタノール比率が20％以下の場合は樹脂にほとんど吸着せずに溶離することがわかる。アルカリ金属元素は吸着量の大きな元素がメタノールの濃度を変えることにより変わる。この現象はすでに報告されている[3,4]が、メタノールの比率が40％程度までではリチウムが最もよく吸着しているが、50％を超えるとカリウムの吸着量が大きくなる。アルカリ土類元素、希土類元素については、アルカリ金属元素よりも大きな値を持ち、希土類元素 > アルカリ土類元素 > アルカリ金属元素の順番であった。この順番はメタノールの添加量を変えても基本的には変わらないことを確認した。次に、分解能を図5に示す。今回用いた分解能は10%谷分解能で、,R_10val(V₂-V₁)/(Γ₂+Γ₁), 元素(1or2)のピーク位置(V _{1 or 2})とピークの10%位置での幅(Γ_{1 or 2}), で定義してあり、ピークの重なり具合を示すものである。なお、R _10val=1のとき高さ10%のところでピークに重なりが生じないことを示す。(Li+K)Cl塩からのSr、希土類の分離を考えているので図ではLiもしくはKのうち溶離が遅い方を基準とした。分解能はメタノールの割合が50％を超えると急速に減少する。Srに対してメタノールの混合比が30vol%のときが最も良い分解能を持つ。一方、Gdについては、メタノールの組成比が30〜60％の間は良好な分離能を示し（R>1）、50vol%のところで最大の分解能になり、分解能が1を超える。

３．今後の展望

　本事業は、平成18年度からの3年間の事業であり、その間にマイナーアクチニドも含めた詳細な吸着・溶離特性を把握する。更に、模擬廃塩を用いた分離実証試験を実験室レベルではあるが行い、廃塩処理・回収技術の最適化を行なうと共に将来のプラント概念を提案する予定である。

４．参考文献

[1] M. Nogami, et al., J. Radioanal. Nucl. Chem. 203(1996)10.
[2] T.Suzuki, et al., J. Radioanal. Nucl. Chem., 255(2003)581.
[3] 佐藤真由美他 Separation Science 2005 P-07
[4] 鈴木達也他 イオン交換学会年会 2005 P-25