JP7588611B2 - Fuel debris disposal method - Google Patents
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Description
本発明は、原子力発電所における燃料デブリの処理方法に関する。 The present invention relates to a method for treating fuel debris in a nuclear power plant.
福島第一原子力発電所(1F)の燃料デブリは、炉内から取り出された後、しばらく保管される。燃料デブリは核燃料物質や核分裂生成物などの放射性物質を含むため、処理して安定な形態にした後、最終的には安全に処分する必要がある。 The fuel debris from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (1F) will be stored for a while after it is removed from the reactors. Because the fuel debris contains radioactive materials such as nuclear fuel material and fission products, it needs to be processed into a stable form and then ultimately disposed of safely.
原子力発電や再処理で発生する放射性廃棄物については、安定に固化した後、その性質に応じて各種処分場において埋設処分される。再処理で発生する高レベル放射性廃棄物は、半減期の長い放射性物質を含むため、安定なガラス固化体とした後、多重バリアを施したうえで地層処分することが考えられている。 Radioactive waste generated from nuclear power generation and reprocessing is stably solidified and then buried in various disposal sites depending on its properties. High-level radioactive waste generated from reprocessing contains radioactive materials with long half-lives, so it is considered that it will be stably vitrified, then treated with multiple barriers and disposed of in a geological repository.
燃料デブリは使用済燃料が溶融して生成しているため、半減期の長い放射性物質が含まれる。そのため、燃料デブリを最終的に処分するためには、長期に渡って安定性が保たれるような廃棄体とした後に、同じく長期に渡って安全が確保されるよう処分することが必要である。 Since fuel debris is produced by melting spent fuel, it contains radioactive materials with long half-lives. Therefore, in order to ultimately dispose of the fuel debris, it is necessary to first process it into waste forms that will remain stable for the long term, and then dispose of it in a way that will ensure safety for the same period.
このようなことから、再処理で発生する高レベル放射性廃棄物のように、安定なガラス固化体にして地層処分する方法は燃料デブリの処理・処分方法として有力な方法の一つである。 For these reasons, one of the most promising methods for processing and disposing of fuel debris is to convert it into stable vitrified waste and dispose of it in a geological repository, as is the case with high-level radioactive waste generated during reprocessing.
高レベル放射性廃棄物(ガラス固化体)の代表的な組成の例(単位はwt%)が非特許文献1に記載されており、これを表1に示す。
An example of a typical composition of high-level radioactive waste (solidified glass) (unit: wt%) is given in
ガラス固化体では、ガラスマトリクス中に放射性核種を閉じ込めることで放射性核種を放出されにくくする。表1に示されるように、ガラスの母材は主にSiO2やB2O3であり、閉じ込める放射性核種は核分裂生成物(FP)の酸化物とアクチノイド(AC)の酸化物である。表1によると、AC酸化物とFP酸化物の物量の比は、組成Aの場合はおよそ1:14、組成Bの場合はおよそ1:4である。即ち、ガラス固化体においてはFP酸化物に比べてAC酸化物が少ないという特徴があり、代表的なガラス固化体におけるAC酸化物とFP酸化物の比は1:4~1:14の範囲であると言える。 In vitrified waste, radionuclides are trapped in the glass matrix to prevent them from being released. As shown in Table 1 , the base material of glass is mainly SiO2 or B2O3 , and the radionuclides trapped are oxides of fission products (FP) and oxides of actinides (AC). According to Table 1, the ratio of the amount of AC oxides to FP oxides is approximately 1:14 for composition A and approximately 1:4 for composition B. In other words, vitrified waste is characterized by having less AC oxides than FP oxides, and it can be said that the ratio of AC oxides to FP oxides in typical vitrified waste is in the range of 1:4 to 1:14.
一方、非特許文献2には、福島第一原子力発電所(1F)における燃料デブリの物量がWashiyaらによって推定されている。Washiyaらの推定に基づいて、コンクリートが核燃料物質とほぼ同等量発生すると想定して設定した燃料デブリの物量を表2に示す。 On the other hand, in Non-Patent Document 2, Washiya et al. estimate the amount of fuel debris at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (1F). Based on the estimates by Washiya et al., the amount of fuel debris was set assuming that the amount of concrete generated is roughly equal to the amount of nuclear fuel material, as shown in Table 2.
一方、燃料デブリから核燃料物質を回収する方法としてフッ化処理することが、特許文献1に記載されている。
On the other hand,
即ち、特許文献1には、溶融した核燃料物質の回収に要する時間を短縮するために、原子炉格納容器に取り囲まれた原子炉圧力容器内にフッ素ガスを供給し、前記フッ素ガスが前記原子炉圧力容器内に存在する燃料デブリに含まれるウラン及びプルトニウムのそれぞれと反応して揮発性のウランフッ化物及び揮発性のプルトニウムフッ化物を生成し、生成された前記揮発性のウランフッ化物及び前記揮発性のプルトニウムフッ化物を、前記原子炉圧力容器から、前記原子炉格納容器の外部に存在するコールドトラップに導いて前記コールドトラップ内で固化して回収することが記載されている。
That is,
燃料デブリは、燃料に由来する核燃料物質、被覆管材料、構造材、コンクリートで構成され、代表的な成分は、それぞれUO2、Zr、Fe、SiO2と想定される。 The fuel debris is composed of nuclear fuel material derived from the fuel, cladding tube material, structural materials, and concrete, and the representative components are assumed to be UO 2 , Zr, Fe, and SiO 2 , respectively.
燃料デブリをそのままガラス固化することを検討する時、燃料デブリの各成分がガラス母材となるか閉じ込め対象となるかを分類する必要がある。 When considering vitrifying fuel debris as is, it is necessary to classify each component of the fuel debris as either a glass matrix or a target for containment.
まず、核燃料物質のウランはアクチノイド元素であるため、ガラスマトリックスに閉じ込めるAC酸化物に相当する。一方、コンクリートのSiO2はガラスの成分であるため、ガラス母材に相当する。被覆管材料のZrや構造材のFeはガラス母材には含まれないか含まれる場合でもごく少量であるため、ガラスマトリックス中に閉じ込める対象とみなすことが妥当と考えられ、かつ、ZrとFeはアクチノイド元素ではないため、FP酸化物に分類することが妥当である。 First, uranium, which is a nuclear fuel material, is an actinide element, so it corresponds to AC oxides to be trapped in a glass matrix. On the other hand, SiO2 in concrete is a component of glass, so it corresponds to a glass matrix. Zr in the cladding tube material and Fe in the structural material are not included in the glass matrix, or even if they are included, the amount is very small, so it is considered appropriate to consider them as targets to be trapped in a glass matrix, and since Zr and Fe are not actinide elements, it is appropriate to classify them as FP oxides.
このように分類すると、表2の物量に基づいてガラス固化するAC酸化物とFP酸化物の比を評価すると、その比はおよそ1:0.8となり、燃料デブリはAC酸化物の割合が非常に高いことが分かる。即ち、燃料デブリをガラス固化する場合は既存のガラス固化体中のAC酸化物とFP酸化物の比の範囲から大きく外れるため、燃料デブリをそのままガラス固化体にすることは難しい。 When classified in this way, the ratio of AC oxides to FP oxides to be vitrified based on the quantities in Table 2 is evaluated to be approximately 1:0.8, which shows that the proportion of AC oxides in fuel debris is very high. In other words, when vitrifying fuel debris, the ratio falls far outside the range of AC oxides to FP oxides in existing vitrified bodies, so it is difficult to vitrify fuel debris as is.
上述した特許文献1及び非特許文献1、2には、上記した課題を解決するための対策については何も記載されていない。
The above-mentioned
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、燃料デブリをフッ化処理して核燃料物質をフッ化揮発させて分離し、残されたフッ化残渣を酸化物に転換してからガラス固化することで、最終的に燃料デブリを処分に適したガラス固化体とできる上、ガラス固化する際に実績のある組成比となるためガラス固化しやすくなる燃料デブリの処理方法を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above points, and its purpose is to provide a method for treating fuel debris by fluorinating the fuel debris, fluorinating and volatilizing the nuclear fuel material, separating it, and converting the remaining fluoride residue into an oxide and then vitrifying it, thereby ultimately turning the fuel debris into a vitrified body suitable for disposal, and by providing a proven composition ratio during vitrification that makes vitrification easier.
発明者らは、核燃料物質は資源であるため、燃料デブリから選択的に回収し、残された物質を廃棄物としてガラス固化することを考えた。 The inventors thought that since nuclear fuel material is a resource, it could be selectively recovered from the fuel debris and the remaining material could be vitrified as waste.
即ち、本発明の燃料デブリの処理方法は、上記目的を達成するために、燃料デブリをガラス固化体とする燃料デブリの処理方法であって、前記燃料デブリをハロゲン化処理工程でフッ化処理して核燃料物質を揮発させた後、残されたフッ化残渣を酸化物に転換し、その後、得られた前記酸化物をガラス母材と混ぜ合わせてガラス固化体とするにあたって、
前記ハロゲン化処理工程が多段階で実施されるものであり、
前記燃料デブリを第1のハロゲン化処理工程で余剰フッ素ガスと反応させると共に、前記第1のハロゲン化処理工程のハロゲン化により、揮発成分としてフッ化ケイ素、余剰フッ素ガスB、酸素ガスB及び核燃料物質Aが発生し、これらはガス分離工程Aに送られて前記核燃料物質Aのみが分離され、
一方、前記第1のハロゲン化処理工程においてフッ化されたフッ化残渣Aを第2のハロゲン化処理工程に送り、前記第2のハロゲン化処理工程ではフッ素ガスと反応させると共に、前記フッ化残渣Aを前記第2のハロゲン化処理工程のハロゲン化により、揮発成分として核燃料物質B、余剰フッ素ガスA及び酸素ガスAが発生し、これらはガス分離工程Bに送られて前記核燃料物質Bのみが分離され、
更に、前記第2のハロゲン化処理工程においてフッ化されたフッ化残渣Bは、酸化処理工程に送られ、前記酸化処理工程では、水蒸気と反応させることで化学形態を酸化物に転換し、得られた固体は廃棄物としてガラス固化工程に送られ、前記ガラス固化工程では、廃棄物とガラス母材を溶融し、その後、冷却して固化することでガラス固化体を得ることを特徴とする。
That is, in order to achieve the above-mentioned object, the fuel debris processing method of the present invention is a fuel debris processing method for converting the fuel debris into a vitrified body, the fuel debris is fluorinated in a halogenation treatment step to volatilize nuclear fuel material, and the remaining fluoride residue is converted into an oxide, and then the obtained oxide is mixed with a glass base material to form a vitrified body,
The halogenation treatment step is carried out in multiple stages,
The fuel debris is reacted with excess fluorine gas in a first halogenation treatment step, and silicon fluoride, excess fluorine gas B, oxygen gas B, and nuclear fuel material A are generated as volatile components by the halogenation in the first halogenation treatment step, and these are sent to a gas separation step A to separate only the nuclear fuel material A,
On the other hand, the fluorinated residue A fluorinated in the first halogenation treatment step is sent to a second halogenation treatment step, in which it is reacted with fluorine gas, and the fluorinated residue A is halogenated in the second halogenation treatment step to generate nuclear fuel material B, excess fluorine gas A and oxygen gas A as volatile components, which are sent to a gas separation step B to separate only the nuclear fuel material B,
Furthermore, the fluorination residue B fluorinated in the second halogenation treatment step is sent to an oxidation treatment step, in which the fluorination residue B is reacted with water vapor to convert its chemical form into an oxide, and the resulting solid is sent to a vitrification step as a waste material, and in the vitrification step, the waste material and a glass base material are melted, and then cooled and solidified to obtain a vitrified body .
核燃料物質であるUO2は、(1)式に示すように、フッ素ガスと反応すると六フッ化物(昇華点:56.5℃)として揮発する。 When UO2 , a nuclear fuel material, reacts with fluorine gas, it volatilizes as hexafluoride (sublimation point: 56.5°C), as shown in formula (1).
また、コンクリート成分のSiO2は、(2)式に示すように、フッ素ガスと反応すると四フッ化物(昇華点:-95.7℃)として揮発する。 In addition, when SiO2, a concrete component, reacts with fluorine gas, it volatilizes as tetrafluoride (sublimation point: -95.7°C), as shown in formula (2).
ZrやFeは、(3)式及び(4)式に示すように、フッ素ガスと反応してフッ化物を生成するが、揮発性が低いため固体として残留する。 As shown in equations (3) and (4), Zr and Fe react with fluorine gas to produce fluorides, but because they have low volatility, they remain as solids.
フッ化揮発したウランは、回収して核燃料物質として有効利用できるため、フッ化後の残留物(以下、フッ化残渣という)が最終的には廃棄物となる。フッ化物のままではガラス固化できないため、ガラス固化する前に酸化物に転換することとし、フッ化残渣を酸化物に転換した場合の各物質の重量を表2に示した。 The fluorinated and volatilized uranium can be recovered and effectively used as nuclear fuel material, so the residue after fluorination (hereafter referred to as fluoride residue) ultimately becomes waste. Since fluoride cannot be vitrified as it is, it is converted to oxide before vitrification, and the weight of each substance when fluoride residue is converted to oxide is shown in Table 2.
なお、原理的には、UとSiは全量がフッ素ガスと反応してガスとして揮発するが、保守的にフッ化時の揮発率を90%としてフッ化残渣の重量を評価した。 In principle, all U and Si react with fluorine gas and volatilize as a gas, but the weight of the fluorination residue was evaluated conservatively assuming a volatilization rate of 90% during fluorination.
フッ化残渣をガラス固化する場合、前述の燃料デブリの場合と同様に、核燃料物質がAC酸化物、被覆管材料と構造材がその他の固化対象という位置づけでFP酸化物に相当することとなる。 When fluoride residues are solidified into glass, as in the case of fuel debris mentioned above, the nuclear fuel material corresponds to AC oxide, while the cladding tube material and structural materials correspond to FP oxide, being other solidification targets.
この場合、AC酸化物が30t、FP酸化物が318tとなり、AC酸化物とFP酸化物の比は、およそ1:11となる。この比は、代表的なガラス固化体におけるAC酸化物とFP酸化物の比である1:4~1:14の範囲内であり、ガラス固化しやすいといえる。 In this case, the amount of AC oxide is 30t and the amount of FP oxide is 318t, making the ratio of AC oxide to FP oxide approximately 1:11. This ratio is within the range of 1:4 to 1:14, which is the ratio of AC oxide to FP oxide in typical vitrified waste, and can be said to be easy to vitrify.
即ち、燃料デブリをあらかじめフッ化処理した後、フッ化残渣を酸化物に転換してからガラス固化することで、燃料デブリを地層処分に適したガラス固化体とできる上、ガラス固化する際に実績のある組成比となるためガラス固化しやすくなる効果が得られる。 In other words, by first fluorinating the fuel debris, then converting the fluoride residue into an oxide and then vitrifying it, the fuel debris can be turned into a vitrified body suitable for geological disposal, and the vitrification process becomes easier because the composition ratio is proven.
本発明によれば、燃料デブリをフッ化処理して核燃料物質をフッ化揮発させて分離し、残されたフッ化残渣を酸化物に転換してからガラス固化することで、最終的に燃料デブリを処分に適したガラス固化体とできる上、ガラス固化する際に実績のある組成比となるためガラス固化しやすくなる効果が得られる。 According to the present invention, fuel debris is fluorinated to volatilize and separate the nuclear fuel material, and the remaining fluoride residue is converted to oxide and then vitrified. This ultimately makes it possible to turn the fuel debris into a vitrified body suitable for disposal, and also makes it easier to vitrify because the composition ratio is proven to be effective when vitrifying.
以下、図示した実施例に基づいて本発明の燃料デブリの処理方法を説明する。 The fuel debris processing method of the present invention will be explained below based on the illustrated embodiment.
本発明の燃料デブリの処理方法の実施例1について、図1を用いて説明する。 The first embodiment of the fuel debris processing method of the present invention will be explained with reference to FIG. 1.
図1は、燃料デブリの処理方法の実施例1を示すフローチャートである。本実施例の燃料デブリの処理方法は、図1に示すように、第1のハロゲン化処理工程1、第2のハロゲン化処理工程2、第1のハロゲン化処理工程1におけるガス分離工程A6、第2のハロゲン化処理工程2におけるガス分離工程B3、酸化処理工程4、ガラス固化工程5が実行される。
Figure 1 is a flow chart showing a first embodiment of a method for treating fuel debris. As shown in Figure 1, the method for treating fuel debris in this embodiment includes a first
以下に、本実施例の燃料デブリの処理方法について詳細に説明する。 The fuel debris processing method of this embodiment is described in detail below.
燃料デブリ10を第1のハロゲン化処理工程1でフッ素ガスと反応させる。第1のハロゲン化処理工程1に用いるガスは、第2のハロゲン化処理工程2のオフガスから核燃料物質B18を分離したガスである余剰フッ素ガスA11である。なお、余剰フッ素ガスA11には、不純物として反応生成物である酸素ガスA12が同伴している。
The fuel debris 10 is reacted with fluorine gas in the first
第1のハロゲン化処理工程1のハロゲン化により、揮発成分としてフッ化ケイ素13と余剰フッ素ガスB14と酸素ガスB15と核燃料物質A24が発生する。これらのガスはガス分離工程A6に送られ、核燃料物質A24のみが分離される。
The halogenation in the
ガス分離工程A6で用いる機器は、具体的にはUF6を凝縮させて回収するコールドトラップである。コールドトラップの温度は、フッ素ガスや酸素ガスは凝縮せずにUF6のみが凝縮する温度で、例えば、0℃程度が望ましい。凝縮させて回収したUF6は、核燃料物質としてリサイクルする。核燃料物質が分離された残りのガスは2次廃棄物として処理・処分されるが、フッ化ケイ素は酸化物に転換してSiO2とした後にガラス母材としてガラス固化工程5で使用してもよい。 The equipment used in the gas separation step A6 is specifically a cold trap that condenses and recovers UF6 . The temperature of the cold trap is a temperature at which only UF6 condenses without condensing fluorine gas or oxygen gas, and is preferably, for example, about 0°C. The condensed and recovered UF6 is recycled as nuclear fuel material. The remaining gas from which the nuclear fuel material has been separated is treated and disposed of as secondary waste, but silicon fluoride may be converted into oxide to make SiO2 and then used as a glass base material in the vitrification step 5.
なお、第1のハロゲン化処理工程1においてハロゲン化処理する温度は、フッ化によりUF6が生成しない350℃以下としても良い。その場合の反応を以下の(5)式に示す。
The temperature for the halogenation treatment in the first
本反応では、固体のUO2F2が生成するため、核燃料物質A24のような揮発性の核燃料物質が発生しないため、核燃料物質A24を気体中から回収する必要がなくなる。この場合、ガス分離工程A6を省略できる効果が生まれる。 In this reaction, solid UO2F2 is produced, and therefore no volatile nuclear fuel material such as the nuclear fuel material A24 is produced, and therefore there is no need to recover the nuclear fuel material A24 from the gas. In this case, the gas separation step A6 can be omitted.
一方、反応速度を向上しつつ、不純物成分のフッ化揮発ガスの反応容器への付着を抑制する観点から、ハロゲン化処理の温度は100℃以上が望ましい。 On the other hand, from the viewpoint of improving the reaction rate while suppressing adhesion of fluorinated volatile gases of impurity components to the reaction vessel, the temperature of the halogenation treatment is preferably 100°C or higher.
フッ化残渣A16は、第2のハロゲン化処理工程2に送られる。第2のハロゲン化処理工程2では、フッ素ガス17を用いる。本工程では、核燃料物質B18をフッ化揮発したいため、ハロゲン化処理する温度は、フッ化によりUF6が生成する350℃以上が望ましい。 The fluorination residue A16 is sent to the second halogenation process 2. In the second halogenation process 2, fluorine gas 17 is used. In this process, since it is desired to fluorinate and volatilize the nuclear fuel material B18, the temperature for the halogenation process is desirably 350° C. or higher at which UF6 is produced by fluorination.
第2のハロゲン化処理工程2のハロゲン化により、揮発成分として核燃料物質B18と余剰フッ素ガスA11と酸素ガスA12が発生する。これらのガスはガス分離工程B3に送られ、核燃料物質B18のみが分離される。 Halogenation in the second halogenation process 2 produces nuclear fuel material B18, excess fluorine gas A11, and oxygen gas A12 as volatile components. These gases are sent to the gas separation process B3, where only the nuclear fuel material B18 is separated.
ガス分離工程B3で用いる機器は、具体的には、UF6を凝縮させて回収するコールドトラップである。コールドトラップの温度は、フッ素ガスや酸素ガスは凝縮せずUF6のみが凝縮する温度で、例えば、0℃程度が望ましい。凝縮させて回収したUF6は核燃料物質としてリサイクルする。 The device used in the gas separation step B3 is specifically a cold trap that condenses and recovers UF6 . The temperature of the cold trap is a temperature at which only UF6 condenses, without condensing fluorine gas or oxygen gas, and is preferably, for example, about 0° C. The condensed and recovered UF6 is recycled as a nuclear fuel material.
なお、第1のハロゲン化処理工程1で温度を350℃以下としていた場合、第2のハロゲン化処理工程2の反応は、以下の(6)式のようになる。
If the temperature in the first
フッ化残渣B19は、酸化処理工程4に送られる。ここでは、水蒸気20と反応させることで、化学形態を酸化物に転換する。得られた固体は廃棄物21としてガラス固化工程5に送られる。ここでは、廃棄物21とガラス母材22を高温で溶融し、その後で冷却して固化することでガラス固化体23を得る。
The fluoride residue B19 is sent to the
本実施例におけるフッ素ガスの使用量を説明する。 The amount of fluorine gas used in this example is explained below.
表3に、燃料デブリに含まれる物質の物量と、それらを完全にフッ化するために必要なフッ素量をフッ化反応式に基づいて評価した結果を示す。 Table 3 shows the amounts of substances contained in the fuel debris and the amount of fluorine required to completely fluorinate them, based on the fluorination reaction formula.
燃料デブリの全量を826.6tと想定すると、表3のように、各物質が代表化合物であると仮定して全物質量を概算すると、9.4Mmol(9.4×106mol)となる。また、フッ化反応式に基づいてフッ化に必要なフッ素量を評価すると、燃料デブリの全量をフッ化するために必要なF2量は18.9Mmolとなる。実施例1では、第1のハロゲン化処理工程1で18.9Mmolのフッ素ガスを供給する。フッ素は強い反応剤であるため、原理的には完全にフッ化反応で消費される。
Assuming that the total amount of fuel debris is 826.6 t, the total amount of substances is roughly calculated to be 9.4 Mmol (9.4 x 106 mol) by assuming that each substance is a representative compound, as shown in Table 3. Furthermore, when the amount of fluorine required for fluorination is evaluated based on the fluorination reaction formula, the amount of F2 required to fluorinate the entire amount of fuel debris is 18.9 Mmol. In Example 1, 18.9 Mmol of fluorine gas is supplied in the first
本実施例では、保守的に90%がフッ化反応で消費されると想定する。その場合、10%が未反応のフッ素ガス(余剰フッ素ガスB14)として2次廃棄物(1.9Mmol)となる。 In this example, it is conservatively assumed that 90% is consumed in the fluorination reaction. In that case, 10% becomes unreacted fluorine gas (excess fluorine gas B14) as secondary waste (1.9 Mmol).
なお、この時のフッ素のマスバランスを評価した結果を表4に示す。 The results of the fluorine mass balance evaluation at this time are shown in Table 4.
次いで、フッ化残渣A16を第2のハロゲン化処理工程2で18.9Mmolのフッ素ガスと反応させる。フッ化残渣A16は、第1のハロゲン化処理工程1で余剰フッ素ガスA11と反応して90%がフッ化されている。そのため、フッ化残渣A16のフッ化に必要なフッ素量は1.9Mmolであり、第2のハロゲン化処理工程2では、フッ化に必要なフッ素量の10倍のフッ素を供給していることとなる。かなり過剰なフッ素を供給してフッ化しているため、フッ化残渣A16は完全にフッ化される。余剰フッ素ガスA11は、第1のハロゲン化処理工程1で再利用されるため、2次廃棄物は発生しない。なお、余剰フッ素ガスA11は、不足する分だけフッ素ガスを足して第1のハロゲン化処理工程1で使用する。
Then, the fluorinated residue A16 is reacted with 18.9 Mmol of fluorine gas in the second halogenation process 2. The fluorinated residue A16 is 90% fluorinated by reacting with the excess fluorine gas A11 in the
第2のハロゲン化処理工程2におけるフッ素のマスバランスを評価した結果を表5に示す。 The results of evaluating the fluorine mass balance in the second halogenation treatment step 2 are shown in Table 5.
比較のため、実施例1のように2段階でハロゲン化処理せずに、1回のハロゲン化処理で完全にフッ化する場合に発生する2次廃棄物の量を評価した結果を表6に示す。 For comparison, the amount of secondary waste generated when complete fluorination is achieved in a single halogenation treatment, rather than in two stages as in Example 1, is evaluated and the results are shown in Table 6.
完全にフッ化するため、フッ化に必要な10倍のフッ素量(189Mmol)を供給することを想定した。この場合、2次廃棄物となるフッ素量は170.1Mmolとなる。 To achieve complete fluorination, it was assumed that 10 times the amount of fluorine required for fluorination (189 Mmol) would be supplied. In this case, the amount of fluorine that would become secondary waste would be 170.1 Mmol.
以上の検討結果から、実施例1のように2段階でハロゲン化処理することで、2次廃棄物となるフッ素の量をおよそ170.1Mmolから1.9Mmolに大幅に低減できる。 The above results show that by performing the halogenation process in two stages as in Example 1, the amount of fluorine that becomes secondary waste can be significantly reduced from approximately 170.1 Mmol to 1.9 Mmol.
本実施例によれば、燃料デブリをフッ化処理して核燃料物質をフッ化揮発させて分離し、残されたフッ化残渣を酸化物に転換してからガラス固化することで、最終的に燃料デブリを処分に適したガラス固化体とできる上、ガラス固化する際に実績のある組成比(AC酸化物とFP酸化物の比)となるため、ガラス固化しやすくなる効果が得られる。また、フッ化処理を多段階で実施することにより、2次廃棄物の発生量を低減する効果が得られる。 According to this embodiment, the fuel debris is fluorinated to volatilize and separate the nuclear fuel material, and the remaining fluoride residue is converted to oxide and then vitrified. This ultimately makes it possible to turn the fuel debris into a vitrified body suitable for disposal, and also makes it easier to vitrify, since the composition ratio (ratio of AC oxides to FP oxides) is proven to be effective in vitrification. In addition, by carrying out the fluorination process in multiple stages, the amount of secondary waste generated can be reduced.
本発明の燃料デブリの処理方法の実施例2について、図2を用いて説明する。 The second embodiment of the fuel debris processing method of the present invention will be explained with reference to FIG. 2.
図2は、燃料デブリの処理方法の実施例2を示すフローチャートである。本実施例では、ハロゲン化剤としてフッ化水素を用いる。 Figure 2 is a flow chart showing a second embodiment of a method for treating fuel debris. In this embodiment, hydrogen fluoride is used as the halogenating agent.
本実施例の燃料デブリの処理方法は、図2に示すように、本実施例は、第1のハロゲン化処理工程30、第2のハロゲン化処理工程31、第1のハロゲン化処理工程30におけるガス分離工程A32、第2のハロゲン化処理工程31におけるガス分離工程B33、第3のハロゲン化処理工程34、第3のハロゲン化処理工程34におけるガス分離工程C35、酸化処理工程36、ガラス固化工程37が実行される。
As shown in FIG. 2, the fuel debris processing method of this embodiment includes a first
以下に、本実施例の燃料デブリの処理方法について詳細に説明する。 The fuel debris processing method of this embodiment is described in detail below.
本実施例では、先ず燃料デブリ40を第1のハロゲン化処理工程30でフッ化処理する。フッ化処理に用いるガスは、第2のハロゲン化処理工程31のオフガスからフッ化ケイ素A48を分離したガスである余剰フッ化水素ガスA41である。余剰フッ化水素ガスA41には、不純物として反応生成物である水蒸気A42が同伴している。
In this embodiment, the fuel debris 40 is first fluorinated in the first
フッ化水素でUO2をフッ化処理する際の反応式を、以下の(7)式に示す。 The reaction formula when fluorinating UO2 with hydrogen fluoride is shown in the following formula (7).
ハロゲン化処理する温度は、装置材料の腐食を考慮して600℃以下が望ましい。 The temperature for halogenation treatment should be 600°C or less, taking into consideration corrosion of the equipment material.
なお、実施例1とは異なり、余剰フッ化水素ガスA41によるフッ化では反応温度を350℃以上にしてもウランは不揮発性の四フッ化ウランになるため、ウランのフッ化揮発を抑制するために反応温度を350℃以下にする必要はなく、反応速度を高めるために処理温度を高温にすることができる。 Unlike Example 1, when fluorinating with excess hydrogen fluoride gas A41, uranium becomes non-volatile uranium tetrafluoride even if the reaction temperature is 350°C or higher, so there is no need to set the reaction temperature below 350°C to suppress the fluorination and volatilization of uranium, and the processing temperature can be set to a higher temperature to increase the reaction rate.
また、実施例1と同様に、反応速度を向上しつつ、不純物成分のフッ化揮発ガスの反応容器への付着を抑制する観点から、ハロゲン化処理の温度は100℃以上が望ましい。 As in Example 1, the temperature of the halogenation treatment is preferably 100°C or higher in order to improve the reaction rate while suppressing adhesion of fluorinated volatile gases of impurity components to the reaction vessel.
第1のハロゲン化処理工程30のハロゲン化により、揮発成分としてフッ化ケイ素B43と余剰フッ化水素ガスB44と水蒸気B45が発生する。これらのガスは、ガス分離工程A32に送られる。
The halogenation in the first
ガス分離工程A32は、余剰フッ化水素ガスB44と水蒸気B45を凝縮させて回収するコールドトラップである。コールドトラップの温度は、フッ化ケイ素B43が凝縮せずに余剰フッ化水素ガスB44と水蒸気B45のみが凝縮する温度で、例えば、0℃程度が望ましい。凝縮させて回収した余剰フッ化水素ガスB44は、ハロゲン化剤としてリサイクルする。 The gas separation process A32 is a cold trap that condenses and recovers the excess hydrogen fluoride gas B44 and water vapor B45. The temperature of the cold trap is a temperature at which only the excess hydrogen fluoride gas B44 and water vapor B45 condense without condensing silicon fluoride B43, and is preferably, for example, about 0°C. The condensed and recovered excess hydrogen fluoride gas B44 is recycled as a halogenating agent.
なお、実施例1ではフッ素ガスを用いるため、フッ化ケイ素(昇華点:-95.7℃)はフッ素ガス(沸点:-188℃)と共存しており、揮発する温度が低いためコールドトラップでは分離しにくい課題があった。 In addition, since fluorine gas was used in Example 1, silicon fluoride (sublimation point: -95.7°C) coexists with fluorine gas (boiling point: -188°C), and the evaporation temperature is low, making it difficult to separate using a cold trap.
実施例2ではフッ化水素でハロゲン化しており、フッ化水素(点:19.5℃)とフッ化ケイ素は容易にコールドトラップで分離できる。そのため、フッ化水素を2次廃棄物に移行させずにリサイクルできる効果がある。廃棄物となるフッ化ケイ素は、酸化物に転換してSiO2とした後に、ガラス母材としてガラス固化工程37で使用してもよい。 In Example 2, the halogenation is performed with hydrogen fluoride, and hydrogen fluoride (point: 19.5°C) and silicon fluoride can be easily separated using a cold trap. Therefore, there is an effect that hydrogen fluoride can be recycled without being transferred to secondary waste. Silicon fluoride, which becomes waste, may be converted into oxide to SiO2 and then used as a glass base material in the vitrification process 37.
次いで、第1のハロゲン化処理工程30において、ほぼフッ化されたフッ化残渣A46を第2のハロゲン化処理工程31に送り、フッ化水素ガス47と反応させて完全にフッ化する。第2のハロゲン化処理工程31のハロゲン化により、揮発成分としてフッ化ケイ素A48と余剰フッ化水素ガスA41と水蒸気A42が発生する。これらのガスはガス分離工程B33に送られ、フッ化ケイ素A48が分離される。凝縮させて回収したフッ化水素は、ハロゲン化剤としてリサイクルする。
Next, in the first
第2のハロゲン化処理工程31によるフッ化残渣B49は、第3のハロゲン化処理工程34に送られる。ここでは、フッ素ガス50と反応させることで、フッ化残渣中のウランを六フッ化ウランにフッ化して揮発させる。発生したガスはガス分離工程C35に送り、実施例1で説明したコールドトラップにより核燃料物質C51と余剰フッ素ガス52を分離する。分離したフッ素ガス(余剰フッ素ガス52)は、ハロゲン化剤としてリサイクルする。フッ化残渣C53は酸化処理工程36に送られる。
The fluorination residue B49 from the second halogenation process 31 is sent to the
以下、実施例1と同様に、酸化処理工程36では、フッ化残渣C53を水蒸気54と反応させることで、化学形態を酸化物に転換する。得られた固体は廃棄物55としてガラス固化工程37に送られる。ここでは、廃棄物55とガラス母材56を高温で溶融し、その後で冷却して固化することで最終的にガラス固化体57を得る。
As in Example 1, in the
本実施例によれば、実施例1と同様な効果が得られることは勿論、ハロゲン化剤としてフッ化水素を用いることで、プロセス中においてハロゲン化剤とフッ化ケイ素を分離しやすくなる効果と、フッ化水素によるハロゲン化工程において反応温度を高くして反応を促進できる効果が得られる。 This embodiment not only provides the same effects as in Example 1, but also has the effect of making it easier to separate the halogenating agent from silicon fluoride during the process by using hydrogen fluoride as the halogenating agent, and the effect of promoting the reaction by increasing the reaction temperature in the halogenation step using hydrogen fluoride.
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換える事が可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加える事も可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をする事が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.
1、30…第1のハロゲン化処理工程、2、31…第2のハロゲン化処理工程、3、33…第2のハロゲン化処理工程におけるガス分離工程B、4、36…酸化処理工程、5、37…ガラス固化工程、6、32…第1のハロゲン化処理工程におけるガス分離工程A、10、40…燃料デブリ、11…余剰フッ素ガスA、12…酸素ガスA、13…フッ化ケイ素、14…余剰フッ素ガスB、15…酸素ガスB、16、46…フッ化残渣A、17、50…フッ素ガス、18…核燃料物質B、19、49…フッ化残渣B、20、54…水蒸気、21、55…廃棄物、22、56…ガラス母材、23、57…ガラス固化体、24…核燃料物質A、34…第3のハロゲン化処理工程、35…第3のハロゲン化処理工程におけるガス分離工程C、41…余剰フッ化水素ガスA、42…水蒸気A、43…フッ化ケイ素B、44…余剰フッ化水素ガスB、45…水蒸気B、47…フッ化水素ガス、48…フッ化ケイ素A、51…核燃料物質C、52…余剰フッ素ガス、53…フッ化残渣C。 1, 30...First halogenation treatment process, 2, 31...Second halogenation treatment process, 3, 33...Gas separation process B in the second halogenation treatment process, 4, 36...Oxidation treatment process, 5, 37...Vitrification process, 6, 32...Gas separation process A in the first halogenation treatment process, 10, 40...Fuel debris, 11...Excess fluorine gas A, 12...Oxygen gas A, 13...Silicon fluoride, 14...Excess fluorine gas B, 15...Oxygen gas B, 16, 46...Fluorination residue A, 17, 50...Fluorine gas, 18...Nuclear fuel material B, 1 9, 49...fluoridation residue B, 20, 54...steam, 21, 55...waste, 22, 56...glass base material, 23, 57...vitrified body, 24...nuclear fuel material A, 34...third halogenation process, 35...gas separation process C in the third halogenation process, 41...surplus hydrogen fluoride gas A, 42...steam A, 43...silicon fluoride B, 44...surplus hydrogen fluoride gas B, 45...steam B, 47...hydrogen fluoride gas, 48...silicon fluoride A, 51...nuclear fuel material C, 52...surplus fluorine gas, 53...fluoridation residue C.
Claims (8)
前記燃料デブリをハロゲン化処理工程でフッ化処理して核燃料物質を揮発させた後、残されたフッ化残渣を酸化物に転換し、その後、得られた前記酸化物をガラス母材と混ぜ合わせてガラス固化体とするにあたって、
前記ハロゲン化処理工程が多段階で実施されるものであり、
前記燃料デブリを第1のハロゲン化処理工程で余剰フッ素ガスと反応させると共に、前記第1のハロゲン化処理工程のハロゲン化により、揮発成分としてフッ化ケイ素、余剰フッ素ガスB、酸素ガスB及び核燃料物質Aが発生し、これらはガス分離工程Aに送られて前記核燃料物質Aのみが分離され、
一方、前記第1のハロゲン化処理工程においてフッ化されたフッ化残渣Aを第2のハロゲン化処理工程に送り、前記第2のハロゲン化処理工程ではフッ素ガスと反応させると共に、前記フッ化残渣Aを前記第2のハロゲン化処理工程のハロゲン化により、揮発成分として核燃料物質B、余剰フッ素ガスA及び酸素ガスAが発生し、これらはガス分離工程Bに送られて前記核燃料物質Bのみが分離され、
更に、前記第2のハロゲン化処理工程においてフッ化されたフッ化残渣Bは、酸化処理工程に送られ、前記酸化処理工程では、水蒸気と反応させることで化学形態を酸化物に転換し、得られた固体は廃棄物としてガラス固化工程に送られ、前記ガラス固化工程では、廃棄物とガラス母材を溶融し、その後、冷却して固化することでガラス固化体を得ることを特徴とする燃料デブリの処理方法。 A method for treating fuel debris by vitrifying the fuel debris, comprising the steps of:
The fuel debris is fluorinated in a halogenation treatment step to volatilize the nuclear fuel material, and the remaining fluoride residue is converted into an oxide. The oxide is then mixed with a glass base material to produce a vitrified body,
The halogenation treatment step is carried out in multiple stages,
The fuel debris is reacted with excess fluorine gas in a first halogenation treatment step, and silicon fluoride, excess fluorine gas B, oxygen gas B, and nuclear fuel material A are generated as volatile components by the halogenation in the first halogenation treatment step, and these are sent to a gas separation step A to separate only the nuclear fuel material A,
On the other hand, the fluorinated residue A fluorinated in the first halogenation treatment step is sent to a second halogenation treatment step, in which it is reacted with fluorine gas, and the fluorinated residue A is halogenated in the second halogenation treatment step to generate nuclear fuel material B, excess fluorine gas A and oxygen gas A as volatile components, which are sent to a gas separation step B to separate only the nuclear fuel material B,
The method for treating fuel debris further comprises: sending the fluorination residue B fluorinated in the second halogenation treatment step to an oxidation treatment step, in which the fluorination residue B is reacted with water vapor to convert its chemical form into an oxide, and sending the resulting solid as waste to a vitrification step, in which the waste and a glass base material are melted and then cooled and solidified to obtain a vitrified body .
前記第1のハロゲン化処理工程に用いる余剰フッ素ガスは、前記第2のハロゲン化処理工程のオフガスから前記核燃料物質を分離したガスである余剰フッ素ガスAであることを特徴とする燃料デブリの処理方法。 A method for treating fuel debris according to claim 1 , comprising:
4. A method for treating fuel debris, comprising the steps of: (a) providing an off-gas from the second halogenation treatment step and separating the nuclear fuel material from the off-gas;
前記ガス分離工程A又は前記ガス分離工程Bでは、UF6を凝縮させて回収するコールドトラップを用いて前記核燃料物質A又は核燃料物質Bのみが分離されることを特徴とする燃料デブリの処理方法。 A method for treating fuel debris according to claim 1 or 2 , comprising:
A method for treating fuel debris, characterized in that in the gas separation step A or the gas separation step B, only the nuclear fuel material A or the nuclear fuel material B is separated using a cold trap that condenses and recovers UF6 .
前記第1のハロゲン化処理工程においてハロゲン化処理する温度は、フッ化によりUF6が生成しない350℃以下であり、かつ、前記第2のハロゲン化処理工程においてハロゲン化処理する温度は、フッ化によりUF6が生成する350℃以上であることを特徴とする燃料デブリの処理方法。 A method for treating fuel debris according to any one of claims 1 to 3 , comprising:
A method for treating fuel debris, wherein the temperature of the halogenation treatment in the first halogenation treatment step is 350°C or lower at which UF6 is not produced by fluorination, and the temperature of the halogenation treatment in the second halogenation treatment step is 350°C or higher at which UF6 is produced by fluorination.
前記燃料デブリをハロゲン化処理工程でフッ化処理して核燃料物質を揮発させた後、残されたフッ化残渣を酸化物に転換し、その後、得られた前記酸化物をガラス母材と混ぜ合わせてガラス固化体とするにあたって、
前記ハロゲン化処理工程が多段階で実施されるものであり、
前記燃料デブリを第1のハロゲン化処理工程で余剰フッ化水素ガスAと反応させると共に、前記第1のハロゲン化処理工程のハロゲン化により、揮発成分としてフッ化ケイ素B、余剰フッ化水素ガスB及び水蒸気Bが発生し、これらはガス分離工程Aに送られて前記フッ化ケイ素Bのみが分離され、
一方、前記第1のハロゲン化処理工程においてフッ化されたフッ化残渣Aを第2のハロゲン化処理工程に送り、前記第2のハロゲン化処理工程ではフッ化水素ガスと反応させると共に、前記フッ化残渣Aを前記第2のハロゲン化処理工程のハロゲン化により、揮発成分としてフッ化ケイ素A、余剰フッ化水素ガスA及び水蒸気Aが発生し、これらはガス分離工程Bに送られて前記フッ化ケイ素Aのみが分離され、
更に、前記第2のハロゲン化処理工程においてフッ化されたフッ化残渣Bを第3のハロゲン化処理工程に送り、前記第3のハロゲン化処理工程ではフッ素ガスと反応させると共に、前記フッ化残渣Bを前記第3のハロゲン化処理工程のハロゲン化により、揮発成分として核燃料物質C及び余剰フッ素ガスが発生し、これらはガス分離工程Cに送られて前記核燃料物質Cのみが分離され、
更に、前記第3のハロゲン化処理工程においてフッ化されたフッ化残渣Cは、酸化処理工程に送られ、前記酸化処理工程では、水蒸気と反応させることで化学形態を酸化物に転換し、得られた固体は廃棄物としてガラス固化工程に送られ、前記ガラス固化工程では、廃棄物とガラス母材を溶融し、その後、冷却して固化することでガラス固化体を得ることを特徴とする燃料デブリの処理方法。 A method for treating fuel debris by vitrifying the fuel debris, comprising the steps of:
The fuel debris is fluorinated in a halogenation treatment step to volatilize the nuclear fuel material, and the remaining fluoride residue is converted into an oxide. The oxide is then mixed with a glass base material to produce a vitrified body,
The halogenation treatment step is carried out in multiple stages,
The fuel debris is reacted with excess hydrogen fluoride gas A in a first halogenation treatment step, and silicon fluoride B, excess hydrogen fluoride gas B, and water vapor B are generated as volatile components by the halogenation in the first halogenation treatment step, and these are sent to a gas separation step A to separate only the silicon fluoride B,
On the other hand, the fluoride residue A fluorinated in the first halogenation treatment step is sent to a second halogenation treatment step, in which it is reacted with hydrogen fluoride gas, and silicon fluoride A, excess hydrogen fluoride gas A, and water vapor A are generated as volatile components by the halogenation of the fluoride residue A in the second halogenation treatment step, and these are sent to a gas separation step B to separate only the silicon fluoride A,
Furthermore, the fluorinated residue B fluorinated in the second halogenation treatment step is sent to a third halogenation treatment step, in which it is reacted with fluorine gas, and the fluorinated residue B is halogenated in the third halogenation treatment step to generate nuclear fuel material C and excess fluorine gas as volatile components, which are sent to a gas separation step C to separate only the nuclear fuel material C,
The method for treating fuel debris further comprises: sending the fluorination residue C fluorinated in the third halogenation treatment step to an oxidation treatment step, in which the fluorination residue C is reacted with water vapor to convert its chemical form into an oxide, and sending the resulting solid as waste to a vitrification step, in which the waste and a glass base material are melted and then cooled and solidified to obtain a vitrified body.
前記第1のハロゲン化処理工程に用いる余剰フッ素ガスは、前記第2のハロゲン化処理工程のオフガスから前記フッ化ケイ素Aを分離したガスである余剰フッ化水素ガスAであることを特徴とする燃料デブリの処理方法。 A method for treating fuel debris according to claim 5 , comprising the steps of:
4. A method for treating fuel debris, comprising the steps of: providing an off-gas from the second halogenation treatment step and separating the silicon fluoride A from the off-gas from the second halogenation treatment step; and removing the silicon fluoride A from the off-gas from the second halogenation treatment step.
前記ガス分離工程Aでは、フッ化水素と水蒸気を凝縮させて回収するコールドトラップを用いて前記フッ化ケイ素Bのみが分離され、前記ガス分離工程Cでは、UF6を凝縮させて回収するコールドトラップを用いて前記核燃料物質Cのみが分離されることを特徴とする燃料デブリの処理方法。 A method for treating fuel debris according to claim 5 or 6 , comprising the steps of:
A method for treating fuel debris, characterized in that in the gas separation process A, only the silicon fluoride B is separated using a cold trap that condenses and recovers hydrogen fluoride and water vapor, and in the gas separation process C, only the nuclear fuel material C is separated using a cold trap that condenses and recovers UF6 .
前記第1のハロゲン化処理工程においてハロゲン化処理する温度は、600℃以下であることを特徴とする燃料デブリの処理方法。 A method for treating fuel debris according to any one of claims 5 to 7 , comprising the steps of:
2. The method for treating fuel debris, wherein the halogenation treatment temperature in the first halogenation treatment step is 600° C. or lower.
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