乾式再処理における電極反応流動特性数値解析 -酸化物電解法における拡散層厚さの評価-

Flow analysis of electrode reaction in pyrochamical reprocessing -Estimation of the a diffusion layer thickness in oxide electrowinning method-

河村 拓己*; 堺 公明; 小林 嗣幸

not registered; Sakai, Takaaki; Kobayashi, Tsuguyuki

FBRサイクル実用化戦略研究における燃料再処理システムの実用化候補概念として、溶融塩電解を用いた乾式再処理システムの研究が進められている。溶融塩電解プロセスにおける回収物の析出量を高い精度で予測するためには、電極表面近傍における析出成分の濃度拡散層厚さを適切に評価する必要があるが、拡散層厚さの測定は極めて困難であり、その評価手法を構築することが課題となっている。 本研究では、電極表面近傍の拡散層厚さを数値解析によって評価することを目的とし、Nernst式の電極反応による析出、電極近傍での反応物質の濃度分布、及び、濃度変化による密度変化に起因した自然対流を同時に評価できる定常2次元解析コードを構築した。また、この解析コードを用いて、露国における酸化物電解試験を対象とした解析を実施し、分極曲線と拡散層厚さの特性を評価した。 その結果、物性値等に不確定性は残るものの、解析による分極曲線は試験結果と概ね一致しており、数値解析による拡散層厚さの評価について見通しが得られた。また、解析結果から濃度拡散層が陰極表面の自然対流に沿って、数百m程度の厚さで形成されること、電解条件により流動が変化した場合、拡散層厚さは、速度境界層の変化に対応して変化することが明らかになった。さらに、水溶液電解の物質伝達係数に関する伊藤の無次元相関式は、溶融塩電解の解析結果から求めた物質伝達係数とよい一致を示しており、この無次元相関式により拡散層厚さが評価できることが明らかになった。

A pyrochemical reprocessing system using a molten salt electrolysis has been studied as one of the feasible concepts for the FBR fuel reprocessing system. In order to calculate the amount of deposits of the salvaged material in molten salt electrolysis process in high accuracy, it is necessary to evaluate appropriately the concentration diffusion layer thickness of a deposit ingredient near the electrode surface. However, measurement of diffusion layer thickness is extremely difficult. Therefore, it has been a subject to develop the evaluation methods of the diffusion layer thickness. In this report, we have developed the two-dimensional analysis code, in order for numerical analysis to estimate the diffusion layer thickness near the electrode surface. This code can solve simultaneously a deposit by electrode reaction of Nernst's equation, concentration distribution of reactant near the electrode surface, and the natural convection resulting from the density change by concentration change. By using the code, we carried out analysis of the oxide electrolysis experiment in Russia, and evaluated the characteristic of diffusion layer thickness and the polarization curve. As a result, although indeterminacy remained in the physica1-properties value, the polarization curve in analysis agreed with the experiment result in general. By the analysis of a molten salt electrolysis, it was clarified that the diffusion layer is formed with hundreds micrometers thickness along the natural convection on the cathode surface, and the diffusion layer thickness changes corresponding to the velocity boundary layer of the natural convection flow which is driven by mass transfer at the electrode surface. In addition, Ito's mass transfer correlation for aqueous solutions shows good agreement with the molten salt calculation within a reasonable accuracy. Therefore, it is prospected that the diffusion layer thickness in the molten salt can be evaluated from Ito's correlation.