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Electrochemical recovery of Zr and Cd from molten chloride salts for reprocessing of used nitride fuels

使用済窒化物燃料処理におけるZr及びCdの電解回収

村上 毅*; 林 博和 

Murakami, Tsuyoshi*; Hayashi, Hirokazu

使用済TRU窒化物燃料の再処理方法として研究開発が行われている化学溶解法は、塩素化剤を用いて溶融塩へ使用済燃料の溶解を行い、還元抽出法などによって溶融塩からTRUを分離回収する方法である。使用済燃料溶解の工程(化学溶解工程)では、窒化物等との化学反応によって消費されるよりも多くの量の塩素化剤(CdCl$$_2$$及びZrCl$$_4$$)を使用する必要があることが知られており、これらの成分が還元抽出法によるTRU分離に影響を及ぼすことが懸念されている。本論文では、化学溶解工程後に溶融塩中に残存するZr及びCdを選択的に回収する電解回収プロセスを付加することによってこれらの成分の影響を低減すること、及び回収したZr及びCdを塩素化剤として再利用することを提案した。また、化学溶解工程の条件及び電解回収の進行に伴い変化する溶融塩中のCdCl$$_2$$とZrCl$$_4$$の濃度比が電解回収プロセスへ与える影響を確認するため、LiCl-KCl共晶溶融塩(723K)中のZrとCdの電解挙動を明らかにする試験を行った。ZrとCdを選択的に回収するため、液体Cdを陰極として用い、TRUの還元電位よりも高い電位(-1.05V (vs. Ag/AgCl))において定電位電解を行い、広い範囲のCdCl$$_2$$/ZrCl$$_4$$濃度比においてZr及びCdの回収が可能であり、その電流効率はほぼ100%であることを確認した。

Excess amounts of dissolution agents, CdCl$$_2$$ and ZrCl$$_4$$, are required to dissolve transuranium (TRU: Pu and minor actinides) nitrides into LiCl-KCl melts at the chemical dissolution step, which is the first step in the reprocessing of used nitride fuels. We propose an electrochemical process where the remaining Zr and Cd are recovered from the melts to be recycled as dissolution agents for the chemical dissolution step, leaving TRU in the melts. Since the initial concentration ratio of CdCl$$_2$$/ZrCl$$_4$$ remaining in the melts would depend on the condition of the chemical dissolution step and would vary during the proposed electrochemical recovery process, electrochemical behaviors of Zr and Cd were investigated in LiCl-KCl melts with various concentration ratios of CdCl$$_2$$/ZrCl$$_4$$ at 723 K to confirm the basic feasibility of the proposed process. Potentiostatic electrolysis was performed using a liquid Cd cathode at -1.05 V (vs. Ag/AgCl), which was a more positive potential than the redox potentials of TRU on the liquid Cd electrode. The obtained results showed that the current efficiency for recovering Zr and Cd from the melts was as high as 100% regardless of the CdCl$$_2$$/ZrCl$$_4$$ concentration ratio in the melts.

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