JP4559618B2

JP4559618B2 - Gadolinium isotope separation method and apparatus

Info

Publication number: JP4559618B2
Application number: JP2000387030A
Authority: JP
Inventors: 沢昭彦滝; 部尚渡; 木正一郎二; 沢靖史滝; 辺順子渡; 立肇足
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: JP2002186834A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽水型原子炉用の燃料集合体を構成する燃料棒の一部に可燃性毒物として含有されるガドリニウム元素の特定の同位体を、原子レーザー法を用いて分離する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、軽水型原子炉用の燃料集合体を構成する燃料棒の一部には、原子炉の初期反応度を制御するために、可燃性毒物としてのガドリニア（ガドリニウムの酸化物）がウランの酸化物に混合されて使用されているが、このようなガドリニアとして天然の同位体組成のガドリニウムが用いられている。
【０００３】
天然のガドリニウムには、図５に示したように７種類の同位体が含まれており、このうち熱中性子吸収断面積の大きい１５５Ｇｄと１５７Ｇｄが中性子吸収材として反応度制御の役割を果たしている。
【０００４】
この反応度制御の特性を向上させるためには、熱中性子吸収断面積の特に大きな１５７Ｇｄ若しくは１５７Ｇｄおよび１５５Ｇｄの同位体の組成比を高めた濃縮ガドリニウムを用いたり、あるいは熱中性子吸収断面積の小さな１５６Ｇｄ等の同位体の組成比を減少させることにより１５７Ｇｄ等の組成比を相対的に高めたガドリニウムを用いたりすることが考えられ、原子レーザー法によりこれらの同位体を分離する試みがなされている。
【０００５】
原子レーザー法による同位体分離プロセスは、同位体分離用の金属原料を供給する金属原料供給工程と、供給された金属原料を加熱し溶解して金属蒸気を生じさせる金属蒸気発生工程と、この金属蒸気にレーザーを照射して特定の同位体を選択的に励起させる選択励起工程と、選択励起された特定同位体の金属原子をレーザー照射により光電離（イオン化）させてイオン化同位体を回収する分離回収工程とを有している。
【０００６】
また、同位体分離の対象となる金属原子をレーザーにより多段階励起させる際には、この励起波長が同位体により微少に異なる同位体シフトがあることを利用し、注目する特定の同位体の励起波長に同調した選択励起用レーザー光を照射してその特定の同位体原子だけを励起させるとともに、この選択励起用レーザー光とは別の電離用レーザー光を照射して励起された特定の同位体原子のエネルギー準位をさらに高め、その同位体のみを電離してイオン化させている。
【０００７】
そして、電離された特定の同位体イオンは、高電圧を印加したイオン回収電極の負電極板に捕集される。このイオン回収電極板には、電離されない中性の金属原子も一部付着するが、特定の同位体が濃縮されたガドリニウムが付着する。
この特定の同位体が濃縮されたガドリニウムは、イオン回収電極板の温度を濃縮されたガドリニウムの融点以上に加熱することにより溶融し、液状となって環流して製品回収容器に回収される。
【０００８】
また、レーザー照射により電離されない多くのガドリニウム蒸気原子は、イオン回収電極板の間を素通りし、上方に設置された廃品回収板に、特定の同位体が減損した劣化ガドリニウムとして付着し回収される。この廃品ガドリニウムもまた、廃品回収板の温度を廃品ガドリニウムの融点以上に加熱することにより溶融し、液状となって流動し廃品回収容器に回収される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、単体のガドリニウムの融点は１３１３℃と非常に高いため、製品および廃品のガドリニウムを液状として環流させて回収するには、製品回収電極（製品回収板）および廃品回収板を約１４００℃以上の温度にまで加熱する必要がある。
加熱方法としては抵抗通電加熱等が考えられるが、多量のガドリニウムの同位体分離を行う実用機では回収板の面積も広いため、加熱のために多大の電力を必要とし経済的に望ましくない。また、高温下では材料の腐食性が高くなり、装置の寿命低下につながる。
【００１０】
そこで、本願の出願人はこの課題を解決するために、原子レーザー法によるガドリニウム同位体分離方法において、ガドリニウム（Ｇｄ）とニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、タリウム（Ｔｌ）のいずれかの金属との合金を原料金属に用いるとともに、るつぼ上で加熱されて蒸発した金属蒸気原子に複数波長のレーザー光を照射して特定のガドリニウム同位体を励起して電離させ、電場を印加するとともに加熱した製品回収電極板により電離イオンおよび一部中性原子を回収し、得られた濃縮ガドリニウムと当該金属との合金を液状で回収した後、化学分離により合金成分を除去して濃縮ガドリニウムを製品として分離回収することを特徴とする分離方法を先に提案している（特開平８−２７６１１７号公報参照）。
【００１１】
しかしながら、ガドリニウム（Ｇｄ）とニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、タリウム（Ｔｌ）との合金のうち、融点の観点からはＧｄ−Ｎｉ（１５重量％）が６３５℃、Ｇｄ−Ｍｇ（６２重量％）が５４８℃と特に低く適しているが、マグネシウムＭｇは化学的活性度が大きくて空気中で取り扱いにくく、かつ合金のＧｄの割合が少ないという欠点がある。
【００１２】
また、ニッケル（Ｎｉ）は、同位体分離装置中の製品回収板および廃品回収板の候補として有望な材料であるタングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）を、液化回収のための高温において腐食させる難点がある。
【００１３】
そこで本発明の目的は、上述した従来技術が有する問題点を解消し、原子レーザー法を用いながら、濃縮ガドリニウム製品および廃品ガドリニウムを低消費電力で長時間にわたって安定的に回収できる、経済性に優れたガドリニウム同位体分離方法および装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１に記載のガドリニウム同位体分離方法は、
ガドリニウムと銅との合金を加熱し蒸発させて得た金属蒸気原子に複数波長のレーザー光を照射して特定のガドリニウム同位体を励起して電離させ、
電場を印加するとともに加熱した製品回収電極により電離イオンを回収し、
電離イオンを回収して得た濃縮ガドリニウムと銅との合金を液状で回収し、
前記濃縮ガドリニウムを化学分離により銅を除去して分離回収することを特徴とする。
【００１５】
すなわち、ガドリニウムと銅との合金の融点は、単体のガドリニウムの融点である１３１３℃より大幅に低い。
特に、重量比でガドリニウム８５％、銅１５％の合金の融点は６７５℃であるから、ガドリニウム単体の融点１３１３℃に対して約６４０℃も低い。
これにより、濃縮ガドリニウム製品および廃品ガドリニウムを液状として環流させて回収するために製品回収電極（製品回収板）および廃品回収板を加熱する温度を低くすることができるから、濃縮ガドリニウム製品および廃品ガドリニウムを低消費電力で長時間にわたって安定的に回収できる、経済性に優れたガドリニウム同位体分離方法および装置を提供することができる。
【００１６】
また、請求項２に記載のガドリニウム同位体分離方法は、ガドリニウムに銅を蒸発組成における銅の比率が１０〜６０重量％の範囲となるように混入した合金を用いるとともに、銅を１０〜６０重量％の範囲で混入した濃縮ガドリニウムを前記製品回収電極において回収することを特徴とする。
すなわち、ガドリニウムに銅を１０〜６０重量％の範囲で混入した合金を原料金属とすれば、製品回収電極を９００℃程度の比較的低い温度に加熱することにより、製品ガドリニウムと銅の合金を液化し流動させて製品回収容器に集めることができる。
【００１７】
また、請求項３に記載のガドリニウム同位体分離方法は、ガドリニウムと銅とを個別にるつぼに供給しながら前記るつぼ内で加熱して蒸発させることを特徴とする。
これにより、ガドリニウムおよび銅を、るつぼに供給する前に予め加熱し溶融して合金化しておくことなく、直接るつぼ内で加熱して合金化することができる。
また、それぞれの供給速度を調整することにより、金属蒸気中の混入割合および製品ガドリニウムと銅の混入割合を調整することができ、かつ低温度での加熱による製品の液化回収が可能になる。
【００１８】
また、請求項４に記載のガドリニウム同位体分離装置は、
ガドリニウムと銅との合金を加熱し蒸発させて得た金属蒸気原子に複数波長のレーザー光を照射して特定のガドリニウム同位体を励起して電離させ、
電場を印加するとともに加熱した製品回収電極により電離イオンを回収し、
電離イオンを回収して得た濃縮ガドリニウムと銅との合金を液状で回収し、
前記濃縮ガドリニウムを化学分離により銅を除去して分離回収するガドリニウムの同位体分離装置であって、
前記製品回収電極に、タングステン材料、タンタル材料、モリブデン材料、ステンレスまたはカーボンの基板材に炭化チタン、炭化ジルコニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、タングステンのいずれか若しくはこれを組み合わせたものいずれかをコーティングした材料、を用いることを特徴とする。
すなわち、製品回収電極をこのような構成とすると、ガドリニウムによる高温における腐食が少なく、かつ電極としての機能も有するから、長期間にわたって安定的にガドリニウム同位体を分離することが可能となる。
【００１９】
また、請求項５に記載の発明のガドリニウム同位体分離装置は、
ガドリニウムと銅との合金を加熱し蒸発させて得た金属蒸気原子に複数波長のレーザー光を照射して特定のガドリニウム同位体を励起して電離させ、
電場を印加するとともに加熱した製品回収電極により電離イオンを回収し、
電離イオンを回収して得た濃縮ガドリニウムと銅との合金を液状で回収し、
前記濃縮ガドリニウムを化学分離により銅を除去して分離回収するガドリニウムの同位体分離装置であって、
前記ガドリニウムから前記濃縮ガドリニウムを分離して得られる廃品ガドリニウムを分離回収する廃品回収器、および前記金属蒸気を封入する蒸気封入器の材料として、
タングステン、タンタル、モリブデン、酸化カルシウム、炭化珪素、窒化珪素、酸化イットリウムのいずれか若しくはこれを組み合わせた材料、
またはステンレスの基板材あるいはグラファイト若しくはカーボンコンポジットの基板材に炭化チタン、炭化ジルコニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、タングステンのいずれか若しくはこれを組み合わせたもののいずれかをコーティングした材料、
を用いることを特徴とする。
すなわち、廃品回収器および蒸気封入器の材料をこのような構成とすると、ガドリニウムによる高温における腐食が少ないから、長期間にわたって安定的にガドリニウム同位体を分離することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガドリニウム同位体分離方法および装置の一実施形態を、図１乃至図４を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、図２に示したフローチャート図の各ステップに対応する部分にはＳ１，Ｓ２等の符号を記載する。
【００２１】
まず最初に図１を参照して本実施形態のガドリニウム同位体分離装置１００について説明すると、分離セル（真空容器）１の内部は、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ若しくは油回転ポンプ等からなる真空排気装置２により、１０^−４パスカル程度の高真空度に保たれている。
【００２２】
真空容器１内に配設された金属蒸気発生装置３は、るつぼ４と、このるつぼ４内に装架した原料金属５の表面に高速の電子ビーム６を照射して原料金属５を加熱し溶融させ蒸発させる電子銃７とを有している。
るつぼ４は水冷される銅製の容器で、イットリア、タングステン合金等から製造した断熱性のハースライナを有している。
【００２３】
るつぼ４内で溶融した原料金属５の液位は、原料金属５の蒸発に伴って低下するので、原料供給装置８は、ガドリニウム９（Ｓ１）および銅１０（Ｓ２）を予め加熱し溶融させて得た液状合金（Ｓ３）を、加熱された原料導入管８ａを介して連続的若しくは断続的にるつぼ４内に供給し（Ｓ４）、原料金属５の液位をほぼ一定に保つ。
【００２４】
原料金属５は、ガドリニウムに１０〜６０重量％の範囲の比率で銅を混入した合金である。
このとき、図３に示したように１０〜６０重量％の範囲の比率で銅を混入したガドリニウムＧｄ−銅Ｃｕ合金の融点は６７５℃〜約９００℃であり、ガドリニウム単体の融点である１３１３℃に対して４００℃以上も低い。
これにより、原料金属５は、電子銃７が発射する電子ビーム６による加熱によって容易に溶融させることができるとともに、２０００℃程度の温度にまで加熱することにより所要の蒸気密度のガドリニウムおよび銅の原子蒸気ビーム１１を得ることができる（Ｓ５）。
【００２５】
蒸発したガドリニウムおよび銅の原子蒸気ビーム１１は、蒸気整流器１２を通過した後、その上方のイオン捕集電極板１３で挟まれた光反応部１４に導かれる。
【００２６】
光反応部１４に色素レーザー光１５を照射するレーザーシステム１６は、銅蒸気レーザー１７、色素レーザー１８および光合成器１９等から構成されている。
色素レーザー光１５は、ガドリニウム蒸気原子を３段階励起法により電離させるのに必要な波長、強度、波長幅等を有している。
分離セル１内の光反応部１４においては、色素レーザー光１５によって、天然ガドリニウムの蒸気原子に約１５％含まれる１５７Ｇｄ同位体のうち、熱励起されていない基底レベルの原子のみが３段階励起法によって励起され電離される（Ｓ６）。
【００２７】
光電離した１５７Ｇｄイオンは、高電場を印加したイオン捕集電極板１３うちの負のイオン捕集電極板１３ａに捕集される（Ｓ７）。
レーザーにより電離されない残りの１５７Ｇｄ原子、他のＧｄ同位体原子および銅原子の一部は、中性原子のままイオン捕集電極板１３に付着して捕集されるが、他の大部分の原子はイオン捕集電極板１３の間を素通りし、さらに上方に設置された廃品回収板２０に付着して回収される（Ｓ８）。
また、イオン捕集電極板１３および蒸気整流器１２に到達しないガドリニウムおよび銅の蒸気原子は、蒸気封入容器２１によって捕獲される（Ｓ９）。
【００２８】
このとき、蒸発させる原料金属５の合金元素の混合比およびイオン捕集電極板１３に付着する合金元素の付着率等を予め調整し、イオン捕集電極板１３に捕集されるガドリニウムと銅との合金における銅の重量比が約１５％となるようにしておく。
【００２９】
また、イオン捕集電極板１３（製品回収電極）に、タングステン材料、タンタル材料、モリブデン材料、ステンレスまたはカーボンの基板材に炭化チタン、炭化ジルコニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、タングステンのいずれか若しくはこれを組み合わせたものいずれかをコーティングした材料を用いることにより、ガドリニウムによる高温における腐食が少なく、かつ電極としての機能も有し、長期間にわたって安定的にガドリニウム同位体を分離することが可能となる。
【００３０】
負のイオン捕集電極板１３ａに捕集された、１５７Ｇｄ同位体が６０％以上に濃縮されたガドリニウムと銅との合金は、負のイオン捕集電極板１３ａをこの合金の融点６７５℃より２００℃余り高い９００℃程度に加熱することにより液状となり、製品回収流路２２に沿って下方に流動し、分離セル１の外部に設置された製品回収容器２３に集められる（Ｓ１０）。
【００３１】
中性原子のまま廃品回収板２０に付着した１５７Ｇｄ同位体の組成が劣化したガドリニウムと銅との合金は、廃品回収板２０を約９００℃に加熱することにより液状となり、流路２４に沿って下方に流動し、分離セル１の外部に設置された廃品回収容器２５に回収される（Ｓ１１）。
このとき、廃品回収容器２５の材料として、タングステン、タンタル、モリブデン、酸化カルシウム、炭化珪素、窒化珪素、酸化イットリウムのいずれか若しくはこれを組み合わせ材料、またはステンレスの基板材あるいはグラファイト若しくはカーボンコンポジットの基板材に炭化チタン、炭化ジルコニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、タングステンのいずれか若しくはこれを組み合わせたもののいずれかをコーティングした材料を用いると、ガドリニウムによる高温における腐食が少なく、長期間にわたって安定的にガドリニウム同位体を分離することが可能となる。
【００３２】
蒸気封入容器２１に付着したガドリニウムと銅との合金も、合金の融点以上に加熱されることにより液状となって流動し、下方のるつぼ４に還流する（Ｓ１２）。
このとき、蒸気封入容器２１の材料として、タングステン、タンタル、モリブデン、酸化カルシウム、炭化珪素、窒化珪素、酸化イットリウムのいずれか若しくはこれを組み合わせ材料、またはステンレスの基板材あるいはグラファイト若しくはカーボンコンポジットの基板材に炭化チタン、炭化ジルコニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、タングステンのいずれか若しくはこれを組み合わせたもののいずれかをコーティングした材料を用いると、ガドリニウムによる高温における腐食が少なく、長期間にわたって安定的にガドリニウム同位体を分離することが可能となる。
【００３３】
なお、図４に示したように、ガドリニウムＧｄ−銅Ｃｕ合金を液化させて回収できる融点（約６７５℃）より２００℃あまり高い温度（約９００℃）の近傍では、ガドリニウムへのタングステンの飽和溶解度は約２×１０^−４重量％である。これにより、ガドリニウムＧｄ−銅Ｃｕ合金にはタングステンＷが殆ど溶解しないから、イオン捕集電極板１３や廃品回収板２０および蒸気封入容器２１の材料としてタングステンＷを好適に用い得ることがわかる。
【００３４】
イオン捕集電極板１３ａ、廃品回収板２０および蒸気封入容器２１の加熱は、主に原料金属５を蒸発させる電子ビーム６による加熱の輻射熱により行うことが出来るが、製品回収容器２３および廃品回収容器２５までの流路２２，２４の加熱を含め、補助の抵抗通電加熱装置を併用して加熱する。
【００３５】
製品回収容器２３および廃品回収容器２５に回収されたガドリニウムと銅との合金は、冷却水によって冷却されて固化し、固体金属合金として一時保管された後に分離セル１の外部に取り出される。
【００３６】
製品回収容器２３に回収された濃縮ガドリニウムと銅との合金は、容器から取り出された後、化学分離法により溶融分離され（Ｓ１３）、製品の濃縮ガドリニウムと銅化合物とに分離される（Ｓ１４，Ｓ１５）。
なお、ガドリニウムと銅との分離は沈殿法、イオン交換法または溶媒抽出法により容易に行うことができる。例えば、ガドリニウムと銅との塩酸溶液に蓚酸を加えるとガドリニウムと反応して沈殿をつくるため、沈殿しない銅を濾過して分離することができる。
【００３７】
すなわち、本実施形態のガドリニウム同位体分離方法および装置においては、ガドリニウム単体に代えてガドリニウムと銅との合金を原料金属として用いるので、その融点を大幅に低下させることができる。
これにより、るつぼ４に供給した原料金属５を電子ビーム６の照射によって容易に溶融させることができるばかりでなく、蒸発面を安定化することができる。
【００３８】
また、蒸発させる原料金属５の合金元素の混合比およびイオン捕集電極板１３に付着する合金元素の付着率等を予め調整するので、イオン捕集電極板１３に捕集される濃縮ガドリニウムと銅との合金における銅の重量比を約１５％とし、イオン捕集電極板１３に捕集した濃縮ガドリニウムと銅との合金の融点を６７５℃に低下させることができる。
【００３９】
これにより、イオン捕集電極板１３や廃品回収板２０および蒸気封入容器２１に付着したガドリウムＧｄ−銅Ｃｕ合金を加熱して液化し流動化させて回収する際には、イオン捕集電極板１３や廃品回収板２０および蒸気封入容器２１を加熱する温度を大幅に低下させることができるから、加熱に要する消費電力を減少させて経済性を向上させることができるばかりでなく、ガドリウムＧｄ−銅Ｃｕ合金を容易に流動化させて還流させ回収することができ、さらには高温時における耐食性の問題をも解消することができる。
【００４０】
以上、本発明に係るガドリニウム同位体分離方法および装置の一実施形態について詳しく説明したが、本発明は上述した実施形態によって限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態においては、金属蒸気発生装置３のるつぼ４内へ原料金属５を供給する際、原料供給装置８においてガドリニウム９および銅１０を加熱し溶融させ予め合金化してから供給しているが、ガドリニウム９および銅１０を個別にるつぼ４に供給した後に加熱して合金化することもできる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るガドリニウム同位体分離方法および装置においては、ガドリニウムと銅とを特定の比率で混合した合金を原料金属として用いることにより、その融点を大幅に低下させるので、原料の供給、製品および廃品の回収を容易に行うことが可能となり、原子レーザー法によるガドリニウムの特定の同位体、例えば１５７Ｇｄの組成を高めた濃縮ガドリニウムの生産を経済的かつ安定的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施形態のガドリニウム同位体分離装置を模式的に示すシステム構成図。
【図２】本発明に係る一実施形態のガドリニウム同位体分離方法のプロセスを模式的に示すフローチャート図。
【図３】ガドリニウムと銅との二元合金のフェーズダイアグラム図。
【図４】ガドリニウムに対するタングステンの飽和溶解度と温度との関係を示すグラフ図。
【図５】天然ガドリニウムの組成を示す表図。
【符号の説明】
１分離セル
２真空排気装置
３金属蒸気発生装置
４るつぼ
５原料金属
６電子ビーム
７電子銃
８原料供給装置
１１原子蒸気ビーム
１２蒸気整流装置
１３イオン捕集電極板
１４光反応部
１５色素レーザー光
１６レーザーシステム
１７銅蒸気レーザー
１８色素レーザー
１９光合成器
２０廃品回収板
２１蒸気封入容器
２２製品回収流路
２３製品回収容器
２４廃品回収流路
２５廃品回収容器
１００本発明に係る一実施形態のガドリニウム同位体分離装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for separating a specific isotope of a gadolinium element contained as a combustible poison in a part of a fuel rod constituting a fuel assembly for a light water reactor using an atomic laser method. .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, gadolinia (gadolinium oxide) as a flammable poison is oxidized to uranium in order to control the initial reactivity of the reactor in some of the fuel rods that make up the fuel assemblies for light water reactors. The gadolinium of natural isotopic composition is used as such gadolinia.
[0003]
Natural gadolinium contains seven types of isotopes as shown in FIG. 5. Of these, 155 Gd and 157 Gd having large thermal neutron absorption cross sections play a role of reactivity control as neutron absorbers.
[0004]
In order to improve the characteristics of the reactivity control, 157 Gd having a particularly large thermal neutron absorption cross section or concentrated gadolinium with an increased isotope composition ratio of 157 Gd and 155 Gd is used, or 156 Gd having a small thermal neutron absorption cross section. It is conceivable to use gadolinium having a relatively high composition ratio such as 157 Gd by reducing the composition ratio of isotopes such as 157 Gd, and attempts have been made to separate these isotopes by the atomic laser method.
[0005]
The isotope separation process by the atomic laser method includes a metal raw material supply step for supplying a metal raw material for isotope separation, a metal vapor generation step for heating and melting the supplied metal raw material to generate a metal vapor, and the metal A selective excitation process that selectively excites specific isotopes by irradiating laser to the vapor, and separation that collects ionized isotopes by photoionizing (ionizing) metal atoms of the selectively excited specific isotopes by laser irradiation And a recovery process.
[0006]
In addition, when multi-stage excitation of metal atoms, which are the targets of isotope separation, is performed using the fact that this excitation wavelength has slightly different isotope shifts depending on the isotope, excitation of a specific isotope of interest A specific isotope excited by irradiating a laser beam for selective excitation tuned to the wavelength to excite only that specific isotope atom and irradiating an ionizing laser beam different from this laser beam for selective excitation The energy level of atoms is further increased, and only the isotopes are ionized by ionization.
[0007]
Then, the ionized specific isotope ions are collected on the negative electrode plate of the ion recovery electrode to which a high voltage is applied. A part of neutral metal atoms that are not ionized also adhere to the ion recovery electrode plate, but gadolinium enriched with a specific isotope adheres to the ion recovery electrode plate.
The gadolinium enriched with the specific isotope is melted by heating the ion recovery electrode plate to a temperature equal to or higher than the melting point of the concentrated gadolinium, and circulates in a liquid state to be recovered in the product recovery container.
[0008]
In addition, many gadolinium vapor atoms that are not ionized by laser irradiation pass through between the ion recovery electrode plates, and are collected and recovered as degraded gadolinium in which a specific isotope is depleted on a waste recovery plate installed above. The waste gadolinium is also melted by heating the temperature of the waste product recovery plate to a temperature equal to or higher than the melting point of the waste product gadolinium, flows in a liquid state, and is collected in a waste product collection container.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the melting point of single gadolinium is 1313 ° C., the product recovery electrode (product recovery plate) and the waste product recovery plate must be about 1400 ° C. or higher to circulate the product and waste gadolinium as liquid. It is necessary to heat to temperature.
As a heating method, resistance current heating or the like can be considered. However, in a practical machine that performs isotope separation of a large amount of gadolinium, since the area of the recovery plate is large, a large amount of electric power is required for heating, which is not economically desirable. In addition, the corrosiveness of the material increases at high temperatures, leading to a reduction in the life of the device.
[0010]
Therefore, in order to solve this problem, the applicant of the present application uses gadolinium (Gd) and nickel (Ni), indium (In), magnesium (Mg), and manganese (Mn) in a gadolinium isotope separation method using an atomic laser method. , Palladium (Pd), and thallium (Tl) alloys are used as the raw metal, and the metal vapor atoms heated and evaporated on the crucible are irradiated with laser beams of a plurality of wavelengths to generate specific gadolinium isotopes. After the body is excited and ionized, the ionization ions and some neutral atoms are collected by the product collection electrode plate that is heated while applying an electric field, and the resulting concentrated gadolinium and the metal alloy are collected in liquid form. Proposed first a separation method characterized by removing alloy components by chemical separation and separating and recovering concentrated gadolinium as a product. Are (see Japanese Patent Laid-Open No. 8-276117).
[0011]
However, among the alloys of gadolinium (Gd) and nickel (Ni), indium (In), magnesium (Mg), manganese (Mn), palladium (Pd), and thallium (Tl), from the viewpoint of melting point, Gd-Ni (15% by weight) is particularly low at 635 ° C. and Gd—Mg (62% by weight) is 548 ° C., but magnesium Mg has high chemical activity and is difficult to handle in air, and the ratio of Gd in the alloy There is a disadvantage that there are few.
[0012]
Nickel (Ni) is a difficult point to corrode tungsten (W) and tantalum (Ta), which are promising materials for product recovery plates and waste product recovery plates in isotope separation devices, at high temperatures for liquefaction recovery. There is.
[0013]
Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to recover concentrated gadolinium products and waste gadolinium stably over a long period of time with low power consumption while using the atomic laser method, and is excellent in economic efficiency. Another object is to provide a gadolinium isotope separation method and apparatus.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The gadolinium isotope separation method according to claim 1, which solves the above problem,
Irradiating metal vapor atoms obtained by heating and evaporating an alloy of gadolinium and copper with multiple wavelengths of laser light to excite and ionize specific gadolinium isotopes,
Ionized ions are collected by the product collection electrode heated while applying an electric field,
An alloy of concentrated gadolinium and copper obtained by collecting ionized ions is recovered in liquid form,
The concentrated gadolinium is separated and recovered by removing copper by chemical separation.
[0015]
That is, the melting point of an alloy of gadolinium and copper is significantly lower than 1313 ° C., which is the melting point of single gadolinium.
In particular, since the melting point of the alloy of 85% gadolinium and 15% copper is 675 ° C., it is about 640 ° C. lower than the melting point 1313 ° C. of gadolinium alone.
As a result, the temperature for heating the product recovery electrode (product recovery plate) and the waste product recovery plate can be lowered to circulate and recover the concentrated gadolinium product and the waste product gadolinium as a liquid. It is possible to provide an economical gadolinium isotope separation method and apparatus that can be stably recovered over a long period of time with low power consumption.
[0016]
The gadolinium isotope separation method according to claim 2 uses an alloy in which copper is mixed in gadolinium so that the copper ratio in the evaporation composition is in the range of 10 to 60% by weight, and copper is added in an amount of 10 to 60% by weight. % Concentrated gadolinium mixed in the range of% is recovered at the product recovery electrode.
In other words, if an alloy in which copper is mixed in gadolinium in the range of 10 to 60% by weight is used as a raw metal, the product recovery electrode is heated to a relatively low temperature of about 900 ° C., thereby liquefying the product gadolinium and copper alloy. And can be collected and collected in a product collection container.
[0017]
The gadolinium isotope separation method according to claim 3 is characterized in that gadolinium and copper are heated and evaporated in the crucible while being separately supplied to the crucible.
Thus, gadolinium and copper can be directly alloyed by heating in the crucible without being heated and melted and alloyed before being supplied to the crucible.
Further, by adjusting the respective supply rates, the mixing ratio in the metal vapor and the mixing ratio of the product gadolinium and copper can be adjusted, and the product can be liquefied and recovered by heating at a low temperature.
[0018]
Further, the gadolinium isotope separation device according to claim 4,
Irradiating metal vapor atoms obtained by heating and evaporating an alloy of gadolinium and copper with multiple wavelengths of laser light to excite and ionize specific gadolinium isotopes,
Ionized ions are collected by the product collection electrode heated while applying an electric field,
An alloy of concentrated gadolinium and copper obtained by collecting ionized ions is recovered in liquid form,
A gadolinium isotope separation device for separating and recovering the concentrated gadolinium by removing copper by chemical separation,
A material obtained by coating the product recovery electrode with a tungsten material, a tantalum material, a molybdenum material, a stainless steel or carbon substrate material, and any of titanium carbide, zirconium carbide, titanium nitride, zirconium nitride, tungsten, or a combination thereof. , Is used.
That is, when the product recovery electrode has such a configuration, the gadolinium is hardly corroded at a high temperature and also has a function as an electrode, so that it is possible to stably separate gadolinium isotopes over a long period of time.
[0019]
Further, the gadolinium isotope separation device of the invention according to claim 5 is,
Irradiating metal vapor atoms obtained by heating and evaporating an alloy of gadolinium and copper with multiple wavelengths of laser light to excite and ionize specific gadolinium isotopes,
Ionized ions are collected by the product collection electrode heated while applying an electric field,
An alloy of concentrated gadolinium and copper obtained by collecting ionized ions is recovered in liquid form,
A gadolinium isotope separation device for separating and recovering the concentrated gadolinium by removing copper by chemical separation,
As a material for a waste product collector for separating and recovering waste gadolinium obtained by separating the concentrated gadolinium from the gadolinium, and a material for a steam enclosure for sealing the metal vapor,
Any of tungsten, tantalum, molybdenum, calcium oxide, silicon carbide, silicon nitride, yttrium oxide, or a combination thereof,
Or a material obtained by coating a stainless steel substrate material or a graphite or carbon composite substrate material with any of titanium carbide, zirconium carbide, titanium nitride, zirconium nitride, tungsten, or a combination thereof,
It is characterized by using.
That is, when the materials of the waste product collector and the steam encapsulator are configured as described above, the gadolinium isotopes can be stably separated over a long period of time because there is little corrosion at high temperatures by gadolinium.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a gadolinium isotope separation method and apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4. In the following description, reference numerals such as S1, S2 and the like are written in portions corresponding to the respective steps in the flowchart shown in FIG.
[0021]
First, the gadolinium isotope separation apparatus 100 of this embodiment will be described with reference to FIG. 1. The separation cell (vacuum vessel) 1 is evacuated from an oil diffusion pump, a turbo molecular pump, an oil rotary pump, or the like. The apparatus 2 maintains a high degree of vacuum of about 10 ⁻⁴ Pascal.
[0022]
The metal vapor generator 3 disposed in the vacuum vessel 1 irradiates the crucible 4 and the surface of the raw metal 5 mounted in the crucible 4 with a high-speed electron beam 6 to heat and melt the raw metal 5. And an electron gun 7 to be evaporated.
The crucible 4 is a water-cooled copper container having a heat-insulating hearth liner manufactured from yttria, tungsten alloy or the like.
[0023]
Since the liquid level of the raw material metal 5 melted in the crucible 4 decreases as the raw material metal 5 evaporates, the raw material supply device 8 heats and melts gadolinium 9 (S1) and copper 10 (S2) in advance. The obtained liquid alloy (S3) is continuously or intermittently supplied into the crucible 4 through the heated raw material introduction pipe 8a (S4), and the liquid level of the raw metal 5 is kept almost constant.
[0024]
The raw metal 5 is an alloy in which copper is mixed in gadolinium at a ratio in the range of 10 to 60% by weight.
At this time, as shown in FIG. 3, the melting point of the gadolinium Gd—copper Cu alloy mixed with copper at a ratio in the range of 10 to 60% by weight is 675 ° C. to about 900 ° C., and 1313 ° C. which is the melting point of gadolinium alone. In contrast, it is as low as 400 ° C or higher.
As a result, the raw metal 5 can be easily melted by heating with the electron beam 6 emitted by the electron gun 7, and the gadolinium and copper atoms having a required vapor density can be obtained by heating to a temperature of about 2000 ° C. The vapor beam 11 can be obtained (S5).
[0025]
The evaporated atomic vapor beam 11 of gadolinium and copper passes through the vapor rectifier 12 and is then guided to the photoreaction unit 14 sandwiched between the ion collection electrode plates 13 thereabove.
[0026]
A laser system 16 that irradiates the photoreaction unit 14 with a dye laser beam 15 includes a copper vapor laser 17, a dye laser 18, a photosynthesizer 19, and the like.
The dye laser beam 15 has a wavelength, intensity, wavelength width, and the like necessary for ionizing gadolinium vapor atoms by a three-step excitation method.
In the photoreaction unit 14 in the separation cell 1, the dye laser beam 15 is used to perform a three-step excitation method on only basal level atoms that are not thermally excited out of 157 Gd isotopes contained in about 15% of vapor atoms of natural gadolinium. Is excited and ionized (S6).
[0027]
The photo-ionized 157 Gd ions are collected by the negative ion collection electrode plate 13a among the ion collection electrode plates 13 to which a high electric field is applied (S7).
The remaining 157 Gd atoms, other Gd isotope atoms, and part of the copper atoms that are not ionized by the laser are attached to the ion collecting electrode plate 13 as neutral atoms and collected, but most other atoms are collected. Passes between the ion collection electrode plates 13 and is further collected by being attached to the waste collection plate 20 disposed above (S8).
Further, gadolinium and copper vapor atoms that do not reach the ion collection electrode plate 13 and the vapor rectifier 12 are captured by the vapor enclosure 21 (S9).
[0028]
At this time, the mixing ratio of the alloy elements of the source metal 5 to be evaporated and the adhesion ratio of the alloy elements adhering to the ion collecting electrode plate 13 are adjusted in advance, and gadolinium and copper collected on the ion collecting electrode plate 13 The weight ratio of copper in the alloy is about 15%.
[0029]
In addition, any of tungsten carbide, tantalum material, molybdenum material, stainless steel or carbon substrate material, titanium carbide, zirconium carbide, titanium nitride, zirconium nitride, tungsten, or this is used for the ion collection electrode plate 13 (product recovery electrode). By using a material coated with any of the combinations, the gadolinium is not corroded at a high temperature and has a function as an electrode, so that gadolinium isotopes can be stably separated over a long period of time.
[0030]
The alloy of gadolinium and copper collected by the negative ion collection electrode plate 13a and enriched with 60% or more of the 157Gd isotope has a negative ion collection electrode plate 13a having a melting point of 675.degree. When heated to about 900 ° C., which is too high, it becomes liquid and flows downward along the product recovery flow path 22 and is collected in the product recovery container 23 installed outside the separation cell 1 (S10).
[0031]
The alloy of gadolinium and copper whose composition of the 157 Gd isotope deteriorated while adhering to the waste collection plate 20 with neutral atoms becomes liquid by heating the waste collection plate 20 to about 900 ° C. It flows downward and is collected in a waste collection container 25 installed outside the separation cell 1 (S11).
At this time, as the material of the waste collection container 25, any one of tungsten, tantalum, molybdenum, calcium oxide, silicon carbide, silicon nitride, yttrium oxide, or a combination thereof, or a stainless steel substrate material or a graphite or carbon composite substrate material When using a material coated with titanium carbide, zirconium carbide, titanium nitride, zirconium nitride, tungsten, or a combination thereof, there is less corrosion at high temperatures due to gadolinium, and gadolinium isotopes are stable over a long period of time. Can be separated.
[0032]
The alloy of gadolinium and copper adhering to the steam-sealed container 21 also flows in a liquid state when heated to the melting point or higher of the alloy, and returns to the lower crucible 4 (S12).
At this time, as the material of the steam-sealed container 21, any of tungsten, tantalum, molybdenum, calcium oxide, silicon carbide, silicon nitride, yttrium oxide, or a combination thereof, or a stainless steel substrate material or a graphite or carbon composite substrate material When using a material coated with titanium carbide, zirconium carbide, titanium nitride, zirconium nitride, tungsten, or a combination thereof, there is less corrosion at high temperatures due to gadolinium, and gadolinium isotopes are stable over a long period of time. Can be separated.
[0033]
As shown in FIG. 4, in the vicinity of a temperature (about 900 ° C.) that is 200 ° C. higher than the melting point (about 675 ° C.) at which gadolinium Gd-copper Cu alloy can be liquefied and recovered, the saturated solubility of tungsten in gadolinium Is about 2 × 10 ⁻⁴ wt%. Thereby, since tungsten W hardly melt | dissolves in a gadolinium Gd-copper Cu alloy, it turns out that tungsten W can be used suitably as a material of the ion collection electrode plate 13, the waste collection board | plate 20, and the vapor | steam enclosure container 21. FIG.
[0034]
The ion collection electrode plate 13a, the waste product recovery plate 20 and the steam-sealed container 21 can be heated mainly by the radiant heat of the electron beam 6 that evaporates the raw metal 5, but the product recovery container 23 and the waste product recovery container. Including heating of the flow paths 22 and 24 up to 25, heating is performed by using an auxiliary resistance current heating apparatus in combination.
[0035]
The alloy of gadolinium and copper recovered in the product recovery container 23 and the waste product recovery container 25 is cooled and solidified by cooling water, temporarily stored as a solid metal alloy, and then taken out of the separation cell 1.
[0036]
The alloy of concentrated gadolinium and copper recovered in the product recovery container 23 is taken out from the container and then melted and separated by a chemical separation method (S13), and separated into product concentrated gadolinium and copper compound (S14, S15).
Note that gadolinium and copper can be easily separated by precipitation, ion exchange, or solvent extraction. For example, when oxalic acid is added to a hydrochloric acid solution of gadolinium and copper, it reacts with gadolinium to form a precipitate. Therefore, copper that does not precipitate can be filtered and separated.
[0037]
That is, in the gadolinium isotope separation method and apparatus of the present embodiment, an alloy of gadolinium and copper is used as a raw material metal instead of gadolinium alone, so that the melting point can be greatly reduced.
Thereby, the raw material metal 5 supplied to the crucible 4 can be easily melted by irradiation with the electron beam 6, and the evaporation surface can be stabilized.
[0038]
Further, since the mixing ratio of the alloy elements of the source metal 5 to be evaporated and the adhesion ratio of the alloy elements adhering to the ion collecting electrode plate 13 are adjusted in advance, the concentrated gadolinium and copper collected on the ion collecting electrode plate 13 The weight ratio of copper in the alloy is about 15%, and the melting point of the alloy of concentrated gadolinium and copper collected on the ion collection electrode plate 13 can be lowered to 675 ° C.
[0039]
Thus, when the gadolinium Gd-copper Cu alloy adhering to the ion collection electrode plate 13, the waste collection plate 20 and the steam-filled container 21 is heated, liquefied, fluidized and collected, the ion collection electrode plate 13 is collected. In addition, the temperature for heating the waste product collection plate 20 and the steam-sealed container 21 can be greatly reduced, so that not only can the power consumption required for heating be reduced to improve the economy, but also gadolinium Gd-copper Cu. The alloy can be easily fluidized and refluxed for recovery, and further the problem of corrosion resistance at high temperatures can be solved.
[0040]
As mentioned above, although one embodiment of the gadolinium isotope separation method and apparatus concerning this invention was described in detail, it cannot be overemphasized that this invention is not limited by embodiment mentioned above and a various change is possible.
For example, in the above-described embodiment, when the raw metal 5 is supplied into the crucible 4 of the metal vapor generating device 3, the raw material supply device 8 heats and melts the gadolinium 9 and the copper 10 and alloys them in advance. However, after gadolinium 9 and copper 10 are separately supplied to the crucible 4, they can be heated and alloyed.
[0041]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, in the gadolinium isotope separation method and apparatus according to the present invention, the melting point of the gadolinium isotope separation method and apparatus is greatly reduced by using an alloy in which gadolinium and copper are mixed at a specific ratio as a raw metal. Therefore, it is possible to easily supply raw materials and collect products and wastes, and economically and stably produce concentrated gadolinium with an increased composition of a specific isotope of gadolinium, for example, 157 Gd, by an atomic laser method. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram schematically showing a gadolinium isotope separation device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart schematically showing a process of a gadolinium isotope separation method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a phase diagram of a binary alloy of gadolinium and copper.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the saturation solubility of tungsten and the temperature in gadolinium.
FIG. 5 is a table showing the composition of natural gadolinium.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Separation cell 2 Vacuum exhaust device 3 Metal vapor generator 4 Crucible 5 Raw material metal 6 Electron beam 7 Electron gun 8 Raw material supply device 11 Atomic vapor beam 12 Vapor rectifier 13 Ion collector electrode plate 14 Photoreaction unit 15 Dye laser beam 16 Laser System 17 Copper Vapor Laser 18 Dye Laser 19 Photo Synthesizer 20 Waste Product Recovery Plate 21 Steam Filling Container 22 Product Recovery Channel 23 Product Recovery Container 24 Waste Product Recovery Channel 25 Waste Product Recovery Container 100 Gadolinium Isotope of One Embodiment of the Present Invention Separation device

Claims

Irradiating metal vapor atoms obtained by heating and evaporating an alloy of gadolinium and copper with multiple wavelengths of laser light to excite and ionize specific gadolinium isotopes,
Ionized ions are collected by the product collection electrode heated while applying an electric field,
An alloy of concentrated gadolinium and copper obtained by collecting ionized ions is recovered in liquid form,
The concentrated gadolinium is separated and recovered by removing copper by chemical separation,
A method for isolating gadolinium isotopes.

While using an alloy in which the copper is mixed in the gadolinium in the range of 10 to 60% by weight of the copper in the evaporation composition,
The concentrated gadolinium mixed so that the copper is in the range of 10 to 60% by weight is recovered at the product recovery electrode.
The gadolinium isotope separation method according to claim 1.

The gadolinium isotope separation method according to claim 1, wherein the gadolinium and the copper are heated and evaporated in the crucible while being separately supplied.

Irradiating metal vapor atoms obtained by heating and evaporating an alloy of gadolinium and copper with multiple wavelengths of laser light to excite and ionize specific gadolinium isotopes,
Ionized ions are collected by the product collection electrode heated while applying an electric field,
An alloy of concentrated gadolinium and copper obtained by collecting ionized ions is recovered in liquid form,
A gadolinium isotope separation device for separating and recovering the concentrated gadolinium by chemical separation,
A material obtained by coating the product recovery electrode with a tungsten material, a tantalum material, a molybdenum material, a stainless steel or carbon substrate material, and any of titanium carbide, zirconium carbide, titanium nitride, zirconium nitride, tungsten, or a combination thereof. The gadolinium isotope separation apparatus characterized by using.

Irradiating metal vapor atoms obtained by heating and evaporating an alloy of gadolinium and copper with multiple wavelengths of laser light to excite and ionize specific gadolinium isotopes,
Ionized ions are collected by the product collection electrode heated while applying an electric field,
An alloy of concentrated gadolinium and copper obtained by collecting ionized ions is recovered in liquid form,
A gadolinium isotope separation device for separating and recovering the concentrated gadolinium by removing copper by chemical separation,
As a material for a waste product collector for separating and recovering waste gadolinium obtained by separating the concentrated gadolinium from the gadolinium, and a material for a steam enclosure for sealing the metal vapor,
Any of tungsten, tantalum, molybdenum, calcium oxide, silicon carbide, silicon nitride, yttrium oxide, or a combination thereof,
Or a material obtained by coating a stainless steel substrate material or a graphite or carbon composite substrate material with any of titanium carbide, zirconium carbide, titanium nitride, zirconium nitride, tungsten, or a combination thereof,
A gadolinium isotope separation device characterized in that