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JP7391764B2 - Active metal processing method and active metal processing equipment - Google Patents
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JP7391764B2 - Active metal processing method and active metal processing equipment - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、活性金属処理技術に関する。 Embodiments of the present invention relate to active metal processing technology.

ナトリウム冷却高速炉では、冷却材として金属ナトリウムまたはナトリウムカリウム合金が用いられる。これらの金属は、熱中性子吸収断面積が小さく、かつ熱伝導性が高いため除熱性能が高いというメリットがあるが、酸素または水と激しく反応して発火または爆発するというデメリットがある。ナトリウム冷却高速炉を廃炉にする際には、多量の金属ナトリウムが発生する。ナトリウム冷却高速炉で使用されるナトリウム量は、フランスのスーパーフェニックスでは4700t、日本のもんじゅでは1520tと非常に多い。特に、金属ナトリウムは危険物(自然発火性物質および禁水性物質)であるため、廃炉時には金属ナトリウムを安定な状態に処理することが望ましい。 In sodium-cooled fast reactors, metallic sodium or a sodium-potassium alloy is used as the coolant. These metals have the advantage of high heat removal performance due to their small thermal neutron absorption cross section and high thermal conductivity, but have the disadvantage of reacting violently with oxygen or water and causing ignition or explosion. When a sodium-cooled fast reactor is decommissioned, a large amount of metallic sodium is generated. The amount of sodium used in sodium-cooled fast reactors is extremely large: 4,700 tons at France's Super Phoenix and 1,520 tons at Japan's Monju. In particular, since metallic sodium is a dangerous substance (a pyrophoric substance and a water-restrictive substance), it is desirable to treat the metallic sodium to a stable state at the time of decommissioning.

ナトリウム冷却高速炉の廃炉が進んでいる国では、NOAH法と呼ばれる手法で既に多量の金属ナトリウムの処理が行われている。このNOAH法では金属ナトリウムを多量の水と反応させ、水酸化ナトリウム水溶液とし、これを中和処理して廃棄する。しかし、その際に多量の水素ガスが発生するため、爆発の危険性がある。また、多量の廃液または中和用強酸が必要なため、二次廃棄物の量が多くなってしまう。NOAH法は、原理的に単純であり使用実績もあるが、禁水性物質を水と接触させるため本質的に危険であること、多量の液体廃棄物および気体廃棄物が発生してしまうという問題がある。今後の高速炉の廃炉では、より安全で廃棄物発生量の少ない処理方法が必要である。 In countries where sodium-cooled fast reactors are being decommissioned, large amounts of metallic sodium are already being processed using a method called the NOAH method. In this NOAH method, metallic sodium is reacted with a large amount of water to form an aqueous sodium hydroxide solution, which is neutralized and discarded. However, because a large amount of hydrogen gas is generated during this process, there is a risk of explosion. Furthermore, since a large amount of waste liquid or strong acid for neutralization is required, the amount of secondary waste increases. The NOAH method is simple in principle and has a proven track record of use, but it has the problems of being inherently dangerous because it brings water-inhibiting substances into contact with water, and generating large amounts of liquid and gaseous waste. be. Future decommissioning of fast reactors will require safer treatment methods that generate less waste.

このような問題を解決すべく、水を使わないで金属ナトリウムを処理する技術が提案されている。この技術では水を含まない溶融塩を反応場として用い、溶融塩中で金属ナトリウムと、処理剤である金属酸化物を以下の反応式で反応させる。なお、反応式中のMは所定の金属マテリアルである。 In order to solve these problems, a technology has been proposed to treat sodium metal without using water. In this technique, a water-free molten salt is used as a reaction field, and metallic sodium and a metal oxide as a treatment agent are reacted in the molten salt according to the following reaction formula. Note that M in the reaction formula is a predetermined metal material.

2Na + MO = Na2O + M 2Na + MO = Na2O + M

この反応式に従って生成されたNa2Oは、金属ナトリウムに比べ活性が低く、かつ溶融塩中に溶解されるため、廃棄物として安全に保管できる。しかしながら、処理剤として用いる金属酸化物は固体であり、溶融塩よりも密度が大きい場合には、溶融塩中に沈殿してしまい、金属酸化物が金属ナトリウムと充分に接触されないおそれがある。そこで、さらなる処理効率の向上が求められている。 Na2O produced according to this reaction formula has lower activity than metallic sodium and is dissolved in molten salt, so it can be safely stored as waste. However, the metal oxide used as the treatment agent is solid, and if it has a higher density than the molten salt, it may precipitate in the molten salt, and the metal oxide may not be brought into sufficient contact with the metal sodium. Therefore, further improvement in processing efficiency is required.

特開2019-47881号公報JP2019-47881A 特開2020-8322号公報JP2020-8322A

Fast Reactor Database 2006 Update (IAEA)Fast Reactor Database 2006 Update (IAEA)

本発明が解決しようとする課題は、溶融塩を用いて活性金属を安全に安定化させるための処理の効率を向上させることである。 The problem that the present invention seeks to solve is to improve the efficiency of processes for safely stabilizing active metals using molten salts.

本発明の実施形態に係る活性金属処理方法は、活性金属を溶融塩中で酸素原子を含む処理用ガスと反応させて前記活性金属を非金属形態へ転換する工程と、前記活性金属を処理して得られる還元性ガスを空気または酸素分子を含む雰囲気中で燃焼させて前記処理用ガスに再生する工程と、を含む。 An active metal treatment method according to an embodiment of the present invention includes a step of converting the active metal into a non-metal form by reacting the active metal with a treatment gas containing oxygen atoms in a molten salt, and treating the active metal. combusting the reducing gas obtained in an atmosphere containing air or oxygen molecules to regenerate it into the processing gas .

本発明の実施形態により、溶融塩を用いて活性金属を安全に安定化させるための処理の効率を向上させることができる活性金属処理技術が提供される。 Embodiments of the present invention provide active metal processing techniques that can improve the efficiency of processing to safely stabilize active metals using molten salts.

活性金属処理装置を示す構成図。FIG. 1 is a configuration diagram showing an active metal processing apparatus. 活性金属処理方法を示す処理フロー図。FIG. 2 is a processing flow diagram showing an active metal processing method. 実施例1の反応を示すグラフ。Graph showing the reaction of Example 1. 実施例2の反応を示すグラフ。Graph showing the reaction of Example 2. 実施例3の反応を示すグラフ。Graph showing the reaction of Example 3. 実施例4の反応を示すグラフ。Graph showing the reaction of Example 4.

以下、図面を参照しながら、活性金属処理方法および活性金属処理装置の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of an active metal processing method and an active metal processing apparatus will be described in detail with reference to the drawings.

図1の符号1は、本実施形態の活性金属処理装置である。この活性金属処理装置1は、活性金属2を溶融塩3中で安定化させるための装置である。処理剤としては酸素原子を含む処理用ガス4を用いる。この処理用ガス4によって溶融塩3中で活性金属2を酸化させ、より安定な酸化物を形成させる。 Reference numeral 1 in FIG. 1 is an active metal processing apparatus of this embodiment. This active metal processing apparatus 1 is an apparatus for stabilizing an active metal 2 in a molten salt 3. A processing gas 4 containing oxygen atoms is used as the processing agent. This processing gas 4 oxidizes the active metal 2 in the molten salt 3 to form a more stable oxide.

本実施形態において、安定化処理の対象となる活性金属2として金属ナトリウムを例示する。また、溶融塩3とは、高温で溶融した塩からなる液体である。溶融塩3は、金属塩を溶解させることができ、高温であるため溶質の反応速度が速い。さらに、溶融塩3は、耐放射線性が高く、不純物を除去することで再利用が可能であるという利点がある。 In this embodiment, metallic sodium is exemplified as the active metal 2 to be subjected to stabilization treatment. Moreover, the molten salt 3 is a liquid made of salt molten at a high temperature. The molten salt 3 can dissolve metal salts, and because of its high temperature, the solute reaction rate is fast. Furthermore, the molten salt 3 has the advantage that it has high radiation resistance and can be reused by removing impurities.

溶融塩3としては、塩化ナトリウム-塩化リチウム、塩化ナトリウム-塩化カリウム、塩化ナトリウム-塩化カルシウム、または塩化ナトリウム-塩化バリウムを用いることができる。なお、これらの塩を組み合わせて用いても良い。 As the molten salt 3, sodium chloride-lithium chloride, sodium chloride-potassium chloride, sodium chloride-calcium chloride, or sodium chloride-barium chloride can be used. Note that these salts may be used in combination.

活性金属2としては、アルカリ金属のナトリウム(Na)を例示する。また、その他のアルカリ金属またはアルカリ土類金属を活性金属2として適用しても良い。例えば、活性金属2として、リチウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、またはバリウムを適用しても良い。なお、これらの金属の組み合わせでも良い。つまり、本実施形態の活性金属2は、アルカリ金属、アルカリ土類金属の少なくともいずれか一方である。このようにすれば、活性金属2がアルカリ金属またはアルカリ土類金属であっても、溶融塩3中であれば安全に安定化させることができる。 As the active metal 2, the alkali metal sodium (Na) is exemplified. Further, other alkali metals or alkaline earth metals may be used as the active metal 2. For example, lithium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, or barium may be used as the active metal 2. Note that a combination of these metals may be used. That is, the active metal 2 of this embodiment is at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal. In this way, even if the active metal 2 is an alkali metal or an alkaline earth metal, it can be safely stabilized in the molten salt 3.

活性金属処理装置1は、反応容器5とガス導入パイプ6とガス排出パイプ7とガス供給ポンプ8とガス再生ユニット9とガス収容タンク10とを備える。 The active metal processing apparatus 1 includes a reaction vessel 5, a gas introduction pipe 6, a gas discharge pipe 7, a gas supply pump 8, a gas regeneration unit 9, and a gas storage tank 10.

反応容器5は、活性金属2と溶融塩3を保持する。反応容器5は、容器本体とこの容器本体の開口を閉塞する蓋とで構成されている。そして、反応容器5の内部を密閉することができる。この反応容器5の内部で安定化処理が行われる。 Reaction vessel 5 holds active metal 2 and molten salt 3. The reaction container 5 is composed of a container body and a lid that closes the opening of the container body. Then, the inside of the reaction container 5 can be sealed. Stabilization treatment is performed inside this reaction vessel 5.

なお、溶融塩3は、活性金属2よりも密度が大きいものを用いる。このようにすれば、反応容器5の内部で液相の溶融塩3の層が液相の活性金属2の層よりも低い位置にできる。 Note that the molten salt 3 used has a higher density than the active metal 2. In this way, the layer of molten salt 3 in the liquid phase can be located at a lower position than the layer of active metal 2 in the liquid phase inside the reaction vessel 5.

ガス導入パイプ6は、反応容器5の外部から内部に向かって延びる筒状の部材である。このガス導入パイプ6を介して反応容器5の内部に処理用ガス4が導入される。ガス導入パイプ6は、反応容器5の蓋から下方に向かって延び、その下端には、導入口11が開口されている。この導入口11は、反応容器5の内部で溶融塩3が存在する高さ位置に設けられる。つまり、溶融塩3と活性金属2の界面12よりも低い位置に導入口11が設けられる。なお、反応容器5の内部で溶融塩3が存在する位置は、投入される溶融塩3の量に応じて予め特定される。 The gas introduction pipe 6 is a cylindrical member extending from the outside of the reaction container 5 toward the inside. Processing gas 4 is introduced into the reaction vessel 5 through this gas introduction pipe 6 . The gas introduction pipe 6 extends downward from the lid of the reaction vessel 5, and has an introduction port 11 opened at its lower end. This introduction port 11 is provided inside the reaction vessel 5 at a height position where the molten salt 3 exists. That is, the introduction port 11 is provided at a position lower than the interface 12 between the molten salt 3 and the active metal 2. Note that the position where the molten salt 3 exists inside the reaction vessel 5 is specified in advance according to the amount of the molten salt 3 to be introduced.

ガス排出パイプ7は、反応容器5の外部から内部に向かって延びる筒状の部材である。このガス排出パイプ7を介して、反応容器5の内部で発生した還元性ガス13を反応容器5の外部に排出する。ガス排出パイプ7は、反応容器5の蓋から下方に向かって延び、その下端には、排気口14が開口されている。この排気口14は、反応容器5の内部で活性金属2の液面15よりも高い位置に設けられる。反応容器5の内部の活性金属2の液面15は、投入される活性金属2の量に応じて予め特定される。 The gas discharge pipe 7 is a cylindrical member extending from the outside of the reaction container 5 toward the inside. The reducing gas 13 generated inside the reaction vessel 5 is discharged to the outside of the reaction vessel 5 through the gas discharge pipe 7 . The gas exhaust pipe 7 extends downward from the lid of the reaction vessel 5, and has an exhaust port 14 opened at its lower end. This exhaust port 14 is provided inside the reaction vessel 5 at a position higher than the liquid level 15 of the active metal 2 . The liquid level 15 of the active metal 2 inside the reaction vessel 5 is specified in advance according to the amount of the active metal 2 to be charged.

ガス供給ポンプ8は、ガス導入パイプ6を介して処理用ガス4を反応容器5の内部に供給する。ガス供給ポンプ8が駆動されることで、導入口11から処理用ガス4が吹き込まれる。この導入口11から吹き込まれた処理用ガス4は細かい気泡となって上昇される。なお、ガス供給ポンプ8の先端に気泡を生じさせる散気装置を接続しても良い。 The gas supply pump 8 supplies the processing gas 4 into the reaction vessel 5 via the gas introduction pipe 6 . When the gas supply pump 8 is driven, the processing gas 4 is blown into the inlet 11 . The processing gas 4 blown through the inlet 11 becomes fine bubbles and rises. Note that an air diffuser that generates air bubbles may be connected to the tip of the gas supply pump 8.

ガス再生ユニット9は、ガス排出パイプ7を介して排出された還元性ガス13を処理用ガス4に再生する。ガス収容タンク10は、処理用ガス4を収容する。ガス供給ポンプ8は、ガス収容タンク10に収容された処理用ガス4を反応容器5に供給する。さらに、ガス供給ポンプ8は、ガス再生ユニット9で再生された処理用ガス4を反応容器5に供給する。 The gas regeneration unit 9 regenerates the reducing gas 13 discharged via the gas discharge pipe 7 into the processing gas 4. The gas storage tank 10 stores the processing gas 4. The gas supply pump 8 supplies the processing gas 4 contained in the gas storage tank 10 to the reaction vessel 5 . Further, the gas supply pump 8 supplies the processing gas 4 regenerated by the gas regeneration unit 9 to the reaction vessel 5 .

処理用ガス4は、少なくとも酸素原子を含む酸化物ガスである。本実施形態の処理用ガス4としては、二酸化炭素(CO)を例示する。また、処理用ガス4は、二酸化硫黄(SO)でも良いし、二酸化窒素(NO)でも良い。つまり、本実施形態の処理用ガス4は、COx、SOx、NOxの少なくともいずれか1つである。このようにすれば、酸素原子を含む処理用ガス4として容易に入手することができる。なお、これらのガスの組み合わせでも良い。 The processing gas 4 is an oxide gas containing at least oxygen atoms. Carbon dioxide (CO 2 ) is exemplified as the processing gas 4 of this embodiment. Further, the processing gas 4 may be sulfur dioxide (SO 2 ) or nitrogen dioxide (NO 2 ). That is, the processing gas 4 of this embodiment is at least one of COx, SOx, and NOx. In this way, the processing gas 4 containing oxygen atoms can be easily obtained. Note that a combination of these gases may be used.

本実施形態では、煩雑な装置およびプロセスを用いずに、溶融塩3中で活性金属2(金属ナトリウム)を処理し、非金属形態である安定な化合物に転換する。発明者らが着目した酸素原子を含む処理用ガス4は、従来技術の金属酸化物に替わる新たな処理剤である。この処理用ガス4を溶融塩3中に処理用ガス4を吹き込み、活性金属2と処理用ガス4を反応させることで、活性金属2を安定な化学形態に転換する。 In this embodiment, active metal 2 (metallic sodium) is treated in molten salt 3 and converted to a stable compound in non-metallic form without using complicated equipment and processes. The processing gas 4 containing oxygen atoms that the inventors have focused on is a new processing agent that can replace the metal oxides of the prior art. The processing gas 4 is blown into the molten salt 3 to cause the active metal 2 and the processing gas 4 to react, thereby converting the active metal 2 into a stable chemical form.

図2に示すように、活性金属処理方法では、吹込工程16と安定化工程17と再生工程18とを含む。これらの工程が並列に実行される。 As shown in FIG. 2, the active metal treatment method includes a blowing step 16, a stabilization step 17, and a regeneration step 18. These steps are executed in parallel.

吹込工程16は、反応容器5の内部で活性金属2よりも低い位置に存在する溶融塩3中に設けられた導入口11から処理用ガス4を吹き込む工程である。このようにすれば、溶融塩3中の導入口11から吹き込まれた処理用ガス4が上昇し、活性金属2と溶融塩3の界面12で活性金属2と溶融塩3と処理用ガス4が繰り返し混ざり合うようになるため、処理の効率を向上させることができる。 The blowing step 16 is a step of blowing the processing gas 4 through the inlet 11 provided in the molten salt 3 located at a lower position than the active metal 2 inside the reaction vessel 5 . In this way, the processing gas 4 blown into the molten salt 3 from the inlet 11 rises, and the active metal 2, the molten salt 3, and the processing gas 4 are mixed at the interface 12 between the active metal 2 and the molten salt 3. Since they are mixed repeatedly, processing efficiency can be improved.

安定化工程17は、反応容器5の内部で活性金属2を溶融塩3中で酸素原子を含む処理用ガス4と反応させて活性金属2を非金属形態へ転換する工程である。この安定化工程17は、まず、活性金属2と溶融塩3とが反応容器5に投入される。そして、吹込工程16により反応容器5の内部に吹き込まれた処理用ガス4により活性金属2が非金属形態に転換される。 The stabilization step 17 is a step in which the active metal 2 is reacted with a treatment gas 4 containing oxygen atoms in the molten salt 3 inside the reaction vessel 5 to convert the active metal 2 into a non-metallic form. In this stabilization step 17, first, the active metal 2 and the molten salt 3 are charged into the reaction vessel 5. Then, the active metal 2 is converted into a non-metallic form by the processing gas 4 blown into the reaction vessel 5 in the blowing step 16 .

本実施形態では、溶融塩3が活性金属2よりも密度が大きいため、反応容器5の内部で液相の溶融塩3の層が液相の活性金属2の層よりも低い位置にできる。さらに、処理用ガス4が、活性金属2よりも低い位置に存在する溶融塩3中にガス導入パイプ6を用いて吹き込まれる。このガス導入パイプ6の導入口11から上昇する処理用ガス4の気泡が、溶融塩3と活性金属2の界面12で混ざり合い、反応が促進される。また、処理用ガス4の気泡によって、界面12にて溶融塩3と活性金属2とが混ざり合うように撹拌される。 In this embodiment, since the molten salt 3 has a higher density than the active metal 2, the layer of the molten salt 3 in the liquid phase is formed at a position lower than the layer of the active metal 2 in the liquid phase inside the reaction vessel 5. Further, a processing gas 4 is blown into the molten salt 3 located at a position lower than the active metal 2 using a gas introduction pipe 6. Bubbles of the processing gas 4 rising from the inlet 11 of the gas introduction pipe 6 mix at the interface 12 between the molten salt 3 and the active metal 2, promoting the reaction. Further, the bubbles of the processing gas 4 stir the molten salt 3 and the active metal 2 so that they are mixed at the interface 12 .

安定化工程17では、処理済化合物19と使用済溶融塩20と還元性ガス13が生成される。例えば、活性金属2としての金属ナトリウムを処理した場合には、処理済化合物19に酸化ナトリウムが含まれる。また、COを処理用ガス4として用いた場合には、還元性ガス13として一酸化炭素(CO)が発生する。 In the stabilization step 17, a treated compound 19, a spent molten salt 20, and a reducing gas 13 are generated. For example, when metallic sodium is treated as the active metal 2, the treated compound 19 includes sodium oxide. Further, when CO 2 is used as the processing gas 4, carbon monoxide (CO) is generated as the reducing gas 13.

再生工程18は、活性金属2を処理して得られる還元性ガス13を空気または酸素分子を含む雰囲気中で燃焼させて処理用ガス4に再生する工程である。このようにすれば、活性金属2の処理に応じて排出される還元性ガス13を処理用ガス4として再利用することができる。 The regeneration step 18 is a step of regenerating the processing gas 4 by burning the reducing gas 13 obtained by processing the active metal 2 in an atmosphere containing air or oxygen molecules. In this way, the reducing gas 13 discharged as the active metal 2 is processed can be reused as the processing gas 4.

本実施形態では、活性金属2と処理剤である処理用ガス4の酸化還元反応を用いるようにし、さらに、活性金属2、溶融塩3、処理用ガス4の密度差を利用する。このようにすれば、活性金属2を、酸化物、塩化物、炭酸塩などの様々な形態に転換することができる。そして、反応効率を向上させるとともに、処理済化合物19と使用済溶融塩20の分離性を向上させることができる。 In this embodiment, an oxidation-reduction reaction between the active metal 2 and the processing gas 4 as a processing agent is used, and the density difference between the active metal 2, the molten salt 3, and the processing gas 4 is utilized. In this way, the active metal 2 can be converted into various forms such as oxides, chlorides, and carbonates. In addition, it is possible to improve the reaction efficiency and the separability between the treated compound 19 and the spent molten salt 20.

具体的な反応の一例を説明する。なお、具体例として、活性金属2をナトリウム(Na)とし、処理用ガス4を二酸化炭素(CO)とするが、その他の物質を本実施形態に適用しても良い。 An example of a specific reaction will be explained. Note that, as a specific example, the active metal 2 is sodium (Na) and the processing gas 4 is carbon dioxide (CO 2 ), but other substances may be applied to this embodiment.

まず、反応容器5の内部で液体として保持された溶融塩3中に活性金属2を添加する。溶融塩3としては、NaCl-CaCl、NaCl-KCl、NaCl-LiClなどを用いることができる。このとき、比重差により活性金属2は、溶融塩3よりも高い存在する。この溶融塩3中にガス導入パイプ6などを通じて処理用ガス4を吹き込む。活性金属2と処理用ガス4の酸化還元反応によって、活性金属2が非金属形態の処理済化合物19に転換される。酸化還元反応は反応式(1)で進行する。 First, the active metal 2 is added to the molten salt 3 held as a liquid inside the reaction vessel 5. As the molten salt 3, NaCl-CaCl 2 , NaCl-KCl, NaCl-LiCl, etc. can be used. At this time, the active metal 2 is present at a higher concentration than the molten salt 3 due to the difference in specific gravity. A processing gas 4 is blown into this molten salt 3 through a gas introduction pipe 6 or the like. A redox reaction between the active metal 2 and the treatment gas 4 converts the active metal 2 into a treated compound 19 in non-metallic form. The redox reaction proceeds according to reaction formula (1).

2Na + CO = NaO + CO (1) 2Na + CO 2 = Na 2 O + CO (1)

このように、金属ナトリウム(Na)は酸化ナトリウム(NaO)へと酸化され、COガスはCOガスへと還元される。 In this way, metallic sodium (Na) is oxidized to sodium oxide (Na 2 O) and CO 2 gas is reduced to CO gas.

従来技術のように、Naと固体の金属酸化物を反応させた場合には、金属酸化物が金属に還元され、溶融塩3中にとどまるが、本実施形態のように、処理用ガス4としてCOガスを用いた場合は、還元性ガス13としてCOガスが生成されるので、特別な機器を用いなくても反応容器5の外部へ連続的にCOガスを排出することが可能である。反応容器5の外部に排出されたCOガスは、ガス再生ユニット9で空気などと加熱混合すれば、燃焼反応によりCOとなるため、処理用ガス4として再利用することができる。 When Na is reacted with a solid metal oxide as in the prior art, the metal oxide is reduced to metal and remains in the molten salt 3, but as in the present embodiment, it is used as the processing gas 4. When CO 2 gas is used, CO gas is generated as the reducing gas 13, so it is possible to continuously discharge the CO gas to the outside of the reaction vessel 5 without using special equipment. When the CO gas discharged to the outside of the reaction vessel 5 is heated and mixed with air or the like in the gas regeneration unit 9, it becomes CO2 through a combustion reaction, and thus can be reused as the processing gas 4.

また、ガス導入パイプ6の導入口11から溶融塩3中に吹き込まれたCOガスは、必ず上方向へ移動するので、溶融塩3の層とNa(活性金属2)の層の界面12において、COガスによる反応が起きる。このときに生成されるNaOは、溶融塩3の層へ溶解除去されるため、界面12では常に新しいNaの表面が形成され、COガスによる反応が継続的に進行する。 In addition, since the CO 2 gas blown into the molten salt 3 from the inlet 11 of the gas introduction pipe 6 always moves upward, the CO 2 gas injected into the molten salt 3 from the inlet 11 of the gas introduction pipe 6 always moves upward, so that at the interface 12 between the molten salt 3 layer and the Na (active metal 2) layer, , a reaction occurs with CO 2 gas. Since the Na 2 O generated at this time is dissolved and removed by the layer of molten salt 3, a new Na surface is always formed at the interface 12, and the reaction by the CO 2 gas continues to proceed.

図3は、溶融塩3として700℃のNaCl-KCl(50:50mol%)を用い、処理用ガス4にCOを用いて、金属Naを1mol処理した際の反応挙動を熱力学平衡計算により求めたグラフである。なお、グラフ中の(l)は(例えばNaCl(l))、液体であることと意味し、(g)は(例えばCO(g))、ガスであることを意味する。 Figure 3 shows the reaction behavior when 1 mol of metallic Na was treated using NaCl-KCl (50:50 mol%) at 700°C as the molten salt 3 and CO 2 as the processing gas 4, based on thermodynamic equilibrium calculations. This is the graph I found. Note that (l) in the graph (for example, NaCl (l)) means a liquid, and (g) (for example, CO 2 (g)) means a gas.

このグラフに示すように、COガスが0.6mol程度吹き込まれた辺りで、金属Naが系内から消失し、NaがNaClに転換されていることが分かる。吹き込まれたCOガスにより、反応初期ではC(炭素)が生成されるが、充分な量のCOガスが吹き込まれると、その大部分は、COおよびCOの混合ガスとなり系外へ排出される。なお、その一部は溶融塩3と反応して、NaCOとKCOが形成される。使用済溶融塩20(処理済化合物19を含む)は、NaCl-KCl-NaCO-KCOとなる。なお、使用済溶融塩20には、その他の物質が含まれる場合がある。 As shown in this graph, it can be seen that around 0.6 mol of CO 2 gas was blown in, metal Na disappeared from the system and Na was converted to NaCl. The injected CO2 gas generates C (carbon) at the beginning of the reaction, but when a sufficient amount of CO2 gas is injected, most of it becomes a mixed gas of CO and CO2 and is discharged outside the system. be done. Note that a part of it reacts with the molten salt 3 to form Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 . The spent molten salt 20 (including the treated compound 19) becomes NaCl-KCl-Na 2 CO 3 -K 2 CO 3 . Note that the used molten salt 20 may contain other substances.

図4は、溶融塩3として700℃のNaCl-CaCl(50:50mol%)を用い、処理用ガス4にCOを用いて、金属Naを1mol処理した際の反応挙動を熱力学平衡計算により求めたグラフである。 Figure 4 shows a thermodynamic equilibrium calculation of the reaction behavior when 1 mol of metallic Na is treated using NaCl-CaCl 2 (50:50 mol%) at 700°C as the molten salt 3 and CO 2 as the processing gas 4. This is a graph obtained by

このグラフに示すように、COガスが0.2mol程度吹き込まれた辺りで、金属Naが系内から消失し、NaがNaClに転換されていることが分かる。吹き込まれたCOガスにより、反応初期ではC(炭素)が生成されるが、充分な量のCOガスが吹き込まれると、その大部分は、COおよびCOの混合ガスとなり系外へ排出される。なお、その一部は溶融塩3と反応して、CaCOが形成される。使用済溶融塩20(処理済化合物19を含む)は、NaCl-CaCl-CaCOとなる。なお、使用済溶融塩20には、その他の物質が含まれる場合がある。 As shown in this graph, it can be seen that metallic Na disappears from the system and Na is converted to NaCl around the time when about 0.2 mol of CO 2 gas is blown into the system. The injected CO2 gas generates C (carbon) at the beginning of the reaction, but when a sufficient amount of CO2 gas is injected, most of it becomes a mixed gas of CO and CO2 and is discharged outside the system. be done. Note that a part of it reacts with the molten salt 3 to form CaCO 3 . The spent molten salt 20 (including the treated compound 19) becomes NaCl-CaCl 2 -CaCO 3 . Note that the used molten salt 20 may contain other substances.

図5は、溶融塩3として700℃のNaCl-CaCl(50:50mol%)を用い、処理用ガス4にSOを用いて、金属Naを1mol処理した際の反応挙動を熱力学平衡計算により求めたグラフである。 Figure 5 shows a thermodynamic equilibrium calculation of the reaction behavior when 1 mol of metallic Na is treated using NaCl-CaCl 2 (50:50 mol%) at 700°C as the molten salt 3 and SO 2 as the processing gas 4. This is a graph obtained by

このグラフに示すように、SOガスが0.2mol程度吹き込まれた辺りで、金属Naが系内から消失し、NaがNaClに転換されていることが分かる。SOは硫化物として溶融塩3中に存在するが、さらにSOガスを吹き込むと、硫化物が消失して、NaSO、CaSOといった硫酸塩が形成される。使用済溶融塩20(処理済化合物19を含む)は、NaCl-CaCl-NaSO-CaSOとなる。なお、使用済溶融塩20には、その他の物質が含まれる場合がある。 As shown in this graph, it can be seen that around 0.2 mol of SO 2 gas was blown in, metal Na disappeared from the system and Na was converted to NaCl. SO2 exists in the molten salt 3 as a sulfide, but when SO2 gas is further blown into the molten salt, the sulfide disappears and sulfates such as Na2SO4 and CaSO4 are formed. The spent molten salt 20 (including the treated compound 19) becomes NaCl-CaCl 2 -Na 2 SO 4 -CaSO 4 . Note that the used molten salt 20 may contain other substances.

図6は、溶融塩3として700℃のNaCl-CaCl(50:50mol%)を用い、処理用ガス4にNOを用いて、金属Naを1mol処理した際の反応挙動を熱力学平衡計算により求めたグラフである。 Figure 6 shows a thermodynamic equilibrium calculation of the reaction behavior when 1 mol of metallic Na is treated using NaCl-CaCl 2 (50:50 mol%) at 700°C as the molten salt 3 and NO 2 as the processing gas 4. This is a graph obtained by

このグラフに示すように、NOガスが0.4mol程度吹き込まれた辺りで、金属Naが系内から消失し、NaがNaClに転換されていることが分かる。なお、NOガスの吹き込み開始時点から、NOガスが即座に反応を開始し、NとOが生成されていることが分かる。そのため、グラフ中にNOの線が存在していない。使用済溶融塩20(処理済化合物19を含む)は、NaCl-CaCl-CaOとなる。なお、使用済溶融塩20には、その他の物質が含まれる場合がある。 As shown in this graph, it can be seen that around 0.4 mol of NO 2 gas was blown in, metal Na disappeared from the system and Na was converted to NaCl. Note that it can be seen that the NO 2 gas starts reacting immediately from the start of the blowing of the NO 2 gas, and N 2 and O 2 are generated. Therefore, there is no NO 2 line in the graph. The spent molten salt 20 (including the treated compound 19) becomes NaCl-CaCl 2 -CaO. Note that the used molten salt 20 may contain other substances.

本実施形態では、活性金属2である金属ナトリウムが溶融塩3中に溶けることで、活性金属2と処理用ガス4との反応を促進することができる。仮に、活性金属2を所定の溶媒に溶かさずに処理用ガス4と反応させようとした場合、活性金属2が微細な塊となり、その塊の表面のみが反応してしまい、その内部まで反応な進まなくなる。活性金属2を溶媒に溶かすことで、常に活性金属2の分子が処理用ガス4と接触できるようになるので、反応を促進することができる。 In this embodiment, the reaction between the active metal 2 and the processing gas 4 can be promoted by dissolving metallic sodium, which is the active metal 2, in the molten salt 3. If an attempt was made to react the active metal 2 with the processing gas 4 without dissolving it in a prescribed solvent, the active metal 2 would become a fine lump, and only the surface of the lump would react, and the inside would not be reacted. It stops progressing. By dissolving the active metal 2 in a solvent, the molecules of the active metal 2 can always come into contact with the processing gas 4, so that the reaction can be promoted.

なお、本実施形態では、活性金属処理装置1を廃棄物の処理工程の一部として用いているが、廃棄物の処理のみならず、活性金属2を再利用する処理工程の一部として用いても良い。 In this embodiment, the active metal processing apparatus 1 is used as a part of the waste treatment process, but it can be used not only for waste treatment but also as a part of the treatment process for reusing the active metal 2. Also good.

また、高速炉炉心を直接冷却するナトリウムを処理する場合、ナトリウム中に放射性物質が含まれる可能性がある。そのため、活性金属処理装置1は、生体遮蔽の役割を果たす遮蔽壁をさらに備えても良い。 Furthermore, when processing sodium that directly cools the fast reactor core, there is a possibility that the sodium may contain radioactive substances. Therefore, the active metal processing apparatus 1 may further include a shielding wall that serves as a biological shield.

なお、処理用ガス4としては、酸素ガス(酸素分子)以外のガスを用いると良い。このようにすれば、処理用ガス4が活性金属2と激しく反応してしまうことを抑制することができる。 Note that as the processing gas 4, it is preferable to use a gas other than oxygen gas (oxygen molecules). In this way, it is possible to prevent the processing gas 4 from violently reacting with the active metal 2.

以上説明した実施形態によれば、活性金属を溶融塩中で酸素原子を含む処理用ガスと反応させて活性金属を非金属形態へ転換する工程を含むことにより、溶融塩を用いて活性金属を安全に安定化させるための処理の効率を向上させることができる。 According to the embodiments described above, a molten salt is used to convert an active metal into a non-metallic form by reacting the active metal with a treatment gas containing oxygen atoms in the molten salt. The efficiency of the process for safe stabilization can be improved.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.

1…活性金属処理装置、2…活性金属、3…溶融塩、4…処理用ガス、5…反応容器、6…ガス導入パイプ、7…ガス排出パイプ、8…ガス供給ポンプ、9…ガス再生ユニット、10…ガス収容タンク、11…導入口、12…界面、13…還元性ガス、14…排気口、15…液面、16…吹込工程、17…安定化工程、18…再生工程、19…処理済化合物、20…使用済溶融塩。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Active metal processing equipment, 2...Active metal, 3...Molten salt, 4...Processing gas, 5...Reaction vessel, 6...Gas introduction pipe, 7...Gas discharge pipe, 8...Gas supply pump, 9...Gas regeneration Unit, 10...Gas storage tank, 11...Inlet, 12...Interface, 13...Reducing gas, 14...Exhaust port, 15...Liquid level, 16...Blowing process, 17...Stabilizing process, 18...Regeneration process, 19 ... Treated compound, 20 ... Spent molten salt.

Claims (6)

活性金属を溶融塩中で酸素原子を含む処理用ガスと反応させて前記活性金属を非金属形態へ転換する工程と、
前記活性金属を処理して得られる還元性ガスを空気または酸素分子を含む雰囲気中で燃焼させて前記処理用ガスに再生する工程と、
を含む、
活性金属処理方法。
reacting an active metal with a treatment gas containing oxygen atoms in a molten salt to convert the active metal to a non-metallic form ;
Regenerating the processing gas by burning the reducing gas obtained by processing the active metal in an atmosphere containing air or oxygen molecules;
including,
Active metal processing method.
前記処理用ガスは、COx、SOx、NOxの少なくともいずれか1つである、
請求項1に記載の活性金属処理方法。
The processing gas is at least one of COx, SOx, and NOx,
The active metal treatment method according to claim 1.
前記活性金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属の少なくともいずれか一方である、
請求項1または請求項2に記載の活性金属処理方法。
The active metal is at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal.
The active metal treatment method according to claim 1 or claim 2.
前記溶融塩は、前記活性金属よりも密度が大きいものを用いる、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の活性金属処理方法。
The molten salt has a higher density than the active metal,
The active metal treatment method according to any one of claims 1 to 3.
前記活性金属よりも低い位置に存在する前記溶融塩中に設けられた導入口から前記処理用ガスを吹き込む工程を含む、
請求項4に記載の活性金属処理方法。
a step of blowing the processing gas through an inlet provided in the molten salt at a position lower than the active metal;
The active metal treatment method according to claim 4.
活性金属を溶融塩中で酸素原子を含む処理用ガスと反応させて前記活性金属を非金属形態へ転換する反応容器と、
前記活性金属を処理して得られる還元性ガスを空気または酸素分子を含む雰囲気中で燃焼させて前記処理用ガスに再生するガス再生ユニットと、
を備える、
活性金属処理装置。
a reaction vessel for reacting an active metal with a treatment gas containing oxygen atoms in a molten salt to convert the active metal to a non-metallic form ;
a gas regeneration unit that burns a reducing gas obtained by processing the active metal in an atmosphere containing air or oxygen molecules to regenerate the processing gas;
Equipped with
Active metal processing equipment.
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