Electrochemical Preparation of UCl3 -LiCl-KCl Molten Salt in a Frit-Separated Cell
本論文は、ビスマス陰極を用いたフリット分離セルにより、金属不純物や腐食性ガスの混入を伴うことなく、高い電流効率と精密な濃度制御を達成する、UCl₃-LiCl-KCl溶融塩を調製するための効率的な試薬フリーの電気化学的手法を実証するものである。
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未来の電力を確保するための探求の中で、科学者たちは、水の代わりに液体金属を使用する特定のタイプの原子炉に目を向けています。ナトリウム冷却高速炉として知られるこれらの装置は、通常は廃棄物と見なされる使用済み核燃料を資源へと変える、再利用の方法を提供します。しかし、このリサイクルを機能させるためには、エンジニアが燃料の有用な部分を無用な部分から分離しなければなりません。パイロプロセッシングと呼ばれるこのプロセスは、液体の化学的なスポンジのように機能する溶融塩の入浴の中で行われます。このスポンジを効果的に機能させ続けるためには、塩化ウラン三という特定の化学化合物で事前にロードしておく必要があります。伝統的に、この化合物を製造することは、毒性のガスや重金属を必要とすることが多く、最終製品を汚染する可能性があるため、厄家で危険な作業でした。課題は、この不可欠な成分を、クリーンかつ安全に、そしてデリケートなシステムに新たな不純物を導入することなく作り出す方法を見つけることでした。
ハルビン工程大学と中国原子力研究院の研究チームは、この問題を解決するための新しい手法を開発しました。危険なガスを使用したり追加の化学物質を加えたりする代わりに、彼らは電気を使用して固体ウラン金属を直接、必要な塩化合物へと変容させる特別なセルを構築しました。装置は、非常に細かいふるいのような多孔質のガラス障壁によって、2つの独立したチャンバーに分かれています。一方のチャンバーには固体ウラン金属の破片を置き、もう一方のチャンバーには、比較的低い温度で溶ける銀色の金属である液体ビスマスを配置しました。システム全体には塩化リチウムと塩化カリウムの溶融混合物が満たされ、塩が液体を保てるものの蒸発してしまうほど高温ではない、773ケルビンという温度に加熱されました。
プロセスは、システムに電流を流すことで進行します。電流が流れると、第1のチャンバー内の固体ウランが溶解し始め、電荷を帯びたウラン粒子を溶融塩中に放出します。同時に、電気によって第2のチャンバー内でリチウムが生成されます。もしこのリチウムがそのまま放置されれば、激しく反応するか、単に浮上してバランスを崩してしまうでしょう。これを防ぐために、液体ビスマスがスポンジとして機能し、新たに生成されたリチウムを吸い込み、安定した合金の中に閉じ込めます。2つのチャンバーの間にある多孔質のガラス障壁は極めて重要な役割を果たします。これは、電気回路を完成させるために必要なイオンの通過を許可しますが、溶け出したウランが反対側に漂って無駄になるのを阻止します。この分離により、ウランが必要とされる場所に正確に留まり、塩の浴槽内で濃度が高まるようになります。
研究者たちは、2つの異なる電流レベルを用いて実験を10回連続で行うことで、この手法をテストしました。彼らは、塩中のウラン化合物の濃度が、各回の実行とともに着実に、かつ予測通りに上昇することを発見しました。一連の実験の終わりには、塩には工業用として十分なレベルである、目的の化合物が約12.5パーセント含まれていました。このプロセスは極めて効率的であり、電気エネルギーの95パーセント以上を目的の化学製品へと変換しました。決定的なことに、チームはビスマスがリチウムを確実に捕捉していることを確認しました。実験後にビスマスを調べたところ、新しい化学化合物がその内部で形成されたことを示す、独特な紫色に変色していました。さらなる分析により、ビスマスとリチウムが実際に結合していることが判明し、液体金属が本来の役割である、リチウムが逃げ出さないように保持するという仕事を完璧に果たしていることが証明されました。
この新しいアプローチは、従来の手法に対して大幅な改善をもたらします。以前の技術は、カドミウムのような毒性の強い重金属や、装置を損傷させたり不要な不純物を残したりする可能性のある腐食性ガスに依存することがよくありました。電気と液体金属のスポンジを使用するこの方法では、反応を駆動するための外部の化学物質を必要としません。生成されるウラン化合物の量は、システムに流す電気量によって単純に制御できるため、最終製品の精密な管理が可能です。多孔質の障壁はわずかな抵抗を生み出し、システムを動かすためにより多くの電力を必要としましたが、その代償は結果の純度と安全性に見合うものでした。この研究は、クリーンで自己完結型の電気化学プロセスを用いて、核燃料リサイクルのための不可欠な成分を作ることが可能であることを示しており、より効率的で安全な原子力エネルギーシステムの道を開くものです。
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