溶融塩を用いる先進的窒化物燃料再処理プロセスのための化学的・電気化学的研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14658140
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 伊藤 靖彦 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (20026066)
• 研究分担者: 野平 俊之 京都大学, エネルギー科学研究科, 助手 (00303876) ; 後藤 琢也 京都大学, エネルギー科学研究科, 助手 (60296754) ; 萩原 理加 京都大学, エネルギー科学研究科, 助教授 (30237911)
• キーワード: 溶融塩電気化学プロセス / 窒化物燃料 / 乾式再処理プロセス / 電位-pN^<3->図 / 窒素ガス電極反応

研究概要

窒化物燃料乾式再処理法の工学的な適応性評価を行うために必要不可欠となる、LiCl-KCl系をはじめとする種々の溶融塩中での窒素およびその化合物に関する熱力学的および速度論的基礎データの集積を行うことを目的とした研究を平成15年度に行った。
1)まずプロセスの熱力学的な観点からの可能性を検討するために、使用済み窒化物燃料に含まれると考えられる全ての化学種(金属、金属イオン、窒化物、酸窒化物等)について、窒素ガス分圧、窒化物イオン濃度と電位で整理する電位-pN^<3->図を作成した。ここでは、申請者らが既に求めた、溶融LiCl-KCl中での窒化物イオンの化学ポテンシャルを利用し、さらに、既存の熱化学データと組み合わせることで図の作成が可能となった。実際のプロセスを考える上で、様々な温度での電位-pN^<3->図が必要となるため、窒素ガス電極を用いて、広い温度範囲で測定を行い、窒化物イオンの化学ポテンシャル、エントロピー、エンタルピーなどを求めた。
2)模擬使用済み窒化物として、希土類窒化物を電気化学的に溶融塩中で形成した。さらに、得られた窒化物の溶解電位をサイクリックボルタンメトリーにより求めた。
3)これらと並行して、溶融LiCl-KCl系での実験ノウハウを駆使して、低温系の溶融アルカリハライド塩(LiCl-KCl-CsCl, LiBr-KBr-CsBr)を用いて、まず、窒化物イオンに関する電気化学挙動の検討を行う。これらの実験を通して、各溶融塩系における窒化物イオンの化学ポテンシャルや、エンタルピー、エントロピーを実験的に決定する。得られたデータをもとに、各溶媒中での平衡論的検討を行った。
以上の基礎的研究を通じて、窒化物燃料の乾式再処理に必要な基礎的データの指針が得られた。

研究成果

• [文献書誌] H.Tsujimura, T.Goto, Y.Ito: "Electrochemical surface nitriding of SUS 430 ferritic stainless steel"Mater.Sci.Eng.A. 355. 315 (2003)
• [文献書誌] H.Tsujimura, T.Goto, Y.Ito: "Electrochemical surface nitriding of pure iron by molten salt electrochemical process"T.Goto, Y.Ito, J.Alloys Compd.. 発表予定. (2004)
• [文献書誌] H.Tsujimura, T.Goto, Y.Ito: "Surface nitriding of SUS 304 austenitic stainless steel by molten salt electrochemical process"J.Electrochem.Soc.. 発表予定. (2004)
• [文献書誌] H.Tsujimura, T.Goto, Y.Ito: "Growth kinetics of nitrided layers on stainless steels during electrochemical nitriding in molten LiCl-KCl-Li_3N systems"J.New Mater.Electrochem.Sys.. 発表予定. (2004)
• [文献書誌] H.Tsujimura, T.Goto, Y.Ito: "Electrochemical nitriding of cobalt by molten salt electrochemical process"J.Electrochem.Soc.. 発表予定. (2004)
• [文献書誌] H.Tsujimura, T.Goto, Y.Ito: "Electrochemical formation of iron nitride film in a molten LiCl-KCl-Li_3N system"45. 3367 (2000)
• [文献書誌] 伊藤靖彦: "溶融塩の応用"アイピーシー. 380 (2003)