トリチウム分離に係る工業技術

資 料 2 トリチウム 分 離 に 係 る 工 業 技 術 平 成 26 年 1 月 15 日 日 本 原 子 力 研 究 開 発 機 構 山 西 敏 彦 山 本 徳 洋

目 次 1. 主 な 水 素 同 位 体 の 分 離 技 術 と 特 徴 1-1 蒸 留 法 1-1-1 水 蒸 留 1-1-2 水 素 蒸 留 ( 深 冷 分 離 ) 1-2 同 位 体 交 換 法 1-3 電 気 分 解 法 1-4 その 他 2. 重 水 精 製 トリチウム 分 離 に 係 る 主 なプラント 実 績 2-1 加 :Darlington Tritium Removal Facility 2-2 韓 :Wolsong Tritium Removal Facility 2-3 日 :ふげん 重 水 精 製 装 置 (I) (II) 2-4 EU:ITERトリチウム 水 処 理 装 置 ( 設 計 段 階 ) 3. 重 水 精 製 トリチウム 分 離 に 係 るプラント 実 績 の 纏 め 2

1. 水 素 同 位 体 の 分 離 技 術 と 特 徴 1-1 蒸 留 法 1-1-1 水 蒸 留 原 理 : 水 の 平 衡 蒸 気 圧 = 軽 水 > 重 水 >トリチウム 水 蒸 発 凝 縮 の 繰 り 返 し( 蒸 留 )により 沸 点 の 高 いトリチウム 水 を 液 相 に 濃 縮 塔 底 にボイラーをおいて 蒸 気 発 生 塔 頂 に 凝 縮 器 をおいて 蒸 気 を 水 に 戻 すことで 還 流 を 作 り 繰 り 返 しを 起 こさせる 水 の 平 衡 蒸 気 圧 (torr) T( ) 25 60 80 100 P(H 2 O) 23.756 149.38 355.1 760 P(HTO) 21.7 141.5 341.3 738.8 P(H 2 O)/P(HTO) 1.095 1.056 1.040 1.029 Depleted トリチウム 除 去 流 ( 水 ) Feed 供 給 流 ( 水 ) Condenser Distillation Packing T 長 所 : 蒸 留 法 として 石 油 プラント 等 で 多 くの 工 業 実 績 有 短 所 : 分 離 係 数 ( P(H 2 O)/P(HTO)) が 非 常 に 小 さい 蒸 発 凝 縮 の 繰 り 返 し 回 数 が 多 く 塔 が 高 くなる 分 離 係 数 を 大 きくするために 減 圧 で 運 転 Concentrated トリチウム 濃 縮 流 ( 水 ) Boiler 蒸 留 法 の 概 念 Vapor ( 水 蒸 気 ) 3

1. 水 素 同 位 体 の 分 離 技 術 と 特 徴 1-1-2 水 素 蒸 留 原 理 : 液 体 水 素 の 平 衡 蒸 気 圧 = 軽 水 素 > 重 水 素 >トリチウム 液 体 水 素 の 蒸 留 により 沸 点 の 高 いトリチウムを 液 相 中 に 濃 縮 液 体 水 素 の 平 衡 蒸 気 圧 (torr) T(K) 20 25 Feed ( 液 体 水 素 ) Depleted ( 水 素 ガス) T P(H 2 ) 677.4 2374.7 P(HT) 288.8 1332.6 P(T 2 ) 750.3 P(H 2 )/P(HT) 2.346 1.782 Distillation Packing 長 所 : 大 きな 分 離 係 数 ( P(H 2 )/P(HT)) 短 所 : 液 体 水 素 温 度 ( 約 20K)での 運 転 コスト 高 水 素 ガスの 気 化 に 対 する 安 全 対 策 水 素 防 爆 Concentrated (トリチウムガス) heater 水 素 ガス 液 体 水 素 蒸 留 法 の 概 念 4

1. 水 素 同 位 体 の 分 離 技 術 と 特 徴 1-2 同 位 体 交 換 法 ー 水 / 水 素 同 位 体 交 換 (1) 原 理 : 水 水 蒸 気 水 素 間 の 同 位 体 反 応 重 水 素 及 びトリチウムの 濃 度 = 水 中 > 水 蒸 気 中 > 水 素 水 水 蒸 気 水 素 ガスを 向 流 で 接 触 水 素 ガス 中 の 重 水 素 やトリチウムを 水 蒸 気 を 経 由 して 水 相 中 に 濃 縮 開 発 経 緯 同 位 体 反 応 に 触 媒 が 必 要 水 に 濡 れると 活 性 を 失 う 蒸 気 相 と 水 素 相 のみのVPCE(Vapor Phase Catalytic Exchange) がまず 開 発 共 にガスなので 並 流 接 触 凝 縮 器 と+ 蒸 発 器 で 多 段 に (カナダ 後 述 ) 疎 水 性 触 媒 が 開 発 上 記 液 相 を 含 む 向 流 の 方 法 を 開 発 LPCE(Liquid Phase Catalytic Exchange) 塔 底 に 電 解 セルを 設 置 して 水 から 水 素 を 発 生 塔 内 に 還 流 を 作 ることを 考 案 ( 蒸 留 と 同 じ 構 造 にする) CECE(Combined Electrolysis Catalytic Exchange) 日 韓 国 後 述 同 位 体 交 換 の 分 離 係 数 蒸 気 ー 液 間 分 離 係 数 αv:h 2 O(L) H 2 O(V)と 蒸 気 ー 水 素 間 の 分 離 係 数 αg:h 2 O(V) H 2 (G)よりなるが αgが 支 配 的 Feed 水 Concentrated 水 or 水 素 Water Depleted 水 素 or 水 T Electrolysis Cell 5

1. 水 素 同 位 体 の 分 離 技 術 と 特 徴 1-2 同 位 体 交 換 法 ー 水 / 水 素 同 位 体 交 換 (1) 長 所 : 日 本 (ふげん) カナダ 韓 国 において 重 水 精 製 トリチウム 水 濃 縮 に 用 いられた 実 績 有 短 所 : 同 位 体 反 応 に 触 媒 が 必 要 水 に 濡 れると 活 性 を 失 うので 高 性 能 疎 水 性 触 媒 が 必 要 最 も 効 率 の 良 いCECE 法 では 電 解 セルのエネルギー 消 費 が 大 きい 大 容 量 化 が 困 難 備 考 : 重 水 製 造 の 場 合 重 水 の 回 収 効 率 は 要 求 されない 電 解 セルを 使 わない コスト 的 に 有 利 な 水 ー 硫 化 水 素 ( 触 媒 不 要 ) 水 素 ーアンモニア( 分 離 係 数 大 ) 同 位 体 交 換 反 応 も 用 いられている トリチウムがある 場 合 適 用 は 困 難 トリチウムを 含 む 硫 化 水 素 アンモニア 等 劇 物 が 発 生 トリチウム 除 去 系 の 触 媒 被 毒 の 問 題 6

1-3 電 気 分 解 法 1-4 その 他 < 電 気 分 解 > 水 の 電 気 分 解 速 度 = 軽 水 > 重 水 >トリチウム 水 液 相 にトリチウム 重 水 素 が 濃 縮 長 所 :1 段 の 分 離 係 数 は 高 い 短 所 : 繰 り 返 し 操 作 の 為 に 分 解 した 水 素 ガスと 酸 素 ガスを 再 結 合 し 再 度 電 気 分 解 を 行 う 必 要 エネルギー 消 費 量 大 最 近 は 単 独 での 利 用 はほとんどない <その 他 > 熱 拡 散 法 ガスクロマトグラフ 法 レーザー 法 等 があるが 実 用 規 模 での 処 理 に 不 向 き 7

2. 重 水 精 製 トリチウム 分 離 に 係 る 主 なプラント 実 績 2-1 加 :Darlington Tritium Removal Facility 1.プラント 目 的 20 基 のCANDU 炉 を 対 象 に 重 水 中 のトリチウムを 除 去 回 収 する(24MCi/y=8.9E+17Bq/y) 炉 作 業 員 の 被 曝 低 減 が 目 的 で 重 水 中 のトリチウム 濃 度 はある 程 度 下 げれば 良 い 再 度 炉 に 戻 すため 2. 採 用 技 術 : 同 位 体 交 換 (VPCE)+ 水 素 蒸 留 3. 処 理 能 力 : 約 8.6 m 3 /day(360 kg/hr) 4.トリチウム 濃 度 の 取 扱 領 域 Feed:0.4E+9~1.3E+9 Bq/ml concentrated:99%-t 2 gas depleted 5. 装 置 概 要 等 :1E+7~3.5E+7 Bq/ml 建 屋 (35mL 24mW 12mH( 蒸 留 部 は38mH) 同 位 体 交 換 で 重 水 中 のトリチウムをD 2 ガス 中 に 移 行 させ 水 素 蒸 留 で 濃 縮 回 収 した99%-T 2 ガス は 金 属 Tiに 吸 収 させ 貯 蔵 トリチウムのリーク 対 策 として ク ローフ ホ ックスや 空 気 浄 化 系 等 の 付 帯 設 備 を 設 置 6. 建 設 経 緯 等 1981.8: 設 計 契 約 1983 夏 : 建 設 開 始 1987.2: 竣 工 1988.10: 操 業 開 始 出 典 :S.K. SOOD, J. QUELCH and R.B. DAVIDSON Ontario Hydro, Toronto, Canada, FUSION TECHNOLOGY EXPERIENCE AT ONTARIO HYDRO S DARLINGTON TRITIUM REMOVAL 8 FACILITY AND HEAVY WATER UPGRADERS, (1989)

2. 重 水 精 製 トリチウム 分 離 に 係 る 主 なプラント 実 績 2-2 韓 :Wolsong Tritium Removal Facility 1.プラント 目 的 4 基 のCANDU 炉 を 対 象 に 重 水 中 のトリチウムを 除 去 回 収 (7MCi/y=2.6E+17/y)する カナダの 技 術 を 導 入 2. 採 用 技 術 : 同 位 体 交 換 (LPCE)+ 水 素 蒸 留 3. 処 理 能 力 : 約 2.1 m 3 /day(100 kg/hr) 4.トリチウム 濃 度 の 取 扱 領 域 Feed :0.04E+9~2E+9 Bq/ml concentrated: 99%-T 2 gas depleted 5. 装 置 概 要 等 :1/35 of feed (0.1E+7~7E+7) Bq/ml 同 位 体 交 換 ( 電 解 セル 付 き)で 重 水 中 のトリチウム を 前 濃 縮 し 水 素 蒸 留 で 更 に 濃 縮 回 収 したT 2 ガスはチタンに 吸 わせて 貯 蔵 6. 建 設 経 緯 等 2000.11: 設 計 契 約 2003.01: 建 設 開 始 2005.06: 竣 工 2006.10: 性 能 試 験 2007.07: 操 業 開 始 出 典 :K.M. Song, S.H. Sohn, D.W. Kang, S.W. Paek, D.H. Ahn, Installation of liquid phase catalytic exchange columns for the Wolsong tritium removal facility, (2007) C.Jung, B.Smith, G.Tosello, J.de Grosbois(AECL),J.Ahn(KHNP), Computer-Based Plant Display and Control System (PDCS) of Wolsong Tritium Removal Facility (WTRF), (2012) 9 Kye-Kwang JEE, Competitiveness of Korean Nuclear Power Plants (March 30,2009)

2. 重 水 精 製 トリチウム 分 離 に 係 る 主 なプラント 実 績 2-3 日 :ふげん 重 水 精 製 装 置 (I)- 1.プラント 目 的 約 80~90% 重 水 を99.8% 重 水 に 精 製 2. 採 用 技 術 : 電 解 法 3. 処 理 能 力 :0.015m 3 /day ( 約 131tの 劣 化 重 水 から 約 54tの99.8% 重 水 を 得 た) 4.トリチウム 濃 度 の 取 扱 領 域 Feed : 約 4E+8 Bq/ml concentrated: 約 4E+8 Bq/ml( 製 品 重 水 ) depleted : 約 1E+8 Bq/ml( 回 収 重 水 ) 5. 装 置 概 要 等 電 解 液 が 所 定 重 水 濃 度 になるまでバッチ 運 転 電 解 カ スは 水 に 酸 化 して 回 収 再 度 電 解 処 理 ( 回 収 重 水 中 の 重 水 濃 度 が60~80%になるまで 繰 返 し 処 理 ) 電 解 助 剤 を 使 用 (K 2 CO 3 /KOH) 運 転 開 始 後 約 1 年 で 分 離 係 数 が 除 々に 低 下 (Cr 溶 出 が 原 因 電 解 槽 の 電 気 防 食 ) 劣 化 重 水 精 留 塔 電 解 槽 水 素 酸 素 再 結 合 器 蒸 留 塔 設 置 スペース: 約 14mW 約 20mL 約 10mH 装 置 費 用 ( 建 屋 含 まず): 約 6 億 円 (1979 年 ) ランニングコスト: 6. 建 設 経 緯 等 運 転 期 間 :1979~1999 回 収 重 水 製 品 重 水 10

2. 重 水 精 製 トリチウム 分 離 に 係 る 主 なプラント 実 績 2-3 日 :ふげん 重 水 精 製 装 置 (II) 1.プラント 目 的 約 10~95% 重 水 を99.8% 重 水 に 精 製 ( 我 が 国 最 大 の トリチウム 水 取 扱 施 設 ) 2. 採 用 技 術 :CECE 3. 処 理 能 力 :0.03 m 3 /day ( 約 87tの 劣 化 重 水 から 約 52tの99.8% 重 水 を 得 た) 4.トリチウム 濃 度 の 取 扱 領 域 Feed : 約 1E+8 Bq/ml concentrated: 約 1E+8 Bq/ml depleted : 約 4E+3 Bq/ml( 排 水 には 更 に100 倍 希 釈 ) 5. 装 置 概 要 等 連 続 運 転 電 解 ガスの 水 素 を 交 換 反 応 塔 に 通 し 重 水 素 (トリチウム 含 む) 除 去 後 電 解 ガスの 酸 素 と 再 結 合 再 結 合 水 の 一 部 は 交 換 反 応 塔 に 還 流 残 りは 希 釈 排 水 電 解 助 剤 を 使 用 (KOH) 電 解 により 水 素 カ ス 製 造, 疎 水 性 白 金 触 媒 利 用 (90 段 ) 設 置 スペース: 約 13mW 約 18mL 約 17mH 装 置 費 用 ( 建 屋 含 まず): 約 7 億 円 (1986 年 ) ランニングコスト: 約 2000 万 円 /t 6. 建 設 経 緯 等 1984~1985 装 置 設 計 1985~1986 装 置 据 付 1986~1987 試 運 転 調 整 運 転 1987~2003 運 転 出 典 :JAEAホームページ, 重 水 装 置 の 開 発, http://www.jaea.go.jp/04/fugen/jdbase/juusui_1.html 松 嶌 聡 羽 田 孝 博 林 省 一 清 田 史 功 ( 敦 賀 本 部 ふげん 発 電 所 ) 重 水 取 扱 技 術 及 び 重 水 サイクル 技 術 の 確 立 と 実 証,サイクル 機 構 技 法 No20 別 冊 (2003.9) 松 嶌 聡 北 端 琢 也 川 越 慎 司 北 村 高 一 ( 敦 賀 本 部 ふげん 発 電 所 ) ふげんにおけるトリチウム 管 理,サイクル 機 構 技 法 No11(2001.6) 11 清 田 史 功 中 村 由 夫 北 端 琢 也 羽 田 孝 博 (ふげん 発 電 所 ) 新 型 転 換 炉 ふげん における 重 水 精 製, 動 燃 技 法 No70(1989.6)

2. 重 水 精 製 トリチウム 分 離 に 係 る 主 なプラント 実 績 2-4 EU:ITERトリチウム 水 処 理 装 置 ( 設 計 段 階 ) 1.プラント 目 的 ITERは 世 界 7 極 (EU 日 米 露 韓 中 印 )で 仏 に 建 設 を 進 める 核 融 合 実 験 炉 (トリチウムを 燃 料 として 使 用 ) 気 密 ホットセル( 炉 内 機 器 の 補 修 )の 雰 囲 気 トリチウムを 水 に 変 えて 除 去 このトリチウム 水 を 処 理 し トリチウムをガスとして 回 収 再 利 用 トリチウム 水 の 処 理 は 同 位 体 交 換 ( 電 解 セル 付 き) 燃 料 トリチウム 中 の 軽 水 素 を 除 く 水 素 蒸 留 装 置 に 送 り 燃 料 として 最 終 的 に 回 収 同 位 体 交 換 部 分 について 以 下 に 整 理 2. 処 理 能 力 :0.48 m 3 /day 3.トリチウム 濃 度 の 取 扱 領 域 Feed : 約 4E+8 Bq/ml concentrated: 約 1E+10 Bq/ml depleted : 約 4E+3 Bq/ml( 水 素 ガスの 防 爆 のため 100 倍 希 釈 排 出 ) 4 特 徴 固 体 高 分 子 電 解 膜 の 使 用 (アルカリ 等 電 解 助 剤 は 不 要 ) 疎 水 性 触 媒 の 開 発 5. 建 設 予 定 等 2027~ 段 階 的 処 理 運 転 文 献 :M. Glugla et al., Fusion Eng. Des., 82, 472-487 (2007). Y. Iwai et al., Fusion Sci. Technol., 41, 1126-1130 (2002). 12

3. 重 水 精 製 トリチウム 分 離 に 係 るプラント 実 績 の 纏 め カナダ 韓 国 の 装 置 は 重 水 からの トリチウム 除 去 回 収 プラント FUGEN(II)は 重 水 精 製 が 目 的 結 果 として トリチウム 分 離 が 行 われる 重 水 精 製 トリチウム 分 離 に 係 る 既 存 プラントとの 比 較 において 福 島 第 一 の 領 域 は 大 きく 離 れて 低 濃 度 大 処 理 容 量 に 位 置 チャレンジングな 領 域 カナダ 韓 国 のプラントは 設 計 開 始 から 操 業 開 始 までに 約 7 年 を 要 している 福 島 第 一 のトリチウム 分 離 プラントを 検 討 するに 当 たっては 以 下 の 項 目 を 事 前 に 検 討 しておく 事 が 重 要 プラントの 処 理 能 力 どこまでトリチウムを 除 去 するか 濃 縮 されたトリチウムの 扱 い 分 離 後 の 薄 まったトリチウム 水 の 扱 い プラントを 稼 働 させるまでの 許 容 期 間 キャピタル&ランニングコストの 制 約 等 Feed 流 量 (m 3 /d) 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.E-01 *) 福 島 第 一 D F D D *) D F 韓 国 FC F Dカナダ D ITER WDS F C (Design) **) FUGEN(II) 1.E-02 1.E-14 1.E-12 1.E-10 1.E-08 1.E-06 1.E-04 1.E-02 1.E+00 *) 福 島 第 一 の 楕 円 は 以 下 に 対 応 処 理 能 力 :500m 3 /day トリチウム 濃 度 Feed :5E+3 Bq/ml Depleted :6E+1 Bq/ml Concentrated: 考 慮 せず 例 えば 供 給 流 を1/10に 減 容 すれば 供 給 トリチウム 濃 度 の10 倍 になる **) 建 設 中 のITER のトリチウム 水 処 理 設 備 の 設 計 C C F:Feed C:Concentrated D:Depleted 1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 1.E+14 (atom ratio) (Bq/ml) 13