研 究 会 資 料 09-3 090826 第 27 回 戦 略 調 査 セミナー 海 水 ウラン 回 収 技 術 の 現 状 と 展 望 日 本 原 子 力 研 究 開 発 機 構 量 子 ビーム 応 用 研 究 部 門 環 境 産 業 応 用 研 究 開 発 ユニット 金 属 捕 集 生 分 解 性 高 分 子 研 究 グループ 瀬 古 典 明
鉱 山 ウラン 海 水 ウラン 鉱 山 採 掘 鉱 山 中 のウラン (0.1~0.3%) 海 水 から 吸 着 捕 集 材 中 のウラン (0.1~0.3%) 海 水 中 に 浸 漬 ウラン 捕 集 材 運 搬 粉 砕 運 搬 鉱 滓 酸 で 溶 解 溶 媒 抽 出 繰 返 使 用 ( 焼 却 処 分 ) 精 製 沈 殿 イエローケーキ 酸 で 溶 離 海 水 中 の 低 濃 度 金 属 資 源 を 効 率 的 に 吸 着 できる 捕 集 材 1/33
海 水 の 中 には 77の 元 素 が 溶 け 込 んでいる ウランは 13 番 目 に 多 い 資 源 2/33
黒 潮 海 水 1トン 黒 潮 の 運 ぶ 資 源 量 海 水 には 海 水 中 のウランを 捕 集 する 45 億 官 トン 能 基 0.0033g ( 鉱 山 ウラン (3.3mg) の1000 倍 ) 0.2% 日 本 の 年 間 需 要 量 5.2x10 6 t/y 8x10 3 t/y 金 属 元 素 地 殻 中 資 源 可 採 埋 蔵 量 日 本 の 年 間 需 要 量 (10 6 t) (10 3 t/y) 海 水 中 資 源 濃 度 黒 潮 の 運 ぶ 年 間 資 源 量 年 間 通 過 量 (μg/l)(10 6 t/y) (tym 2 ) リチウム モリブデン ニッケル ウラン バナジウム チタン マンガン コバルト 銀 金 (Li) (Mo) (Ni) (U) (V) (Ti) (Mn) (Co) (Ag) (Au) 2.2 12.9 54 5 4.3 170 900 3.3-0.04 4.7 18.2 *1 67.5 7.1 *2 4.6 *1 24.8 *1 272 4.9 *1 3.4 0.4 170 10 6.6 3.3 1.9 1 0.4 0.39 0.28 0.01 268 15.8 10.4 5.2 3 1.6 0.6 0.6 0.4 0.015 8.5 0.5 0.3 0.16 0.09 0.05 0.02 0.02 0.01 0.0005 注 1) 可 採 埋 蔵 量 及 び 年 間 需 要 量 は 希 少 金 属 データブック(1993/2) から 作 成 注 2)*1は 工 業 レアメタルNo.112 (1996)から 作 成 注 3)*2は 発 電 設 備 容 量 4,271 万 KW (1996 末 )に 要 する 年 間 ウラン 使 用 量 注 4) 黒 潮 の 流 量 は5 千 万 m 3 /s m 2 3/33
X X X CO 2 H CO 2 H C C NOH NH NOH OR OR RO (CH 2 ) 6 (CH 2 ) 6 GGOCH 2 O イミドジオキシム 基 X OR OR RO X HO 2 C CO 2 H HO 2 C CO 2 H GGO OGG OGG OGG C O OH OH O C OH OH X カリックスアレーン (CH 2 ) 6 大 環 状 ヘキサカルボン 酸 タンニン O GG : OH アミドキシム 基 の 濃 縮 係 数 元 素 海 水 中 の 濃 度 [mg/l] 加 藤 [g/kg] 小 夫 家 [g/kg] 佐 々 木 [mg/l] 江 川 [mg/l] ウラン 3.30 10-3 1.9 0.43 71 85 バナジウム 2.00 10-3 - 0.11 3.1 13 コバルト 0.05 10-3 0.3 - - - ニッケル 1.70 10-3 0.3 0.071 11 63 銅 0.50 10-3 0.4-7.3 4.3 マグネシウム 1.35 10-3 6.6 9.5 310 229 4/33
1960 1970 1980 1990 2000 2010 含 水 酸 化 チタン 捕 集 材 香 川 県 仁 尾 町 Harwel 研 ( 英 ) 資 源 エネ 庁 金 属 鉱 団 海 水 の 汲 み 上 げ 動 力 の ため コスト 高 捕 集 性 能 向 上 波 力 潮 力 の 利 用 アミドキシム 捕 集 材 (グラフト 重 合 法 ) 高 崎 研 究 所 での 取 り 組 み むつ 関 根 浜 ( 布 状 捕 集 材 ) コスト 試 算 (1998) 予 備 試 験 性 能 試 験 沖 縄 (モール 状 捕 集 材 ) コスト 試 算 (2005) 性 能 試 験 5/33
香 川 県 三 豊 郡 仁 尾 町 6/33
含 水 酸 化 チタン 捕 集 材 海 水 アミドキシム 型 捕 集 材 海 水 アクリル 繊 維 を 化 学 処 理 捕 集 材 の 強 度 がない 強 度 特 性 の 改 善 強 度 の 大 きい 材 料 に 捕 集 機 能 を 導 入 沈 むので 撹 拌 が 必 要 波 動 や 潮 力 が 利 用 できる 捕 集 材 が 損 傷 汲 上 げや 攪 拌 が 必 要 海 水 の 汲 み 上 げ 動 力 のため コスト 高 海 水 中 に 係 留 す るだけで 捕 集 可 能 捕 集 性 能 向 上 波 力 潮 力 の 利 用 7/33
30 cm ポリプロピレン ポリエチレン 芯 鞘 構 造 繊 維 の 断 面 図 8/33
剪 定 鋏 果 放 電 子 線 γ 線 丈 夫 な 原 木 樹 園 射 線 H H H C C C C H H H H 丈 夫 な ポリエチレン 接 木 の の グラフト 重 合 おいしい 果 実 のなる 木 接 木 接 木 H H H C C C C H H H H 金 属 捕 集 機 能 機 能 を もった 材 料 9/33
グラフト( 接 ぎ 木 ) 重 合 電 子 線 またはガンマー 線 基 材 ( 母 材 ) ラジカル ( 反 応 活 性 種 ) 吸 着 機 能 を 付 与 金 属 を 捕 集 目 的 の 金 属 やイオン 吸 着 機 能 を 持 った 手 グラフト 高 分 子 鎖 照 射 薬 品 と 混 ぜる (グラフト 重 合 ) 金 属 吸 着 触 媒 不 要 ( 有 害 残 存 物 質 無 ) 高 透 過 力 ( 大 量 処 理 が 可 能 ) 幅 広 い 使 用 条 件 ( 常 温 常 圧 低 温 処 理 ) 既 存 の 高 分 子 成 形 体 の 特 性 形 状 を 保 持 した 状 態 で 目 的 の 機 能 化 が 可 能 10/33
アクリロニトリル (CH 2 =C HC N ) ヒドロキシルアミン (N H 2 O H ) (C H 2 C H 2 ) n ポリエチレン 不 織 布 電 子 線 (200 kgy) (C C)n (C C)m C N (C C)n (C C)x C = N O H N H 2 アミドキシム 基 窒 素 雰 囲 気 中 の 試 料 電 子 線 加 速 器 による 照 射 窒 素 置 換 したモノマー 溶 液 の 移 送 11/33
ポリエチレン 製 不 織 布 1.5m 幅 400m 巻 600m 2 γ 線 窒 素 雰 囲 気 40 5 m/ 秒 100μm グラフト 重 合 前 5m 繰 返 しモノマーを 含 浸 させて 反 応 2m 5 h グラフト 重 合 後 (グラフト 率 120%) アミドキシム 基 導 入 布 状 ウラン 捕 集 材 6,000 m 2 12/33
29 cm 16 cm 29 cm スペーサー 捕 集 材 13/33
144カセット/ 吸 着 床 (115 kg 捕 集 材 ) 3 段 連 結 した 吸 着 床 14/33
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海 洋 試 験 の 主 な 流 れ 8 m 捕 集 材 浸 漬 20 m 捕 集 材 カセット 引 き 上 げ 捕 集 材 350 kg 大 型 吸 着 床 小 型 吸 着 床 前 処 理 4 m 1 段 階 溶 離 試 験 (0.01M-HCl,1h) 2 段 階 溶 離 試 験 (0.5M-HCl,1h) 海 上 設 備 前 処 理 設 備 分 別 溶 離 装 置 溶 離 液 精 錬 加 工 へ 捕 集 材 後 処 理 17/33
ーモール 状 捕 集 材 の 利 点 ー 項 目 布 状 捕 集 材 係 留 システム モール 状 捕 集 材 係 留 システム 捕 集 材 収 納 容 器 吸 着 床 が 必 要 不 要 係 留 物 の 重 量 ( 捕 集 材 350kg 使 用 と 仮 定 ) カセット432ヶ, 吸 着 床 12ヶ 総 重 量 3.8トン モール100m 4 本 総 重 量 400kg モール 状 捕 集 材 浮 き 重 り モール 状 捕 集 材 を 用 いた 海 洋 試 験 概 念 図 捕 集 材 の 回 収 大 動 力 小 動 力 波 浪 の 影 響 ( 台 風 等 ) 波 風 の 影 響 を 強 く 受 ける 海 底 立 ち 上 げの ため 影 響 を 受 け にくい 船 舶 の 航 行 支 障 あり 支 障 なし 18/33
ボビン 巻 (ポリエチレン 繊 維 ) 原 糸 グラフト 重 合 装 置 γ 線 照 射 160kGy (-78 ) アクリロニトリル:メタクリル 酸 =70:30 50% シ メチルスルホキシト 40 5 時 間 装 置 内 部 ボビン 巻 3 窒 段 素 に 雰 重 囲 ねて 気 でモノマーを 装 置 に 装 填 循 環 してグラフト 重 合 を 行 う モール 自 体 が 係 留 策 になり 得 る 1. 浮 力 2. 捕 集 機 能 の 両 機 能 を 備 え 持 つ グラフト 後 モール 状 捕 集 材 の 加 工 機 芯 材 フロート 10 22.5 cm (ループ 長 ) 19/33
海 域 試 験 地 点 沖 縄 県 恩 納 村 沖 合 い 3km 水 深 100m 20/33
生 物 付 着 検 査 用 板 布 捕 集 材 片 モール 状 捕 集 材 流 速 計 切 り 離 し 器 21/33
60mの 長 さのモール 形 状 ポリエチレン( 恩 納 村 漁 港 での 計 測 取 り 付 け 作 業 ) 22/33
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浸 漬 作 業 回 収 作 業 24/33
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捕 集 部 の 長 さの 影 響 20cm 30cm 1.1kg/m 1.5kg/m ウラン 捕 集 量 [ g-u / kg- 捕 集 材 ] 2 1 0 2 1 0 2 1 1.5 g/kg 1.4 g/kg 2.5 g/kg 45cm (ループの 長 さ) 2.2kg/m 0 芯 側 中 心 外 側 ループのサンプリング 位 置 [ ] 中 心 部 の 捕 集 量 が 少 ない 取 り 扱 いの 容 易 さ モール 長 さ 20cm 26/33
2.0 ウラン 吸 着 量 [g/kg- 捕 集 材 ] 1.5 1.0 0.5 モール 状 捕 集 材 ( 沖 縄 ) 布 状 捕 集 材 ( 青 森 ) 沖 縄 県 恩 納 村 沖 合 青 森 県 むつ 市 沖 合 0 0 10 20 30 40 浸 漬 日 数 [ 日 ] モール 状 捕 集 材 と 布 状 捕 集 材 との 吸 着 量 の 比 較 モール 状 捕 集 材 は 布 状 捕 集 材 と 比 較 して 3 倍 の 吸 着 性 能 を 有 する ( 温 度 効 果 :1.5 倍 形 状 改 良 :2.0 倍 ) 27/33
ウラン 捕 集 規 模 :1200t/y[ 金 属 ウラン 換 算 ] (100 万 キロワット 級 原 子 炉 6 基 分 日 本 の 需 要 の1/6) 捕 集 :60 日 の 浸 漬 6 回 / 年 現 状 のコスト 試 算 捕 集 材 の 性 能 :2g-U/kg- 捕 集 材 捕 集 材 の 耐 久 性 :6 回 延 べ:6 10 5 t 捕 集 材 変 動 条 件 捕 集 材 の 捕 集 性 能 捕 集 材 の 繰 り 返 し 使 用 耐 性 2, 4, 6 g-u/kg- 捕 集 材 6,12,18,30,60 回 28/33
捕 集 材 性 能 :2g-U/kg- 捕 集 材 捕 集 材 耐 性 :6 回 工 程 億 円 / 年 円 /kg-u ウラン 溶 離 精 製 1% 捕 集 材 製 造 1,452 121,080 ウラン 回 収 277 23,123 ウラン 回 収 16% 溶 離 精 製 20 1,649 計 1,751 145,882 捕 集 材 製 造 83% 建 屋 建 設 費 719 設 備 建 設 費 3,345 億 円 億 円 計 :4,064 億 円 29/33
2g-U/kg ウラン 回 収 16% 6g-U/kg 6 回 繰 り 返 し 使 用 ウラン 溶 離 精 製 3% 捕 集 材 製 造 81% 6 回 使 用 60 回 使 用 2g-U/kg- 捕 集 材 ウラン 溶 離 精 製 4% ウラン 回 収 62% 捕 集 材 製 造 34% 16% 1% 16% 1% 6g-U 2g-U 83% 60 回 6 回 83% 製 造 装 置 係 留 装 置 の 双 方 減 少 係 留 装 置 より 製 造 装 置 の 減 少 の 寄 与 大 30/33
ウラン 捕 集 コスト [ 万 円 /kg-u] 10 8 6 4 2 2g-U/kg- 捕 集 材 4g-U/kg- 捕 集 材 6g-U/kg- 捕 集 材 4g-U/kg- 捕 集 材 8 回 繰 り 返 し 使 用 3 万 2 千 円 /kg-u 捕 集 材 製 造 :60% ウラン 回 収 :36% 溶 離 精 製 : 4% 実 験 室 のデータに 基 づい た 達 成 可 能 なコスト 繰 り 返 し 使 用 の 耐 久 性 捕 集 性 能 の 向 上 0 0 10 20 30 40 50 60 70 捕 集 材 の 使 用 回 数 [ 回 ] 年 間 1200tのウラン 捕 集 規 模 でのコスト 試 算 結 果 玉 田 正 男 瀬 古 典 明 笠 井 昇 清 水 隆 夫 モール 状 捕 集 システムによる 海 水 ウラン 捕 集 コスト 試 算 日 本 原 子 力 学 会 和 文 論 文 誌 5(2006)358-363 2009.5 週 間 スポット 価 格 $51/ポンド-U 3 O 8 1 万 3 千 円 /kg-u 目 標 とするコスト 31/33
海 面 40m 以 上 60m 海 底 モール 状 捕 集 材 チェーン 特 長 モール 状 にしたことで 1) 軽 くて 経 済 的 2) 付 着 生 物 が 付 きにくい 海 底 から 立 上 げ 係 留 にしたことで 3) 船 舶 航 行 の 障 害 にならない 4) 台 風 の 影 響 を 受 けない 5) 藻 類 が 着 生 しにくい フロートを 内 蔵 したことで 6) 捕 集 材 が 海 底 を 引 きずらない( 下 図 参 照 ) チェーンに 取 り 付 けたことで 7) 芋 づる 式 に 回 収 できる 立 上 げ 係 留 でも フロートを 分 散 させると 捕 集 材 が 海 底 を 引 きずらない 細 かい 独 立 気 泡 の フロートを 内 蔵 し たモール 状 捕 集 材 流 れ フロートを 上 端 につけた 場 合 フロートを 分 散 させた 場 合 フロート 海 底 32/33
条 件 1 水 温 が 高 いほど 捕 集 効 率 が 良 いので 黒 潮 が 海 水 を 運 んで 来 る 暖 かい 海 域 2 海 底 から60m 立 上 げ その 上 に 海 面 まで40mの 余 裕 をとれるように 水 深 は100m 以 上 3 深 度 が 大 きくなると 水 温 が 下 がるので 水 深 は 200m 程 度 まで 4 潜 水 艦 の 潜 水 航 行 が 禁 じられている 領 海 の 中 5 6 漁 具 が 定 置 されていない 海 域 底 引 き 網 漁 が 行 われていない 海 域 水 深 100mあれば 海 中 公 園 は 避 けられる 溶 離 工 場 は 全 体 で20,000 平 方 mあればよいので 立 地 の 制 約 にはならない 適 した 海 域 南 西 諸 島 から 土 佐 湾 にかけて6000 平 方 km 水 深 (m) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 水 温 ( ) 0 10 20 30 三 陸 沖 ( 夏 ) 三 陸 沖 ( 冬 ) 紀 伊 半 島 沖 ( 夏 ) 紀 伊 半 島 沖 ( 冬 ) 沖 縄 西 海 域 ( 夏 ) 沖 縄 西 海 域 ( 冬 ) 港 から18km 以 内 に 絞 っても 1500 平 方 kmはあり 海 水 ウラン 捕 集 は 成 立 する 港 と 係 留 海 域 を 回 収 船 が10ノット2 時 間 で 往 復 できる 33/33