デブリ用液状電極の検討
核燃料が散らばっているであろうから、それらをできるだけ全部捕らえるため液状金属で面状にカバーしたらどうかと思ったからである。その意味では、ガリウムの融点が約30℃であるが、これよりも更に低温で液状化しているGa-In-Sn合金の利用も考えられる。
ちなみに、
U → U3+ + 3e- 標準電極電位:ー1.789V
Ga → Ga3+ + 3e- 標準電極電位:ー0.529V
Fe → Fe2+ + 2e- 標準電極電位:ー0.4402V
で、ガリウムのイオン化傾向はウランと鉄の中間であり、ガリウム電極下で核燃料のウラン酸化物が単体ウランにまで還元された後、中性~酸性水溶液中で最初に溶け出すのはウランであり、次にガリウムで、鉄のイオン化防止にもなる。
しかし、ガリウムやGa-In-Sn合金は、鉄と合金を形成したり鉄鋼の粒界腐食を引き起こしたりするなど、原子炉構造材を脆化させてしまう懸念がある。水銀は鉄とアマルガムを作らないとはいえ、このような構造材脆化は水銀利用の場合も注意しなければならない。従って、構造材を外側から支える対策をあらかじめ行っておくべきである。
原発のカソード防食等
原発処理は長期間になるということで、原子炉やその支持構造体が腐食で崩壊しないように腐食防止が考えられているであろう。実際に鉄の電位ーpH図を参考にしながらカソード防食が行われているかもしれない。
そこで、ついでにウランの電位ーpH図も睨みながら、デブリをカソードとし、たとえば白金電極をアノードとした電解を検討してもらえないであろうか。電解液は酢酸等の弱酸性でも可能ではないかと思っているが、確実なのは中性~アルカリ性下で、次のようなカソード反応とアノード反応で、まず、デブリ中のウラン酸化物を単体ウランまでに還元することである。
カソード反応: UO2 + 2H2O + 4e- → U + 4OH- (アルカリ性溶液 中での標準電極電位:ー2.39V)
アノード反応: 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- (アルカリ性溶液中での標準電極電位:+0.401V)
鉄とウランでは、ウランの方がイオン化傾向が大きいから、普通の水の中でウランの方が先に溶け出して鉄の腐食を防止する。溶け出たウランは回収すればよい(ウランの安全な回収が目的である)。当然、核分裂の連鎖反応防止のため、ホウ素化合物の存在下でのことであるが。
・上記のことが実際に生ずることを実験で確認してもらいたい(くれぐれも、連鎖反応が起きないように注意しながら)。
鉄枠のアノード溶解防止
ウランのアノード溶解中に、原子炉やその支持部材の主体であろう鉄鋼(鉄と炭素の合金)中の鉄もアノード溶解し、崩壊することが心配される。ウランと鉄の標準電極電位は、
U3O8の場合
核燃料のUO2は酸化されてU3O8となっている可能性が大きいが、この場合でも、次の
ような電極反応が予想される。
U3O8 + 2H2O + 4e- → 3UO2 + 4OH- (標準電極電位は不明)
このUO2は、更に前述のように以下の電極反応で単体ウランに還元され、
UO2 + 2H2O + 4e- → U + 4OH- (アルカリ液中標準電極電位:ー2.39V)
そして、極性を反転させ次の電極反応で単体ウランをアノード溶解させる。
U → U3+ + 3e- (酸性溶液中での標準電極電位:-1.789V)
なお、標準電極電位からするとウランのイオン化傾向は、マグネシウムMgとアルミニウムAlの間にあり、希硫酸等の酸性液中では水素ガスH2を発生しながらウランが溶けることが予想される。
但し、電解液の液性を硫酸酸性、硝酸酸性、塩酸酸性にすると原子炉の外枠も崩壊しかねず、単体ウランを弱酸性の水溶液中に安全に溶かし出すには、これまで記載してきたアノード溶解法が適切であると思われる。
デブリには、Fisson ProductといわれるストロンチウムSrやセシウムCs等の核分裂生成物が含まれ、現在も生成され続けているが、絶対量はウランが圧倒的多数であろうから、とにかくウラン酸化物の処理方法を優先して考えていく。