転換 (原子力)

天然ウラン精鉱（イエローケーキ）を六フッ化ウラン (UF₆) に精錬する工程を転換と言う。日本国内には工場は無い。日本の電力各社は海外の転換工場からこの状態のウランを買いつけている。これらのウランは濃縮工場に送られて濃縮されて、濃縮ウランとなる。

濃縮工程でウラン235が濃縮された六フッ化ウランを二酸化ウラン (UO₂) へ変える事を再転換という。UO₂粉末は焼結されて燃料ペレットとなる。燃料ペレットは核燃料製造工場にて燃料棒に詰められ、燃料集合体に組立てられて電力会社に納入される。

国内に二つあった燃料再転換工場は株式会社ジェー・シー・オーが臨界事故によって操業を止めたため、2004年現在、三菱原子燃料株式会社だけとなった。同社は加圧水型原子炉 (PWR) 用燃料のみを製造しているため、沸騰水型原子炉 (BWR) 用燃料の日本国内での再転換が不可能になった。このため現在ではアメリカの二社に再転換を委託している。このうちの一社はJCC (Joint Conversion Company) で、General Electric (GE) とJNF（日本ニユクリア・フユエル）の合弁会社であったが、2000年にGE、東芝、日立の合弁会社に再編されてGlobal Nuclear Fuel (GNF-A) となり、JNFはグローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン(GNF-J) となっている。もう一社はシーメンス系のSiemens Power Corporation (SPC) である。

転換手法は湿式法と乾式法に大別され、乾式法は設備がコンパクトに済み発生廃液量も少ないメリットがある^[1]。

Ammonium DiuranateからADU法と呼ばれ、最も初期から利用されて実績が豊富な方法であり、以下の特徴がある。

• 工程がやや長く複雑である
• 反応ごとに工程が独立しており、コントロールが容易である。
• 得られる二酸化ウランの物性が安定している。

ADU法では、まず六フッ化ウランを加水分解してフッ化ウラニル(UO₂F₂)を得る。

UF₆ + 2 H₂O → UO₂F₂ + 4 HF

続いてフッ化ウラニルにアンモニア水を加え、重ウラン酸アンモニウム((NH₄)₂U₂O₇)の沈殿を得る。

2 UO₂F₂ + 6 NH₄OH → (NH₄)₂U₂O₇ + 4 NH₄F + 3 H₂O

重ウラン酸アンモニウムを水素雰囲気で焙焼・還元して二酸化ウランを得る。

(NH₄)₂U₂O₇ + H₂ → 2 UO₂ + 2 NH₃ + 3 H₂O

ADU法の前段に溶媒抽出工程を追加したもので、以下の特徴がある。

• 工程がADU法よりもさらに長く複雑である
• 得られる酸化ウランの物性が安定している。
• 得られる酸化ウランの純度が高い。

まず六フッ化ウランを硝酸アルミニウム水溶液と反応させ、溶媒抽出により硝酸ウラニル(UO₂(NO₃)₂)水溶液を得る。

UF₆ + 2 Al(NO₃)₃ + 2 H₂O → UO₂(NO₃)₂ + 2 AlF₃ + 4 HNO₃

硝酸ウラニル水溶液にアンモニアを加え、重ウラン酸アンモニウムの沈殿を得る。

2 UO₂(NO₃)₂ + 6 NH₃ + 3 H₂O → (NH₄)₂U₂O₇ + 4 NH₄NO₃

重ウラン酸アンモニウムを水素雰囲気で焙焼・還元して二酸化ウランを得る。

(NH₄)₂U₂O₇ + H₂ → 2 UO₂ + 2 NH₃ + 3 H₂O

ドイツのNUKEM社が開発した手法で、Ammonium Uranyl CarbonateからAUC法と呼ばれる。 以下の特徴がある。

• 工程がやや長く複雑である
• 得られる二酸化ウラン粉末の流動性がよい
• ペレット成形前の造粒操作が必要ない
• ペレットの成形性はやや劣る

六フッ化ウランに水、アンモニア、二酸化炭素を同時に反応させて炭酸ウラニルアンモニウム((NH₄)₄UO₂(CO₃)₃)の沈殿を得る。

UF₆ + 5 H₂O + 10 NH₃ + 3 CO₂ → (NH₄)₄UO₂(CO₃)₃ + 6 NH₄F

続いて炭酸ウラニルアンモニウムを水素雰囲気で焙焼・還元して二酸化ウランを得る。

(NH₄)₄UO₂(CO₃)₃ + H₂ → UO₂ + 4 NH₃ + 3 H₂O + 3 CO₂

イギリス核燃料公社が開発した手法で、Integrated Dry RouteからIDR法と呼ばれる。 以下の特徴がある。

• 装置が小型になる
• 二酸化ウラン粉末の焼結性がよい
• 二酸化ウラン粉末の流動性は劣る
• 廃液生成量が少ない

六フッ化ウランを水蒸気で加水分解してフッ化ウラニル(UO₂F₂)を得る。

UF₆ + 2 H₂O → UO₂F₂ + 4 HF

続いて水素で還元して二酸化ウランを得る。

UO₂F₂ + H₂ → UO₂ + 2 HF

ただし、以下のような副反応も生じる。

UF₆ + H₂ → UF₄ + 2 HF

フレームリアクタ法は、六フッ化ウランを酸素・水素・窒素の混合ガスとともに燃焼させる方式で、以下の特徴がある。

• 工程が短い
• 酸化ウラン粉末の焼結性がよい
• 酸化ウラン粉末の流動性は劣る
• 廃液生成量が少ない

六フッ化ウランを酸素・水素・窒素の混合ガスとともに燃焼させて八酸化三ウラン(U₃O₈)を得る。

3 UF₆ + 11 H₂ + 5 O₂ → U₃O₈ + 18 HF + 2 H₂O

八酸化三ウランを水素雰囲気で還元して二酸化ウランを得る。

U₃O₈ + 2 H₂ → 3UO₂ + 2H₂O