特許 7592073 窒化ウランの電気化学的生産

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-21

(45)【発行日】2024-11-29

(54)【発明の名称】窒化ウランの電気化学的生産

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/62 20060101AFI20241122BHJP

【ＦＩ】

G21C3/62 300

G21C3/62 600

【請求項の数】 26

(21)【出願番号】P 2022515776

(86)(22)【出願日】2020-09-04

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-11-16

(86)【国際出願番号】 US2020049477

(87)【国際公開番号】W WO2021050388

(87)【国際公開日】2021-03-18

【審査請求日】2023-09-01

(31)【優先権主張番号】62/898,083

(32)【優先日】2019-09-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】521219442

【氏名又は名称】ウェスティングハウス エレクトリック カンパニー エルエルシー

【氏名又は名称原語表記】ＷＥＳＴＩＮＧＨＯＵＳＥ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ ＬＬＣ

【住所又は居所原語表記】１０００ Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ Ｄｒｉｖｅ， Ｓｕｉｔｅ １４１， Ｃｒａｎｂｅｒｒｙ Ｔｏｗｎｓｈｉｐ， Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ １６０６６ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ルーク シー． オルソン

(72)【発明者】

【氏名】キャスリン イー． メッツガー

(72)【発明者】

【氏名】エドワード ジェイ． ラホダ

【審査官】藤田 健

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－１２０５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３３２８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０１０２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４０２９７４０（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００６－０１７７１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０６４５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０８１０９７１０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｃ ３／００

Ｇ２１Ｃ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化ウラン燃料を生産するための方法であって、
ＵＦ_６ガスをカソードにおいて又は前記カソードの近くで窒素含有塩に曝露してＵ_ｘＮ_ｙ（式中、ｘは１又は２の整数であり、ｙは１から３の整数である。）を生成するステップと、
Ｕ_ｘＮ_ｙをＵＮ及び窒素ガスに変換するステップと、
によって表される反応を含む、方法。

【請求項2】

前記方法が、単一反応チャンバ内でバッチプロセスにおいて実施される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記方法が、単一反応チャンバ内で連続的プロセスにおいて実施される、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記方法が、２つの別個のチャンバ内で連続的プロセスにおいて実施される、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記窒素含有塩が、窒化物塩である、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記窒化物塩が、アルカリ窒化物、アルカリ金属窒化物及び遷移金属窒化物からなる群から選択される、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記方法が、さらに、窒素ガスを前記窒化物塩に導入するステップを含む、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

前記窒素含有塩が、ＮａＣＮ、ＫＣＮ、ＮａＣＮＯ、ＫＣＮＯ及びその混合物からなる群から選択される、請求項５に記載の方法。

【請求項9】

前記窒素含有塩が、ＬｉＣｌ－ＫＣｌ－Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＦ－ＮａＦ－ＫＦ－Ｌｉ_３Ｎ及びその混合物からなる群から選択される、請求項５に記載の方法。

【請求項10】

前記窒素含有塩が、窒素ガスを中性塩又は溶媒に導入することによって生成される、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記窒素が、Ｎ^１５である、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

さらに、窒化物を前記塩に加えることによって前記窒素含有塩を再構成するステップを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項13】

２ボルト以上の電圧が、前記カソードにかけられる、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

窒化ウラン燃料を生産するための方法であって、
以下のステップ：
（１）ｘＵＦ_６＋ｙＮ^３－→Ｕ_ｘＮ_ｙ＋６ｘＦ^－ 及び
（２）Ｕ_ｘＮｙ→ｘＵＮ＋（ｙ－ｘ）／２Ｎ_２；
によって表される反応を含み、
式中、ｘは１又は２の整数であり、ｙは１～３の整数であり、
前記反応は、窒素含有塩に接触している第１のセットの電極の多孔性ＵＦ_６膜電極上で実施される、方法。

【請求項15】

前記窒素含有塩が、アルカリ窒化物、アルカリ金属窒化物及び遷移金属窒化物からなる群から選択される、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記窒素含有塩が、ＵＦ_４及びＵＦ_３の一方又は両方を含み、
ステップ（２）が、前記窒素含有塩と接触している第２のセットの電極のアノードにおいて行われる、請求項１４に記載の方法。

【請求項17】

前記窒素含有塩が、ＮａＣＮ、ＫＣＮ、ＮａＣＮＯ、ＫＣＮＯ及びその混合物からなる群から選択される、請求項１４に記載の方法。

【請求項18】

前記窒素含有塩が、ＬｉＣｌ－ＫＣｌ－Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＦ－ＮａＦ－ＫＦ－Ｌｉ_３Ｎ及びその混合物からなる群から選択される、請求項１４に記載の方法。

【請求項19】

前記反応のステップ（１）が、
ＵＦ_６＋２Ｌｉ_３Ｎ→ＵＮ_２＋６ＬｉＦ
によって表される、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

３５０℃から６００℃の範囲の温度で実施される、請求項１４に記載の方法。

【請求項21】

さらに、窒化成分の付加によって前記反応を再構成するステップを含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項22】

さらに、前記第１のセットの電極の前記多孔性ＵＦ_６膜電極を置き換えるか、又は第２の多孔性ＵＦ６膜電極を有する第２のセットの電極を付加することによって、前記反応を再構成するステップを含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項23】

さらに、前記塩を揮発させるが前記Ｕ_ｘＮ_ｙを固体として維持するのに十分な温度で前記塩を蒸留することによって、前記塩から前記Ｕ_ｘＮ_ｙを分離するステップを含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項24】

さらに、前記固体Ｕ_ｘＮ_ｙを９７５℃から２５００℃未満の間の温度に加熱して、Ｕ_ｘＮ_ｙをＵＮに変換するステップを含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項25】

さらに、
前記蒸留された塩を凝縮するステップと、
前記凝縮された塩を前記窒素含有塩に付加するステップと、
窒化物を前記凝縮された塩に付加するステップと、
を含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項26】

前記塩を揮発させるための前記温度が、約１２００℃である、請求項２３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
この出願は、２０１９年９月１０日に出願された「電気化学的窒化二ウラン製造」と題された６２／８９８，０８３の出願の利益を主張するものであり、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、エネルギー省によって授与された契約第ＮＥ－０００８８２４号の下、政府支援によってなされたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。

【0003】

本出願は、原子炉用の燃料を生産するための方法、より詳細には窒化ウランを生産するための方法に関する。

【背景技術】

【0004】

窒化ウランは、二酸化ウランよりも高いウラン密度を有するため、原子炉で使用するための燃料とする二酸化ウランの代替策として良好な選択でありうる。窒化ウランのウラン密度がより高いことにより、同様の濃縮二酸化ウランと比較して燃料中により高いウラン２３５－密度を達成することが可能になり、それによって所与の濃縮に対してより高い燃焼度（ＭＷ日／ｋｇＵ）を可能にする。窒化ウランはまた、より高い伝熱性を有しており、リアクタ作動中その非常に低い残熱含量によって事故耐性燃料としての可能性を有して、何らかの作動過度時において、燃料棒の膨脹及び破裂を防止する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

残念なことに、窒化ウランは製造することが難しく、製造プロセスは、時間がかかり複雑であり、複数のステップ及び高い温度を伴うことが多い。現在の方法は、次の生成連鎖：ＵＦ_６→ＵＯ_２→ＵＣ→ＵＮを経る。

【課題を解決するための手段】

【0006】

以下の概要は、開示する実施形態独自の革新的な特徴のいくつかの理解を容易にするために提供され、完全な説明を意図するものではない。本明細書全体、特許請求の範囲、要約、及び図を総括的にとらえることにより、実施形態のさまざまな態様が得られる。

【0007】

窒化ウラン燃料を生成するための方法が説明され、この方法は、ＵＦ_６ガスをカソードにおいて又はカソードの近くで窒素含有塩に曝露して六フッ化ウランを還元する。Ｕ_ｘＮ_ｙ（ただし、式中、ｘは１又は２の整数であり、ｙは１～３の整数である）は、自発的に、塩中又はカソード若しくはアノードの表面において生成される。第２のステップにおいて、Ｕ_ｘＮ_ｙは、ＵＮ及び窒素ガスに変換される。Ｕ_ｘＮ_ｙが塩中に生成されるか、又は電極の１つにおいて生成されるかは、電極及び塩溶液がどのように管理されているかによって決まる。例えば、複数の３電極構成が塩内に置かれた場合、１つの電極セットを特有のフッ化ウラン生成物を生成するように調整することができ、別のセットの電極を特有のＵ_ｘＮ_ｙを生成するように調整することができる。

【0008】

方法は、さらに、以下のステップによって全体的に表される反応を含むものとして説明され得る：
（１）ｘＵＦ_６＋ｙＮ^３－→Ｕ_ｘＮ_ｙ＋６ｘＦ^－ 及び
（２）Ｕ_ｘＮｙ→ｘＵＮ＋（ｙ－ｘ）／２Ｎ_２；
式中ｘは、１又は２から選択される整数であり、ｙは、１～３から選択される整数である。
本方法は、ＵＮを生成するための反応を多くても２ステップに減らす：ＵＦ_６→中間体→ＵＮ。ＵＦ_６→中間体の反応は、窒素含有塩と接触している多孔性ＵＦ６膜電極上で実施される。中間体→ＵＮの反応は、同じ多孔性ＵＦ_６膜電極若しくはアノードにおいて、又は塩中で起こる。

【0009】

窒素源は、アルカリ又はアルカリ属窒化物塩、又は遷移金属窒化物塩であってもよい。たとえば、塩は、ＮａＣＮ、ＫＣＮ、ＮａＣＮＯ、ＫＣＮＯ、Ｋ_２ＣＯ_３、ＫＣｌ、ＬｉＣｌ－ＫＣｌ－Ｌｉ_３Ｎ、及びＬｉＦ－ＮａＦ－ＫＦ－Ｌｉ_３Ｎのいずれか１つ又はその混合物であってもよい。

【0010】

代替的に又は追加的に、窒素源は、中性塩などの塩又は別の溶媒への窒素ガスの導入によるものでもよい。

【0011】

本発明の少なくとも第１のステップは、カソード及びアノードから構成される電気化学反応チャンバ内で行われ、カソード及びアノードそれぞれは、窒素含有塩中に浸漬された端部を有する。ＵＦ_６ガスが、カソードを通って塩中に導入され、特定の態様では、窒素ガスが、アノードを通って塩中に導入され得る。塩自体は、窒素塩であってもよい。

【0012】

方法は、バッチプロセス又は連続的プロセスで実施され得る。方法の第２のステップは、電気化学反応チャンバ内又は別個のチャンバ内で実施され、別個のチャンバは、電気化学反応チャンバのものより高い温度で、かつＵ_ｘＮ_ｙをＵＮに分解するのに十分な高さの温度に加熱される。

【0013】

本開示の特徴及び利点は、添付の図を参照することでより良好に理解され得る。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】Ｕ_ｘＮ_ｙ生成のバッチプロセスのための、例示的な電気化学リアクタにおいて使用され得る特徴の概略図である。

【0015】

【図2】Ｕ_ｘＮ_ｙ生成の連続的プロセスのための、例示的な電気化学リアクタにおいて使用され得る特徴の概略図である。

【0016】

【図3】Ｕ_ｘＮ_ｙ生成の連続的プロセスのための、例示的な代替の電気化学リアクタにおいて使用され得る特徴の概略図である。

【0017】

【図4】４５０℃における共晶ＬｉＣｌ－ＫＣｌ中のウラン（ＩＩＩ）／ウラン（０）及びウラン（ＩＶ）／ウラン（０）の酸化／還元対のための起電力を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本明細書では、「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」の単数形は、内容がそうでないことを明確に指示しない限り、複数の指示対象を含む。

【0019】

本明細書において使用する方向を示す語句、たとえば限定的ではないが上部、底部、左、右、下側、上側、前部、後部、及びその変形形態は、添付の図に示す要素の配向に関連づけるものと、そうではないと明らかに述べない限り、特許請求の範囲を制限しない。

【0020】

特許請求の範囲を含む本出願では、別段の指示がある以外、量、値又は特徴を表すすべての数値は、すべての場合において用語「約」によって修飾されると理解されるものとする。したがって、数値は、用語「約」が数とともに明確に現れない場合であっても、言葉「約」が先行するかのように読み取られ得る。したがって、その逆が指示されない限り、以下の説明において記載する数値パラメータはすべて、本開示による構成及び方法において得ようとする所望の特性に応じて変化し得る。最低限でも、また、均等論の適用を特許請求の範囲に限定する試みとしてではなく、本説明において説明するそれぞれの数値パラメータは、少なくとも、報告された有効桁数に照らし、従来の丸み付け技術を適用することによって解釈されなければならない。

【0021】

本明細書に列挙する数値範囲はすべて、その中に包含されるすべての副範囲を含むことを意図する。たとえば、「１～１０」の範囲は、列挙する１の最小値と列挙する１０の最大値との間の（及びこの最小値及び最大値を含んで）、すなわち、１以上の最小値及び１０以下の最大値を有するすべての副範囲を含むことを意図する。

【0022】

ＵＦ_６→中間体→ＵＮを含む最大２つのステップでＵＦ_６からＵＮを製造する方法が、本明細書において説明される。反応の原理は、第１のステップにおいて、ＵＦ_６がＵ_ｘＮ_ｙ還元（式中、ｘは、１及び２から選択される整数であってもよく、ｙは、１、２、及び３から選択される整数である。）に還元される。還元は、窒素含有塩とも接触しているガス状膜電極の表面において、又はその近傍で生じる。ＵＦ_６→中間体の反応は、窒素含有塩と接触している多孔性ＵＦ_６膜電極上で実施される。電圧が電極にかけられ、それにより、ＵＦ_６は還元されてＵ_ｘＮ_ｙを形成する。中間体→ＵＮの反応は、同じ多孔性ＵＦ_６膜電極若しくはアノードにおいて、又は窒素含有塩中で起こる。特定の態様では、窒素含有塩は、反応の少なくとも開始時に、反応を開始するのに十分な少量のＵＦ_４及びＵＦ_３の一方又は両方を含むことができる。

【0023】

本明細書では、「窒素含有塩」は、（１）例えば、ＮａＣＮ、ＫＣＮ、ＮａＣＮＯ、ＫＣＮＯなど、少なくとも１つの窒素分子と塩組成中の少なくとも１つの他の分子との結合（共有結合又はイオン結合）を含む塩、又は（２）窒素分子とは結合（共有結合又はイオン結合）しないが、Ｎ_２などの、一定量の塩と混合されるか、又はその内部に分散された未結合窒素分子を含む塩を意味するものとする。特定の態様では、少なくとも本方法の開始時において、窒素含有塩は、反応を開始するのに十分な少量のＵＦ_４及びＵＦ_３の一方又は両方を含む場合がある。窒素含有塩へのＵＦ_４及びＵＦ_３の追加は、電極の２つのセットが塩内で使用され、Ｕ_ｘＮ_ｙ生成が第２のセットのアノードで生じ、ＵＦ_６からＵＦ_４、ＵＦ_３及び／又はＵ－金属への還元が別のセットで生じる実施形態において必要とされる。

【0024】

種々の態様において、Ｕ_ｘＮ_ｙは、ＵＮ_２（ｘは１であり、ｙは２である）、Ｕ_２Ｎ_３（ｘは２であり、ｙは３である）、及びＵＮ（ｘとｙの両方は１である）の１つ又は任意の組み合わせでありうる。種々の態様では、本明細書において説明する方法で使用される窒素は、少なくとも９５質量％のＮ^１５であり、これは、約９９．６質量％のＮ^１４である自然に発生する窒素ガスからの同位体分離によって本方法での使用前に分離される。

【0025】

窒素源は、アルカリ若しくはアルカリ窒化物塩、又は遷移金属窒化物塩であってもよい。代替的に又は追加的に、窒素源は、中性塩であってもよい塩又は別の溶媒への窒素ガスの導入によるものでもよい。

【0026】

窒素含有塩中で使用するための例示的なアルカリ金属は、元素周期表のグループ１から選択されてもよく、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ及びＦｒを含むことができる。Ｌｉ、Ｎａ、及びＫが、好ましい。窒素含有塩中で使用するための例示的な遷移金属は、元素周期表のグループ３～１２から選択されてもよい。多くの市販の窒素含有塩が、知られており、液体窒化プロセスの使用により利用可能である。たとえば、ＮａＣＮ、ＫＣＮ、ＮａＣＮＯ、ＫＣＮＯ、Ｋ_２ＣＯ_３、ＫＣｌなどの混合物が、使用され得る。これらの混合物は通常、比較的低い融点を有し、現在の窒化プロセスは、約５００～６００°Ｃで作動する。ＬｉＣｌ－ＫＣｌ－Ｌｉ_３Ｎ又はＬｉＦ－ＮａＦ－ＫＦ－Ｌｉ_３Ｎなどの他の塩混合物も可能であり、これはシアン化物を回避する。たとえば、ＬｉＣｌ－ＫＣｌは、約３５２℃で溶融する。ＦＬｉＮａＫは、約４５４℃で溶融する。塩中の窒化物成分は、臨時の窒化物の添加又は別の多孔性電極によって再構成され得る。

【0027】

第２のステップにおいて、Ｕ_ｘＮ_ｙは、第１のステップと同じリアクタ内で、又はさらなるプロセスための別個のユニットへの移動後に、ＵＮ及びＮ_２ガスに分解する。

【0028】

本方法は、さらに、以下のステップに全体的に表す反応を含むものとして説明され得る：
（１）ｘＵＦ_６＋ｙＮ^３－→Ｕ_ｘＮ_ｙ＋６ｘＦ^－ 及び
（２）Ｕ_ｘＮｙ→ｘＵＮ＋（ｙ－ｘ）／２Ｎ_２；
式中、ｘは１又は２から選択される整数であり、ｙは、１～３から選択される整数である。

【0029】

最も簡単にすると、反応全体は、以下のようになる：
ＵＦ_６＋２Ｎ^３－→ＵＮ_２＋６Ｆ^－
例として、Ｌｉ_３Ｎを有するＦＬｉＮａＫが窒素含有塩として使用されると仮定すると、例示的な反応全体は、以下のようになることができる：
ＵＦ_６＋２Ｌｉ_３Ｎ→ＵＮ_２＋６ＬｉＦ

【0030】

類似の反応が、幅広い種類の塩で起こり、本開示は、多孔性ＵＦ_６膜電極を使用する任意の窒素含有塩を対象とするものとする。

【0031】

フッ化物は熱力学的に安定しており、したがって、フッ化物から窒素への直接的な変換に好適ではない。また、交換反応が起こるには、電極／塩／ＵＦ_６ガス界接面において起こっている反応は、たとえば、Ｕ_ｘＮ_ｙの形成前に最初にＵＦ_６をより低い状態Ｕ^{４＋、３＋、０}に変換するなど、現実的にははるかに複雑である可能性がある。たとえば、ＵＦ_６からＵＮへの直接的な変換は、少なくともＵ^６＋→Ｕ^３＋の状態の変更を必要とし、これは、カソードにおける電極反応を以下のようにする：
Ｕ^６＋＋３ｅ^－→Ｕ^３＋

【0032】

これは、最低限、ＵＦ_６ガス状膜電極の電位が、塩中のＵ^３＋の形成を誘発するのに十分なカソード性に保たれなければならないことを示している。しかし、実際には、境界層が電極上に形成される傾向があり、そのため境界層を超えるために理論上の最小電圧より大きい電圧をかける必要がある。したがって、こうして過電圧が通常必要とされることにより、電極は、さまざまな態様において、さらに一層高いカソード性に保たれる必要があり得る。実際には、電極の実際のカソード電位は、ＵＦ_６の初期還元を誘発するのに必要とされる（そして金属膜電極がガルバニック的に保護されなければならないほどの負の）電位から、主要な塩溶媒構成物が析出するほどではないカソード電位の間のあたりで変動することができる。図４の表は、Ｕ^０に変換するための共晶ＬｉＣｌ－ＫＣｌ塩中のＵ^３＋及びＵ^４＋のための起電力を示す。Ｕ^４＋からＵ^０を得るために、表内の述べられた条件下では少なくとも２ボルト以上をかける必要がある。リアクタはＵ^６＋をより低い状態Ｕ^{４＋、３＋、０}に変換するため、必要とされる電圧は、３ボルト以上など、より一層高くなる。

【0033】

ＵＦ_６がＵＮに直接的に変換されない場合、窒素を塩中に化学的に存在させたままに保つために、Ｕ_ｘＮ_ｙからＵＮへの変換が塩中で起こることが望ましく、それによって高価な成分である濃縮窒素－１５を再捕捉するために必要とされるシステムの複雑性が低減されるはずである。ＵＦ_６をＵＮ_２に変換することが可能であってもよく、これにより、Ｕが＋６状態のままでいるため、必要とされる過電圧は小さくなり得るが、ＵＮ_２→ＵＮ変換が同じ電気化学リアクタ内の同じ塩中で起こることが依然として理想である。これは、約９７５℃を上回るように温度を上昇させることによって行うことができる。Ｓｉｌｖａ Ｇ．Ｗ．ら、ＩＮＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ， Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ａｎｄ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ ｕｒａｎｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ， Ｎｏｖ １６，２００９；４８（２２）：１０６３５－４２．ｄｏｉ：１０．１０２１／ｉｃ９０１１６５ｊを参照されたい。

【0034】

他の生成方法と比べて、本明細書に説明するプロセスは、六フッ化ウラン供給部からＵＮを発生させるためのユニット工程の簡易化及び低減を付加する。酸化ウランより窒化ウランを使用できることにより、より低い濃縮度でより高いウラン－２３５濃縮が可能になり、それによって原子炉が現在の濃縮限界値を使用してより高い燃焼度を達成することが可能になる。

【0035】

ＵＮを製造するために現在使用されている方法は、使用するのに時間及び複数のステップを費やす。さまざまな態様では、本明細書において説明する方法は、ＵＦ_６から溶融塩中にＵＮを直接的に生成することができる。このプロセスにより、濃縮窒素－１５の保存はより容易になり、これは、濃縮窒素－１５がＵＮとして又は塩中に化学的に結合状態でいるためである。このプロセスは、比較的低い温度、たとえばいくつかの塩では約４００℃まで、又は他の塩では６００℃未満である温度で起こることができる。加えて、プロセスは、生成物内の酸化汚染物を最小限にしなければならない。

【0036】

図を参照すれば、例示的な電気化学リアクタ１０、１００、及び２００が、示される。図１は、Ｕ_ｘＮ_ｙの生成のためのバッチプロセスが起こり得るリアクタ１０を示す。リアクタ１０は、チャンバ１６を含み、このチャンバは、カソード１２と、アノード１４と、チャンバ１６の底部分内の塩容器３０内に保持された溶融塩２０とを含む。カソード及びアノードのそれぞれは、リアクタチャンバ１６の上部から外に延びる第１の端部２４と、溶融塩２０中に浸漬された第２の端部２６とを有する。カソード１２の第２の端部２６は、これもまた塩２０中に浸漬されたバブラ１８内で終端する。ガス出口導管２２が、チャンバ１６内の塩２０の上方の空間２８内に開く。１つのセットの電極が、図に示される。しかし、特定の態様では、第２のセットの電極（図示せず）が使用されてもよい。２つのセットの電極が塩中で使用される実施形態では、Ｕ_ｘＮ_ｙ生成は、第２のセットの電極のアノードで起こり、ＵＦ_６からＵＦ_４、ＵＦ_３及び／又はＵ金属の還元は、第１のセットの電極において起こる。

【0037】

さまざまな態様では、カソード１２は、中実壁付き管の形態であってもよく、この管を通ってＵＦ_６ガスは、第１の端部２４から第２の端部２６まで流れてバブラ１８に入り、ＵＦ_６を溶融塩２０に注入する。任意の適切な外側供給源からの電気接続（図示せず）によって、適切な電圧がカソードにかけられ、電気がカソードとアノードとの間を流れる。塩が窒化物塩である場合、ＵＦ_６からＵ_ｘＮ_ｙへの変換は、通常はカソードにおいて又はカソードの近くで塩と反応することによって起こる。代替的に、塩は、中性又は別のタイプの溶媒であってもよく、窒素源は、アノード１４を通ってチャンバ１６に入ることができる。Ｎ_２、ＮＨ_４、又はＮＦ_３の形態の窒素ガスが、アノード１４の第１の端部２４に入り、アノード１４の第２の端部２６を出て塩２０に入ることができ、ここでは、適切な電圧がカソード１２にかけられると、窒素ガスは、反応してＵ_ｘＮ_ｙを生成するに塩に対して吹き出されて還元されたＵＦ_６と反応する。代替的に、ＵＦ_６をカソード表面において還元することができ、Ｕ_ｘＮ_ｙの発生は、アノード表面１４において又はこれに近接して起きることができる。１つだけの窒素供給源が必要であるが、窒素は、２つの供給源から塩２０に入ってもよい。したがって、窒素は、窒化物塩２０の一方若しくは両方から、又はアノード１４を通って注入された窒素ガスからリアクタ１０内に導入され得る。

【0038】

塩２０を通って塩の上方の空間２８まで吹き出された過剰な又は未反応のＵＦ_６は、最終的に再使用するために出口導管２２を通って引き出され得る。通常の再利用プロセスでは、ＵＦ_６ガスは、チャンバ１６の空間２８から引き出され、凝縮器まで進められ得る。次いで、凝縮液は蒸発して、ＵＦ_６をそのガス状態に戻し、貯蔵されるか、又はカソード１２を通って戻されて再利用され得る。

【0039】

リアクタ１０内で生成されたＵ_ｘＮ_ｙは、塩を沸騰させることによる反応後に塩２０から分離され得る。この反応はまた、塩及びその沸点に応じて、ＵＮ_２からＵ_２Ｎ_３に、次いで、沸点が９７５°Ｃを超える場合にＵＮに変換することができる。上記で述べたように、リアクタ１０内の反応は、ＵＮを直接生成してもよい。しかし、ＵＮ_２及びＵ_２Ｎ_３の一方又は両方が生成される場合、ＵＮを生成するためのさらなる処理のために、チャンバ１６から取り出された反応生成物は、第２のチャンバ又はユニットまで進められ得る。分離された場合、ＵＮ_２及びＵ_２Ｎ_３は、約９７５℃～１３００℃の温度に加熱されて、ＵＮ_２及び／又はＵ_２Ｎ_３をＵＮに分解することができる。１７００℃を上回る温度を使用して、残存する塩を蒸発させることができ、これは、リアクタに戻すために再利用され得る。

【0040】

図２を参照すれば、Ｕ_ｘＮ_ｙの生成のための連続的プロセスが、電気化学リアクタ１００内で実施され得る。リアクタ１００は、カソード１１２と、アノード１１４と、チャンバ１１６と、バブラ１１８と、溶融塩容器１３０と、塩蒸留凝縮器１３２と、セパレータ部材１３４と、搬送装置１３６とを含む。塩容器１３０の上方の空間１２８から過剰な又は未反応のＵＦ_６ガスを引き出すための再利用又はＵＦ_６ガスの出口導管１２２も、設けられる。任意の適切な外側供給源からの電気接続（図示せず）によって、適切な電圧がカソード１１２にかけられ、電気がカソードとアノードとの間を流れる。

【0041】

チャンバ１１６は、上側部分１４２と下側部分１４４とを有する。上側部分１４２は、下側部分１４４のものより低い温度に維持される。たとえば、さまざまな態様では、本方法で使用される塩に応じて、上側部分１４２は、５００～１６００℃の間、すなわち塩が蒸留凝縮器を通って流れることを可能にするが、塩の揮発温度を下回る温度範囲であってもよい。他の態様では、ここでも使用される塩に応じて、上側部分１４２は、３００～４００℃の間であってもよい。チャンバ１１６の下側部分１４４は、さまざまな態様では、約１２００℃以上であるが、ＵＮの溶融点（約２５００℃～２６００℃）未満に保たれ得る。この温度範囲において、塩は蒸留され、ＵＮは固体である。

【0042】

リアクタ１００内では、ＵＦ_６ガスが、カソード１１２を通ってチャンバ１１６内に導入される。カソード１１２の内部端部１２６は、塩容器１３０の底部又は床部に沿って配置されたバブラ１１８に入る。塩容器１３０は、溶融塩２０を保持し、この溶融塩は、リアクタ１０内の塩のように、アルカリ又は遷移金属窒化物塩などの窒素源であってもよい。代替的に又は追加的に、窒素は、アノード１１４を通ってＮ_２又はＮＦ_３ガスとして塩中に導入されてもよい。ＵＦ_６をＵ_ｘＮ_ｙに変換する反応は、カソード表面において、又はカソード表面の近傍で、上記で説明した方法で起こり、それによってＵ_２Ｎ_３、ＵＮ_２、及びＵＮの１つ又は複数を生成し、これらは、バブラ１１８を通って流れて、固体Ｕ_ｘＮ_ｙから液体塩を分離するためのフィルタ又はシーブなどの部材１３４に入る。塩容器と膜カソードとの間の差圧により、Ｕ_ｘＮ_ｙは、膜を通って分離部材１３４内へと強制される。圧力は、塩の水頭によって、又は反応容器を加圧することによってかけられ得る。

【0043】

チャンバ１１６の下側部分における温度は、１２００℃を上回るように維持される。塩は、より高い温度において蒸留されるが、Ｕ_ｘＮ_ｙは固体のままである。塩蒸留物は、チャンバ１１６の上側部分１４２まで上昇し、ここでは温度はより低温であり、塩蒸留物は、蒸留凝縮器１３２内で液体に凝縮され、ここではこの液体は、溶融塩２０として塩容器１３０内に流し込まれて戻される。

【0044】

セパレータ部材１３４は、たとえば、フィルタ又はシーブを通過しやすくするためにＵ_ｘＮ_ｙの固体片をより小さい粒子に破壊するための振動表面であってもよい。部材１３４は、１２００℃を上回り１７００℃、又はそれ以上の温度に加熱されて、塩２０の蒸留を助け、存在するすべてのＵ_２Ｎ_３及びＵＮ_２をＵＮ及びＮ_２ガスに変換することができる。１７００℃を上回る温度において、純粋なＵＮが生成され得る。固体のＵ_ｘＮ_ｙ反応生成物（Ｕ_２Ｎ_３、ＵＮ_２、及び／又はＵＮ）は、必要な場合にさらなるユニット工程に移送するために、セパレータ部材１３４から搬送システム１３６に流し込まれ、又は出される。生成される窒素ガスは、Ｎ^１５であり、これは、本方法に再導入するために、たとえば、アノード１１４を通って導入される窒素ガスとして捕捉される。

【0045】

ＵＮのバッチ又は連続生成のための方法で使用するための代替の電気化学リアクタ２００が、図３に示される。リアクタ２００は、２つのチャンバ２１６及び２１７を含む。チャンバ２１６は、ＵＦ_６ガスの導入のためのカソード２１２と、アノード２１４と、塩容器２３０と、バブラ２１８とを含み、そのそれぞれは、リアクタ１０内のカソード１２、アノード１４、塩容器３０、及びバブラ１８に類似する。塩容器２３０は、上記で説明したアルカリ又は遷移金属塩などの溶融した窒素含有塩を保持し、又は窒素源がアノード２１４を通って導入される窒素ガスの場合、中性塩又は他の溶媒を保持することができる。リアクタ１０及び１００のように、出口導管１２２が、再利用のためにＵＦ_６ガスを引き出すために設けられる。リアクタ２００のチャンバ２１６は、リアクタ１００内の蒸留凝縮器１３２と同じ方法で機能する塩蒸留凝縮器２３２を含む。任意の適切な外側供給源からの電気接続（図示せず）によって、適切な電圧がカソード２１２にかけられ、電気がカソードとアノードとの間を流れる。

【0046】

チャンバ２１７は、チャンバ２１６から離間されるが、２つの導管２４８及び２５０によってチャンバ２１６に接続される別個のチャンバであってもよい。代替的には、チャンバ２１６及び２１７は、導管２４８及び２５０によって流動的に接続された、単一のチャンバの２つの隣接するセクションであってもよい。チャンバ２１６及び２１７が単一のチャンバの隣接するセクションである場合、セクションは、好ましくは、２つのセクション間の温度差を維持するように絶縁される。

【0047】

チャンバ２１６は、チャンバ２１７より低温の温度で維持される。たとえば、さまざまな態様では、本方法で使用される塩に応じて、チャンバ２１６は、５００℃～６００℃の間、すなわち塩が蒸留凝縮器２３２を通って流れることを可能にするが、塩の揮発温度を下回る温度範囲であってもよい。チャンバ２１７は、さまざまな態様では、塩を蒸留するのに十分な高さである約１２００℃以上であるが、ＵＮの溶融点（約２５００℃～２６００℃）未満に保たれ得る。

【0048】

チャンバ２１７は、リアクタ１００内の部材１３４に類似するセパレータ部材２３４を含む。導管２４８は、溶融塩及びＵ_ｘＮ_ｙ反応生成物（たとえばＵ_２Ｎ_３、ＵＮ_２、及び／又はＵＮ）をチャンバ２１６内の塩容器２３０からより高い温度のチャンバ２１７に移送し、ここではこのチャンバは、セパレータ部材２３４上にすべて移して空になる。部材１３４のようなセパレータ部材２３４は、たとえば、フィルタ又はシーブを通過しやすくするためにＵ_ｘＮ_ｙの固体片をより小さい粒子に破壊するための振動表面であってもよい。部材２３４は、１２００℃を上回り１７００℃、又はそれ以上の温度に加熱されて、塩２０の蒸留を助け、存在するすべてのＵ_２Ｎ_３及びＵＮ_２をＵＮ及びＮ_２ガスに変換することができる。固体のＵ_ｘＮ_ｙ反応生成物（Ｕ_２Ｎ_３、ＵＮ_２、及び／又はＵＮ）は、必要な場合にさらなるユニット工程に移送するために、セパレータ部材２３４から搬送システム２３６に流し込まれ、又は出される。Ｕ_２Ｎ_３及びＵＮ_２のすべてが、加熱されたセパレータ部材２３４及び／又は加熱されたチャンバ２１７からＵＮに上手く変換された場合、搬送装置２３６は、最終のＵＮを、たとえば貯蔵施設に輸送する。本方法のこのステップにおいて生成される窒素ガスは、Ｎ^１５であり、これは、本方法に再導入するために、たとえば、アノード１１４を通って導入される窒素ガスとして捕捉される。

【0049】

チャンバ２１７内でセパレータ部材２３４から蒸留された塩２０は、チャンバ２１７の上側部分に上昇し、導管２５０を通過してチャンバ２１６に戻り、ここでは温度はより低温であり、塩蒸留物は、蒸留凝縮器２３２内で液体に凝縮され、ここではこれは、溶融塩２０として塩容器２３０内に流し込まれて戻される。

【0050】

リアクタ１０／１００／２００で使用されるＵＦ_６及び溶融塩の両方は、腐食性である。したがって、リアクタ１０／１００／２００のカソード１２／１１２／２１２及びアノード１４／１１４／２１４は、高Ｎｉ合金、プラチナ、タングステン、又は炭素などの伝導性の耐腐食性材料で作製される。当業者は、他の耐腐食性材料が、本明細書において説明する電気化学リアクタ１０／１００／２００内で電極として使用されてもよいことを理解するであろう。

【0051】

本明細書に記載の方法を実施できる電気化学反応器の例示的な実施形態が説明されてきたが、当業者は、基本構成要素に変更及び追加を行うことができることを認識するであろう。この方法の電気化学反応器の特徴には、良好なガス/塩接触、および耐食性のカソードとアノードが含まれます。さらに、反応の適切な段階で塩の蒸留と塩の凝縮に必要な温度差を維持しながら、Ｕ_ｘＮ_ｙ反応生成物を固体状態に維持し、さまざまな側面で、Ｕ_ｘＮ_ｙ中間体をＵＮに変換する手段が含まれるべきである。Ｎ^１５やＵＦ_６のような反応物の希少性とコストのために、再捕捉とリサイクルの機能が望ましい。

【0052】

本明細書で言及されるすべての特許、特許出願、刊行物、または他の開示資料は、個々の参照がそれぞれ参照により明示的に組み込まれるかのように、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。 本明細書に参照により組み込まれると言われるすべての参考文献、および任意の資料またはその一部は、組み込まれた資料が本開示に記載された既存の定義、ステートメント、または他の開示資料と矛盾しない範囲でのみ本明細書に組み込まれる。 したがって、必要な範囲で、本明細書に記載されている開示は、参照により本明細書に組み込まれている矛盾する資料に優先し、本出願に記載されている開示が、これらを制御する。

【0053】

本発明は、様々な例示的かつ例示的な実施形態を参照して説明されてきた。本明細書に記載の実施形態は、開示された発明の様々な実施形態の様々な詳細の例示的な特徴を提供するものとして理解される。したがって、別段の指定がない限り、開示された実施形態の１つまたは複数の特徴、要素、構成要素、構成要素、成分、構造、モジュール、及び／又は態様を組み合わせ、分離することができることを理解されたい。開示された発明の範囲から逸脱することなく、開示された実施形態の１つまたは複数の他の特徴、要素、構成要素、構成要素、成分、構造、モジュール、及び／又は態様と交換、及び／又は再配置された。したがって、本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態のいずれかの様々な置換、修正、または組み合わせを行うことができることは、当業者によって認識されるであろう。さらに、当業者は、本明細書を検討することにより、本明細書に記載の本発明の様々な実施形態に相当する多くの同等物を認識し、または日常的な実験のみを使用して確認することができる。したがって、本発明は、様々な実施形態の説明によって限定されるのではなく、むしろ特許請求の範囲によって限定される。
以下の項目は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
［１］窒化ウラン燃料を生産するための方法であって、
ＵＦ _６ ガスをカソードにおいて又は前記カソードの近くで窒素含有塩に曝露してＵ _ｘ Ｎ _ｙ （式中、ｘは１又は２の整数であり、ｙは１から３の整数である。）を生成するステップと、
Ｕ _ｘ Ｎ _ｙ をＵＮ及び窒素ガスに変換するステップと、
によって表される反応を含む、方法。
［２］前記方法が、単一反応チャンバ内でバッチプロセスにおいて実施される、［１］に記載の方法。
［３］前記方法が、単一反応チャンバ内で連続的プロセスにおいて実施される、［１］に記載の方法。
［４］前記方法が、２つの別個のチャンバ内で連続的プロセスにおいて実施される、［１］に記載の方法。
［５］前記窒素含有塩が、窒化物塩である、［１］に記載の方法。
［６］前記窒化物塩が、アルカリ窒化物、アルカリ金属窒化物及び遷移金属窒化物からなる群から選択される、［５］に記載の方法。
［７］前記方法が、さらに、窒素ガスを前記窒化物塩に導入するステップを含む、［５］に記載の方法。
［８］前記窒素含有塩が、ＮａＣＮ、ＫＣＮ、ＮａＣＮＯ、ＫＣＮＯ、Ｋ _２ ＣＯ _３ 、ＫＣｌ及びその混合物からなる群から選択される、［５］に記載の方法。
［９］前記窒素含有塩が、ＬｉＣｌ－ＫＣｌ－Ｌｉ _３ Ｎ、ＬｉＦ－ＮａＦ－ＫＦ－Ｌｉ _３ Ｎ及びその混合物からなる群から選択される、［５］に記載の方法。
［１０］前記窒素含有塩が、窒素ガスを中性塩又は溶媒に導入することによって生成される、［１］に記載の方法。
［１１］前記窒素が、Ｎ ^１５ である、［１］に記載の方法。
［１２］さらに、窒化物を前記塩に加えることによって前記窒素含有塩を再構成するステップを含む、［１］に記載の方法。
［１３］２ボルト以上の電圧が、前記カソードにかけられる、［１］に記載の方法。
［１４］窒化ウラン燃料を生産するための方法であって、
以下のステップ：
（１）ｘＵＦ _６ ＋ｙＮ ^３－ →Ｕ _ｘ Ｎ _ｙ ＋６ｘＦ ^－ 及び
（２）Ｕ _ｘ Ｎｙ→ｘＵＮ＋（ｙ－ｘ）／２Ｎ _２ ；
によって表される反応を含み、
式中、ｘは１又は２の整数であり、ｙは１～３の整数であり、
前記反応は、窒素含有塩に接触している第１のセットの電極の多孔性ＵＦ _６ 膜電極上で実施される、方法。
［１５］前記窒素含有塩が、アルカリ窒化物、アルカリ金属窒化物及び遷移金属窒化物からなる群から選択される、［１４］に記載の方法。
［１６］前記窒素含有塩が、ＵＦ _４ 及びＵＦ _３ の一方又は両方を含み、
ステップ（２）が、前記窒素含有塩と接触している第２のセットの電極のアノードにおいて行われる、［１４］に記載の方法。
［１７］前記窒素含有塩が、ＮａＣＮ、ＫＣＮ、ＮａＣＮＯ、ＫＣＮＯ、Ｋ _２ ＣＯ _３ 、ＫＣｌ及びその混合物からなる群から選択される、［１４］に記載の方法。
［１８］前記窒素含有塩が、ＬｉＣｌ－ＫＣｌ－Ｌｉ _３ Ｎ、ＬｉＦ－ＮａＦ－ＫＦ－Ｌｉ _３ Ｎ及びその混合物からなる群から選択される、［１４］に記載の方法。
［１９］前記反応のステップ（１）が、
ＵＦ _６ ＋２Ｌｉ _３ Ｎ→ＵＮ _２ ＋６ＬｉＦ
によって表される、［１８］に記載の方法。
［２０］３５０℃から６００℃の範囲の温度で実施される、［１４］に記載の方法。
［２１］さらに、窒化成分の付加によって前記反応を再構成するステップを含む、［１４］に記載の方法。
［２２］さらに、前記第１のセットの電極の前記多孔性ＵＦ _６ 膜電極を置き換えるか、又は第２の多孔性ＵＦ６膜電極を有する第２のセットの電極を付加することによって、前記反応を再構成するステップを含む、［１４］に記載の方法。
［２３］さらに、前記塩を揮発させるが前記Ｕ _ｘ Ｎ _ｙ を固体として維持するのに十分な温度で前記塩を蒸留することによって、前記塩から前記Ｕ _ｘ Ｎ _ｙ を分離するステップを含む、［１４］に記載の方法。
[２４]さらに、前記固体Ｕ _ｘ Ｎ _ｙ を９７５℃から２５００℃未満の間の温度に加熱して、Ｕ _ｘ Ｎ _ｙ をＵＮに変換するステップを含む、［２３］に記載の方法。
[２５]さらに、
前記蒸留された塩を凝縮するステップと、
前記凝縮された塩を前記窒素含有塩に付加するステップと、
窒化物を前記凝縮された塩に付加するステップと、
を含む、［２３］に記載の方法。
[２６]前記塩を揮発させるための前記温度が、約１２００℃である、［２３］に記載の方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】