こちら - 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

再処理技術の核心にせまる
（ お宝 を分離）
−体験しよう、欲しい物だけ 分ける 技！−
日本原子力研究開発機構
次世代原子力システム研究開発部門
鷲谷 忠博
本日の内容
「再処理技術の核心にせまる（“お宝”を分離）」
− 体験しよう、欲しい物だけ “分ける” 技！−
（その１） 身近にある分離の話 前半（１５分）
z ディカフェの話 「カフェインレスコーヒーの作り方」
休憩（５分）
（その２） 油を使った分離の話 前半（３０分）
z 液体から抽出する技術
‹ サイエンスミニ実験室
「魔法のドレシングの実験」
z 油を使った核燃料の分離技術
休憩（１０分）
（その３） 氷を使った分離の話 後半（３０分）
z 氷を作る技術
‹ サイエンスミニ実験室 「ミョウバンの結晶の実験」
z 氷を使った核燃料の分離技術
まめ クイズ
コーヒーの花はどれ？
◎ コーヒーの花
リンゴの花
ジャスミンの花
ディカフェてな~に？
カフェインレス・コーヒー
z 脱カフェイン処理したコーヒーをいう。
z 欧米では、カフェインを敬遠したい人々にカフェインレス・コーヒーが広く受
け入れられている。 世界のコーヒー市場の約10%を占める。
z しかし、製造過程でカフェイン以外の成分も失われるため、味や香りの面
で通常のコーヒーに劣る。
デカフェの定義
z コーヒー豆のカフェインが0.1%以下のもの。（インスタントは0.3%以下）
＜ヨーロッパの規格＞
z 日本国内では需要は少なく、また、カフェイン含量の規定もない。
コーヒークイズ？
デカフェの歴史
z 1819年 コーヒーからカフェインを単離 （ドイツのフリードリヒ・ルンゲ）
z 1906年 脱カフェイン技術が考案される（ドイツ）
z 1941年 水抽出法が開発される（ベリーとウォルターズ）
z 1974年 超臨界二酸化炭素によるカフェイン抽出法が開発される
z 1978年 超臨界二酸化炭素の抽出法が工業化（西ドイツHAG社）
z 2000年 茶のカフェイン合成酵素の遺伝子を同定（芦原ら）
z 2001年 コーヒーノキのカフェイン合成酵素の遺伝子を同定（佐野ら）
z 2003年 遺伝子組換え用いたカフェインレスコーヒーノキを製作（佐野ら）
z 2004年 カフェイン含量の少ないコーヒーノキの育種に成功（ブラジル）
デカフェの製法
カフェインレスなコーヒーノキを作る
z 最初からカフェインを含まないカフェインレス・コーヒーノキを
栽培する方法
z 遺伝子組換え技術やカフェインの少ないコーヒーノキから栽
培する方法
z しかし、本方法は、まだ開発途上であり実用化に至っていない。
脱カフェイン法
z コーヒーの生豆からカフェインを除く方法
（現在、実用化になっている技術）
【脱カフェイン法】
コーヒー豆から欲しい物（カフェイン成分）を分ける方法
カフェイン成分
を抽出した液
z 固体から 液体 を使って分ける
（固液抽出技術）
水
（抽出剤）
カフェインレスな
コーヒー豆
カフェイン成分
コーヒー豆
「抽出」：
「抽出」： 液体または固体の原料を溶剤と接触させ、
液体または固体の原料を溶剤と接触させ、
原料中に含まれている溶剤に可溶な成分を選択的に
原料中に含まれている溶剤に可溶な成分を選択的に
分離する操作。
分離する操作。
身近にある「抽出技術」って、何？
固体−液体の抽出
z コーヒーや茶をいれる。
z 鰹節や昆布から出汁をとる。
z 植物や動物から精油などの
天然香料を取り出す。
お茶をいれる
コーヒーをいれる
液体 に溶けている時は、どうやって分ける？
液体−液体の抽出
・・・ どんなところで使われているの？
z 紅茶などからのカフェインの抽出
（紅茶（液）からのクロロフォルム（油）による抽出）
z 分析技術として多数利用
z 薬品の製造、他
サイエンスミニコーナー
魔法のドレッシング の実験
サイエンスミニコーナー
魔法のドレッシング の実験
Ce-Ndの抽出実験を行う
（実験状況の映像）
ネオジウム（Nd）：紫色
水：透明
抽出剤：透明
油 ：透明
油
：透明
セリウム：黄色
抽出剤 ：透明
油 （溶媒相）
ネオジウム（Nd）
+
（静置）
（混合する）
セリウム（Ce）
セリウム（Ｃｅ）：黄色
水：透明
（自然分離）
水（ Nd + Ce ）
色（茶色）
水
：透明
ネオジウム：紫色
ウランの抽出分離方法の原理
油
（抽出剤）
油
＋
ウラン
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
水
（核燃料物質を含む）
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
Ｕ
分離
水と油を混ぜる
Ｕ
ウラン
抽出剤
いらない元素
水
＋
いらない元素
再処理でも使われている抽出技術？
原子炉で使用した使用済燃料から、 いらないもの と いるもの を分ける技術
ウラン、プルトニウム
（リサイクル）
中から燃料ピン
を取出す
液（硝酸）に
溶かす
小さく切って
粉砕する
硝酸
溶媒抽出の原理
を使って分離
燃料集合体
燃料せん断片
いらない元素
抽出器の構造
遠心抽出器
（特徴）
遠心力で水と油を分離するので処理時間が短い。
セトラ部
（分離部）
モーター
水
油
（水相）
（有機相）
水有
相機
相
ミキサ部
（混合部）
コーヒーブレーク
z 冷凍庫で凍らせたペットボトルのジュースは、飲みはじめは
いつもより濃い味がするが、後になるほど水っぽい。
最後は氷だけになってしまった。？？？
z 家の製氷器で作る氷は白っぽいのに、冬、外のバケツや水
たまりにできた氷はすごく透き通っている。？？？
z スキー場で見かけた
た。？？？
つらら は、ガラスのように透き通ってい
雪の結晶や氷はどうやってできるの？
出典：www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/photos/photos.htm
雪や氷の結晶のでき方
雪結晶は「六花（ろっか・りっか）」とも呼ばれ、そ
の美しい「かたち」から、我々の生活に最も身
近にある結晶です。
z 雪結晶、すなわち氷は「六方晶系」と呼ばれる
６回対称性を持つ構造を持っているため、六花
のかたちになります。
「結晶」： 雪結晶のように原子・分子などが
規則性のある配列を持つ固体
z 結晶は、気体中、溶液中、融液中、そして固体
中から成長します。
z 雪結晶は、雲の中で、水蒸気から成長したもの
です。
結晶が「どのように成長するか」？
z 「拡散」； 原子・分子の供給や熱の放出など、
z 「界面張力」；界面の曲率による、
z 「カイネティクス」界面での原子・分子の取り込み過程
の三者が関わって決まります。
出典：homepage.mac.com/w_shimada/cg.html
氷の結晶のできる様子 （１／２）
水
水
水
水
水
不純物
水
水
水分子
水
冷却する
水
水
水
水
氷の結晶できる様子 （１／２）
水
水
水
水
水
水
氷クイズ
質問１：
海水の上にできた氷はしょっぱいか？
しょっぱい
質問２：
あまい
あじはしない!!
氷屋さんで売っている氷は家で作った氷
よりも溶けにくいって、ほんと？
溶けにくい
溶けやすい
同じ
透明な氷を作ろう！
ふつうに冷蔵庫で作った氷
うら技で作った氷
透明な氷の作り方
家庭用の冷蔵庫では、なぜ氷の真中に白く濁ったもの
が出来るのでしょう。
z 冷蔵庫の冷凍室は、−18℃∼−20℃位に冷やされています。
z 部屋全体がその温度になっていて、製氷皿などに入れた水は、上下左
右の全体から同じように凍りはじめます。
z 時間がたつにつれて、水の中のミネラル分や空気など溶け込んでいた
物質は真中の方へ押しやられてしまい、最後には行き場を失い真中で
凍ってしまいます。
透明な氷を作るコツ
z ゆっくりと凍らせる： 製氷皿の下に割り箸を置いて、皿と冷却板との間
隔を開けてあげると氷の凍結速度が遅くなり、純粋な部分から凍るため
透明度の高い氷が作れる 。（容器に断熱性の良い発砲スチロールのようなも
のを巻きつけれてもできる ）
z 出来るだけ純粋な水を使う ：ミネラルや空気の入っていない水を使うこと
で、結晶時の白濁を防止できる。
ゆっくりと結晶ができる時、小さな結晶がきれいに整列するため、
不純物が入らない純粋な結晶ができます。
結晶を作ることで、 欲しい物だけ
分けられる。
普通、固体を水に溶かす場合、温度が高いほど多く溶けます。
高温で大量の溶質を溶かしておいて、ゆっくり温度を下げると、
溶けきれなくなったものが、結晶として発生してきます。
このとき、不純物が排除されて純粋な結晶が得られます。
サイエンスミニコーナー
サイエンスミニコーナー
ミョウバン：（AlK(SO4)2・12H2O）
漬物の発色剤、麺のかんすい
として使われる 食品添加物
サイエンスミニコーナー
結晶の実験（ミョウバン結晶作り）
ミョウバンのみを溶かした場合
コーヒーに入れたもの
速度： ゆっくり 普通
早い
結晶を使ったウランの抽出分離
ミョウバンの入ったコーヒー
ミョウバンの結晶
核燃料を溶かした溶液（模擬）
ウランの結晶
ウラン結晶の分離
硝酸ウラニル結晶が生成
冷却する
（約10℃）
模擬溶解液（ウラン＋模擬金属）
結晶を分離
（条件： 600g-U／Ｌ 2.1M-HNO3 FP模擬元素添加）
1mm
約７割のウランを結晶で回収
硝酸ウラニル結晶
母液
（分離後の液）
油を使った分離技術
使用済燃料の再処理工程
（分離）
を
応用して
ウランやプルトニウムを分離
廃棄物
ﾌﾟﾙﾄﾆｳﾑ
ｳﾗﾝ
氷を使った分離技術
を
応用して
新しいウランの分離方法