乏燃料干法后处理中的熔盐减压蒸馏技术

本文扼要介绍了熔盐减压蒸馏技术在美国橡树岭国家实验室用于熔盐反应堆氟化物熔盐回收,以及近年来美、韩、日和法等国用于水堆/快堆乏燃料中熔盐电解阴极产物纯化的概况,分析减压蒸馏技术在这两个领域应用中面临的挑战,提出可能的发展策略。进一步强调指出,蒸馏分离技术需要与放射化学相结合,形成化学反应-蒸馏/减压蒸馏的新模式,以应对钍基熔盐反应堆乏燃料干法后处理的严峻挑战。     

氧化物沉淀-减压蒸馏耦合分离FLiNaK熔盐中的NdF_3

利用氧化物沉淀-减压蒸馏耦合法研究FLiNaK熔盐体系中氟化物的蒸发行为及稀土Nd的分离。高温下氧化物CaO与稀土氟化物NdF_3反应形成难溶于熔盐的稀土氧化物,通过减压蒸馏蒸发、收集冷凝FLiNaK熔盐,提高稀土与熔盐的分离度,促进熔盐的回收利用。研究表明,含有NdF_3(w=3%)的FLiNaK熔盐中加入CaO,730°C下反应6 h,n(NdF_3):n(CaO)=1:3时NdF_3的转化率达95%。X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)分析表明生成的Nd_2O_3主要沉淀在熔盐的底部。经730°C高温沉淀、930°C熔盐蒸馏,冷凝盐中稀土Nd的去污因子达9.4′105,而未经沉淀处理Nd的去污因子为3.1′104,表明高温沉淀蒸馏耦合法使稀土NdF_3转化为氧化物Nd_2O_3,显著增大稀土与FLiNaK的分离度,提高收集盐的纯度。     

温度与气压对LiF蒸发速率的影响

减压蒸馏技术是钍基熔盐反应堆燃料处理中回收和纯化核燃料载体氟盐(7LiF-BeF2)可选的技术。本工作使用自行设计并研制的热失重蒸发炉,通过观察燃料载体盐的主要成分LiF在减压蒸馏过程中的失重行为,研究了蒸发温度和气压对LiF蒸发速率的影响。结果表明:LiF的蒸发速率在随着蒸发温度的升高以及气压下降而增大的变化中存在着明显的拐点,蒸发速率的突变可以用熔盐在低气压条件下的沸腾来解释。并进一步讨论了熔盐的沸腾对减压蒸馏回收和纯化燃料载体氟盐的影响。     

氟化物熔盐体系中碘元素含量测定

使用NaClO氧化-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析技术测定了氟化物熔盐中碘元素含量,拟用于模拟熔盐反应堆环境中碘的行为研究。结果表明:含CsI的FLiNaK熔盐经NaClO氧化前处理,可使用ICP-MS有效测量其中的碘含量(以IO^-₃形式存在的碘),当FLiNaK盐取样量为0.1 g时,方法检出限为0.066μg/g,加标回收率为103.1%~104.3%,相对标准偏差(s r)<6%(n=6)。使用该方法与直接使用离子色谱法测量的结果一致,且该方法具有测量速度更快、检出限更低的优势,证实NaClO氧化-ICP-MS测量法可用于氟化物熔盐中低含量碘的有效测量。     

科学本质与科学精神的反思

科学本质已经成为科学教育改革的核心,追问其根源可以看到西方哲学思维的影响。而反观我国历史上对科学精神的讨论则显示东方文化长期以来的人文思维范式。文章通过对科学本质和科学精神的追思,试图寻找中西科学文化的交汇点。     

钍基熔盐堆核能系统中熔盐的蒸馏纯化与分离

氟盐具有化学与辐射稳定性高、热容量大、传热性能好、运行温度高和蒸汽压低等优点,被用作熔盐堆的燃料载体和冷却剂。随着熔盐堆技术的发展,开发熔盐的净化、回收工艺非常必要。熔盐减压蒸馏技术基于物质挥发性差异进行组分分离,由于过程操作简单、不引入新的物质等特点,在燃料处理过程中有广泛应用。利用减压蒸馏技术对钍基熔盐堆核能系统的载体盐回收、电解产物纯化、模拟燃料球去除浸渗熔盐等方面进行了研究。研究结果表明,含CsF、SrF_2、LaF_3和ThF_4的FLiNaK盐经减压蒸馏处理,可从FLiNaK中除去SrF_2和LaF_3,去污因子分别为4.4×10~3和1.9×10~3,Th的去污因子为94;通过蒸馏可去除电解产物表面夹带的氟盐,纯化电解产物;燃料球中浸渗熔盐在1 085℃下处理37h可去除石墨球中94%的浸渗熔盐。     

FLiNaK熔盐中CsF的蒸发与分离

Cs的同位素是核裂变的主要产物之一,在熔盐反应堆液态燃料盐中以Cs F的化学形态存在,定期从燃料盐中除去或减少其含量将有助于提高反应堆的中子经济性。本文用FLi Na K熔盐模拟熔盐堆载体盐FLi Be体系,研究了Cs F在不同蒸发条件下的蒸发行为,并尝试进行了减压蒸馏和金属Li还原蒸发技术分离Cs F的实验研究。研究表明,在5 Pa蒸馏压力下,Cs F的蒸发量随温度呈线性上升趋势,780oC时Cs F的含量由1%降到0.14%,分离率达86%,但此时载体盐的蒸发量达9.5%;在常压、700oC条件下,熔盐中Cs F的蒸发比例随还原剂Li的添加量而提高,当添加的金属Li的摩尔浓度与Cs F为120:1时,Cs F分离率达91%。研究结果为了解Cs F在氟盐体系中的蒸发行为和建立可行的分离方法提供基础实验依据。