乏燃料干法后处理技术研究进展

本文介绍了近年来各国的干法后处理研究计划,对干法后处理技术路线、流程特点和发展现状进行了综述.     

熔盐电解法乏燃料干法后处理技术研究进展

熔盐电解法是目前最有前途的干法后处理技术,适合于处理氧化物和金属等不同类型乏燃料。熔盐电解法主要包括四个核心流程,即首端处理、电解还原、电解精炼和提取以及废物处理。本文以国际上最新的研究进展为蓝本,综述熔盐电解法乏燃料后处理技术的基本流程以及待解决的关键问题。     

我国乏燃料干法后处理技术研究现状与发展

乏燃料干法分离是一种适应性更强、处理对象更广的后处理技术路线,是乏燃料分离领域的研究热点之一。美俄等基于熔盐电化学分离技术,分别建立了经工程规模热验证的干法后处理流程。我国早期开展了氟化挥发法研究,近年来针对氧化物乏燃料和熔盐堆燃料循环分别开展了较广泛的基础理论和工艺研究。本文总结了我国在氯化物和氟化物熔盐体系中稀土、铀、钚电解分离与铀氟化挥发等研究进展,并结合我国先进核燃料循环体系建设,提出了下一步发展建议。     

乏燃料干法后处理研究中的分析方法

综述了几种典型的乏燃料干法后处理方法,并对其中使用的分析方法进行了总结。详细论述了干法后处理研究中的在线分析方法,包括电化学分析方法、紫外可见吸收光谱法、X射线衍射法、拉曼原位分析、EXAFS原位分析、NMR原位分析等。在线分析方法有助于对工艺料液中物质的形态及结构进行实时监测。此外,离线分析方法可作为在线方法的有效补充,根据研究对象的形态(气态、液态、固态)对一些典型的离线分析方法进行了论述。     

干法后处理熔盐电解精炼过程数学模型研究

熔盐电解精炼是乏燃料干法后处理的核心工艺单元,通过数学模型探索高温熔盐电解精炼过程的化学与电化学变化,可为电解精炼工艺优化和设备设计提供参考依据。本文基于电化学热力学及物质传递公式建立了乏燃料熔盐电解精炼过程的数学模型,以铀钚锆三元合金燃料为研究对象,计算了燃料中关键元素的电极电势、分电流及物料分布随时间的变化。采用向后差分法对物料分布变化方程进行离散,通过文献实验数据对建立的数学模型进行了准确性验证。结果表明,模拟计算所得阴极沉积铀产品与实验数据的相对误差为2.80%,所建数学模型具有较好的拟合性。同时采用所建模型模拟计算了电流强度对乏燃料电解精炼过程的影响,结果表明电解速率与电流强度呈正比,不改变钚铀锆的溶解和沉积顺序。     

干法后处理流程中电解精炼设备研发进展北大核心CSCD

高燃耗快堆乏燃料具有高钚含量、强放射性、高释热率等特点。基于溶剂萃取原理的水法后处理工艺存在溶剂易辐解等问题,宜对高燃耗快堆乏燃料采用干法后处理工艺进行处理。熔盐电解干法工艺采用耐辐照的无机盐为介质,通过电化学方法分离回收锕系元素,是最具应用前景的干法后处理技术。在熔盐电解干法工艺流程中,承担锕系元素分离任务的电解精炼单元是核心环节。本文调研了乏燃料干法后处理过程中电解精炼设备的研发进展,分析了电解精炼设备关键技术和发展趋势,为我国快堆乏燃料电解精炼设备的研发提供了参考。     

高温气冷堆乏燃料后处理首端技术研究进展

高温气冷堆乏燃料采用后处理路线能充分利用核资源并减少需要最终地质处置的核废物量,有利于核能的可持续发展。传统的LWR乏燃料后处理首端过程不能用于处理高温气冷堆的乏燃料。高温气冷堆乏燃料元件及包覆层颗粒的破碎是首端处理技术的难点。破碎乏燃料元件及去除石墨的方法主要有机械碾碎法、燃烧法、脉冲电流法等;破碎及去除碳化硅的方法有传统机械碾碎法,以及正在发展中的熔融法、气流喷射粉碎法等,其中,气流喷射粉碎法具有较好的发展前景。目前,尚无一种理想的技术来解决高温气冷堆乏燃料后处理中的首端过程问题,需进一步开展高温气冷堆乏燃料后处理技术的研究。     

干法后处理技术典型流程综述

虽然基于溶剂萃取的Purex流程在乏燃料后处理几十年的应用中取得的成功,使得水法后处理至今没有发展出可以取代这一流程的新萃取剂,但干法后处理却有了两种可供进一步发展的流程:氟化物挥发法和高温电化学法。氟化物挥发法存在的最大问题是热力学上PuF6必须在有大量F2过剩的条件下才稳定。高温电化学法适合于处理合金元件,以及氧化物和碳化物元件。首先,将核燃料熔解在熔盐中,然后,电解使铀钚在阴极上沉积,再对阴极上沉积出来的铀钚进行精制而得到铀钚产品。但该方法存在熔盐对MOX的熔解能力和对过程设备的腐蚀问题。     

金属乏燃料干法后处理熔盐电解槽电场分析

为支持乏燃料熔盐电解精炼设备的放大设计与优化,基于Maxwell原理和电化学理论,采用Comsol Multiphysics有限元方法,研究建立了10 kg/批次金属乏燃料熔盐电解精炼设备纯电场和电化学场数值模型,并对国外相对成熟的方形电解槽和圆台形电解槽进行了数值仿真分析和比较,包括电解槽结构、电极间距、阴极形状等因素对电解槽电场和电化学性能的影响。结果表明,方形电解槽的电流效率等经济性能较优,圆台形电解槽的反应电流密度等电化学性能较优;方形电解槽中,平板阴极的电流效率等经济性能和电化学性能均优于棒状阴极;电极间距在10～40 mm的研究范围内,两种电解槽的反应电流密度等电化学性能随电极间距的增大变化均不明显,但电解槽的电流效率等经济性能和热稳定性显著减弱。模拟结果与文献实验结果吻合良好,所建模型预期可较好反映熔盐电解精炼过程。     

干法后处理中含氯放射性废熔盐固化方法研究进展

熔盐电解法处理乏燃料产生的废熔盐属于高放废物,该类废熔盐具有水溶性较高、元素复杂、放射性高、腐蚀性强及高挥发性等特点,需要将其封装在结构稳定、耐辐照的固化基材中,形成稳定的耐浸出固体废物,使其与人类生存环境隔绝。由于常规硅酸盐玻璃与氯化物相容性较低,无法直接用于固化废熔盐,因此,需要进行大量研究来寻找合适的固化材料。含氯废盐的处理有两种途径:一是选择合适的基体进行包容处理,常见基体有方钠石、磷灰石或磷酸盐玻璃;二是先把氯化物转化为其他形式化合物,如磷酸盐、氧化物等化合物,再进行固化处理。鉴于我国在该方面的研究起步较晚,本文综述了国内外已经开发的氯化物熔盐废物处理处置方法,介绍了每种方法的原理、路线和性能特点等。     

LiF对LiCl-KCl熔盐中电解精炼钆的影响

研究了LiF加入LiCl-KCl熔盐对钆电化学及络合行为的影响,发现LiF加入LiCl-KCl熔盐后,钆、铽的还原电位差由原来的6mV变为67mV。利用电化学方法和光谱方法研究了熔盐中钆离子和铽离子的配位结构,发现LiCl-KCl-GdCl_3(5mol%)/TbCl_3(5mol%)熔盐中存在[GdCl_6]~(3-)、[TbCl_6]~(3-)的正八面体结构;考察了LiF加入LiCl-KCl熔盐对钆、铽离子结构的影响,在LiCl-KCl-GdCl_3/TbCl_3中加入LiF后,钆离子和铽离子配位结构均为络合了3个F~-和3个Cl~-的八面体结构[GdF_3Cl_3]~(3-)和[TbF_3Cl_3]~(3-),计算得到两种八面体结构的相对累积稳定常数分别为10.98和6.38。以此为理论基础,进行了LiF对LiCl-KCl熔盐中钆电解精炼的影响研究,发现将LiF加入LiCl-KCl熔盐后进行钆电解精炼时,能以更高的去污系数分离钆。     

Development of Electrochemical Separation Methods in Molten LiF-NaF-KF for the Molten Salt Reactor Fuel Cycle

Electrochemical methods for the separation of fission products from fission material in molten fluoride salt media have been studied in the context of their application within the framework of the developed Molten Salt Reactor fuel cycle. The separation possibilities of selected actinides (U, Th) and lanthanides (Nd, Eu, Gd) in molten eutectic LiF-NaF-KF at 530°C were evaluated by means of cyclic voltammetry. The applicability of different electrochemical techniques is discussed with reference to the new results from this study, and a basic flow sheet for the Molten Salt Reactor fuel cycle is outlined.     

Electrorefining of metallic fuel with burn-up of ~7 at% in a LiCl-KCl melt

Electrorefining of irradiated metallic fuels (burn-up ~ 7 at%) in a LiCl-KCl melt at 773 K was successfully demonstrated: Actinides in the fuels were anodically dissolved in the melt. Both a selective U metal deposition on a solid cathode and a grouped recovery of actinides, U, Pu, Np, Am, and Cm, in a liquid Cd cathode were confirmed. The behavior of fission products, such as lanthanides, alkali metals, alkaline earth metals, and noble metals, were also investigated. It was found that the behaviors of actinides and fission products in the electrorefining of the fuels with ~ 7 at% burn-up were similar to those in electrorefining of fuels with ~ 2.5 at% burn-up.     

Polarization Effects in the Molten Salt Electrorefining of Spent Nuclear Fuel

The effects of polarization in the electrorefining of spent nuclear fuel were analytically studied through electrotransport experiments with uranium. When the uranium concentration in molten salt was set at 0.5 wt%, polarization caused the measured cell resistance to increase from 0.16 to 0.33 Ω as the cell voltage was raised from 0.1 to 0.7 V. At 2.0 wt% uranium concentration in salt, on the other hand, the resistance was almost independent of cell voltage. A code named DEVON has been developed to estimate the effects of polarization on the electro- refiner operating condition. The Laplace equation is solved in the bulk salt region by finite element method. In the calculation, the effects of polarization are taken into account by adopting the diffusion layer model on defining the boundary conditions. The result of calculations agreed well with the measured resistance data at two sample concentrations for a diffusion layer thickness of 0.025 cm on the solid cathode. The calculations indicated that significant polarization at the cathode could be avoided by maintaining the uranium concentration in salt above 1 to 2 wt%. When it was held at 5 wt%, which is a typical level for normal operation, polarization proved to exert little influence on the cell resistance, but it was indicated to contribute appreciably toward flattering the current distribution along the cathode surface.     

基于SCALE的熔盐堆添料与后处理系统分析程序开发及验证

在线添料及在线去除中子毒物是熔盐堆区别于其他固体燃料反应堆的主要特征之一,能够实现较高的燃耗深度和燃料利用率。然而,现有的反应堆物理计算分析软件SCALE不能直接模拟熔盐堆的燃耗计算。因此,本文耦合SCALE中的截面处理模块、临界计算模块以及燃耗计算模块,开发了一套适用于多流体熔盐堆的添料与后处理系统分析程序MSR-RRS,实现熔盐堆的在线添料、裂变产物在线处理或离线批次处理等模拟功能。基于MSR-RRS对现有的单流熔盐增殖堆和双流熔盐快堆的燃耗性能进行了验证。结果表明,MSR-RRS计算结果与基准模型结果符合较好。MSR-RRS适用于多种堆型、多种燃料循环运行模式。     

熔盐电解后处理工艺中的在线监测技术

干法后处理技术是我国核燃料循环体系的重要发展方向,其中有发展前景的熔盐电解法在工业化过程中需要对元素进行准确地监测以保障安全运行。传统离线检测方法程序复杂、数据分析延迟,而在线监测方法因可以获得实时数据而备受瞩目。本文对近几年国内外熔盐电解法中不同元素的在线监测技术进行了总结,重点调研分析了电化学法中的循环伏安法、安培法、脉冲法以及光谱法中的荧光光谱法和紫外光谱法在各种元素的在线监测中的原理、特点和应用前景,以期对熔盐电解中在线监测技术的研发和实际应用提供理论支撑和技术参考。     

熔盐实验堆中燃料核素的灵敏度系数计算分析

以熔盐实验堆为模型,采用MCNP5和SCALE5.1中的TSUNAMI-3D-K5对燃料核素的灵敏度系数进行计算与分析。结果表明,灵敏度系数与核素在MSRE中的含量、位置和核素的中子反应截面有关,得到灵敏度系数最大的核素²³⁵U的宏观裂变截面和宏观俘获截面的灵敏度系数分别为0.267和0.110。MCNP5和TSUNAMI-3D-K5计算不同能区下²³²Th宏观总截面和俘获截面的灵敏度系数曲线一致,曲线在0.1 eV附近有一小峰,振荡区域同截面共振区范围相同。     

高温熔盐中氧化物乏燃料的电化学还原研究进展

干法后处理流程可应用于快堆乏燃料后处理。由美国开发的熔盐电解精炼流程是目前最具应用前景的干法后处理流程之一。为了将电解精炼流程应用于氧化物乏燃料后处理,需要将氧化物乏燃料转化为金属。目前电化学还原是应用最广的氧化物乏燃料还原方法,但是该过程仍然存在亟待解决的关键科学与技术问题。本文针对氧化物乏燃料电化学还原研究进展进行综合阐述,主要包括过程简介、研究现状及电化学还原机理等几个方面。