俄罗斯氧化物乏燃料电沉积流程研究进展

高温熔盐干法后处理以熔盐作为电解质,通过电解精炼和电沉积回收核燃料中的铀和钚。目前,俄罗斯、美国、日本、韩国和欧盟等国均在积极发展乏燃料高温熔盐干法后处理技术的研究,其中俄罗斯的金属氧化物核燃料电沉积流程是经典的流程之一。本文对俄罗斯原子反应堆研究所(Research Institute of Atomic Reactors, RIAR)发展的氧化物乏燃料高温熔盐电沉积干法后处理的发展现状、流程及特点进行了综述。     

铝合金化技术在乏燃料干法后处理中的应用研究进展

干法后处理在未来先进核燃料循环中将发挥关键作用。由美国开发的熔盐电精炼流程是目前最具应用前景的干法后处理流程之一,但是锕系元素(An)与镧系元素(Ln)的高效分离仍然是该流程目前亟待解决的关键科学与技术问题之一。研究表明,An与Ln形成铝合金时沉积电位差较大,采用固态铝电极电解有望实现An与Ln的有效分离,从而更好地服务于分离-嬗变策略。本文针对铝合金化技术在乏燃料干法后处理中的应用研究进展进行综合阐述,重点介绍铝合金化在熔盐电精炼中的应用研究,主要包括Ln和An的铝合金化行为、An和Ln的铝合金化分离等几个方面。     

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。     

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。     

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。     

镧系及锕系元素在离子液体中的电化学行为

乏燃料回收是核燃料循环的核心,对核安全和核能可持续发展具有重要的意义,其分为使用水溶液的湿法和不使用水溶液的干法处理。熔盐电解技术是乏燃料干法回收的重要方法之一,但其工艺温度往往在数百摄氏度,对设备和能耗要求都很高。离子液体具有电化学窗口宽、低熔点、低蒸汽压、热稳定性好等优点,有望替代高温熔盐用于乏燃料干法回收。本文概述了镧系元素和锕系元素在离子液体中电化学方面的研究状况,表明离子液体用于乏燃料干法回收是可行的,但需要更多的基础性研究。     

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。     

乏燃料干法后处理中铀电沉积行为模拟研究

基于多物理场耦合软件COMSOL,在LiCl-KCl熔盐体系中建立以电解槽为阳极、双石墨棒为阴极的氯化铀电沉积行为三维数值模型。通过研究熔盐中铀离子的运动情况以及对阴极几何形状的实时计算,得到了铀电沉积的沉积层厚度随时间的变化情况,得到了铀离子阴极沉积行为与阴极表面的位置、熔盐铀离子浓度、反应温度、平均电流密度之间的关系。研究中,还将模拟结果与氯化铀熔盐电解实验数据进行对比,计算与实验结果拟合良好,证明铀电沉积行为模拟的可靠性,模拟结果可为乏燃料干法后处理中铀的提取提供设计参考。      

日本确立快堆乏燃料预处理技术

【日本《原子能视野》2003年2月刊报道】 核燃料循环开发机构与三菱重工业公司、三菱材料公司合作,确立了用于快堆乏燃料干法后处理的预处理技术。预处理技术是将乏燃料棒粉碎,然后从中以高纯度回收氧化铀和氧化钚,最后再将剩余乏燃料送往后处理主体的一系列技术。 核燃料循环开发机构这次开发了机械式粉碎机、磁分离技术及高频感应加热方式。采用这些分离技术对燃料棒进行粉碎处理,并将金属棒里面的氧化物近乎100%地分离。干法处理技术是快堆时代不可缺少的技术,所以正被当作下一代后处理技术加以研究,而这次开发的这一系列技术将使干法后…     

Reduction recrystallization of uranium oxides in molybdate melts

The presence of traces of water dissolved in a sodium molybdate melt and the interaction of this water with a metal surface (NP-2 nickel) in contact with the melt are confirmed. It is shown experimentally that U₃O₈ can be reduced to UO₂ in sodium molybdate melt by the hydrogen that is released during such an interaction. A technological process of reprocessing spent oxide nuclear fuel using the phenomenon studied is described. __________ Translated from Atomnaya énergiya, Vol. 102, No. 5, pp. 290–292, May, 2007.     

压水堆内钍-铀增殖循环研究——乏燃料特性分析

利用ORIGENS程序对压水堆钍基乏燃料的特性进行分析,揭示了钍基乏燃料在放射性毒性、衰变热、γ射线等方面的特性,相关结果可为钍基乏燃料的贮存、后处理和地质处置提供必要的参考。研究的乏燃料是压水堆内钍-铀增殖循环堆芯设计方案中的4种,包括UOX（铀氧化物）、MOX（钚铀混合氧化物）、PuThOX（钚钍混合氧化物）和U3ThOX（工业级²³³U-钍混合氧化物）。研究结果表明：1）由于超铀核素的含量极低,在卸料后1 000年内,U3ThOX的放射性毒性显著低于超铀核素含量高的乏燃料;2）由于²³²U衰变链中²⁰⁸Tl的贡献,钍基乏燃料中2.6 MeV能量附近的γ射线强度明显高于铀基乏燃料,而这一能量附近的γ射线强度在卸料后约10年达到局部峰值,所以,钍基乏燃料的后处理最好避开此时间。     

Pyrochemical conversion of weapons plutonium into plutonium mononitride,monocarbide and mixed uranium-plutonium fuel for fast reactors

The main directions and results of research on pyrochemical reprocessing of weapons plutonium in fuel for fast reactors are presented. It is shown that this technology is economical and ecologically validated, compact, fire and explosion safe, especially for reprocessing in carbide-nitride as well as oxide fuel for fast reactors. It satisfies the principle of nonproliferation. For reprocessing weapons plutonium in oxide fuel with deep removal of ²⁴¹Am and Ga, a combined process which combines pyrochemical conversion of plutonium into oxide or nitride powder, and dissolution in acids and extraction of impurities. It is shown that the fuel kernels made from nitride, carbide, and oxide powers both from individual PuN, PuC_0.86, and PuO₂ powders as well as mixed plutonium compounds with uranium are fabricated by means of the conventional regime and provide the required density and content of gallium of <0.001 wt. %.     

核燃料水法后处理现状和展望

本文评论了世界各国乏燃料后处理技术。后处理能力在目前和不久将来不能满足核能的发展需要,它在燃料循环中占有重要的地位。普雷克斯流程不仅对于轻水堆燃料,而且对快中子增殖堆燃料后处理然是一种主要流程。近期后处理研究和发展的重点在于使流程最佳化,并引入新技术,尤其是U(Ⅳ),电解氧化还原,硝酸羟胺还原和亚硝气氧化等无盐过程。当处理高燃耗的乏燃料时,应采取特别措施,以避免造成溶剂的严重辐解和钚的临界问题。氚在流程中必须控制,并限定在一定区域,使其废液体积尽量减小。     

氯化锂熔盐中八氧化三铀电解还原基础研究

将氧化物乏燃料直接电解还原为粗金属的过程是目前以电解还原-电解精炼为特征的主流干法后处理流程的重要步骤。二氧化铀（UO₂）是乏燃料的最主要成分,将致密的UO₂芯块转化为八氧化三铀（U₃O₈）粉末后,再进行电化学还原能有效提高还原速率。因此,以U₃O₈为研究对象,开展其在氯化锂（LiCl）熔盐中的电解还原机理研究,对后处理干法流程的开发具有重要的现实意义。本文在650 ℃的LiCl熔盐中,采用循环伏安法和恒电位电解法,研究U₃O₈的电解还原行为;对电解后的样品,运用XRD、SEM等手段分析其组成和形貌,并推测相应的还原机理。     

Decladding of Irradiated Fuel Elements

The results of investigations of the leading operation of a nonaqueous technology for reprocessing fuel elements from nuclear reactors — dissolution of fuel claddings in a zinc-based melt — are presented. Data obtained in experiments on simulators and samples of irradiated fuel elements in standard BOR-60 and SM-2 packages with different burnup and holding time are presented. In the experiments, the metallic melt was separated from the fuel by filtering through a mesh and regenerated by vacuum distillation for reuse. The uranium and plutonium extraction was 99.99%. The behavior of individual radionuclides is described. __________ Translated from Atomnaya Energiya, Vol. 99, No. 4, pp. 273–276, October, 2005.     

U－Pu混合氧化物燃料发展状况

文章综述了Ｕ－Ｐｕ混合氧化物（ＭＯＸ）燃料的生产和应用情况，评述了ＭＯＸ燃料制造和后处理工艺过程等有关问题。就我国研制ＭＯＸ燃料问题提出几点看法。