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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

LiF对LiCl-KCl熔盐中钆电解精炼的影响

正熔盐电解精炼干法后处理技术受到越来越多核能国家的关注,以较高的去污系数从乏燃料中回收铀钚已成为研究热点。根据之前的研究发现,LiF加入LiCl-KCl熔盐前后对钆、铽的还原电位有影响,以此为理论基础,进行了LiF加入LiCl-KCl熔盐前后对钆、铽电解精炼的影响。图1为LiF加入前后的电解曲线,加入LiF后进行钆、铽电解精炼时两种熔盐体系所得到的阴极产物示于图2。表1列出不同金属样品中的元素含     

影响CaCl2-NaCl熔盐电脱氧法制备金属Zr的工艺条件

将氧化物转化为金属是熔盐电解精炼干法后处理氧化物乏燃料流程的关键步骤之一。在等摩尔CaCl₂-NaCl混合熔盐体系中,以石墨棒为阳极,采用高温烧结后的ZrO₂模拟UO₂开展了电脱氧制备金属Zr的FFC剑桥工艺条件优化。研究了工艺条件（槽电压、电解时间、烧结温度和电解温度等）对电脱氧制备Zr的影响。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分别分析了电解前后ZrO₂阴极的微观结构和物相组成。优化后的工艺条件为：电压3.4 V、电解时间12 h、烧结温度900 ℃和电解温度722 ℃。同时,研究结果表明, ZrO₂电脱氧还原为Zr时,存在中间产物CaZrO₃和ZrO。     

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…     

LiCl-KCl共晶熔盐的纯化

氯化锂-氯化钾共晶熔盐是电解精炼干法后处理中最常用的电解质,其含有的杂质直接影响电流效率和产物纯度。本研究分别采用高温处理、HCl气体鼓泡和恒电位电解等方法依次去除了熔盐中的易挥发物质、氧离子和金属离子等杂质,获得了较高纯度的熔盐。采用热重分析(TGA)、电化学和电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)等方法对比了纯化前后熔盐中各杂质的含量。研究结果表明:去除易挥发杂质的最佳处理温度范围为450～650℃;去除杂质金属离子时最佳电解电位为-2.3Vvs.Ag/AgCl(摩尔分数2%),恒电位电解800s后杂质金属离子总量低于1.5×10-6 g/g(盐)。以上研究结果表明,采用高温处理、HCl气体鼓入和恒电位电解可获得纯度较高的LiCl-KCl共晶熔盐。     

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。     

Extraction of Zr From Na2CO3 Solution by Quaternary Ammonium Salt

核电站动力堆乏燃料的燃耗深，这对乏燃料后处理工艺技术提出了更高要求。目前，在乏燃料后处理工艺中普遍采用Purex流程。符合经济及生态效益是对Purex流程发展的必然要求。     

铀、钚氧化物氯化溶解技术进展

氧化物的溶解过程是氧化物乏燃料熔盐电解干法后处理工艺的关键步骤,溶解产物将为后续铀钚的分离回收提供原料。氧化物在熔盐体系中溶解度和溶解速率一般较小,为满足工艺需要,通常需要引入氯化试剂。使用不同的氯化试剂,其溶解机理有较大差异。通过广泛的文献调研,分析比较了各种氯化试剂在氯化过程中相关原理及特点,为我国开展铀、钚氧化物氯化溶解的研究提供指导。     

乏燃料后处理湿法工艺技术基础研究发展现状

为了保持核能可持续发展,必须相应发展乏燃料后处理技术,以实施快堆闭合核燃料循环。湿法后处理工艺仍以PUREX流程为基础,从乏燃料元件首端处理工艺、萃取工艺的简化和无盐调价等方面开展相应的研究。同时随着动力堆乏燃料元件燃耗的增加,Np、Pu以及高产额裂变产物元素Ru、Tc、Zr等在水法后处理工艺中的行为及形态等影响日趋凸显。本文针对上述问题进行了论述,并提出了相应的研究重点。     

钍基氯盐快堆燃耗性能分析

与氟盐堆相比,氯盐快堆具有超铀核素(Transuranics,TRU)溶解度更高、中子能谱更硬、熔点更低等方面的优势。基于熔盐嬗变堆(Molten Salt Actinide Recycler and Transmuter,MOSART)的堆芯结构,采用熔盐堆在线添料和后处理程序MSR-RS(Molten Salt Reactor Reprocessing Sequence)进行分析,针对氯盐快堆的熔盐组成、后处理方式等方面进行了优化,以利于提升其增殖及嬗变性能。首先分析了不同载体盐和启动燃料对燃耗性能的影响,提出了熔盐成分优化方案;然后引入离线批处理和在线连续处理两种后方式来提升燃耗性能。结果表明:在氯盐快堆中,高重金属溶解度的Na Cl更适合作为载体盐;TRU中的次锕系核素(Minor Actinides,MA)有助于提升增殖性能;采用离线批处理能够达到较好的燃耗性能,降低对后处理系统的要求。优化后的堆芯燃耗时间延长到31 a,相应的燃耗深度提高至210 GW·d·t~(-1)左右,233U的积累量达到8 300 kg,并且最终消耗了约12 000 kg的TRU,嬗变率为62.1%。     

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。      

先进燃料循环中的分离与嬗变问题

【《欧洲核能综览》2000年3～4月号报道】分离与嬗变(P&T)可能是未来的对高燃耗的UO2和混合氧化物燃料(MOX)的乏燃料组件采取的一种辅助的废物管理方案。除了对铀和钚采取常规或先进的后处理外,这个方案还要求开发专门的次锕系元素(MA)分离技术。在第一阶段,把MA从高放废物(HLW)溶液中分离出来就能得到独立于已玻化的HLW之外的锕系元素。 尽管对燃料循环工业来说,达到工业化要求的规模生产,无论在技术上还是经济性上都是一个挑战,但仍在高温实验室环境下开发和测试了几种MA分离方法。 在20世纪70年代,为快中子堆(FNR)开发出了钚富…