碳酸肼对乏燃料后处理模拟污溶剂中磷酸二丁酯和Zr(Ⅳ)的洗涤行为研究

碳酸肼作为碱性无盐试剂对钚铀氧化还原萃取(PUREX)流程的污溶剂的洗涤有广泛的应用前景。本文使用碳酸肼溶液对30%磷酸三丁酯-正十二烷有机溶液中的磷酸二丁酯和Zr(IV)进行洗涤,利用单一变量原则,考察了振荡时间、温度、水相与有机相体积比、碳酸肼质量分数以及磷酸二丁酯质量浓度等因素对去除有机溶液中磷酸二丁酯和Zr(IV)的影响。结果表明:在25℃下振荡洗涤15 min,5%碳酸肼洗涤3次同体积的有机溶液后对0.1 g/L和0.5 g/L的磷酸二丁酯的去除率分别约为98.7%和88.1%。此外,磷酸二丁酯的存在可以促进有机相对Zr(IV)的萃取和保留,当磷酸二丁酯的质量浓度为0时,碳酸肼对Zr(IV)的去除率为98.5%。

FLiBe熔盐中铀与镧系(Eu、Sm、Yb、La、Ce和Ho)氟化物的电化学性质及分离

利用电化学方法在熔盐介质中进行乏燃料的后处理分离是干法后处理中研究最广泛的技术之一,其核心内容就是采用电解法实现锕系元素和镧系元素分离。本文采用循环伏安法、方波伏安法和恒电位电解法研究了FLi Be(Li F-Be F_(2))熔盐中UF_(4)和Ln F_(3)(Ln=Eu、Sm、Yb、La、Ce和Ho)的电化学行为和分离可行性,在FLi BeUF_(4)-Ln F_(3)混合熔盐体系中使用W电极开展了UF_(4)与Ln F_(3)电解分离研究。结果表明:在惰性钨(W)电极上U4+的氧化还原反应分为两步,分别是U^(4+)+e^(-)→U^(3+)和U^(3+)+3e^(-)→U^(0),而Yb^(3+)、Sm^(3+)、Eu^(3+)只能发生一电子转移还原为+2价态的Yb^(2+)、Sm^(2+)、Eu^(2+)的离子,La^(3+)、Ce^(3+)和Ho^(3+)离子在FLi Be熔盐电化学窗口内则没有明显的电化学信号;X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)和能量色谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)结果证明了W电极上的电解产物为金属U、UF_(3)和夹带的熔盐,而不含有Ln F_(3)的电解产物。这些研究结果为熔盐堆燃料中锕系元素和镧系元素的分离提供了基础数据。

某核燃料循环火灾事故研究装置及初步研究成果介绍

火灾事故作为核燃料循环设施典型事故,是国际核燃料循环安全领域研究的焦点。中国辐射防护研究院目前建有小、中、大三个尺度的核燃料循环火灾事故放射性源项研究装置。小尺度装置为200 L圆柱体燃烧舱室,主要用于可燃物基础参数测试;中尺度装置和大尺度装置分别为20 m^(3)、120 m^(3)长方体燃烧舱室,主要用于开展可燃物燃烧速率、温度分布、放射性气体与气溶胶释放份额、核素释放份额和过滤效率等科学研究。重点对三套装置各自的特征和研究能力进行总结,结合国际研究热点提出了进一步研究计划。

不同酸碱体系中Pt/SiO_(2)催化肼分解产生自由基

采用电子自旋共振(electron spin resonance spectroscopy, ESR)法,探讨高氯酸体系和氢氧化钠体系中H^(+)浓度与OH-浓度对催化剂催化肼断键及断键产生的自由基的状态及行为的影响,明确了酸碱体系下Pt/SiO_(2)催化肼分解产生自由基的差异。结果表明:碱性体系中,随着OH-浓度升高,N-H断键速率显著升高,肼分解以氢解反应为主;酸性体系中,在pH=6.9到pH=1.1范围内,随着H^(+)浓度升高,N-N断键速率急速升高并远大于N-H断键速率,在pH<1.1范围内,随着H^(+)浓度升高,N-H断键速率和N-N断键速率均快速下降。在酸碱变化过程中,N-H断键起着主导作用,决定了肼分解速率,随着酸度升高,N-H断键速率下降,肼分解速率下降。

氧化物乏燃料锂热还原技术研究进展

以电解精炼为主流的干法后处理技术虽处于实验室研究阶段,但具有可处理最广泛的燃料种类以及反应体系稳定性更高等独特优势。在电解精炼步骤前需通过电还原或热还原将氧化物乏燃料还原为金属。热还原需要使用钙、锂和镁等作为还原剂。相比其他碱金属还原,锂热还原具有回收方法简单、所需温度适中以及设备要求较低等优点,在国内外已相继进行了各方面工艺条件以及理论的研究。调研了氧化物乏燃料锂热还原研究相关进展,对比了各国锂热还原工艺的特点,结合热力学数据分析了高温锂还原的相关机理,从动力学角度对反应的影响因素进行了讨论。总结了现有研究的不足,并对未来锂热还原的趋势进行了展望,为我国干法后处理中工艺流程的研究提供参考。

FLiNaK熔盐中CsF的定向凝固分离研究

熔盐反应堆采用氟化物熔盐作为冷却剂和燃料载体,运行后的燃料成分为铀、钍、裂变产物和载体盐,对裂变产物进行分离并回收有效组分复用,可以提高反应堆的运行经济性,并且使放射性废物最小化。定向凝固技术是利用多元混合物的相平衡特性和凝固过程元素迁移机制实现物质分离,具有工艺操作简单、无副产物产生等优点,有望用于燃料盐中裂变产物分离。在自制的冷棒式定向凝固实验装置上,研究了FLiNaK熔盐体系内典型裂变产物CsF在不同工艺条件下定向凝固后的含量分布。研究结果表明:通过控制冷却凝固速度,得到的凝固盐中Cs元素的含量在径向上呈现出梯度分布,由内向外依次递减,外侧凝固盐中Cs含量相较液相中最高降低约90%,表明燃料盐中裂变产物定向凝固分离具有一定的可行性。

含铯废水中亚铁氰化物的粒径分布及组成分析

亚铁氰化物是处理含Cs^(+)离子放射性废水的一种重要方法。为了研究亚铁氰化物处理Cs^(+)离子时的置换机理以及基础性质,本文按照M^(2+)/Fe(CN)64-=1.33的比例投加共沉淀剂(其中M^(2+)代表了Ni^(2+)、Cu^(2+)、Co^(2+)、Cd^(2+)),在不同的模拟水样中制备了亚铁氰化物。利用激光粒度分布仪器考察了M(NO_(3))_(2)与亚铁氰化钾形成共沉淀物的粒径分布。利用高氯酸和加热装置对制备的亚铁氰化物进行溶解以分析其组成。结果表明:共沉淀物的粒径几乎全部处于0.1~10μm;Cs^(+)和Mg^(2+)离子主要取代K^(+)和部分取代M^(2+)离子,Na^(+)离子只取代K^(+)离子;对1.00 mg/L Cs^(+)离子的去除率高于99%;对其吸附容量高达310mg/g以上。总之,亚铁氰化物粒径较小,Na^(+)和Mg^(2+)存在不会影响亚铁氰化物对Cs^(+)离子的去除。

一体化快堆全锕系核素循环的物理可行性分析

一体化快堆是一体化闭式循环快堆核能系统的简称,由钠冷快堆、金属燃料制造设施、乏燃料处理设施和废物整备设施组成,是快堆及其燃料循环系统的高级发展阶段,能够实现铀资源的高效利用和废物最小化,显著提升闭式核燃料循环的质量和效率。一体化快堆的最主要特征是核燃料的快速循环和多次循环,且核燃料的组成包括铀、钚和次锕系核素,可以称为全锕系核素循环。本文从反应堆核设计、燃料制造燃料成分控制方法、乏燃料处理回收率要求、燃料循环过程中物料辐射特性等方面,分析评估了一体化快堆全锕系核素循环的物理可行性。

乏燃料后处理碱性流程的研究进展

乏燃料后处理碱性流程是用碳酸盐、氢氧化物等碱性物质的溶液作为介质进行乏燃料的溶解及铀、钚等元素的分离与纯化的方法。碱性条件下,乏燃料中的大部分裂变产物和次锕系元素并不溶解或者在溶解过程中转变为碳酸盐、氢氧化物沉淀。与已经实现工业化的PUREX(plutonium uranium redox extraction)酸性流程相比,碱性流程具有腐蚀性更小、流程更简单等潜在的优点。鉴于碱性流程的优点及其在乏燃料后处理中的潜在应用,日本、美国、俄罗斯、韩国等国家的科研人员已经围绕该流程开展了一些研究工作。本文首先介绍了各国建议的碱性流程的技术路线;然后逐一介绍了与主要工艺环节相关的基础研究的进展,包括乏燃料的氧化溶解、核素分离、试剂的回收等;最后对该领域面临的挑战和前景进行了讨论。

从裂变产物中快速萃取分离^(94)Sr的研究

为提高短寿命裂变产物核素^(94)Sr核参数的测量精度,需要快速从裂变靶中分离出较高活度的放化纯样品。本工作研究了SISAK系统快速分离Sr的工艺,建立了SISAK系统从裂变产物中快化分离^(94)Sr的流程。经热实验验证,靶量14μg的235U辐照20 s,可在100 s内获得^(94)Sr样品,并可测得明显且无干扰特征峰,流程对Sr的化学回收率大于80%,对主要干扰核素的去污因子均大于10~2。本研究采用“堆辐照+跑兔送样+SISAK分离”联用的技术,获得了可用于测量的^(94)Sr样品,对半衰期为分钟量级的裂变产物的核参数测定与衰变特性研究具有重要参考价值。

选区激光熔化Ti-6Al-4V合金在模拟乏燃料后处理环境中的腐蚀行为

研究选区激光熔化(SLM)制备的Ti-6Al-4V合金在乏燃料后处理环境中的腐蚀行为。借助光学显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜、电子背散射衍射以及电化学测试等手段研究SLMTi-6Al-4V合金的显微组织及耐蚀性。结果表明,相较于铸造合金,SLM Ti-6Al-4V合金在含氧化性离子的6 mol/L热硝酸溶液中的耐腐蚀性更好。进一步分析表明,SLMTi-6Al-4V合金具有α'+β的微观结构,β-Ti相含量较高且分布均匀,同时其晶粒尺寸较小、晶界密度较高,这种微观结构可提高其在含氧化性离子的硝酸中的钝化能力以及耐腐蚀性。SLM Ti-6Al-4V合金有望在乏燃料后处理过程中得到广泛应用。

核燃料后处理无盐调价技术挑战与解决方案

为解决核燃料后处理工艺中氧化调价及亚硝酸根脱除的复杂性和低效率问题,以某料液的调节制备装置为研究对象,围绕提升处理效率和环境安全性展开研究。通过集成化设计和自动化控制,针对性地提出了优化工艺流程和设备设计的解决方案。采用的措施包括优化填料柱使用、改进保温夹套的保温方式以及尾气处理技术的优化,取得了显著提升处理效率、降低操作复杂度和增强环境安全性的效果。

脉冲萃取柱专用智能控制器研究

脉冲萃取柱是核燃料后处理厂中的关键设备,其运行情况关系萃取的效果以及全厂的安全,监测脉冲萃取柱的运行情况至关重要。该文设计研究智能脉冲萃取柱专用控制器,搭建专属于脉冲萃取柱的独立控制器,控制器具有独立计算、存储等功能,能够实时监测脉冲萃取柱的运行情况,搭载自适应模糊PID控制方法,能够自适应调节控制萃取柱界面,并具有故障诊断、远程控制等功能,能够为脉冲萃取柱提供更全面的测控需求,提升了脉冲萃取柱的运行效率并为其安全平稳运行提供支持。

乏燃料后处理项目暖通建安工程费计价研究

立足乏燃料后处理项目,围绕不同设计阶段展开研究。分析了暖通专业在初步可行性和可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段的计价特点,阐述了暖通专业建安工程费计价方法,以期为同类项目标准化计价提供参考。

水溶性三价镧锕分离配体研究进展

三价镧系元素和次锕系元素的分离是核工业中乏燃料处理的关键。为实现两者的有效分离,通过合理的配体结构设计从而选择性的络合一种金属进而达到分离的目的是当前液-液萃取配体设计的通用策略。其中,高效水溶性配体的设计能够极大程度的降低液-液萃取过程中有机溶剂的使用进而备受关注。本文简要的梳理了近10年来水溶性配体的发展,根据致溶基团将水溶性镧锕分离配体分为三个部分并讨论了不同结构配体的优缺点。最后结合我们课题组的近期工作进展对水溶性配体的发展方向进行了展望。

含磷类萃取剂萃取性能及辐射稳定性的研究进展

目前乏燃料后处理技术的研究特别是溶剂萃取方面,即利用含萃取剂的有机稀释剂萃取分离水溶液中的放射性核素,受到广泛关注。本文对近十多年来乏燃料后处理(溶剂萃取)中含磷类萃取剂特别是中性膦类萃取剂的萃取性能及辐射稳定性等进行了综述与讨论。对于中性膦类萃取剂而言,萃取性能及辐射稳定性受自身结构、稀释剂类型等其他因素的影响,萃取剂中P—O键数目的减少会提升萃取性能,烷基链长度的增加或支链(如甲基、乙基及苯基)的引入均能提高辐射稳定性。此外,采用离子液体作为稀释剂可以减小有机相的辐解。因此,研究含磷类萃取剂结构与萃取性能及辐射稳定性的关系,不仅有利于筛选出适用于乏燃料后处理过程的萃取剂,对于选择兼具优异萃取性能和辐射稳定性的结构从而指导新型含磷类萃取剂的合成同样具有重要意义。

国外乏燃料干法后处理设施进展

干法后处理技术具有介质耐辐照、临界风险低、工艺流程短、废物量小等特点,是核燃料后处理领域中适应性更高、处理对象更广的一种分离技术。干法后处理设施是实现干法后处理技术开发、验证和应用的关键场所。本文调研总结了国外干法后处理技术研发和示范设施进展,从设施建设背景、工艺基准流程、主要技术参数、设施布局设计和应用情况等多方面进行了分析和比较,并结合我国干法后处理技术发展现状和设想,提出了我国干法后处理设施发展建议。

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。

LiCl-KCl共晶熔盐中金属铀与氯化锌的反应行为及机理

为探究氯化锌(ZnCl2)与金属铀制备LiCl-KCl-UCl3初始熔盐体系的反应过程,本工作拟在500℃下的LiCl-KCl共晶熔盐中,首先对可能反应进行热力学计算,确定可能反应路径;再通过循环伏安法和原位吸收光谱法原位监测金属铀与ZnCl2的反应过程,并观察反应过程中熔盐的颜色变化,结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析样品中元素含量的变化,对反应产物进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)表征,综合确定反应行为和反应机制。研究结果表明:在金属铀与ZnCl2的反应过程中,Zn(Ⅱ)直接将铀金属氧化为U(Ⅲ),生成的Zn金属在铀金属表面形成U-Zn合金。ZnCl2与金属铀制备的电解精炼初始熔盐体系LiCl-KCl-UCl3过程,反应在240 min达到平衡,最终Zn质量分数维持在0.01%。

U(Ⅵ)与二烷基二硫代膦酸配位化学研究

二烷基二硫代膦酸类萃取剂有优良的三价锕系离子选择性,研究其与锕系离子的配位能够加深对该类萃取剂配位特性的理解。本文通过配合物单晶培养及结构分析、斜率法、拉曼光谱等手段研究了二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代膦酸(纯化Cyanex_(3)01,HA)及二(2-甲基丙基)二硫代膦酸(HL)与U(Ⅵ)的配位化学。采用缓慢挥发法,成功获得了UO_(2)L_(2)·H_(2)O和UO_(2)L_(3)·(CH_(3))_(2)NH_(2)·H_(2)O两种新的配合物单晶,并测定了其结构及拉曼光谱。在以HA-二甲苯溶液为有机相、1.0 mol/L NaNO_(3)溶液为水相的萃取体系中,萃取U(Ⅵ)分配比与平衡有机相萃取剂浓度及水相酸度的关系表明,尽管萃取过程为阳离子交换,但可能生成两种不同比例的U(Ⅵ)与萃取剂萃合物;负载U(Ⅵ)有机相的拉曼光谱分析结果显示,在U(Ⅵ)浓度相对较低且自由萃取剂浓度较高的平衡有机相中,不含水萃合物占比较高,反之则容易生成水分子与U(Ⅵ)比例为1∶1的萃合物。关联负载U(Ⅵ)有机相、配合物晶体的拉曼光谱以及两种晶体的结构,推测两种萃合物分别为UO_(2)A_(2)·HA和UO_(2)A_(2)·H_(2)O。