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。     

Li_3AlF_6熔盐的高温水解性质

为研究Li_3AlF_6作为LiF-BeF_2模拟盐在混合熔盐中的高温水解行为,首先制备了一定比例的Li_3AlF_6熔盐,采用X射线衍射法(XRD)、Raman光谱和热重分析(TG-DSC)等分析手段对其结构进行了表征,并对LiF、AlF_3及Li_3AlF_6熔盐的高温水解行为进行了研究。分析结果表明,LiF和AlF_3在一定温度和摩尔比条件下可生成不同晶型的Li_3AlF_6,高温水解与溶解实验及离子色谱分析结果表明,Li_3AlF_6熔盐的高温水解产物为LiAlO_2,且不含氟离子,证明在现有实验条件下可实现该氟化物到氧化物的转化,为后续高温水解实验在水法后处理流程中的应用提供了基础数据。     

金属Ce表面氧化物的真空稳定性

为探讨金属铈在超高真空条件下作为钚模拟材料的可行性，采用X射线光电子能谱（XPS）分析技术研究了超高真空条件下金属Ce表面氧化物在不同温度时的真空稳定性。实验结果表明，不同温度和超高真空条件下，金属Ce表面氧化物的真空稳定性各不相同。在室温、超高真空条件下没有观察到金属Ce表面氧化物发生变化；但在873 K、超高真空条件时，金属Ce表面氧化物发生还原反应，样品表面生成Ce₂O₃。根据热力学计算，推断了高温、超高真空条件下发生还原反应的过程，金属Ce表面氧化物的真空特性与金属Pu存在一定差异。     

氢在FLiNaK(LiF-NaF-KF)熔盐中的渗透行为

FLiNaK(LiF-NaF-KF)熔盐在高温熔盐堆或聚变堆的应用中面临着氚扩散渗透的问题。研究H2在FLiNaK熔盐中的渗透行为,能够为FLiNaK熔盐中氚的控制提供依据。氢同位素在熔盐中的扩散渗透特性测试系统主要用于测定熔盐中氢同位素的渗透行为,以获得氢同位素在熔盐中的扩散系数和溶解度常数等相关参数。通过该系统,本文对FLiNaK熔盐中H2的渗透、扩散和溶解等行为进行了研究。结果表明,受实验装置和实验方法的限制,H2在FLiNaK熔盐中的渗透主要以氢原子(或离子)的方式进行。在500-700°C时,FLiNaK熔盐中H2的扩散系数与温度的关系满足:DFLiNaK-H=1.12×10-4exp(-66.40×103/RgT)(m2·s-1),其扩散活化能为66.40kJ·mol-1。而对于FLiNaK熔盐中H2的溶解常数,其与温度的关系可表述为:KFLiNaK-H=2.1×10-5exp(-0.94×103/RgT)(mol·m-3·Pa-1/2)。     

Al2O3覆盖层制备工艺对YSZ涂层耐熔盐腐蚀性能的影响

高密度石墨(HDG)由于其良好的抗热震性和高温强度,被认为是极具应用前景的坩埚候选材料之一。然而,熔盐电解法处理乏燃料过程中,高密度石墨坩埚会与高温氯化物熔盐、乏燃料等具有腐蚀性的介质直接接触,从而对坩埚造成腐蚀,影响坩埚的稳定性和使用寿命。坩埚表面等离子喷涂的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)涂层被证实具有优异的性能,但是涂层本身所存在的孔洞、裂纹以及液滴等缺陷严重制约了YSZ涂层在高温下的性能。因此,通过密封处理方法来提高涂层的致密度显得尤为迫切。本文利用磁控溅射(PVD)法和金属有机分解(MOD)法在等离子喷涂的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)涂层表面制备了Al₂O₃覆盖层,研究了这两种方法制备的Al₂O₃覆盖层对YSZ涂层在NaCl-KCl熔盐中的抗腐蚀性能的影响,并利用SEM、EDS、XRD等对腐蚀前后涂层的形貌以及微观结构进行了详细表征。结果表明：PVD法制备的Al₂O₃覆盖层主要分布于YSZ涂层表面,使其表面致密度得到一定程度提升,但涂层内部的致密度以...     

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。     

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。     

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。     

稀土氧化物Gd2O3、Nd2O3、Sm2O3和Dy2O3在KCl-LiCl-Li2O熔盐中的电解

采用循环伏安法和计时电位法研究了Li₂O在KCl-LiCl熔盐中的电化学行为,并利用卷积伏安法计算了923 K下O₂^-在KCl-LiCl熔盐中的扩散系数（D),得到D=0.5×10^-5 cm²/s。以Gd₂O₃、Nd₂O₃、Sm₂O₃和Dy₂O₃为阴极,在KCl-LiCl-Li₂O(w=1%)熔盐中进行电解（恒电压3.40 V、电解温度923 K、电解时间25 h）。通过X射线衍射分析(XRD),证实稀土氧化物被部分还原为金属,并分析了电解过程中可能发生的反应。同时利用PRS模型（该模型可将固态阴极内离子的极限扩散速率与固态氧化物孔隙P、金属/氧化物摩尔体积R、阴极还原后的体积收缩率S等参数关联）分析了这些稀土氧化物的电解还原模型,得到Gd₂O₃、Nd₂O₃、Sm₂O₃和Dy₂O₃的最优孔隙率分别为18.7%、24.2%、30.6%、16.7%,最短电解时间分别为133、157、143、119 h,将这些结果与电解实验结果进行对比,发现阴极的孔隙率和电解时间均不满足金属氧化物完全被还原的要求,并给出了相应的解释。     

液体阴极法回收盐渣中钚离子的模拟实验

采用液体阴极法电解NaCl-KCl-CeCl_3熔盐,回收熔盐中的铈离子以模拟高温化学工艺废盐渣中钚离子的回收。研究了初始CeCl_3浓度、温度、阴极电流密度对电解指标的影响,确定了初始CeCl_3质量分数为5%、温度750℃、阴极电流密度0.10A/cm~2时,熔盐对Ce的净化系数可达130,盐渣中残留的CeCl_3质量分数可降低到0.04%以下。实验证实了液体阴极法有望应用于废盐渣中钚离子的回收。     

Dissolution Behavior of Cerium in NaCl-KCl and NaCl-KCl-CeCl3 Molten Salt System

The dissolution behavior of cerium in NaCl-KCl and NaCl-KCl-CeCl₃ molten salt systems was evaluated by ion concentration determination, gas generation method, determination of acid consumption of molten salt, X-ray diffraction and differential gravimetry analysis method. The results show that the loss of cerium in molten salt involves physical dissolution and chemical reactions, which can produce oxides, nitrogen oxides, chlorine oxides and other forms. The cerium can also react with the composition of crucible. Cerium and its compounds have a low solubility in molten salts, but new phases are formed, which contain large amounts of cerium. The dissolution loss of cerium can be effectively reduced by using nested crucible and increasing the height of small crucible.     

氧化铀在离子液体中溶解及铀的分离

传统干法后处理中常使用高温熔融盐溶解氧化铀,并通过电化学方法分离纯化。离子液体作为新型溶剂具有更低的熔点、更宽的电化学窗口和较好的溶解性,并且可进行设计修饰,在溶解氧化铀方面具有很好的应用前景。本文对离子液体体系溶解铀氧化物和铀的分离纯化进行了总结,并讨论了溶解体系的表征手段。     

Corrosion study of a highly durable electrolyzer based on cold crucible technique for pyrochemical reprocessing of spent nuclear oxide fuel

The application of the cold crucible technique to a pyrochemical electrolyzer used in the oxide-electrowinning method, which is a method for the pyrochemical reprocessing of spent nuclear oxide fuel, is proposed as a means for improving corrosion resistance. The electrolyzer suffers from a severe corrosion environment consisting of molten salt and corrosive gas. In this study, corrosion tests for several metals in molten 2CsCl–NaCl at 923 K with purging chlorine gas were conducted under controlled material temperature conditions. The results revealed that the corrosion rates of several materials were significantly decreased by the material cooling effect. In particular, Hastelloy C-22 showed excellent corrosion resistance with a corrosion rate of just under 0.01 mm/y in both molten salt and vapor phases by controlling the material surface at 473 K. Finally, an engineering-scale crucible composed of Hastelloy C-22 was manufactured to demonstrate the basic function of the cold crucible. The cold crucible induction melting system with the new concept Hastelloy crucible showed good compatibility with respect to its heating and cooling performances.     

Corrosion behavior of Hastelloy-N alloys in molten salt fluoride in Ar gas or in air

The effects of air on the corrosion of Hastelloy-N alloys in molten salt coolant containing fission product elements were investigated to determine the safety of structural materials in high-temperature reactors cooled with fluoride salt. Corrosion tests of Hastelloy-N in the molten fluoride salt FLiNaK in an alumina crucible and a graphite crucible under argon gas or air were performed at 773–923 K for 100 h. The depth of corrosive attack, as well as the extent of chromium and molybdenum depletion, increased with increasing temperature. The extent of Hastelloy-N corrosion in molten salt under air was significantly greater than under argon gas. The effect of adding the impurity cesium iodide to molten salt containing nuclear waste fuel on the corrosion behavior was negligible.     

四氟化铀和四氟化钍的高温水解

为适应钍基熔盐堆核燃料水法后处理的需求,需将乏燃料中难溶的氟化物转化为相应的氧化物形式,因此提出了高温水解的方法来实现这一目的。研究了UF4、ThF4在不同反应温度和反应时间下的高温水解行为,对其水解产物进行了结构表征和溶解实验的研究。结果表明,UF4、ThF4分别在300℃和350℃即可全部转化为相应的氧化物UO2.25和ThO2。溶解实验结果表明,二者的高温水解产物较易溶解在3mol/L HNO3和Thorex试剂中。     

Preparation of Massive Plutonium Metal Directly from Its Oxides

This report details a technique for the rapid production of massive Pu metal directly from its oxides. Salient features of this single unit process are as follows: the reduction of plutonium oxides with Ca metal; the extraction, by dissolution, of the calcium oxide reaction product with molten calcium chloride; and a quantitative separation of the two immiscible molten metal phases by the immiscible salt solution.

Reduction, separation and massive metal yield efficiencies are in excess of 99.96%. The purity of the metal produced is equal to that of the initial feed material. The batch cycle time is 15 min. The single waste product is far below recovery level and is discardable as a small volume solid waste.     

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。     

Molten corium oxidation model

In order to model oxidation of Zr–O and U–Zr–O melts, post-test appearance of refrozen oxidised melts in the CORA and QUENCH bundle tests performed at the Research Centre Karlsruhe (FZK) are analysed. Furthermore, data from new separate effect tests on ZrO₂ crucible dissolution by molten Zry, specially designed for investigation of long-term behaviour during the melt oxidation stage, are taken into consideration. On this base, a new model on oxidation of molten Zr–O and U–Zr–O mixtures in steam was developed, which allows interpretation of melt oxidation and hydrogen production observed in various bundle tests. The complete formulation of the analytical model, development of the numerical model and its validation against the crucible tests are presented.