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高温化学后处理工艺回收辐照MOX燃料中的锕系元素
日本电力工业中央研究院(CRIEPI)和德国联合研究中心-超铀元素学院(JRC-ITU),周湘平译
摘要:熔盐状态下的辐照MOX燃料在经过电解精炼步骤后再经过一系列的电化学还原可以回收燃料中的锕系元素。去除包壳后的MOX燃料剪切段在923K的LiCl-1wt%Li2O熔盐中被阴极还原。所有剪切段截面上已还原燃料呈现出金属光泽。通过气体量管技术确定錒系金属含量,通过ICP-MS分析测得锕系元素总含量,由此可以根据锕系金属含量与锕系元素总含量的比值求算出还原产率。产率约为95%,也就是说燃料中大部分锕系元素被还原。通过电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)获得的分析结果显示锕系元素和贵金属仍然留在已还原燃料中。另一方面,碱金属、碱土金属以及Te、Se、Eu被清理出燃料熔入到熔融态的盐浴池中。已还原MOX燃料在773K温度下LiCl-KCl-UCl3熔盐中被阳极氧化溶解。树枝状的U金属在固态阴极上成功沉淀,大部分的超铀元素(TRU)以及稀土元素熔解在盐浴池中。盐浴池中的超铀元素被回收至一个液态Cd阴极中,超有元素与稀土元素的分离符合当前已知的热力学数据。
关键词:高温化学后处理,电化学还原,熔盐电解精炼,辐照MOX燃料,铀,超铀、稀土、金属燃料,快堆
1、简介
高温后处理工艺由熔融氯化物中的电化学还原和电解精炼处理组成,该后处理工艺已经发展成为世界范围内从MOX乏燃料中回收稀有锕系核素(如U和Pu)最具前景的备选后处理技术[1-8]。由于MOX乏燃料中主要衰变热来源是稀有锕系元素,因而使用该后处理技术可大大减少核废料地质处置时所占用的安置面积。其另一个优点是,由于超铀元素(TRU)在该工艺过程自始至终处于混合状态,降低了核扩散的风险。
如图1所示为高温后处理工艺的示意图。首先,将MOX燃料放至LiCl-Li2O熔盐中的阴极处,阴极可提供O2-离子载体。通过施加一定的电流或电势,阴极处生成了合金,O2-从乏燃料中溢出通过熔盐系统迁移至阳极生成氧气[1-6]。在电解精炼步骤中,已还原燃料装入浸没于含有UCl3的共晶型LiCl-KCl熔盐里。燃料中的锕系元素在阳极电解后融入熔融盐浴池并在阴极转变为金属析出物[4,6-8]。在一个固体铁质电极上,枝突状U金属析出,从而与其它元素分离开来。为了回收Pu及残留的U、稀有锕系元素,使用液态Cd做阴极。目前已经使用非辐照核燃料开展了许多关于高温技术的相关研究活动,但是仅仅极少数使用真正辐照MOX燃料的试验结果报道其成功回收了稀有锕系元素并能保证裂变产物和锕系元素的质量守恒。
图1 高温后处理工艺的示意图
日本电力工业中央研究院(CRIEPI)和德国联合研究中心-超铀元素学院(JRC-ITU)已经开展了关于超铀元素(TRU)的高温处理技术研究。首先,为了处理高放射性物质,专门设计了一个新型装置,该装置被制造和安装在JRU-ITU。沉箱是一个不锈钢箱体,内充有纯氩气,在2000年刚开始是被安装在JRC-ITU的一个α试验室中。在研究的第一阶段,在该装置中使用非辐照核材料开展了火法试验,用以测试和改进设备,使用超铀元素(TRU)验证和优化高温处理工艺的可行性[7,8]。在2004年,整个设备被迁入JRC-ITU的放射性试验室中。
该研究项目报道了通过熔盐电解精炼步骤后的一系列电化学还原过程从商业性辐照MOX燃料中回收锕系元素的相关成果。
2、试验部分
2.1 辐照MOX燃料
试验使用了两种类型的MOX燃料。一种是传统轻水反应堆(LWR)中辐照过的MOX燃料,其燃耗为44GWd/t-U,其Pu重金属含量为3.6%。另一种类型为SuperFact燃料,这是一种用作Np分离嬗变的测试燃料,在PHENIX快堆中其辐照燃耗达到6.5%(约为62GWd/tHM)[9]。
通过使用SWAT集成式燃耗计算代码系统可以计算出LWR-MOX的成分[10]。表1所示为2008年8月MOX燃料中主要同位素的计算成分结果。包壳切开后将其中的燃料清出,如图2所示,回收的燃料剪切段都相对较大。没有显著量的燃料堵塞滞留在包壳的内表面。
分析了多个样品的SuperFact燃料成分,该燃料中代表性组分重量百分数测得如下:57wt%U,23wt%,1.5%Np,2.2wt%Am+Cm以及5.1wt%裂变产物(FP)。
表1 由2008年8月通过SWAT代码计算出的辐照LWR-MOX燃料成分数据(燃耗:44.5GWd/tU,卸料时间:1990)
同位素 含量/ppm 同位素 含量/ppm 同位素 含量/ppm U235 2388 Zr90 140 Sn124 14 U236 739 Zr91 426 Sn126 41 U238 803900 Zr92 508
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