【摘要】：乏燃料的后處理是核裂變能可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,其主要目的是回收乏燃料中的鈾(U)、钚(Pu)等錒系元素。其中,干法處理不使用水溶液,具有放射性廢物排放少、臨界風(fēng)險低、耐輻照等優(yōu)點而成為目前研究的重點技術(shù)。熔鹽電解技術(shù)是干法處理中最有希望替代濕法處理的技術(shù)之一,但其電解溫度要高于堿金屬氯化物共晶鹽熔點,一般在800K以上,需要在惰性氣氛及高溫下操作,對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。離子液體具有電化學(xué)窗口寬、低熔點、低蒸汽壓、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,有望替代高溫熔鹽用于乏燃料干法回收。然而,國內(nèi)外關(guān)于錒系元素(鈾、钚等)在離子液體中的電化學(xué)行為及電沉積研究報道較少。因此,本課題先通過鑭作為鈾的替代元素,進(jìn)行了含La(Ⅲ)離子液體的合成、電化學(xué)行為及電沉積的研究,并進(jìn)一步開展了鈾在離子液體中的電化學(xué)行為及電沉積研究。主要的研究內(nèi)容和成果如下： 1.合成了含La(Ⅲ)及U(Ⅳ)離子液體N-甲基-N-丙基哌啶雙(三氟甲基磺酰)亞胺(MPPiNTf2),測試了MPPiNTf2電化學(xué)窗口及電導(dǎo)率。分別通過La2O3及UO2與雙(三氟甲基磺酰)亞胺(HNTf2)反應(yīng),合成有機鹽La(NTf2)3及U(NTf2)4,再將有機鹽與MPPiNTf2混合配制含La(Ⅲ)及U(Ⅳ)離子液體。電導(dǎo)率測試表明,MPPiNTf2的電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加,隨著溶質(zhì)濃度的增加,先增加后減��；循環(huán)伏安曲線表明,MPPiNTf2具有較寬的電化學(xué)窗口,達(dá)到了4.9V(vs.Pd)。 2.研究了La(Ⅲ)在離子液體MPPiNTf2中的電化學(xué)行為并實現(xiàn)了鑭的電沉積。La(Ⅲ)在MPPiNTf2中鉑電極上還原到金屬態(tài),是單步三電子轉(zhuǎn)移的不可逆過程,其峰值電位在-2.8V(vs.Pd); La(Ⅲ)在MPPiNTf2中的擴散能力較差,擴散系數(shù)隨著溫度的升高而增大,308、323K的擴散系數(shù)分別為4.8×10-8、2.88×10-7cm2/s,擴散系數(shù)受溫度的影響比較大,相應(yīng)活化能為99.4kJ/mol;在-2.9、-3.0、-3.1V電位條件下分別沉積出了金屬鑭,其晶粒大小隨著沉積電位的負(fù)移而降低。 3.研究了U(Ⅳ)在離子液體MPPiNTf2中的電化學(xué)行為,并實現(xiàn)了鈾的電沉積,說明MPPiNTf2用于乏燃料干法后處理是可行的。U(Ⅳ)在MPPiNTf2中玻碳電極上還原到金屬態(tài),是兩步四電子轉(zhuǎn)移的過程：即先被還原到U(Ⅲ),再被進(jìn)一步還原到金屬態(tài),相應(yīng)峰值電位為-2.7V(vs.Pd);在-2.8V(vs.Pd)的電位條件下實現(xiàn)了金屬鈾的沉積。
【圖文】：

反應(yīng)堆產(chǎn)生的乏燃料數(shù)量在急劇增大，然而全世界總的后處理能力卻增長緩慢，導(dǎo)致大部分都采取了固化深埋的處理方法（圖1.1) [1]。核燃料的循環(huán)利用，不僅可以有效利用資源，還能最大限度地減少放射性廢物對環(huán)境的影響，實現(xiàn)核能的可持續(xù)性發(fā)展及保障核電安全。建立先進(jìn)核燃料循環(huán)工業(yè)體系，是保證核能^u發(fā)安全、持續(xù)進(jìn)行的重要條件[2]。這對我國當(dāng)前大力發(fā)展核電以提高核電在能源結(jié)構(gòu)所占比例的能源方針具有極其重要的戰(zhàn)略意義。Cumulative Spent Fuel Arisings, Storage and Reprocessing,1990-2020SF Discharged500 T |_| SF Stored |450 SF Reprocessed 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020Year圖1.1乏燃料管理量增長趨勢[1]核燃料循環(huán)工業(yè)體系包括了從鈾礦開采到核廢物處理的一系列工藝過程。在反應(yīng)堆使用前的工藝過程稱為核燃料循環(huán)前段，包括鈾礦的開采和加工、鈾濃縮及核燃料加工成型；從反應(yīng)堆卸去后對核燃料的后處理過程，稱為核燃料循環(huán)后段，包括乏燃料暫存、乏燃料后處理及回收利用、放射性廢物最終處置[3]。其中，乏燃料后處理的主要0是實現(xiàn)乏燃料中的鈾(U)、杯(Pu)等錒系元素與其它裂變產(chǎn)物核素相互分離，并將鈾、钚回收作為燃料進(jìn)行再利用

取等化學(xué)分離方法實現(xiàn)各種核素的相互分離。傳統(tǒng)的濕法處理主要是通過已建立工業(yè)化體系的Purex過程（圖1.2)來實現(xiàn)，其以磷酸三丁酯(TBP)為萃取劑、正十二院（n-DD)為稀釋劑，將鈾、杯從硝酸溶液中分別萃取出來；接著，又將鈾、鐘等待回收元素從有機相中反萃到稀硝酸溶液中，，并進(jìn)一步制成氧化物燃料返回到反應(yīng)堆。該技術(shù)發(fā)展較為成熟，是目前乏燃料后處理技術(shù)中唯一實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)，但存在工藝過程復(fù)雜、設(shè)備規(guī)模大、溶劑抗福射性能差及產(chǎn)生大量放射性難處理的廢液等問題[6，7]。2
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TL24

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2671971