CN104562089A - 熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核燃料循环干法后处理技术领域，公开了一种熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法。该方法是通过向位于电解槽里的LiCl-KCl共晶熔盐及乏燃料通入氯化气体实现向熔盐中引入铀离子，得到熔盐电解干法后处理所需初始熔盐体系。该方法具备氯化气体氯化率高、可在电解槽里原位引入铀离子、无需额外建立氯化铀生产线的优点。

Description

熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法
技术领域
本发明属于核燃料循环干法后处理技术领域，具体涉及一种熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法。
背景技术
干法后处理是实现第四代反应堆闭合燃料循环的关键环节，熔盐电化学分离技术是目前世界上研究最为深入，也是最有应用前景的干法后处理技术。熔盐电解干法后处理利用铀、钚与裂片元素离子在熔盐体系中的氧化还原电位的差异实现铀钚与裂片元素的分离，通常以LiCl-KCl共晶熔盐作为溶剂。为启动电解反应，缓和电解初期电极反应的极化现象，并提高铀产品的纯度，熔盐电解初始熔盐体系中需含有一定量(约10wt％)的铀离子。
目前，熔盐电解初始熔盐体系中铀离子的引入为直接向熔剂(LiCl-KCl共晶熔盐)中加入氯化铀。这种直接加入氯化铀的方法需额外建立氯化铀的生产线，增加了放射性物质操作工序；此外生产线上制备的氯化铀通常为三氯化铀和四氯化铀的混合物，后者的引入容易导致四价铀在阴极不完全放电，造成电流空耗。
因此，现在急需研发一种向熔盐电解初始熔盐体系引入铀离子的新方法。
发明内容
(一)发明目的
根据现有技术所存在的问题，本发明提供了一种无需额外建立氯化铀生产线、可在电解槽内原位引入铀离子的干法后处理初始熔盐体系制备的方法。
(二)技术方案
为了解决现有技术所存在的问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将LiCl-KCl共晶熔盐及乏燃料加入至电解槽中，其中乏燃料浸入并悬于LiCl-KCl共晶熔盐中下部；
(2)加热LiCl-KCl共晶熔盐至其熔化，并恒温使其处于熔融状态；
(3)通过耐高温、耐腐蚀管道向步骤(1)所述的电解槽中通入氯化气体，与乏燃料中的铀反应生成UCl3；
(4)向步骤(1)所述的电解槽中通入氩气吹扫，排除残留于管道和熔盐中的氯化气体，得到熔盐电解干法后处理所需初始熔盐体系。
优选地，步骤(1)中所述电解槽材质为耐高温、耐熔盐腐蚀的镍基合金。
优选地，步骤(3)中所述的氯化气体为HCl气体或Cl2。
优选地，步骤(1)中所述乏燃料位于多孔镀铂钛篮中。
优选地，步骤(3)中所述氯化气体的流速为0.1L/min～1.0L/min。
优选地，步骤(2)中所述加热的温度为450℃～550℃。
优选地，步骤(3)中所述耐高温、耐腐蚀管道为刚玉管或镍基合金管。
优选地，步骤(3)中所述氯化气体的出口位于乏燃料正下方，氯化气体由下往上接触乏燃料。
优选地，步骤(4)中向电解槽内通入氩气是经由步骤(3)所述的耐高温、耐腐蚀管道通入的。
优选地，步骤(1)中所述电解槽位于高温合金保护罐内。
优选地，所述高温合金保护罐顶部集成有尾气排放口，该尾气排放口通过尾气排放管道与尾气处理装置连接。
优选地，所述尾气排放管道的材质为耐HCl气体或Cl2腐蚀的聚四氟乙烯。
(三)有益效果
本发明提供的初始熔盐体系的制备方法，是在电解槽内向浸入熔盐内的乏燃料中通入HCl气体或Cl2气体，通过乏燃料中铀与氯化气体反应原位得到UCl3，而非直接向熔剂中加入UCl3，具有以下有益效果：
(1)无需额外建立UCl3生产线，缩短了放射性物质操作工序，节约了生产成本，减少了放射性废物的量和处置成本。
(2)HCl气体或Cl2与乏燃料中的铀反应较快，且较彻底，反应式为：
U+HCl→UCl3；U+Cl2→UCl3；
该方法采用无盐氯化试剂，避免了向体系中引入新的金属杂质元素。另外，通过控制HCl气体或Cl2的流速为0.1L/min～1.0L/min，不但保证了反应气体与乏燃料的充分接触，使氯化气体的利用率高达95％，同时也有效避免了气体因过量引起的泄漏等问题。
(3)乏燃料盛于多孔镀铂钛篮中并应悬于熔盐中下部，HCl或Cl2出口位于金属正下方，由下往上接触乏燃料，进一步增加了气体与乏燃料的接触面积和反应时间。
具体实施方式
下面将结合说明书和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
实施例1
熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将重量为300g的LiCl-KCl共晶熔盐及50g乏燃料加入至电解槽中，其中乏燃料位于多孔镀铂钛篮中浸入并悬于LiCl-KCl共晶熔盐中下部；
(2)加热LiCl-KCl共晶熔盐至450℃使其熔化，并恒温使其处于熔融状态；
(3)通过镍基合金管道向步骤(1)所述的电解槽中通入HCl气体，与乏燃料中的铀反应生成UCl3，气体的流速为0.1L/min；
(4)通过镍基合金管道向步骤(1)所述的电解槽中通入氩气吹扫，排除残留于管道和熔盐中的HCl气体，得到熔盐电解干法后处理所需初始熔盐体系。
其中，所述电解槽材质为耐高温、耐熔盐腐蚀的镍基合金，所述HCl气体的出口位于乏燃料正下方，由下往上接触乏燃料。所述电解槽位于高温合金保护罐内，高温合金保护罐顶部集成有尾气排放口，该尾气排放口通过尾气排放管道与尾气处理装置连接，尾气排放管道为耐HCl气体或Cl2腐蚀的聚四氟乙烯。
该方法的结果表明，金属铀与HCl反应较快，且反应较为彻底，氯化氢的利用率为96％。
实施例2
与实施例1所用的方法和步骤相同，不同的是共晶熔盐的加热温度为500℃，所用HCl气体的流速为1.0L/min，通HCl气体和氩气的管道为刚玉管。
该方法的结果表明，金属铀与HCl反应较快，且反应较为彻底，氯化氢的利用率为95％。
实施例3
与实施例1所用的方法和步骤相同，不同的是共晶熔盐的加热温度为550℃所用氯化气体为Cl2，气体的流速为0.5L/min。
该方法的结果表明，金属铀与Cl2反应较快，且反应较为彻底，氯化氢的利用率为97％。

Claims (12)

1.熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将LiCl-KCl共晶熔盐及乏燃料加入至电解槽中，其中乏燃料浸入并悬于LiCl-KCl共晶熔盐中下部；
(2)加热LiCl-KCl共晶熔盐至其熔化，并恒温使其处于熔融状态；
(3)通过耐高温、耐腐蚀管道向步骤(1)所述的电解槽中通入氯化气体，与乏燃料中的铀反应生成UCl3；
(4)向步骤(1)所述的电解槽中通入氩气吹扫，排除残留于管道和熔盐中的氯化气体，得到熔盐电解干法后处理所需初始熔盐体系。
2.根据权利要求1所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，步骤(1)中所述电解槽材质为耐高温、耐熔盐腐蚀的镍基合金。
3.根据权利要求1所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的氯化气体为HCl气体或Cl2。
4.根据权利要求1所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，步骤(1)中所述乏燃料位于多孔镀铂钛篮中。
5.根据权利要求1所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，步骤(3)中所述氯化气体的流速为0.1L/min～1.0L/min。
6.根据权利要求1所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，步骤(2)中所述加热的温度为450℃～550℃。
7.根据权利要求1所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，步骤(3)中所述耐高温、耐腐蚀管道为刚玉管或镍基合金管。
8.根据权利要求1所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，步骤(3)中所述氯化气体的出口位于乏燃料正下方，氯化气体由下往上接触乏燃料。
9.根据权利要求1所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，步骤(4)中向电解槽内通入氩气是经由步骤(3)所述的耐高温、耐腐蚀管道通入的。
10.根据权利要求1所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，步骤(1)中所述电解槽位于高温合金保护罐内。
11.根据权利要求10所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，所述高温合金保护罐顶部集成有尾气排放口，该尾气排放口通过尾气排放管道与尾气处理装置连接。
12.根据权利要求11所述的熔盐电解干法后处理过程中初始熔盐体系制备的方法，其特征在于，所述尾气排放管道材质为耐HCl气体或Cl2腐蚀的聚四氟乙烯。
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