CN105132953B - 一种用于直接获得锆合金燃料的乏燃料干法后处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于直接获得锆合金核燃料的乏燃料干法后处理方法，包括：根据反应堆设计对锆合金燃料的要求以及乏燃料中的锕系金属含量确定用于熔解乏燃料的熔盐组合物的组成和配比；将乏燃料熔解在上述熔盐组合物中；选用电极对进行电沉积，使熔盐组合物中的锆与乏燃料中的铀离子或铀及其他锕系金属离子共沉积，得到符合设计要求的锆合金核燃料。本发明提供的乏燃料干法后处理方法适用于氧化物乏燃料和金属乏燃料，其工艺简单，可控，能耗低，成本低，易于工业化。

Description

一种用于直接获得锆合金燃料的乏燃料干法后处理方法
技术领域
本发明属于核燃料后处理技术领域，具体涉及一种用于直接获得锆合金燃料的乏燃料干法后处理方法。
背景技术
用于快堆燃料主要有两类：氧化物陶瓷燃料和金属燃料。以增殖燃料为目的的快堆使用金属燃料的增殖比比氧化物陶瓷燃料高20％以上。其中锆合金燃料由于其优异的核性能和物理性能而成为快堆优选的合金燃料类型。
熔盐电解是研究最为活跃的乏燃料干法后处理技术。乏燃料干法后处理以乏燃料是金属氧化物乏燃料还是金属乏燃料而采用不同的熔盐电解工艺。目前国际上的乏燃料干法后处理主要采用氯化物熔盐电解精炼技术，对金属氧化物乏燃料首先用金属锂(或电解产生金属锂)将金属氧化物还原为金属，然后将得到金属在氯化物熔盐中控制电位熔解和控制电位沉淀，分别获得铀和铀钚合金燃料。
有专利报道了制备铝合金燃料的干法后处理熔盐体系。由于铝合金熔点较低，不能完全满足快中子堆的需要。而锆合金燃料熔点高，有利于快堆的稳定运行。目前国际上制备锆合金燃料的方法是先获得铀、钚、锆金属，然后将三种金属按比例混合进行熔炼制备。但是，用纯金属熔融制备合金燃料的过程成本很高，其首先要通过冶金过程获得纯金属材料，然后再将纯金属按比例混合熔融，工艺过程复杂，废物多，能耗高，成本大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种可直接获得锆合金燃料的乏燃料干法后处理方法，该方法工艺简单，可控，能耗低，成本低，易于工业化。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于直接获得锆合金核燃料的乏燃料干法后处理方法，包括以下步骤：
根据反应堆设计对锆合金燃料的要求以及乏燃料中的锕系金属含量确定用于熔解乏燃料的熔盐组合物的组成和配比；
将乏燃料熔解在上述熔盐组合物中；
选用电极对进行电沉积，使熔盐组合物中的锆与乏燃料中的铀离子或铀及其他锕系金属离子共沉积，得到符合设计要求的锆合金核燃料。
进一步，所述熔盐组合物至少包括氟化锆、氟化钾和氟化锂，其中，氟化锆、氟化钾和氟化锂的物质的量之比为1：(10-20)：(25-80)。
进一步，确定熔盐组合物的组成和配比的具体方法是：首先根据锆合金核燃料设计要求确定熔盐组合物中氟化锆的用量，然后根据能斯特方程以及熔盐组合物的目标熔点温度确定氟化钾和氟化锂的用量。
进一步，使乏燃料和熔盐组合物的混合物在600-1050℃下熔解，优选熔解温度是配比熔盐的最低共熔点温度+50℃。
进一步，依据锆合金燃料设计要求，若熔解的乏燃料中某些金属离子过量，则通过增设的电极对进行预先电沉积，使乏燃料中的过量金属离子分离出来。
进一步，若乏燃料为金属氧化物乏燃料，预先电沉积分离过量金属离子以及电沉积形成锆合金材料过程所使用的电极对的阳极为惰性材料。
或者，若乏燃料为金属乏燃料，则预先电沉积分离过量金属离子过程所使用电极对的阳极为金属乏燃料
本发明提供的方法，其工艺简单，可控，没有制备纯金属的过程，而是将乏燃料直接加入熔盐组合物中，通过调整熔盐组合物的配比，即可通过电沉积直接得到需要的锆合金燃料；此外，本方法适用于金属氧化物形态的乏燃料和金属形态的乏燃料，且能耗低，成本低，易于工业化。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例中的wt％表示质量比。
实施例1
本实施例采用采用二氧化铀陶瓷乏燃料。
目标合金燃料：锆-铀合金燃料，组成为：铀95wt％，锆5wt％。
锆-铀合金燃料的制备方法：
根据上述锆-铀合金燃料的组成、乏燃料的组成和电沉积原理(能斯特方程)，确定熔盐组合物为：5wt％氟化锆，35wt％氟化钾，60wt％氟化锂；
将11g烧结的二氧化铀芯块直接放入含氟化锆5wt％、氟化钾35wt％和氟化锂60wt％的1500g熔盐中，在温度为750℃下使二氧化铀芯块溶解在熔盐组合物中；
采用石墨作阳极和铀棒作阴极组成的电极对进行预先电沉积，控制阴极电位为-1.2～-1.4V(相对于Ag/AgCl参比电极)，使过量的铀1.2g沉积在阴极上；
接着，采用石墨作阳极、直径1mm的金属铀丝作阴极所组成的电极对进行电沉积，控制阴极沉淀电位为-1.6～-2.0V(根据沉积合金的铀锆比例和对稀土的去污系数要求调整)，锆先在阴极上沉积，然后铀通过欠电位沉积原理也沉积在阴极上，与锆形成合金，最终在阴极上获得计算比例的铀95wt％-锆5wt％的合金。
实施例2
本实施例采用铀钚合金乏燃料。
目标合金燃料：锆-铀-钚合金燃料，组成为：铀76wt％，锆5wt％，钚19wt％。
锆-铀-钚合金燃料的制备方法：
根据上述锆-铀-钚合金燃料的组成、乏燃料的组成和电沉积原理(能斯特方程)，确定熔盐组合物为：10wt％氟化锆，50wt％氟化钾，40wt％氟化锂；
将50g铀钚合金乏燃料作为阳极置于含氟化锆10wt％、氟化钾50wt％和氟化锂40wt％的3000g熔盐中，在温度为850℃下，进行控制电位熔解和控制电位沉积；
控制的熔解电位为1.2-1.6V(相对于Ag/AgCl参比电极)，使铀钚合金乏燃料熔解在上述熔盐组合物中；
采用双阴极进行电沉积，阴极材料均使用直径1mm的金属铀丝，其中一阴极控制电位为-1.2～-1.5V(相对于Ag/AgCl参比电极)，使过量的铀21g沉积在阴极上，另一阴极控制沉淀电位为-1.8～-2.3V(根据目标沉积合金的铀钚锆比例和对稀土去污系数要求调整)，锆先在阴极上沉积，然后铀，进而是钚通过欠电位沉积原理也沉积在阴极上，与锆形成合金，最终在阴极上获得计算比例的铀76wt％-锆5wt％-钚19wt％的合金。
采用本发明的方法，调整熔盐中的氟化锆浓度和预先电沉积后留在熔盐中铀的浓度，可获得(铀+钚)-锆摩尔比值为100到50的铀-锆合金。
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种用于直接获得锆合金核燃料的乏燃料干法后处理方法，包括以下步骤：
根据反应堆设计对锆合金燃料的要求以及乏燃料中的锕系金属含量确定用于熔解乏燃料的熔盐组合物的组成和配比；
将乏燃料熔解在上述熔盐组合物中，所述熔盐组合物至少包括氟化锆、氟化钾和氟化锂，其中，氟化锆、氟化钾和氟化锂的物质的量之比为1：(10-20)：(25-80)；
选用电极对进行电沉积，使熔盐组合物中的锆与乏燃料中的铀离子或铀及其他锕系金属离子共沉积，得到符合设计要求的锆合金核燃料，其中依据锆合金燃料设计要求，若熔解的乏燃料中某些金属离子过量，则通过增设的电极对进行预先电沉积，使乏燃料中的过量金属离子分离出来。
2.根据权利要求1所述的乏燃料干法后处理方法，其特征在于，确定熔盐组合物的组成和配比的具体方法是：首先根据锆合金核燃料设计要求确定熔盐组合物中氟化锆的用量，然后根据能斯特方程以及熔盐组合物的目标熔点温度确定氟化钾和氟化锂的用量。
3.根据权利要求1或2所述的乏燃料干法后处理方法，其特征在于，使乏燃料和熔盐组合物的混合物在600-1050℃下熔解。
4.根据权利要求1所述的乏燃料干法后处理方法，其特征在于，若乏燃料为金属氧化物乏燃料，预先电沉积分离过量金属离子以及电沉积形成锆合金材料过程所使用的电极对的阳极为惰性材料。
5.根据权利要求1所述的乏燃料干法后处理方法，其特征在于，若乏燃料为金属乏燃料，则预先电沉积分离过量金属离子过程所使用电极对的阳极为金属乏燃料。
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