CN109830320A - 一种在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法 - Google Patents

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本发明涉及一种在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，该方法在离子液体中加入待溶解的UO2、PuO2或乏燃料，并且向离子液体中加入N2O4液体或通人NO2气体，加入的N2O4或NO2的物质的量是UO2、PuO2或乏燃料中金属氧化物的1.5‑4倍，在加热和搅拌的条件下，将UO2、PuO2或乏燃料溶解。本发明用于乏燃料后处理的溶解过程，具有溶解速率快、经济性好的特点，适合各种离子液体，且不会向溶解体系引入固体杂质。

Description

一种在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法
技术领域
本发明属于核燃料的后处理技术，具体涉及一种在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法。
背景技术
离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成，在室温或室温附近温度下呈液体状态的熔盐，又称室温离子液体(RTILs)或室温熔融盐。离子液体具有低熔点、低蒸汽压、良好的溶解能力、较大的极性可调性以及较高的电导率和较宽的电化学窗口等特点，在有机合成、催化反应、萃取分离、电化学等领域应用广泛。
离子液体一个可能的应用领域是核燃料后处理。核燃料后处理是从反应堆卸出用过的燃料中回收铀钚的过程，其中采用在熔盐中电解处理乏燃料的回收铀钚方法是干法后处理。传统中干法后处理通常采用NaCl、LiCl等类似的盐，这些熔融盐仅在高温才呈现液态，致使熔盐电解后处理技术存在一些技术上的缺陷：由于操作温度过高，对过程设备腐蚀问题严重，因而对设备提出了非常苛刻的要求；同时，由于高温条件下放射性核素的蒸汽压增加，操作过程中防护要求严格，流程需要在惰性气体保护下的密闭设备中才能完成。
离子液体在室温下就是熔融盐，如果用离子液体来代替在高温化学流程中的碱金属卤化物作为介质，通过电解精炼的方法来回收铀、钚以及其它有价值元素，则熔融盐电解后处理流程在室温条件下也能进行。
在离子液体中进行核燃料的分离处理，就需要将乏燃料溶解在离子液体中，乏燃料主要成分是铀钚的氧化物，在离子液体中采用简便、经济和不引入杂质的方法溶解铀钚或者乏燃料的氧化物，是核燃料干法后处理的重要一步。
为了将二氧化铀溶解在离子液体中，有研究者报道了不同的方法。L.Heerman等在J.Electroanal.Chem，193，289(1985)中介绍了将UO2溶解在氯化N-丁基吡啶鎓和三氯化铝离子液体中的方法。Y.lkeda等在2005Fall Meeting of the Atomic Energry Society ofJapan(2005)一文中，介绍了在氯化1-甲基-3-丁基＝咪唑鎓和十氟丁基硫酸中通入氯气溶解二氧化铀的方法。氯气属于剧毒物质，操作存在困难，而且产生的氯离子在废物处理处置时存在问题。中国专利CN97196972.8中介绍了在离子液体中加入四氟硼酸硝嗡溶解UO2的方法，试剂四氟硼酸硝嗡市场价格极高，不利于大规模使用。同时该专利还报道了在离子液体中加入浓硝酸、浓硫酸溶解UO2的方法。采用浓硝酸、浓硫酸溶解UO2的过程会产生水，会对后续的电化学过程产生影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种经济实用、不引入难处理杂质的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法。
本发明的技术方案如下：一种在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，该方法在离子液体中加入待溶解的UO2、PuO2或乏燃料，并且向离子液体中加入N2O4液体或通入NO2气体，加入的N2O4或NO2的物质的量是UO2、PuO2或乏燃料中金属氧化物的1.5-4倍，在加热和搅拌的条件下，将UO2、PuO2或乏燃料溶解。
进一步，如上所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其中，加热的温度大于等于45℃。
进一步，如上所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其中，可以先将N2O4液体或NO2气体加入离子液体中，然后再加入待溶解的UO2、PuO2或乏燃料；也可以先将待溶解的UO2、PuO2或乏燃料加入离子液体中，然后再加入N2O4液体或NO2气体。
进一步，如上所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其中，N2O4液体或NO2气体可以采用液泵或气泵连续加入到离子液体中，也可以分批逐步加入到离子液体中。
进一步，如上所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其中，搅拌方式可以采用机械搅拌桨搅拌或电磁搅拌。
进一步，如上所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其中，所溶解的乏燃料包括各种裂变产物元素的金属氧化物，以及燃料棒包壳金属。
进一步，如上所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其中，N2O4液体和NO2气体可以同时加入到离子液体中。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明首次提出了将N2O4、NO2溶解在离子液体中，然后利用其氧化性溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，具有溶解速率快，经济性好，适合各种离子液体，不向溶解体系引入固体杂质的特点。可用于乏燃料后处理的溶解过程。
(2)本发明所采用的溶解UO2、PuO2或乏燃料的离子液体是常温下为液态的盐，若将其引入到干法后处理技术中，替代在几百摄氏度的高温条件下才能呈现液态的氯化物或氟化物熔融盐，则会简化操作，并带来极大的经济效益。
附图说明
图1为本发明具体实施例中在离子液体中溶解UO2时反应40min后的[BMIM][N(CF3SO2)2]紫外-可见光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明所提供的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，在溶解器中加入一定量的离子液体和UO2、PuO2或乏燃料，加入N2O4液体，或者通入NO2气体，加入的N2O4或NO2物质的量是UO2、PuO2或乏燃料中金属氧化物的1.5-4倍，在加热和搅拌的条件下，UO2、PuO2或乏燃料即会发生溶解。
本发明的技术方案中氧化剂N2O4液体或者NO2气体加入的先后顺序对溶解没有影响，在离子液体中先加入氧化剂N2O4液体或者NO2气体，再加UO2、PuO2或乏燃料，或者在离子液体中先加入UO2、PuO2或乏燃料，再加氧化剂N2O4液体或者NO2气体，两种技术方案均可行。
本发明的技术方案中N2O4液体或者NO2气体分批或者连续加入无要求，建议采用气泵或者液体泵的方式连续加入，这样能保证在溶解过程挥发的氧化剂得到补充，可以加入足够量的氧化剂保证充分溶解。
本发明的技术方案对加热的温度没有严格要求，45℃以上至离子液体沸点(分解点)均可。温度越高，溶解速率越快。
本发明的技术方案对搅拌方式无严格要求，机械搅拌桨搅拌，电磁搅拌均可。
本发明的技术方案对所用的离子液体没有任何限制，不仅包括吡啶鎓、咪唑翁和其它可以组成离子液体的阳离子，以及Cl-、SO4 2-、NO3 -、PF6 -、BF4 -、N(CF3SO2)2 -等其它阴离子构成已知的离子液体，而且包括未合成出来的其它类型的离子液体。本技术方案所涉及的处理对象不仅包括金属单质，而且包括其化合物，如金属氧化物。乏燃料中金属包括铀(一般为UO2、U3O8)、钚(一般为PuO2)和钍(一般为ThO2)以及常见的裂变产物元素，也包括燃料棒包壳用的其它金属，如锆合金包壳材料和不锈钢材料。
实施例1
在200mL离子液体[BMIM][N(CF3SO2)2]中加入UO2粉末54g，再加入N2O4液体8mL，恒温50℃，磁力搅拌40mim，取上层清液200μL于10mL容量瓶中，加入离子液体[BMIM][N(CF3SO2)2]至刻度线，摇匀后，进行紫外-可见光谱全波长扫描(纯[BMIM][N(CF3SO2)2]作参比液)。分别在波长425.9nm、438.5nm、452.8nm、467.9nm等处有明显的铀酰离子的特征吸收峰，如图1所示。利用重铬酸钾法滴定得到离子液体[BMIM][N(CF3SO2)2]中六价铀浓度为270g/L。从本实施例可见，在离子液体[BMIM][N(CF3SO2)2]中，在N2O4的作用下，UO2粉末能够全部溶解，以UO2 2+的形式存在。
实施例2
在200mL离子液体[BMIM]Cl加入100g UO2粉末，通入NO2气体约8mL，恒温50℃，磁力搅拌1h后，利用重铬酸钾法滴定得到离子液体[BMIM]Cl中六价铀浓度为299g/L。
实施例3
在20mL离子液体[BMIM][N(CF3SO2)2]加入1.4g UO2粉末，加入N2O4液体约0.5mL(N2O4和UO2摩尔比约为1.5)，恒温50℃，磁力搅拌1h后，利用重铬酸钾法滴定得到离子液体[BMIM][N(CF3SO2)2]中六价铀浓度为40.2g/L。
实施例4
在20mL离子液体[BMIM][N(CF3SO2)2]加入1.4g UO2粉末，加入N2O4液体约1.3mL(N2O4和UO2摩尔比约为4)，恒温50℃，磁力搅拌1h后，利用重铬酸钾法滴定得到离子液体[BMIM][N(CF3SO2)2]中六价铀浓度为61.7g/L。
以上实施例均说明，将UO2粉末加入离子液体中，在NO2或N2O4的作用下，可以快速溶解。同理可见，本发明的方法对于PuO2或乏燃料的溶解处理也应具有相同的功能和作用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其特征在于：该方法在离子液体中加入待溶解的UO2、PuO2或乏燃料，并且向离子液体中加入N2O4液体或通入NO2气体加入的N2O4或NO2的物质的量是UO2、PuO2或乏燃料中金属氧化物的1.5-4倍，在加热和搅拌的条件下，将UO2、PuO2或乏燃料溶解。
2.如权利要求1所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其特征在于：加热的温度大于等于45℃。
3.如权利要求1所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其特征在于：可以先将N2O4液体或NO2气体加入离子液体中，然后再加入待溶解的UO2、PuO2或乏燃料；也可以先将待溶解的UO2、PuO2或乏燃料加入离子液体中，然后再加入N2O4液体或NO2气体。
4.如权利要求1所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其特征在于：N2O4液体或NO2气体可以采用液泵或气泵连续加入到离子液体中，也可以分批逐步加入到离子液体中。
5.如权利要求1所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其特征在于：搅拌方式可以采用机械搅拌桨搅拌或电磁搅拌。
6.如权利要求1所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其特征在于：所溶解的乏燃料包括各种裂变产物元素的金属氧化物，以及燃料棒包壳金属。
7.如权利要求1所述的在离子液体中溶解UO2、PuO2或乏燃料的方法，其特征在于：N2O4液体和NO2气体可以同时加入到离子液体中。
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