一種用于直接獲得鋯合金燃料的乏燃料干法后處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于核燃料后處理技術領域，具體涉及一種用于直接獲得鋯合金燃料的乏燃料干法后處理方法。
【背景技術】
[0002]用于快堆燃料主要有兩類:氧化物陶瓷燃料和金屬燃料。以增殖燃料為目的的快堆使用金屬燃料的增殖比比氧化物陶瓷燃料高20%以上。其中鋯合金燃料由于其優異的核性能和物理性能而成為快堆優選的合金燃料類型。
[0003]熔鹽電解是研究最為活躍的乏燃料干法后處理技術。乏燃料干法后處理以乏燃料是金屬氧化物乏燃料還是金屬乏燃料而采用不同的熔鹽電解工藝。目前國際上的乏燃料干法后處理主要采用氯化物熔鹽電解精煉技術，對金屬氧化物乏燃料首先用金屬鋰(或電解產生金屬鋰)將金屬氧化物還原為金屬，然后將得到金屬在氯化物熔鹽中控制電位熔解和控制電位沉淀，分別獲得鈾和鈾钚合金燃料。
[0004]有專利報道了制備鋁合金燃料的干法后處理熔鹽體系。由于鋁合金熔點較低，不能完全滿足快中子堆的需要。而鋯合金燃料熔點高，有利于快堆的穩定運行。目前國際上制備鋯合金燃料的方法是先獲得鈾、钚、鋯金屬，然后將三種金屬按比例混合進行熔煉制備。但是，用純金屬熔融制備合金燃料的過程成本很高，其首先要通過冶金過程獲得純金屬材料，然后再將純金屬按比例混合熔融，工藝過程復雜，廢物多，能耗高，成本大。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的是提供一種可直接獲得鋯合金燃料的乏燃料干法后處理方法，該方法工藝簡單，可控，能耗低，成本低，易于工業化。
[0006]為達到以上目的，本發明采用的技術方案是:一種用于直接獲得鋯合金核燃料的乏燃料干法后處理方法，包括以下步驟:
[0007]根據反應堆設計對鋯合金燃料的要求以及乏燃料中的錒系金屬含量確定用于熔解乏燃料的熔鹽組合物的組成和配比；
[0008]將乏燃料熔解在上述熔鹽組合物中；
[0009]選用電極對進行電沉積，使熔鹽組合物中的鋯與乏燃料中的鈾離子或鈾及其他錒系金屬離子共沉積，得到符合設計要求的鋯合金核燃料。
[0010]進一步，所述熔鹽組合物至少包括氟化鋯、氟化鉀和氟化鋰，其中，氟化鋯、氟化鉀和氟化鋰的物質的量之比為1: (10-20): (25-80)。
[0011]進一步，確定熔鹽組合物的組成和配比的具體方法是:首先根據鋯合金核燃料設計要求確定熔鹽組合物中氟化鋯的用量，然后根據能斯特方程以及熔鹽組合物的目標熔點溫度確定氟化鉀和氟化鋰的用量。
[0012]進一步，使乏燃料和熔鹽組合物的混合物在600-1050°C下熔解，優選熔解溫度是配比熔鹽的最低共熔點溫度+50°C。
[0013]進一步，依據鋯合金燃料設計要求，若熔解的乏燃料中某些金屬離子過量，則通過增設的電極對進行預先電沉積，使乏燃料中的過量金屬離子分離出來。
[0014]進一步，若乏燃料為金屬氧化物乏燃料，預先電沉積分離過量金屬離子以及電沉積形成鋯合金材料過程所使用的電極對的陽極為惰性材料。
[0015]或者，若乏燃料為金屬乏燃料，則預先電沉積分離過量金屬離子過程所使用電極對的陽極為金屬乏燃料
[0016]本發明提供的方法，其工藝簡單，可控，沒有制備純金屬的過程，而是將乏燃料直接加入熔鹽組合物中，通過調整熔鹽組合物的配比，即可通過電沉積直接得到需要的鋯合金燃料；此外，本方法適用于金屬氧化物形態的乏燃料和金屬形態的乏燃料，且能耗低，成本低，易于工業化。
【具體實施方式】
[0017]下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步描述。
[0018]實施例中的Wt %表示質量比。
[0019]實施例1
[0020]本實施例采用采用二氧化鈾陶瓷乏燃料。
[0021]目標合金燃料:鋯-鈾合金燃料，組成為:鈾95wt%，鋯5wt%。
[0022]鋯-鈾合金燃料的制備方法:
[0023]根據上述鋯-鈾合金燃料的組成、乏燃料的組成和電沉積原理(能斯特方程)，確定恪鹽組合物為:5*1:%氟化錯，35*1:%氟化鉀，60wt%氟化鋰；
[0024]將Ilg燒結的二氧化鈾芯塊直接放入含氟化鋯5wt%、氟化鉀35被％和氟化鋰60被％的1500g熔鹽中，在溫度為750°C下使二氧化鈾芯塊溶解在熔鹽組合物中；
[0025]采用石墨作陽極和鈾棒作陰極組成的電極對進行預先電沉積，控制陰極電位為-1.2?-1.4V(相對于Ag/AgCl參比電極)，使過量的鈾1.2g沉積在陰極上；
[0026]接著，采用石墨作陽極、直徑Imm的金屬鈾絲作陰極所組成的電極對進行電沉積，控制陰極沉淀電位為-1.6?-2.0V(根據沉積合金的鈾鋯比例和對稀土的去污系數要求調整)，鋯先在陰極上沉積，然后鈾通過欠電位沉積原理也沉積在陰極上，與鋯形成合金，最終在陰極上獲得計算比例的鈾95wt% -錯5*1:%的合金。
[0027]實施例2
[0028]本實施例采用鈾钚合金乏燃料。
[0029]目標合金燃料:錯-鈾-杯合金燃料，組成為:鈾76wt%,錯5wt%，杯19wt%。
[0030]鋯-鈾-钚合金燃料的制備方法:
[0031]根據上述鋯-鈾-钚合金燃料的組成、乏燃料的組成和電沉積原理(能斯特方程)，確定恪鹽組合物為:1wt %氟化錯，50?^%氟化鉀，40wt%氟化鋰；
[0032]將50g鈾钚合金乏燃料作為陽極置于含氟化鋯10wt%、氟化鉀50被％和氟化鋰40wt %的3000g熔鹽中，在溫度為850 °C下，進行控制電位熔解和控制電位沉積；
[0033]控制的熔解電位為1.2-1.6V(相對于Ag/AgCl參比電極)，使鈾钚合金乏燃料熔解在上述熔鹽組合物中；
[0034]采用雙陰極進行電沉積，陰極材料均使用直徑Imm的金屬鈾絲，其中一陰極控制電位為-1.2?-1.5V(相對于Ag/AgCl參比電極)，使過量的鈾21g沉積在陰極上，另一陰極控制沉淀電位為-1.8?-2.3V (根據目標沉積合金的鈾钚鋯比例和對稀土去污系數要求調整)，鋯先在陰極上沉積，然后鈾，進而是钚通過欠電位沉積原理也沉積在陰極上，與鋯形成合金，最終在陰極上獲得計算比例的鈾76wt% -錯5wt% -杯19*1:%的合金。
[0035]采用本發明的方法，調整熔鹽中的氟化鋯濃度和預先電沉積后留在熔鹽中鈾的濃度，可獲得(鈾+杯)_錯摩爾比值為100到50的鈾-錯合金。
[0036]上述實施例只是對本發明的舉例說明，本發明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實施，而不偏離本發明的要旨或本質特征。因此，描述的實施方式從任何方面來看均應視為說明性而非限定性的。本發明的范圍應由附加的權利要求說明，任何與權利要求的意圖和范圍等效的變化也應包含在本發明的范圍內。
【主權項】
1.一種用于直接獲得鋯合金核燃料的乏燃料干法后處理方法，包括以下步驟: 根據反應堆設計對鋯合金燃料的要求以及乏燃料中的錒系金屬含量確定用于熔解乏燃料的熔鹽組合物的組成和配比； 將乏燃料熔解在上述熔鹽組合物中； 選用電極對進行電沉積，使熔鹽組合物中的鋯與乏燃料中的鈾離子或鈾及其他錒系金屬離子共沉積，得到符合設計要求的鋯合金核燃料。2.根據權利要求1所述的乏燃料干法后處理方法，其特征在于，所述熔鹽組合物至少包括氟化鋯、氟化鉀和氟化鋰，其中，氟化鋯、氟化鉀和氟化鋰的物質的量之比為1:(10-20):(25-80)。3.根據權利要求2所述的乏燃料干法后處理方法，其特征在于，確定熔鹽組合物的組成和配比的具體方法是:首先根據鋯合金核燃料設計要求確定熔鹽組合物中氟化鋯的用量，然后根據能斯特方程以及熔鹽組合物的目標熔點溫度確定氟化鉀和氟化鋰的用量。4.根據權利要求2或3所述的乏燃料干法后處理方法，其特征在于，使乏燃料和熔鹽組合物的混合物在600-1050°C下熔解。5.根據權利要求1所述的乏燃料干法后處理方法，其特征在于，依據鋯合金燃料設計要求，若熔解的乏燃料中某些金屬離子過量，則通過增設的電極對進行預先電沉積，使乏燃料中的過量金屬離子分離出來。6.根據權利要求5所述的乏燃料干法后處理方法，其特征在于，若乏燃料為金屬氧化物乏燃料，預先電沉積分離過量金屬離子以及電沉積形成鋯合金材料過程所使用的電極對的陽極為惰性材料。7.根據權利要求5所述的乏燃料干法后處理方法，其特征在于，若乏燃料為金屬乏燃料，則預先電沉積分離過量金屬離子過程所使用電極對的陽極為金屬乏燃料。
【專利摘要】本發明涉及一種用于直接獲得鋯合金核燃料的乏燃料干法后處理方法，包括：根據反應堆設計對鋯合金燃料的要求以及乏燃料中的錒系金屬含量確定用于熔解乏燃料的熔鹽組合物的組成和配比；將乏燃料熔解在上述熔鹽組合物中；選用電極對進行電沉積，使熔鹽組合物中的鋯與乏燃料中的鈾離子或鈾及其他錒系金屬離子共沉積，得到符合設計要求的鋯合金核燃料。本發明提供的乏燃料干法后處理方法適用于氧化物乏燃料和金屬乏燃料，其工藝簡單，可控，能耗低，成本低，易于工業化。
【IPC分類】C25C3/36, G21C19/48
【公開號】CN105132953
【申請號】CN201510441665
【發明人】葉國安, 歐陽應根, 王長水, 劉利生, 郭建華, 李瑞雪, 常利, 常尚文, 楊賀, 高巍, 李輝波, 肖松濤
【申請人】中國原子能科學研究院
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年7月24日