液态镉阴极上铀和钚同时回收的电化学行为

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1、液态镉阴极上铀和钚同时回收的电化学行为摘要实验对盐相中不同比例的铀和钚在液态镉阴极（LCCS）上实验室规模的同时回收、熔盐成分对铀和钚回收量的影响、在LCC上铀和钚的形态以及钚-241的衰变产物镅的行为进行了研究。结果表明在较高电流效率下当铀和钚的比例为1/4.3和1/1.73之间是存在一个临界值能够将LCC上铀和钚同时回收到10%左右。在LCC中铀和钚以(U,Pu)Cd6、(U,Pu)Cd11以及纯铀金属的形式存在。试验还显示了镅和钚的联系根据LCC运算中的分离细数。1.实验介绍新一代的燃料循环应当更经济、安

2、全、增值抑制和环保。为了满足这些需求，简单的高温冶金过程对锕系元素的回收提供了一个可能。早在上世纪80年代，中央电力研究所（CRIEPI）就开始着手于研究适应于金属燃料反应堆的的高温燃料循环技术（图1）。该过程主要包括氯化物和液态金属熔盐系统中锕系金属回收的电解提纯和还原萃取。如图1所示，高温燃料循环不仅包括了金属燃料循环，还包括了高温技术结合LWR燃料循环。因此高温燃料循环技术很有潜力成为用可裂变物质快速有效地发生反应的核燃料循环。高温冶金过程中重要的一个步骤是用熔盐作为电解液的电解提纯，即锕系元素从核分裂生

3、成物中的回收和净化。图2表明了电解提纯的常规流程原理。几乎全部的锕系元素全部熔解以氯化物形式存在，碱、碱土金属和稀土金属等化学活性裂变产物也转换到相应的氯化物在盐阶段沉聚，比铀贵重的裂变产物通过控制阳极电流停留在阳极篮子里。图1CRIEPI拟建的高温燃料循环过程图2电解提纯步骤示意图电解提纯步骤用到了固态铁和液态镉（LCC）两种阴极。在固态阴极上，铀有选择的沉聚因为铀的还原电势超过了200mV比大多数锕系和镧系元素要高。另一方面，因为超铀元素（钚、镎、镅和锔）的极低活度系数让它们在LCC上保持稳定，所以大多数的

4、锕系元素在LCC上具有相近的还原电势。因此，超铀元素可以和铀一起在LCC上收集。由于不需要额外步骤来收集少数锕系元素（镎、镅和锔），高温冶金过程能和钚一起很好的回收循环少数锕系元素。因其低活度系数少量镧系裂变产物伴随锕系元素沉聚在LCC上，但这并不影响储存回收燃料的快中子反应堆，相反不可避免的裂变产物杂质实际上有利于防止核扩散。LCC的制作技术深深地影响着整个高温冶金过程，必须对LCC的性能严格把关。为了高温冶金过程的发展，CRIEPI和日本原子能研究院（JAERI）制定了一个联合研究规划。在规划中，一个包含L

5、CC的电解提纯设备在氩气氛围的手套箱中进行组装。通过这个设备的应用，多达8wt%钚能被回收到LCCS（3—5g，9mmФ—i.d.）并且发现了最大阴极电流密度适合钚回收且与钚在盐中的浓度成比例。另外，研究铀和钚在LCC上同时回收的电化学行为是很有必要的，特别是铀和钚的分离系数（SF(U/Pu)，即铀和钚在阴极产品上的比例与在熔盐中的比例的比值，这能够更好地检测实验中铀和钚的质量流动情况。然而关于铀和钚同时回收方面的详细报告太少，对于733K下LiCl-KCl非饱和共晶盐的液态镉上电解提纯实验时铀钚钚的分离系数被

6、测得为1.88。我们预期要求收集的铀和钚要达到10wt%，这就要阴极镉上铀和钚饱和因为铀和钚773K时在液态镉上的最大溶解度分别为2.35和3.62wt%。达到饱和以后，根据U-Cd和Pu-Cd二相图[11]固体材料最好能以铀金属和PuCd6的形式存在，但是并没有关于它们形态的报告。另外，铀倾向于形成树枝状的沉积物在阴极上，这种形态的铀会扮演阳极从而只回收铀影响实验。因此必须抑制这种树枝状沉积物的形成来保证铀和钚能同时回收到10wt%在LCC上。目前我们共做了7组在120g的LCC上同时回收铀和钚的实验，大概只

7、有1/300的LCC起到作用。我们研究了在盐中不同比例的铀和钚、不同盐组分对铀和钚同时回收量的影响，以及在LCC上它们的形态。然后可以测得铀和钚在同时回收中的分离系数。此外，我们还检测了钚-241的裂变产物镅占已用燃料MA总量的70%。2.实验内容2.1实验设备所有的实验都在一个高纯氩气氛围的手套箱里进行，氧气和水蒸气的浓度保持在2ppm以下，图3为实验设备的示意图。将1200g的LiCl-kCl共晶盐放入一个铁制的安全壳内，在熔盐电解质下面为1400-1540g的液态镉作为阳极提供铀和钚，熔盐和阳极在电炉内加

8、热到773±2K。图3实验设备示意图每次开始实验时将120g的镉放入一个阴极氮化铝坩埚内，坩埚直径约42mm。用一根氮化铝杆以40r/min速度来搅拌坩埚边缘，另一根铁杆插入阴极内作为搅拌驱动和电触头。在安全壳内放入一铁棒来混合熔盐和液态镉和一根钨条作为阳极电触头Ag/AgCl参比电极（LiCl-KCl中含1wt%AgCl）装入一根细小的耐热玻璃管用来检测阴极电势。选用Princeto