[发明专利]改进的钚雷克斯法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及已知命名为钚雷克斯(PUREX)法的用于废核燃料的后处理方法的改进。

具体而言，根据本发明特定的方法使铀在单一纯化循环中从其它锕系元素(钚、镎、钍、......)里获得分离成为可能。

和钚雷克斯方法一样，此方法可以用于基于氧化铀、铀和钚的混合氧化物或铀和钍的混合氧化物的废核燃料的后处理。

背景技术

目前所有用于废核燃料后处理的工业装置采用钚雷克斯法(PlutoniumUranium Refining by Extraction)，以便回收这些燃料中存在的铀和钚。

该方法是通过采用液-液萃取的多个纯化循环来进行的。

第一纯化循环的目的基本上是使铀和钚相对于裂变产物的净化，以及将这两种元素分成两股分离流。

作为废核燃料后处理的现代装置所用的该循环，如法国COGEMA、英国Thorp或日本Rokkasho的UP3和UP2-800装置，以图解形式示于图1中。

操作从包含铀和钚的水溶液中的共萃取开始，前者为氧化态(VI)，后者为氧化态(IV)，该水溶液由废核燃料溶于硝酸(溶解液)而获得。该共萃取通过由萃取剂组成的与水不混溶的溶剂进行，在此情形下适用的是磷酸三正丁酯(以下简称为TBP)以30体积％的浓度溶于有机稀释剂即氢化四聚丙烯(以下简称为TPH)中。

此后接下来是采用一种或多种硝酸水溶液的一次或多次溶剂相的洗涤，以完成铀和钚相对于裂变产物的净化。

这套共萃取和洗涤操作在图1中标记为“萃取-洗涤”方框。

从这些操作得到的水相(萃余液)包含裂变产物(FP)，并将其从循环中除去，而负载铀(VI)和钚(IV)的溶剂相则送至分离这两种元素的区域。

该分离包括：

●反萃取存在于溶剂相中的大部分钚的操作，其在图1中标记为“钚反萃取”方框；

●完成钚的反萃取的操作，其在图1中标记为“钚隔离”方框。

这两个操作通过还原钚(IV)至不易被TBP萃取的氧化态(III)，使其进入硝酸水溶液而铀仍留在溶剂相中来进行。

钚的还原是借助于硝酸亚铀和抗亚硝酸剂(anti-nitrous agent)(或文献中的“亚硝酸清除剂”)进行的，抗亚硝酸剂的作用是分解硝酸以稳定硝酸亚铀和钚(III)。在此事例中适用的抗亚硝酸剂是硝酸饼(NH)，即所称的肼。

用新鲜溶剂洗涤分离得到的水相，目的是从该水相萃取在其反萃取期间伴随钚的铀部分。该洗涤在图1中标记为“铀洗涤”方框。

就此部分而言，将分离得到的溶剂相送至通过采用低酸度的硝酸水溶液反萃取铀(VI)的区域。该反萃取在图1中标记为“铀反萃取”方框。

在图1所示的第一纯化循环中，存在于溶解液中的镎主要以镎(VI)的形式与铀和钚同时被萃取。在钚的还原反萃取过程中，镎(VI)被硝酸亚铀还原成镎(IV)，虽然比氧化态(VI)的可萃取性小，但此价态仍是可由TBP萃取的。

具体而言，如Germain等人在J.Inorg.Chem.，1970，第32卷245-253页报道和在图2中所举例说明的，其描述了镎(IV)的分配系数在硝酸水溶液相和由TBP以30体积％浓度溶于TPH中组成的溶剂相之间的变化，作为溶剂相铀(VI)含量的函数和对于在0.5M-3.5M范围内的硝酸摩尔浓度，镎(IV)的分配系数随着水相的酸度增加而增大，并随溶剂相中铀(VI)含量的减少而减小。

因此，考虑到在到其中进行了铀/钚分离的抽提器中占主要趋势的流量S/A(代表溶剂/水溶液)的高比率和溶剂相的低铀(VI)含量，所以在这些抽提器中镎(IV)随铀留在溶剂相。同样，S/A流量比×与“铀洗涤”中酸度的结合通常会增加镎(IV)随铀留在溶剂相中的趋势。在铀的反萃取过程中，镎(IV)的分配系数低于铀(VI)的分配系数，因而镎如同铀一样被有效地反萃取。

因此，在钚雷克斯法的第一纯化循环过程中，镎基本上定量地伴随着铀。

在上述用于废核燃料后处理的装置中，浓缩操作后(在图1中标记为“铀浓缩”方框)，为了从镎中分离铀，对从铀反萃取得到的流出物水溶液进行称为“第二铀循环”的纯化铀的循环。

在产生用于废核燃料后处理的新装置的范围中，希望的是能够简化钚雷克斯法，以便能够同时减少这些设备的投资、运行和维护费用，并且由此不会降低此方法在后处理收率、质量和可靠性方面的表现。

现在的经验显示，在所述后处理前废燃料已冷却至少十年情况下，第一纯化循环后铀相对于包括钌的裂变产物的净化已经是充分的。因此，在此情况下，“第二铀循环”仅由于分离铀与镎的需要就已被证明是合理的。