[发明专利]一种离子液体直接溶解二氧化铀或乏燃料氧化物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及乏燃料后处理技术领域，具体涉及UO₂或者乏燃料氧化物在离子液体中氧化溶解以备分离回收的方法。

背景技术

随着经济与社会的发展，人类对能源的需求与日俱增，能源发展制约着经济建设。中国人口众多，能源矿产人均量相对较少，而由于化石能源的广泛使用，目前正面临严峻的能源危机。核能具有许多优点，目前政府对核电行业的态度已经从“积极发展”转变到“尽可能发展”，这对于发展中的中国来说意义重大。由于铀资源的有限，为了维持核电的可持续发展，需要对乏燃料进行后处理，以回收宝贵的铀资源，因此在一定程度上核燃料后处理技术的发展制约了核能的利用前景。

乏燃料后处理是实现核燃料闭合循环的关键环节。迄今为止，热堆乏燃料工业化后处理是以Purex（plutonium uranium recovery by extraction）流程为主导工艺的水法技术。该流程使用有机溶剂和萃取剂，如TBP/OK体系，具有萃取效率高、工艺简单等优点，但也有很大的缺点，用到了大量的酸、碱和有机溶剂，环境污染严重，溶剂和萃取剂辐射稳定性较差。除此之外，由于燃耗深、冷却期短、钚含量高的乏燃料(尤其是快堆乏燃料)的处理技术具有潜在应用前景，这就使得水法工艺难以适应。所以各国科学家一直在寻找湿法处理的替代方法，无溶剂处理或干法处理。当然，无溶剂处理是最理想的方法，但在技术上还存在许多难题。

干法处理是在高温、无水状态下处理辐照核燃料的化学工艺过程，采用熔融盐作为电解液，用氧化剂将UO₂氧化溶解进入熔融盐电解液，再在阴极上电解还原沉积出氧化物，从而分离U与Pu。由于这些熔融盐一般是在高温下才变成液体，在后处理技术存在一些缺陷：操作温度高，放射性核素的蒸汽压增加，防护要求严格，设备腐蚀严重，流程需要在惰性气氛保护下的密闭设备中才能完成。

近些年来，人们研究发现了一些在室温条件下熔融的盐或者盐的混合物，被称为“离子液体”。离子液体是在室温及相邻温度下完全由离子组成的物质，具有独特而优越的物理化学性质：室温下蒸汽压几乎为零，热稳定性好，辐射稳定性能优良，液态范围宽，对多种有机、无机物有良好的溶解性，导电能力高和电化学窗口宽；使得它能够作为独特溶剂开展电化学研究，能够电解制备许多不能在水溶液中存在、化学性质活泼的金属，在乏燃料后处理技术中将会有广泛而重要的应用。

目前，大多数核反应堆使用氧化物，主要以二氧化铀、二氧化钚为燃料元件，由于二氧化铀等燃料元件的化学性质极其稳定，将二氧化铀溶解在离子液体中就成为一个难题。通常的溶解方法是将二氧化铀氧化成铀酰离子，为此选择合适的氧化剂是非常重要的，否则二氧化铀难以溶解在离子液体氛围中。Y.Ikeda等在2005Fall Meeting ofthe Atomic Energy Societyof Japan(2005)一文中，提出了在氯化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；中国专利申请公开说明书CN 101252027A中，何辉等人指出可以将UO₂、PuO₂或乏燃料溶解于含有N₂O₄或NO₂强氧化剂的离子液体中。虽然这两种气态氧化剂都具有溶解速率快，不向溶解体系引入杂质的特点，但是它们都有毒，不符合绿色化学的发展要求，为此我们希望在离子液体体系中找到一种无毒或者少毒的氧化剂来溶解二氧化铀。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的问题，提供一种经济实用、绿色环保的离子液体中溶解UO₂或者乏燃料氧化物的方法。其最终目的是解决乏燃料在离子液体介质中的后处理技术，前提条件是要将乏燃料氧化物在离子液体中溶解，再考虑如何将乏燃料中有用的U、Th以及稀土等分离开来。

一种离子液体中溶解UO₂或者乏燃料氧化物的方法，是将UO₂或者乏燃料氧化物直接溶解于含铁（III）的离子液体中，而不需要向离子液体体系中额外加入强氧化剂，关键在于所述的离子液体中应该含有氧化性的Fe(III)。本技术方案所涉及的处理对象主要是铀的氧化物（UO₂）。

本发明方法所述含Fe(III)离子液体可以仅包含铁基离子液体及其相应阳离子的卤盐类离子液体组成的混合离子液体体系，也可以是单纯的铁基离子液体。