[发明专利]一种用于乏燃料干法后处理的电解精炼废熔盐处理方法

说明书

本发明公开了一种用于乏燃料干法后处理的电解精炼废熔盐处理方法，包括：选用适当的液态金属阴极，通过电解沉积方法回收电解精炼废熔盐中的碱土金属和镧系裂变产物；将液态阴极的电沉积合金产物取出，与玻璃原料和氧化剂进行高温熔融，使电沉积产物中的裂变产物发生选择性氧化和溶解，然后冷却玻璃熔体，最终得到包容有一定含量裂变产物的匀质玻璃。本发明提供的乏燃料电解精炼废熔盐处理方法，不仅工艺简单，步骤少，极大简化了处理过程，而且可灵活处理碱金属、碱土金属和镧系元素裂变产物，还能避免在熔盐体系中引入外来氧离子杂质和氧气和氯气等腐蚀性气体。

技术领域

本发明属于乏核燃料干法后处理技术领域，具体涉及一种用于电解精炼废熔盐处理的方法。

背景技术

乏燃料是经过核反应堆辐照使用过的核燃料，其仍含有大量的铀和钚等核裂变材料，有害的裂变产物仅占4％左右。通过后处理回收乏燃料中的铀、钚，甚至是次锕系元素，再制备成核燃料，不仅可实现核燃料循环利用，也能极大降低核废料体积和长期潜在放射性危害。干法后处理采用高温熔盐介质，具有抗辐照、临界安全风险低，可处理高燃耗、短冷却期和多种类型乏燃料等优势，被认为是快堆乏燃料后处理的关键技术选项。其中，以美国开发的电解精炼后处理流程最具代表性和工业应用前景。

在乏燃料的电解精炼处理路线中，包括电解精炼、阴极处理和废物玻璃固化等步骤。在电解精炼步骤中，电解质为LiCl-KCl共晶熔盐，阳极为金属乏燃料。通过对阳极施加电流，分别通过电沉积在固体阴极和液态金属镉阴极上获得纯铀和超铀电沉积物。再对电沉积的阴极产物进行蒸馏的阴极处理方式，去除纯铀和超铀电沉积物表面黏附的熔盐，可获得纯铀和超铀产品。在经过多批次电解精炼后，熔盐中将累计大量的裂变产物(主要是铯、碱土金属和镧系元素的氯化物)，会使铀和超铀元素的回收变得困难。因此，必须对电解精炼后的废熔盐进行处理。虽然美国、韩国和日本已针对电解回收铀和超铀以及阴极处理完成了实验室和工程规模验证，但对于废熔盐中裂变产物的处理仍处于实验室研究阶段。

结合国内外研究进展，采用先分离废熔盐中放射性裂变产物，再对裂变产物进行玻璃固化的方案可以减少放射性废物体积近千倍。现有较为可行的废熔盐处理方法是在电沉积回收废熔盐中残留的微量次锕系元素后，通过往熔盐中通入氧气，使镧系裂变产物形成氧化物和氯氧化物沉淀(如2NdCl₃+O₂→2NdOCl+2Cl₂)，随后在高温下真空蒸馏来回收熔盐溶剂(Li⁺-K⁺-Cl^--O^2-)，然后将沉淀物再次高温氧化获得镧系氧化物，最后与玻璃原料混合熔融后固化，使放射性镧系裂变产物包容进稳定的玻璃基体内，进行最终地质掩埋。显然，现有方法存在以下问题：(1)处理步骤多，这意味着在原有的电解精炼、阴极处理和玻璃熔炉设备外，还需要建造多种专用的氧鼓泡沉淀和熔盐蒸馏处理设备，也增加了设备间放射性熔盐的转移操作和泄露风险，给热室远程机械臂操作也带来负担；2)往熔盐中通氧会给熔盐带来氧离子杂质，而且高温熔盐中引入强腐蚀性O₂和反应形成的强腐蚀性Cl₂会带来严重的容器腐蚀问题；3)不能分离裂变产物铯和碱土金属锶和钯，这些元素的氧化物在熔盐中溶解度很高。因此，亟需开发一种新方法，以简化和优化现有的电解精炼废熔盐处理工艺。

发明内容

针对现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供用于乏燃料干法后处理的电解精炼废熔盐处理方法，简化和优化废熔盐中放射性裂变产物分离与玻璃固化的处理过程，实现兼容处理铯、碱土金属和镧系裂变产物的目的，同时避免熔盐氧污染，以及O₂和Cl₂带来的设备腐蚀问题。

本发明采用的技术方案如下：