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减压蒸馏熔盐堆乏燃料处理实验介绍

返回列表 来源:未知 发布日期:2019-04-18 17:52【
减压蒸馏技术依然是一种辅助工艺, 仅用于FLiBe载体熔盐的回收和纯化。正在研发的钍基熔盐堆将以丰度约19%的浓缩235U为驱动燃 料,以232Th为增殖燃料。于是,钍基熔盐堆将 同时存在 232Th-233U和238U-239Pu两个燃料转换链, 以及233U、235U和 239Pu三个易裂变核的燃耗,乏燃料处理必须妥善解决Th、Pa、U、Np、Pu和超钚等一系列锕系元素的分离纯化以及与大量裂变产物的分离。如此繁多和复杂的分离要求将使干法技术面临从未有过的风险和挑战,这就为减压蒸馏从辅助工艺上升为乏燃料处理核心技术提供了难遇的机会。 
减压蒸馏的创新发展首先需要在概念上有所扩展。减压蒸馏是蒸馏技术中的一个特例,二者在原理、过程和效果的评估等都极其相似。按分离条件不同,蒸馏可以分为常(高)温蒸馏、(极)高温蒸馏和减压蒸馏,这三种蒸馏可以在同一蒸馏器通过改变温度和压力依次串联进行,相应得到易挥发、 半挥发、难挥发和残留不挥发共4种产物。就像水法中的离子交换和高压离子交换技术一样,蒸馏和减压蒸馏也没有排他性,不应加以区分和限制。 蒸馏/减压蒸馏要升级成乏燃料干法处理的核心技术,更重要的是需要有技术路线的突破,将分离对象扩展到锕系元素和裂变产物上。纯粹依靠物理性质的蒸馏技术有相当大的限制,难以完成复杂 的分离,只有充分发挥放射化学的特长,将化学反应融合到物理蒸馏中,其应用范围和应用效果才可能有突破。由于熔盐堆对混合熔盐中氧含量有十分苛刻的限制,因此,使用含氧化合物沉淀反应的蒸馏技术难以推广应用,相反,氧化还原反应以及随后发生的配位反应将会在蒸馏/减压蒸馏分离技术中起最有效的作用。
众所周知的铀的氟化挥发就是 氧化还原-挥发技术成功应用的一个经典范例。今后的研究重点应该是Pa、Np和Pu分离,使用适当氧化剂或金属还原剂改变锕系元素化学价,调控它们挥发性,通过选择性挥发/减压蒸馏实现分离目标,必要时再辅助吸附/解吸附技术或热色谱技术,还能进一步优化锕系元素分离效果。如获成功,这将比效率低下的金属还原萃取有明显的优越性。 反应堆乏燃料处理的根本任务是去除裂变产 物,以保证堆内裂变中子能维持裂变的链式反应。 按照核燃料处理的传统思路,钍基熔盐堆燃料处理 的流程设计没有一个不是先逐次完成 Th、Pa、U、 Pu和超钚元素的分离纯化,再用减压蒸馏回收纯化 FLiBe熔盐,留下的裂变产物作废物处置;然后, 回收的易裂变材料、钍,再和FLiBe盐混合后返回 到熔盐堆继续使用。显然,传统的处理思路缺乏合理性和经济性。理想的熔盐堆燃料处理应该直接从熔盐混合物中去除尽可能多的裂变产物,留下的含易裂变材料、Th、FLiBe熔盐混合物,基本保持原有状态一起直接回到熔盐堆中。以直接去除裂变产 物为目标的AIROX流程,作为一种后处理的新策略,在水堆氧化物乏燃料处理中已逐步得到推广和 应用。因为部分裂变产物本身就是易挥发的,还有一部分裂变产物或是半挥发的,或通过氧化还原反应可以变成易挥发和半挥发的,因此,氧化还原 反应-蒸馏/减压蒸馏技术可以直接用于挥发/半挥发 裂变产物去除,而让处理过的熔盐混合物返回熔盐堆,这样一种分离策略更适合熔盐堆在线处理要求。
我们实验室在先前综述文章中已详细论述了熔盐堆燃料处理中采用这种新策略的可能性和必要性,并且强调指出,以去除裂变产物为目标的新策略在熔盐堆液体燃料处理中带来的好处远高于处理水堆固体燃料的好处。毫无疑问,氧化还原反应-蒸馏/ 减压蒸馏技术是实现熔盐堆乏燃料在线处理的较合适、经济的选择。