一种乏燃料核素预分离方法

技术领域

本发明涉及乏燃料后处理技术领域，具体涉及一种基于物理方法的乏燃料核素预分离方法。

背景技术

核反应堆在运行过程中会产生大量的乏燃料。这些乏燃料中，除含有铀、钚等能够循环再利用的有用物质之外，还含有大量的裂变产物及超铀(TRU)元素等高放射性物质。根据经验推测，燃耗为33GW/t的标准PWR的乏核燃料包含有大约95.5％的UO

传统的后处理技术主要采用水法流程，也就是采用液体萃取方法进行核素的分离与提取。该流程首先使用硝酸溶液将乏燃料溶解，进而开展液体萃取分离提取步骤。这一溶解流程将乏燃料中的所有元素均匀性地混合在溶液中，在方便液体萃取法分离提取的同时，也给核素分离造成了一种障碍，即均匀化。然而，根据溶剂萃取原理将一些核素(例如，占裂变产物约1/3的镧系元素)从乏燃料中分离出来，往往还存在另一问题，也即，萃取过程产生的大量有毒挥发性有机溶剂、大量二次放射性废物等。因此，有必要提供一种能够实现一些核素的预先分离的方法，由此将有很大可能大幅度削减后续的水法分离流程的成本，提升其效能，减小水法流程所不可避免地产生的高放射性废液。

发明内容

为了解决传统的后处理技术存在的均匀化给核素分离造成障碍的问题，本发明的目的在于提供一种基于物理方法的乏燃料核素预分离方法。

在运行的核反应堆内，核燃料运行在较高的温度下并将热量传递给冷却介质从而达到热电转换的最终目标。在典型的氧化物燃料运行时会产生很大的温度梯度，氧化物燃料中的气孔(制备时产生的微米左右尺度的孔洞)会在很大的温度梯度作用下向中心迁移，形成中心空洞。在一般性的裂变气体行为分析中，也会体现裂变气体气泡在温度梯度作用下向高温区域迁移这一过程。而在金属型核燃料中，这种现象并不显著。这是因为金属燃料热导率很高，因而运行时其温度梯度有限。但是，在对反应堆内燃烧后的金属燃料进行表征后都会发现，金属燃料中的诸多裂变产物及超铀元素会富集在气泡的内壁面上。一方面，这种气泡壁面的裂变产物及超铀元素聚集会固定气泡使其更难于移动；另一方面，当气泡具有了很强的迁移驱动力时，它们会携带着裂变产物和超铀元素一起迁移。

我们推测，若能人为在金属燃料中引入很大的温度梯度，则能够给予气泡很强的迁移驱动力使其携带固体裂变产物及超铀元素迁移到燃料内部(裂纹及联通的气孔)及外部的表面上，进一步通过离子液体选择性溶解的方法将固体裂变产物和超铀元素溶解，从而达到依靠物理方法预先分离部分裂变产物和超铀元素的效果。

基于此，我们提出了一种利用物理方法，也就是人为创造的大温度梯度来驱动金属燃料中裂变气体气泡迁移，从而携带裂变产物以及超铀元素，最终达到裂变产物及超铀元素预分离效果的技术。目前国内外并无和本发明一致或内容相似的现有技术。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种乏燃料核素预分离方法，包括以下步骤：

S1、向燃料元件的中心引入1200～1600℃温度，同时向燃料元件的外表面引入冷却介质，以引入温差加热燃料元件；

S2、将冷却后的乏燃料浸润于离子液体中，以选择性溶解裂变产物及超铀元素，使裂变产物及超铀元素从乏燃料中预分离。

进一步，S1中，所述燃料元件为金属型乏燃料燃料元件，所述燃料元件内具有乏燃料。

更进一步，S1中，所述乏燃料为U-Zr金属燃料，其中，Zr元素占所述U-Zr金属燃料的质量百分比为10～50％。

更进一步，所述乏燃料为U-10Zr金属燃料或U-50Zr金属燃料。

进一步，S1中，加热燃料元件的时间为6～10h。

更进一步，加热燃料元件的时间为8h。

进一步，S1中，向燃料元件的中心引入1200～1600℃温度的具体方法是：利用金属探针插入燃料元件的中心，以向燃料元件的中心引入1200～1600℃温度。

更进一步，所述金属探针为钼金属探针；所述金属探针的尺寸为直径0.6mm，长1m。

进一步，S2中，所述离子液体为甜菜碱-双(三氟甲基磺酰)亚胺([Hbet][Tf

进一步，S2中，所述裂变产物及超铀元素为Cm、Am、LA中的任意一种或至少两种的混合。

本发明的有益效果：

1、本发明的方法主要是通过人为在金属燃料种引入很大的温度梯度，给予气泡很强的迁移驱动力，使其携带固体裂变产物及次锕系元素迁移到燃料内部(裂纹及联通的气孔)及外部的表面上，并进一步通过离子液体选择性溶解的方法，将固体裂变产物和超铀元素溶解，从而达到依靠物理方法预先分离部分裂变产物和超铀元素的效果。

2、本发明提供一种依靠物理方法实现裂变产物及超铀元素从乏燃料中预先分离的后处理方法，该方法能够显著降低乏燃料进一步后处理化学过程中所产生的高放废液的体量和毒性，提升后处理过程的效率，并降低乏燃料后处理的成本。

3、采用本发明的方法有助于为乏燃料后处理提供更多的技术支撑。

附图说明

图1是13.2％FIMA燃耗下，U-10Zr金属燃料中的典型镧系裂变产物(Nd)与裂变气体气泡的分布关系图。

图2是在具有一定燃耗(11％FIMA)的乏燃料中将燃料中心温度提升至1200℃所产生的短时(8小时)裂变气体释放曲线。

图3是向金属燃料燃料棒内部引入高温，外部冷却的工作原理图。图中，1、金属探针；2、燃料芯体；3、燃料包壳；4、冷却介质。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

经研究发现，在乏燃料中，Np和Pu相互溶解，并表现出相似的迁移行为；从迁移行为上看，Np和Pu表现出相似的行为，而Np基本不迁移。

与镧系裂变产物LA一样，Am在U、Pu或Zr中的溶解度也很低；从迁移行为上看，Am和LA的迁移行为大致相似。根据约翰逊给出的相关性，Am在化学和结构性质上接近于Pr和Nd，表明这些元素在迁移过程中具有类似的行为。而Cm的产额较小，其平衡浓度小于Am、Np，但是Cm的性质更类似于Am和LA，所以Cm与Am和LA有相似的行为。据此分析可以得出以下结论：Cm、Am、LA有相似的迁移行为；Np和Pu表现出相似的行为，由于Np基本不迁移，故Np和Pu基本不迁移。由此，我们可以采用物理方法实现裂变产物及超铀元素(Cm、Am、LA)从乏燃料中预先分离出来。

图3是向金属燃料燃料棒内部引入高温，外部冷却的工作原理图。图中，1、金属探针；2、燃料芯体；3、燃料包壳；4、冷却介质。金属探针为钼金属探针，也即金属钼加热丝，其尺寸为直径0.6mm，长1m。冷却介质可以选用冷却水或冷却气体。通过将钼金属探针插入金属燃料燃料棒的燃料芯体内，以向燃料芯体引入高温(1200～1600℃)；同时向燃料元件的外表面引入冷却水或冷却气体，由此使金属燃料燃料棒的内外形成高温温差，通过人为引入的高温温差加热金属燃料燃料棒。由此可以将Cm、Am、LA等元素迁移到燃料内部及外部的表面上，进一步通过离子液体选择性溶解的方法将固体裂变产物和超铀元素溶解，从而达到依靠物理方法预先分离部分裂变产物和超铀元素的效果。

离子液体选择性溶解的方法是：离子液体选用[Hbet][Tf

下面我们采用基于物理方法的乏燃料核素预分离方法对上述理论进行验证，具体方法如下：

实施例1

一种乏燃料核素预分离方法，包括以下步骤：

S1、如图3，利用钼金属探针插入U-10Zr金属燃料燃料棒的中心，以向U-10Zr金属燃料燃料棒的中心引入1200℃高温；同时向燃料元件的外表面引入冷却水，以在U-10Zr金属燃料燃料棒的外表面进行动水冷却；由此使U-10Zr金属燃料燃料棒的内外形成高温温差，通过人为引入的高温温差加热U-10Zr金属燃料燃料棒8h。

S2、将利用温差加热后的U-10Zr金属燃料燃料棒中的乏燃料(U-10Zr金属燃料)冷却至室温，然后将冷却后的乏燃料浸润于离子液体中，通过离子液体选择性溶解固体裂变产物及次锕系元素(Cm、Am、LA)，使裂变产物及超铀元素从乏燃料中预分离出来。

实施例2

一种乏燃料核素预分离方法，包括以下步骤：

S1、利用钼金属探针插入U-50Zr金属燃料燃料棒的中心，以向U-50Zr金属燃料燃料棒的中心引入1600℃高温；同时向燃料元件的外表面引入冷却水，以在U-50Zr金属燃料燃料棒的外表面进行动水冷却；由此使U-50Zr金属燃料燃料棒的内外形成高温温差，通过人为引入的高温温差加热U-50Zr金属燃料燃料棒8h。

S2、将利用温差加热后的U-50Zr金属燃料燃料棒中的乏燃料(U-50Zr金属燃料)冷却至室温，然后将冷却后的乏燃料浸润于离子液体中，通过离子液体选择性溶解固体裂变产物及次锕系元素(Cm、Am、LA)，使裂变产物及超铀元素从乏燃料中预分离出来。

实施例3

一种乏燃料核素预分离方法，包括以下步骤：

S1、利用钼金属探针插入U-20Zr金属燃料燃料棒的中心，以向U-20Zr金属燃料燃料棒的中心引入1400℃高温；同时向燃料元件的外表面引入冷却水，以在U-20Zr金属燃料燃料棒的外表面进行动水冷却；由此使U-20Zr金属燃料燃料棒的内外形成高温温差，通过人为引入的高温温差加热U-20Zr金属燃料燃料棒8h。

S2、将利用温差加热后的U-20Zr金属燃料燃料棒中的乏燃料(U-20Zr金属燃料)冷却至室温，然后将冷却后的乏燃料浸润于离子液体中，通过离子液体选择性溶解固体裂变产物及次锕系元素(Cm、Am、LA)，使裂变产物及超铀元素从乏燃料中预分离出来。

实施例4

一种乏燃料核素预分离方法，包括以下步骤：

S1、利用钼金属探针插入U-10Zr金属燃料燃料棒的中心，以向U-10Zr金属燃料燃料棒的中心引入1200℃高温；同时向燃料元件的外表面引入冷却水，以在U-10Zr金属燃料燃料棒的外表面进行动水冷却；由此使U-10Zr金属燃料燃料棒的内外形成高温温差，通过人为引入的高温温差加热U-10Zr金属燃料燃料棒6h。

S2、将利用温差加热后的U-10Zr金属燃料燃料棒中的乏燃料(U-10Zr金属燃料)冷却至室温，然后将冷却后的乏燃料浸润于离子液体中，通过离子液体选择性溶解固体裂变产物及次锕系元素(Cm、Am、LA)，使裂变产物及超铀元素从乏燃料中预分离出来。

实施例5

一种乏燃料核素预分离方法，包括以下步骤：

S1、利用钼金属探针插入U-10Zr金属燃料燃料棒的中心，以向U-10Zr金属燃料燃料棒的中心引入1200℃高温；同时向燃料元件的外表面引入冷却水，以在U-10Zr金属燃料燃料棒的外表面进行动水冷却；由此使U-10Zr金属燃料燃料棒的内外形成高温温差，通过人为引入的高温温差加热U-10Zr金属燃料燃料棒10h。

S2、将利用温差加热后的U-10Zr金属燃料燃料棒中的乏燃料(U-10Zr金属燃料)冷却至室温，然后将冷却后的乏燃料浸润于离子液体中，通过离子液体选择性溶解固体裂变产物及次锕系元素(Cm、Am、LA)，使裂变产物及超铀元素从乏燃料中预分离出来。

实施例1～实施例5的方法均是利用超细难熔金属探针插入的形式在金属型乏燃料燃料棒中心引入高温(例如，针对U-10Zr金属燃料，1200℃；针对U-50Zr金属燃料，1600℃)，在燃料棒外表面进行动水冷却，通过人为引入的温差加热金属燃料燃料棒8小时。之后，将乏燃料冷却至室温，并将乏燃料浸润于离子液体中，选择性溶解固体裂变产物及次锕系元素，实现这些元素从乏燃料中的预分离。由此采用实施例1～实施例5的方法均能够实现乏燃料中固体裂变产物及次锕系元素(Cm、Am、LA)的预分离。故下面仅对实施例1的方法进行具体分析说明。

图1为13.2％FIMA燃耗下，U-10Zr金属燃料中的典型镧系裂变产物(Nd)与裂变气体气泡的分布关系图。

从图1中可以看到，在燃烧到13.2％FIMA燃耗时，金属燃料U-10Zr中的镧系裂变产物完全附着在裂变气体气泡的内壁面。因此，通过将裂变气体气泡输送到燃料内部及外部的表面上，可以有效地将Am,Cm,LA这些裂变产物和次锕系元素携带到表面上，实现对乏燃料中Am,Cm,LA这些裂变产物和次锕系元素的预分离。

图2是在具有一定燃耗(11％FIMA)的乏燃料中将燃料中心温度提升至1200℃所产生的短时(8小时)裂变气体释放曲线。

由图2的模拟计算结果表明，燃耗至11％FIMA的U-10Zr金属燃料在人为引入极高的中心线温度(1200℃)后，裂变气体释放率在8小时内迅速上升至100％，即所有的裂变气体气泡均迁移到燃料内外的表面上。这就意味着在这种条件下，Am,Cm,LA这些裂变产物和超铀元素也会富集到乏燃料内外的表面上来。这种通过很高的温度梯度驱动裂变气体气泡迁移，进而将Am,Cm,LA这些裂变产物和次锕系元素携带至乏燃料内外的表面上是本发明实施例的最核心创新原理。而后，通过离子液体——甜菜碱-双(三氟甲基磺酰)亚胺([Hbet][Tf

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。