乏燃料的原理和处理方法详解（乏燃料后处理技术）
2021-12-03
乏燃料的原理和处理方法的详细说明
对于锆合金、镁合金和不锈钢制成的部件，化学脱壳的方法不同，化学脱壳产生的废液也不同，如下表所示:
化学脱壳产生的废液量
溶解器材料废液量，m3/tU
铝合金氢氧化钠+纳米3不锈钢2-2.5
镁合金H2SO4不锈钢3.5-3.8
锆合金nh4f+nh4no 3 nio on el3—3.4
不锈钢H2SO4钛或铱合金4.5-5
铀金属的溶解
铀易溶于硝酸，其溶解过程可分为三个阶段。第一阶段，当硝酸浓度大于45%(一般为50%，相当于10.4M)时，溶解器的自由空空间充满空气体，溶液尚未沸腾，发生如下反应:
U+4HNO3→UO2(NO3)2+2NO+2H2O(1)
由于硝酸浓度高，反应产生的一氧化氮会与硝酸反应:
2NO+4HNO3→6NO2+2H2O(2)
3N2O4
因此，在第一阶段溶解1摩尔铀消耗8摩尔硝酸，酸的消耗量非常大(每溶解1摩尔铀消耗的硝酸摩尔数称为酸消耗量)。反应产生大量气体。使排气量产生一个陡峭的峰值。废气峰值通常出现在80-95℃。由于铀溶于硝酸的反应可以释放大量的热量，溶解温度迅速上升。溶液沸腾后，排气速度急剧下降。
由于第一阶段反应耗酸量大，溶解器中酸的浓度迅速降至25-45%，溶液继续沸腾，反应进入第二阶段。此时，反应(1)仍在高速进行，但由于酸浓度的降低，反应(2)逐渐减慢，相应地酸消耗也逐渐减少。同时，部分二氧化氮气体在冷凝器中与蒸汽冷凝液发生如下反应:
6NO2+3H2O→3HNO3+3HNO2(3)
生成的亚硝酸根据以下公式分解:
热
二氧化氮→一氧化氮+二氧化氮+H2(4)
反应(3)中产生的硝酸回流到溶解器中，实际的酸消耗显著减少。
由于铀的不断溶解，溶解器中硝酸的浓度不断降低。当硝酸浓度低于25%时，溶解过程将进入第三阶段。此时，铀的溶解仍按照反应式(1)进行。然而，由于酸浓度低，一氧化氮不可能与硝酸反应。在缺氧条件下，一氧化氮不会被氧化成二氧化氮，而是随尾气排出。此时，每溶解1摩尔铀就消耗4摩尔酸。如果发生氧化，一氧化氮被氧化成二氧化氮:
2NO+O2→2NO2(5)
因此，它可以作为硝酸回收并返回溶解器。此时，每1克溶解的铀可回收2克硝酸。但这是理论值，实际耗酸量约为3摩尔。
二氧化铀与硝酸反应
像金属铀一样，二氧化铀很容易与硝酸反应生成硝酸铀酰和氮氧化物。一些反应公式如下:
UO2+4hno 3→UO2(NO3)2+2no 2+2H2O(6)
2UO2+6h NO3→2UO2(NO3)2+NO2+NO+3H2O(7)
3UO2+8hno 3→3UO2(NO3)2+2NO+4H2O(8)
4UO2+10hno 3→4UO2(NO3)2+N2O+5H2O(9)
美国巴维尔工厂认为，当硝酸浓度大于8M时，反应按式(6)进行，否则按式(8)进行。
2NO+O2→2NO2(10)
NO2+H2O→硝酸+硝酸(11)
因此，二氧化铀的总溶解反应公式可以表示为:
UO2+3hno 3+0.25 O2→UO2(NO3)2+NO2+1.5 H2O(12)
UO2+2hno 3+0.5o 2→UO2(NO3)2+H2O(13)
和金属铀的溶解一样，二氧化铀在间歇溶解器中溶解时，也有一个排气峰，通常在溶解一小时内出现，最大排气量可达一般排气量的10倍左右。
动力元件
对于功率元件，国外采用数据切割和浸泡的方法。轻反应堆核电站乏燃料后处理装置的首端处理主要包括燃料元件的剪切和溶解、溶解废气的处理和废包壳端的处理。图1为法国Agup3工厂头端加工流程图。从图1可以看出，在后处理中，首先利用贮存车间的乏燃料转运工具，将乏燃料从贮存池通过燃料检测装置输送到燃料组件剪切机。在剪切机中，燃料被切成小块，落入旋转溶解器中。燃料溶液在除碘和澄清-调味后被送至溶剂萃取过程。经过一系列净化处理后，溶解器排出的废气通过烟囱排放到大气中，同时废物包壳和末端被清洁并送往中间仓库。
对于包铝高浓缩铀组件，国外普遍采用铝铀共溶工艺。
这些元素的溶解是在含有Hg2+离子的硝酸溶液中进行的。铀易溶于硝酸，但铝溶于硝酸时，铝表面会形成Al2O3膜，阻碍金属的溶解。因此，加入Hg(NO3)2破坏Al2O3膜，促进溶解过程继续进行。
在金属表面，由于铝的还原作用，Hg ~ (2+)离子生成Al-Hg汞齐，不稳定，易被硝酸氧化溶解。此时，汞被氧化成Hg ~ (2+)，然后Hg ~ (2+)在铝表面还原成铝汞齐，反复跟球，从而破坏al2o 3膜，实现铝的完全溶解。在这里，Hg2+离子起到了催化作用。铝的溶解反应如下:
Hg2+
Al+6HNO3→Al(NO3)3+3NO2+3H2O(14)
Hg2+
Al+3.75 HNO 3→Al(NO3)3+0.225 no+0.15 N2O+0.1125 N2+1.875 H2O(15)
反应过程与硝酸浓度有关。根据高酸度下的反应式(14)，以及根据低酸度下的反应式(15)。如果酸度太低，生成的硝酸铝就会水解。
铝(NO3)3+H2O =铝(OH)(NO3)2+硝酸(16)
铝(OH)(NO3)2+H2O =铝(OH)2(NO3)+硝酸(17)
因此酸度不宜过低。一个节目使用8M硝酸。
铝的溶解速率主要取决于体系中Hg2+的氧化还原速率(由氧化还原电位决定)、Hg2+和硝酸的浓度。当Hg2+浓度不小于0.005M，硝酸浓度不小于8M时，在沸腾温度下，溶铝的反应速度相当快。
影响:在后处理过程中，乏燃料溶解是第一部分，也是关键的一步，对整个后处理过程影响很大。特别是对于动力堆部件的处理，由于燃料消耗高，不溶物增多，不完全溶解会对下一道工序起到不好的作用。此外，在切割部件时，处理不当可能导致锆屑燃烧，溶解过程中可能出现临界事故等问题。首端处理也是后处理过程中技术难度最高的部分。它要求设备的高度自动化和可靠性。因此，只有美国、俄罗斯和法国等少数几个国家可以切断一项已溶解的技术。许多国家依靠进口来解决他们的问题，比如印度和日本。