La、U在离子液体中电化学行为及电沉积研究

发布时间：2020-05-20 03:31

【摘要】：乏燃料的后处理是核裂变能可持续发展的关键,其主要目的是回收乏燃料中的铀(U)、钚(Pu)等锕系元素。其中,干法处理不使用水溶液,具有放射性废物排放少、临界风险低、耐辐照等优点而成为目前研究的重点技术。熔盐电解技术是干法处理中最有希望替代湿法处理的技术之一,但其电解温度要高于碱金属氯化物共晶盐熔点,一般在800K以上,需要在惰性气氛及高温下操作,对设备腐蚀严重。离子液体具有电化学窗口宽、低熔点、低蒸汽压、热稳定性好等优点,有望替代高温熔盐用于乏燃料干法回收。然而,国内外关于锕系元素(铀、钚等)在离子液体中的电化学行为及电沉积研究报道较少。因此,本课题先通过镧作为铀的替代元素,进行了含La(Ⅲ)离子液体的合成、电化学行为及电沉积的研究,并进一步开展了铀在离子液体中的电化学行为及电沉积研究。主要的研究内容和成果如下： 1.合成了含La(Ⅲ)及U(Ⅳ)离子液体N-甲基-N-丙基哌啶双(三氟甲基磺酰)亚胺(MPPiNTf2),测试了MPPiNTf2电化学窗口及电导率。分别通过La2O3及UO2与双(三氟甲基磺酰)亚胺(HNTf2)反应,合成有机盐La(NTf2)3及U(NTf2)4,再将有机盐与MPPiNTf2混合配制含La(Ⅲ)及U(Ⅳ)离子液体。电导率测试表明,MPPiNTf2的电导率随温度的升高而增加,随着溶质浓度的增加,先增加后减小；循环伏安曲线表明,MPPiNTf2具有较宽的电化学窗口,达到了4.9V(vs.Pd)。 2.研究了La(Ⅲ)在离子液体MPPiNTf2中的电化学行为并实现了镧的电沉积。La(Ⅲ)在MPPiNTf2中铂电极上还原到金属态,是单步三电子转移的不可逆过程,其峰值电位在-2.8V(vs.Pd); La(Ⅲ)在MPPiNTf2中的扩散能力较差,扩散系数随着温度的升高而增大,308、323K的扩散系数分别为4.8×10-8、2.88×10-7cm2/s,扩散系数受温度的影响比较大,相应活化能为99.4kJ/mol;在-2.9、-3.0、-3.1V电位条件下分别沉积出了金属镧,其晶粒大小随着沉积电位的负移而降低。 3.研究了U(Ⅳ)在离子液体MPPiNTf2中的电化学行为,并实现了铀的电沉积,说明MPPiNTf2用于乏燃料干法后处理是可行的。U(Ⅳ)在MPPiNTf2中玻碳电极上还原到金属态,是两步四电子转移的过程：即先被还原到U(Ⅲ),再被进一步还原到金属态,相应峰值电位为-2.7V(vs.Pd);在-2.8V(vs.Pd)的电位条件下实现了金属铀的沉积。
【图文】：

乏燃料,增长趋势

反应堆产生的乏燃料数量在急剧增大，然而全世界总的后处理能力却增长缓慢，导致大部分都采取了固化深埋的处理方法（图1.1) [1]。核燃料的循环利用，不仅可以有效利用资源，还能最大限度地减少放射性废物对环境的影响，实现核能的可持续性发展及保障核电安全。建立先进核燃料循环工业体系，是保证核能^u发安全、持续进行的重要条件[2]。这对我国当前大力发展核电以提高核电在能源结构所占比例的能源方针具有极其重要的战略意义。Cumulative Spent Fuel Arisings, Storage and Reprocessing,1990-2020SF Discharged500 T |_| SF Stored |450 SF Reprocessed 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020Year图1.1乏燃料管理量增长趋势[1]核燃料循环工业体系包括了从铀矿开采到核废物处理的一系列工艺过程。在反应堆使用前的工艺过程称为核燃料循环前段，包括铀矿的开采和加工、铀浓缩及核燃料加工成型；从反应堆卸去后对核燃料的后处理过程，称为核燃料循环后段，包括乏燃料暂存、乏燃料后处理及回收利用、放射性废物最终处置[3]。其中，乏燃料后处理的主要0是实现乏燃料中的铀(U)、杯(Pu)等锕系元素与其它裂变产物核素相互分离，并将铀、钚回收作为燃料进行再利用

乏燃料后处理,湿法处理,磷酸三丁酯,工业化应用

取等化学分离方法实现各种核素的相互分离。传统的湿法处理主要是通过已建立工业化体系的Purex过程（图1.2)来实现，其以磷酸三丁酯(TBP)为萃取剂、正十二院（n-DD)为稀释剂，将铀、杯从硝酸溶液中分别萃取出来；接着，又将铀、钟等待回收元素从有机相中反萃到稀硝酸溶液中，，并进一步制成氧化物燃料返回到反应堆。该技术发展较为成熟，是目前乏燃料后处理技术中唯一实现工业化应用的技术，但存在工艺过程复杂、设备规模大、溶剂抗福射性能差及产生大量放射性难处理的废液等问题[6，7]。2
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL24

【参考文献】