在LiCl熔盐中电解还原制备Ni-Zr合金及U金属的研究

发布时间：2020-06-30 00:35

【摘要】：为了实现核燃料循环,干法后处理由于它的过程简单,对环境污染少等问题而独具优势。为了提高核燃料的利用率,我国提出了先进乏燃料的闭式循环的理念。其最关键的问题在于将轻水堆乏燃料转变为快中子反应堆所需要的金属燃料。FFC过程的提出为氧化物与金属间的之间转变提供了一个新的思路。本文主要选取了具有代表性的两种乏燃料氧化物ZrO_2与UO_2,探讨了它们在923K LiCl熔盐中各自的电解还原情况。ZrO_2是一种极具代表性的非放射性氧化物,在工业和航天等领域应用广泛。然而,ZrO_2具有高度热稳定性与差导电性,致使其电解还原具有一定的困难性,NiO的添加能够促进ZrO_2的还原,形成Ni-Zr合金。以此,为电解还原氧化物积累经验。参比电极对电极反应的监测与控制起到至关重要的作用,一般传统的参比电极难以承受电解还原氧化物的高温条件。因此制备适合923K LiCl熔盐体系的Li-Bi合金参比电极,实现了两电极体系向三电极体系的转变是必要的。UO_2是轻水堆乏燃料的主要成分,乏燃料的循环也主要是针对铀的回收。因此研究UO_2的电解还原极具意义。据此,本文主要进行了如下三个方面的研究:一、对NiO、ZrO_2与NiO-ZrO_2分别进行了理论计算与循环伏安扫描验证了其还原的可能性。在923K条件下,分别研究了不同装载形式、摩尔比、制片条件以及LiCl-Li_2O体系等因素对电解还原产品的影响,并对电解产品成分进行了表征与分析。二、制备了适合于923K LiCl熔盐体系氧化物还原的碳化硼装载的Li-Bi合金参比电极,并对其稳定性、重复使用性、平行性、可逆性以及氮化硼的腐蚀情况等方面性能进行了一系列的评估。三、理论分析与循环伏安证明了UO_2还原的可行性。测定了空白不锈钢网兜与含有UO_2片的电势-电流曲线,判断了电解还原UO_2的电流条件与反应的截止电压。利用合适的电流对UO_2进行了恒电流电解还原制备金属U,并对其电解效率进行评估。XRD与SEM-EDS技术对产品成分与形貌进行分析。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL249
【图文】：

乏燃料,金属

图 1.1 金属乏燃料的熔盐电解精炼以 LiCl-KCl 共熔盐作为介质，但由于 LiCl-KCl 盐具须在无水无氧惰性气体（如 Ar）环境下操作。由 Lmol%LiCl-42.8mol%KCl 盐的最低熔点为 353℃，因满足实验需求。在电解时，将金属乏燃料置于阳极吊）在合适的电化学条件下会在固体阴极不锈钢棒上沉积多余的 U、超铀（TRU）以及部分稀土金属（RE金属以及部分稀土裂变碎片（FPs）会溶于 LiCl-KC属以及合金燃料中 Zr 金属会沉于电解装置底部的液国家实验室（INL）已经采取了此流程处理 EBR-2 乏流程已经处理了 3.4 吨的 EBR-2 乏燃料，充分验证[21]。

乏燃料,电解精炼,电还原,氧化物

图 1.2 氧化物乏燃料电还原与电解精炼此乏燃料氧化物电解还原过程主要是基于 2000 年剑桥大学提出的 FFC 流程[14]。该流程阴阳电极发生的反应如下：阴极反应：MxOy+ye-=xM+yO2-阳极反应：2O2--4e-=O2（g）M 代表金属元素，MxOy代表金属氧化物。但是据相关研究报道， UO2并不能够彻底被电解还原，即得到 U 的粗金属。再将粗金属 U 通过电精炼流程就能得到纯金属 U。这一基本流程 INL 对 EBR-3 的氧化物乏燃料[22]与 EBR-2 辐照过的 MOX 燃料进行了电化学处理，并且取得了较为纯净的 U 金属，然而部分的TRU、稀土和贵金属仍然留在阴极吊篮中，大部分的稀土元素及锆由于其热力学稳定性较强，仍然以氧化物的形式存在。目前以韩国为代表的几个国家长期致力于乏燃料氧化物的电解还原，韩国原

【参考文献】