[发明专利]一种用于直接获得锆合金燃料的乏燃料干法后处理方法

说明书

技术领域

本发明属于核燃料后处理技术领域，具体涉及一种用于直接获得锆合金燃料的乏燃料干法后处理方法。

背景技术

用于快堆燃料主要有两类：氧化物陶瓷燃料和金属燃料。以增殖燃料为目的的快堆使用金属燃料的增殖比比氧化物陶瓷燃料高20％以上。其中锆合金燃料由于其优异的核性能和物理性能而成为快堆优选的合金燃料类型。

熔盐电解是研究最为活跃的乏燃料干法后处理技术。乏燃料干法后处理以乏燃料是金属氧化物乏燃料还是金属乏燃料而采用不同的熔盐电解工艺。目前国际上的乏燃料干法后处理主要采用氯化物熔盐电解精炼技术，对金属氧化物乏燃料首先用金属锂(或电解产生金属锂)将金属氧化物还原为金属，然后将得到金属在氯化物熔盐中控制电位熔解和控制电位沉淀，分别获得铀和铀钚合金燃料。

有专利报道了制备铝合金燃料的干法后处理熔盐体系。由于铝合金熔点较低，不能完全满足快中子堆的需要。而锆合金燃料熔点高，有利于快堆的稳定运行。目前国际上制备锆合金燃料的方法是先获得铀、钚、锆金属，然后将三种金属按比例混合进行熔炼制备。但是，用纯金属熔融制备合金燃料的过程成本很高，其首先要通过冶金过程获得纯金属材料，然后再将纯金属按比例混合熔融，工艺过程复杂，废物多，能耗高，成本大。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种可直接获得锆合金燃料的乏燃料干法后处理方法，该方法工艺简单，可控，能耗低，成本低，易于工业化。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于直接获得锆合金核燃料的乏燃料干法后处理方法，包括以下步骤：

根据反应堆设计对锆合金燃料的要求以及乏燃料中的锕系金属含量确定用于熔解乏燃料的熔盐组合物的组成和配比；

将乏燃料熔解在上述熔盐组合物中；

选用电极对进行电沉积，使熔盐组合物中的锆与乏燃料中的铀离子或铀及其他锕系金属离子共沉积，得到符合设计要求的锆合金核燃料。

进一步，所述熔盐组合物至少包括氟化锆、氟化钾和氟化锂，其中，氟化锆、氟化钾和氟化锂的物质的量之比为1：(10-20)：(25-80)。

进一步，确定熔盐组合物的组成和配比的具体方法是：首先根据锆合金核燃料设计要求确定熔盐组合物中氟化锆的用量，然后根据能斯特方程以及熔盐组合物的目标熔点温度确定氟化钾和氟化锂的用量。

进一步，使乏燃料和熔盐组合物的混合物在600-1050℃下熔解，优选熔解温度是配比熔盐的最低共熔点温度+50℃。

进一步，依据锆合金燃料设计要求，若熔解的乏燃料中某些金属离子过量，则通过增设的电极对进行预先电沉积，使乏燃料中的过量金属离子分离出来。

进一步，若乏燃料为金属氧化物乏燃料，预先电沉积分离过量金属离子以及电沉积形成锆合金材料过程所使用的电极对的阳极为惰性材料。

或者，若乏燃料为金属乏燃料，则预先电沉积分离过量金属离子过程所使用电极对的阳极为金属乏燃料

本发明提供的方法，其工艺简单，可控，没有制备纯金属的过程，而是将乏燃料直接加入熔盐组合物中，通过调整熔盐组合物的配比，即可通过电沉积直接得到需要的锆合金燃料；此外，本方法适用于金属氧化物形态的乏燃料和金属形态的乏燃料，且能耗低，成本低，易于工业化。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例中的wt％表示质量比。

实施例1

本实施例采用采用二氧化铀陶瓷乏燃料。

目标合金燃料：锆-铀合金燃料，组成为：铀95wt％，锆5wt％。

锆-铀合金燃料的制备方法：

根据上述锆-铀合金燃料的组成、乏燃料的组成和电沉积原理(能斯特方程)，确定熔盐组合物为：5wt％氟化锆，35wt％氟化钾，60wt％氟化锂；

将11g烧结的二氧化铀芯块直接放入含氟化锆5wt％、氟化钾35wt％和氟化锂60wt％的1500g熔盐中，在温度为750℃下使二氧化铀芯块溶解在熔盐组合物中；

采用石墨作阳极和铀棒作阴极组成的电极对进行预先电沉积，控制阴极电位为-1.2～-1.4V(相对于Ag/AgCl参比电极)，使过量的铀1.2g沉积在阴极上；