[发明专利]处理由溶解废核燃料产生的硝酸水溶液的方法

说明书

本发明涉及一种处理由废核燃料溶解在硝酸中产生的水溶液的方法，以在一次循环中对溶液中所含的铀和钚进行萃取、分离和净化，而不需要涉及任何钚的还原性脱除。本发明用于处理包含铀和/或钚的废核燃料。

技术领域

本发明涉及一种处理由废核燃料溶解在硝酸中产生的水溶液的方法，以在一次循环中对该溶液中所含的铀和钚进行萃取、分离和净化，且无需对钚进行还原性脱除操作。

这种方法可用于处理含铀(尤其是铀的氧化物UOX)或铀与钚的氧化物(特别是铀与钚的混合氧化物MOX)的废核燃料。

背景技术

在世界各地(法国的阿格(La Hague)，日本的六所村(Rokkasho)、英国的塞拉菲尔德(Sellafield)等)的所有废核燃料处理工厂中实施的PUREX工艺均使用磷酸三正丁酯(或TBP)作为萃取剂，从而通过对由这些燃料溶解在硝酸中产生的水溶液进行液-液萃取来回收铀和钚。

在这个工艺中，TBP用于有机稀释剂(氢化的四丙烯(或TPH)或正十二烷)中的30％(v/v)溶液中。在所考虑的领域中，这种有机溶液通常被称为“溶剂”。

用PUREX工艺回收铀和钚进行数次循环：

铀和钚的第一次纯化循环(被称为“1CUPu”)，旨在对铀和钚进行针对镅、锔和裂变产物的净化，通过钚的还原性脱除在第一次循环中将铀与钚分配到两个水流中；

铀的第二次纯化循环(被称为“2CU”)，旨在完成铀的净化以达到最终铀产品的ASTM标准所规定的规格；以及

钚的第二次纯化循环和第三次(在某些工厂中)纯化循环(分别被称为“2CPu”和“3CPu”)，旨在完成钚的净化以达到最终钚产品的ASTM标准及其在转化成氧化物之前的浓度所规定的规格。

PUREX工艺的性能水平令人满意，并且从使用这个工艺的工厂启动以来获得的经验反馈是肯定的。

然而，TBP的使用限制了这种萃取剂达成简化、紧凑和改善安全性的目的，这些目的已设定用于未来废核燃料处理工厂，特别是以消除PUREX工艺中的 2CU、2CPu和3CPu循环为目标的未来废核燃料处理工厂。

这些限制如下：

*在第一次净化循环结束时，铀和钚针对某些裂变产物(锝和钌)和超铀元素(Np)的净化因子不足，因此不可能用TBP实现在单次循环中会产生符合上述规格的最终产品的方案；

*将铀与钚分配到两个水流中需要将钚(IV)还原成钚(III)(由于用TBP，铀(VI)和钚(IV)之间的分离因子不足，无论用于获得这种分离的水溶液的酸度如何)，并因此需要使用大量的还原剂和反硝化剂，而还原剂和反硝化剂通过降解产生了不稳定的反应性物质，因此在安全性方面受到限制；

*TBP降解产物对工艺的性能水平有影响；特别是磷酸二正丁酯(或DBP) 导致形成金属络合物，其中一些金属络合物是不溶的并且可能导致钚保留在溶剂中，因此需要进行被称为“Pu屏障”(Pu barrier)的操作，该操作位于在钚还原性脱除的下游并且旨在完成这个脱除；

*由钚的存在所引起的形成第三相的风险限制了实施钚集中方案(临界危险)或者实施处理由轻质水反应堆或快速中子反应堆产生的诸如MOX燃料的高钚含量废核燃料的方案；

*如果在环境温度下进行，则从先前萃取铀的溶剂中铀的脱除不足，因此需要在50℃的温度(这对应于由溶剂的闪点所允许的最高温度)下进行这个脱除；然而，即使在这个温度下，铀的脱除也在削弱(有机/水流量比(O/A)低于1)。

*在水相中不可忽略的TBP的溶解度(取决于水相的酸度，高达300mg/L) 需要用有机稀释剂洗涤由不同萃取循环产生的水相，以回收溶解在这些水相中的TBP；以及

*焚烧废TBP及其降解产物产生了包括固体磷酸盐残余物的二次废料。