重水堆用UO2+粉末化工制备工艺铀的萃取纯化部分.pdf

重水堆用UO 粉末化工制备工艺铀的萃取纯化部分 2 杨永华 龚树河 安效云 王世波 中国核工业集团公司二0 二厂 摘要： 重水堆燃料元件与压水堆燃料元件相比结构简单，但对杂质元素含量要求很 严格，同时对芯块密度的要求也高。由于重水堆燃料元件生产中的铀化工转化部 分不引进加拿大制造技术，完全由国内自行解决。为此，二 0 二厂于1998 年12 月建成中型试验线，先后进行了转盘塔萃取和批次沉淀中型试验，目的是试验转 盘塔的生产能力和萃取分离效果，同时考察批次沉淀工艺参数的稳定性。本文重 点研究了转盘塔萃取纯化工艺，对工艺流程、相关设备及萃取效果进行详细叙述， 通过工艺试验，取得了大量的试验数据，并制备出质量完全合格的反萃取液，解 决了重水堆燃料元件生产中杂质净化的技术问题。 一、前言 重水堆燃料元件比压水堆用燃料元件结构简单，但对 UO2 芯体中杂质元素含 量要求严格得多，同时对芯块密度的要求也高，这就增加了化工生产工艺的难度。 由于UO 粉末化工生产部分不引进加方技术，要由我厂自行解决。目前我国 2 尚无生产重水堆用UO 粉末的经验，为实现这一产品的国产化，我厂建立了一套 2 比较完整的化工中试装置，开展了一系列化工工艺研究，在研究成果的基础上， 设计并建成了重水堆燃料用 UO2 粉末的化工生产线。 包头核燃料元件厂于2001 年底建成，其中化工生产线于同年11 月底投产并 生产出合格的陶瓷级 UO 粉末。该化工生产线包括 U O 硝酸溶解、转盘塔萃取纯 2 3 8 化、ADU 沉淀、ADU 流化干燥及 ADU 分解还原五个主要部分。其生产工艺，生产 设备全部采用我国自主技术。 包头核燃料元件厂于 2003 年正式投产，当年为秦山三期核电站提供燃料棒 束。与其它生产一样，化工生产工艺产品质量稳定，达到设计要求，取得满意成 果。 本文主要简述铀的萃取纯化工艺。 二、铀的TBP 萃取纯化工艺 1 萃取料液的制备 重水堆核燃料为天然铀，所以所用原料为工业八氧化三铀粉末或“黄饼”（工 业重铀酸铵、重铀酸钠或它们的混合物），目前我们采用的是工业八氧化三铀粉 末。其质量要求见附表1。 首先用硝酸溶解U O 粉末，使其转化成硝酸铀酰溶液，U O 粉末容易溶解在 3 8 3 8 硝酸溶液中，但反应过程比较复杂，其反应气体组成与硝酸浓度有关。一般认为 当 HNO 浓度高于8mol/l时主要放出NO ，即： 3 2 U O +8HNO 3UO （NO）+2NO ↑+4HO–230.90KJ 3 8 3 2 3 2 2 2 当 HNO3 浓度低于8mol/l时主要放出NO，即： 3U O +20HNO 9UO （NO）+2NO↑+10H O–814.05KJ 3 8 3 2 3 2 2 然而在溶解过程中，首先是经过高酸反应过程，然后又进行低酸溶解过程， 各过程的经历情况又与加料速度、溶解温度有关，所以粗略概括为总反应： 2U O +14HNO 6UO （NO）+NO↑+NO ↑+7HO–399.05KJ 3 8 3 2 3 2 2 2 U O 在硝酸中溶解是较强的放热过程，为控制好反应速度，反应温度最好控 3 8 制在60℃左右。溶解液铀浓度控制在 300～350g/l，以防铀浓度过高产生硝酸铀 酰结晶或其它元素的硝酸盐被盐析结晶而堵塞管道。溶解液过滤后配置成 [U]：200～300g/l [H+]：1.5～2.0mol/l