第四章 首端处理.pptVIP

第四章 乏燃料元件的首端处理 首端处理的目的：将不同类型的乏燃料元件加工成具有特定的物理、化学状态的料液，供铀钚共萃取共去污工序使用。 首端处理影响着后处理厂试剂消耗量、三废的产生量及运行费用等，是萃取顺利进行的保障。 4.1 乏燃料元件的脱壳方法 首端处理工艺：燃料组件的解体、燃料溶解、调制成原料液。 首先是元件包壳的除去，脱壳的方法可分为5类。方法的选择取决于包壳材料的性质、燃料元件的结构、所选用的处理流程。 4.1.1 化学去壳法 化学去壳法是利用化学试剂溶解包壳而不溶解燃料。 美国第一座生产堆的燃料元件——金属铀棒，其包壳铝就是用碱液溶解的。 2Al+2NaOH+2H2O 2NaAlO2+3H2 为了防止氢气逸出，碱液中添加适量的NaNO3。 8Al+5NaOH+3NaNO3+2H2O 8NaAlO2+3NH3 铀不溶于碱，在去壳过程中，铀与去壳试剂不发生反应。 镁或者镁合金包壳，通常采用6mol/L的H2SO4，在沸腾温度溶解包壳。 不锈钢包壳的UO2或ThO2燃料元件，采用4～6mol/L的热H2SO4溶解其外壳，其化学反应式有 Fe + H2SO4 H2 + FeSO4 Cr +1.5H2SO4 1.5H2 + 0.5Cr2(SO4)3 Ni + H2SO4 H2 + NiSO4 为了避免沉淀，需要200%的过量硫酸。 对于锆和锆合金包壳的UO2乏燃料元件，采用含硝酸铵的氟化铵沸腾溶液溶解包壳。生成氟锆酸铵，硝酸铵用于减少氢气的逸出。 Zr + 6NH4F + 0.5NH4NO3 (NH4)2ZrF6 + 5NH3 +1.5H2O 由于氟锆酸铵溶解度较小，必须控制氟化物和锆的初始摩尔比6.5～7.0。 锆或锆合金包壳在硝酸铵的氟化铵混合液中的溶解存在下列问题： 首先，化学侵蚀作用不均匀，当包壳被溶解90%时，开始侵蚀UO2。 其次，每批料带入硝酸溶芯阶段的氟量达到1000mol左右，需要加入硝酸铝用以络合氟。 第三个问题是在去壳中产生氨气，可能使废气过滤器堵塞。 化学溶解去壳法的缺点是： （1）溶解速度缓慢、过程不稳定、有氢气逸出，而且在去壳液中铀钚都有少量的损失。还有硝酸根对不锈钢包壳的钝化作用。 （2）产生大量高盐份的高放射性废液。锆合金、不锈钢包壳在燃料元件中占的份额相对大，产生的废液量就不容忽视。 （3）产生大量强腐蚀性的废液，对溶解设备腐蚀性大。 4.1.2 机械去壳法 用机械剥离方法去壳，过程分几步进行。 首先，切掉元件末端部件并且将组件解体。 然后，用机械方法剥离每根元件的包壳。 4.1.3 包壳与芯体同时溶解法 将包壳与芯体用同一溶剂溶解。该法主要用于处理易裂变材料含量高的燃料或后处理厂承担不同类型燃料元件的处理。 4.1.4 电解法去壳 可以用电解法溶解不锈钢、锆合金，铝等包壳材料。电解时阳极和阴极都用铌制作，阳极镀铂防腐。 阳极溶解反应为： Fe Fe3+ + 3e- 当硝酸浓度高于2mol/L时，阴极反应为： NO3- + 3H+ + 2e- HNO2 + 2H2O 上式可见，抑制了氢气的逸出。 电解溶解法的优点：适用性广，除硝酸根离子外无其它阴离子，几乎不放出氢气。 缺点是：在溶解液中含有壳材料的硝酸盐进入高放废液。 采用电解法溶解锆合金包壳时，大部分锆转化成二氧化锆，可过滤除去。 4.1.5 机械-化学去壳法 机械-化学相结合的去壳法。适用于处理包壳材料不溶于硝酸的燃料元件。 过程为：用机械剪切法将燃料元件切成小段，裸露的元件芯块用硝酸溶解，漂洗残留在包壳上的燃料溶解液。 该法主要用于动力堆乏燃料中以锆合金或不锈钢包壳的氧化物燃料元件的去壳。 机械-化学去壳法优点是：产生放射性废液少，不会损失核燃料，废包壳的贮存和处理费用较化学去壳法低。 缺点是：切割设备复杂，且需遥控操作。 废包壳的处理 包壳的总的放射性活度相当于包壳上残余了0.1%的未溶解燃料。 在压水堆中63%的氚滞留在锆包壳内，沸水堆中各占50%。 国外把轻水堆燃料包壳归类于固体超铀废物，通常采用水泥固化的方式处理。 4.2 乏燃料元件的首端处理 4.2.1 乏燃料元件的剪切 将乏燃料元件用提升