后处理

核物理科普系列十九

后处理是指对反应堆中用过的乏燃料进行处理,以除去裂变产物和次锕系产物并回收易裂变材料和可转换材料的过程。

一、后处理的意义

充分利用核燃料资源;以压水堆核电站为例如果不对其乏燃料后处理,铀资源的利用率仅为0.37%,如果实施后处理回收的铀与钚再循环一次,可省约25%的天然铀,若循环多次,则铀的利用率可提高到约1%;如果将后处理得到的钚用于快堆燃料循环,则此利用率可高达60~70%,从而使铀资源的利用期限由50年延长至约1000年。

后处理对核废物的长期安全管理也极为重要,乏燃料中某些具有极长半衰期(大于1E5年)裂变产物(如99Tc)和次锕系产物(如237Np),可通过后处理将其分离出来,随后经嬗变大部分转化为适于近地表处置的中短寿命放射性核素,减轻地质处置负担。

二、后处理的目的和任务

回收和净化乏燃料中残剩的和新产生的易裂变材料;

回收和净化未发生核反应的可转换材料;

便于更安全地处理和处置放射性废物。

三、后处理的特点

(1)产品的回收率很高,总回收率大于99%,每一步操作的回收率更要大于99.9%。

(2)产品的纯度极高:

βγ放射性的裂变产物的去除—去污系数DF(原料中裂变产物的总放射性活度/产品中裂变产物的总放射性活度)往往高达1E6~1E8。

铀钚产品的分离——用分离系数β(指两种物质在分离前原料中含量的比值与分离后产品中含量的比值之比)来表征,一般在1E4~1E6。

化学杂质的去除——产品必须达到核级纯度,即所有化学杂质的中子吸收截面最多只能相当于含10B的8E-6的中子吸收截面;

(3)远距离操作与控制:由此带来复杂的技术问题,并大大增加工厂的投资。

(4)免维修与少维修:在设计和建造时极为重视设备维修工作的合理性和可靠性,通过自然原理实现部件功能可靠性有效提升。

(5)十分严格的安全操作要求:

后处理过程使用的物料具有化学毒性、腐蚀性和易燃、易爆性,因此也有一般化工厂的密闭、通风、防腐、防火、防爆等要求。

工厂更有特殊的核安全要求:首先厂房及其内部的区域必须按辐射的性质和强弱实行分区布置的原则,以确保人员、风向和物流均有合理的走向;其次凡有易裂变物质存在且可能达到核临界状态的场合,需严防核临界事故,具体做法有:

■质量控制——不使某易裂变物质的总质量达到或超过某一限值;

■溶液浓度或体积控制——不使某易裂变物质溶液的浓度或体积达到或超过某一限值;

■几何控制——使设备的几何形状和尺寸在任何情况下均不致发生临界事故;

■毒物控制——将慢中子吸收截面很大的物质溶解在溶液中,固定在设备上或掺杂在设备材料中(固定毒物)。

四、后处理工艺过程简介

依据后处理工艺是否涉及水介质可分为水法和干法两类。

水法分离过程曾用过的沉淀法和离子交换法均已淘汰,而改为溶剂萃取法。

干法中有高温冶金法、高温化学法和氟化挥发法三种。

干法的优点:强辐射对其影响不大,但存在许多不易克服的工程技术难题,因此公处于实验室研究或小型中间试验工厂阶段。

日本乏燃料后处理工厂

水法后处理工艺可分为以下三段过程:

1.首端过程

将乏燃料制备成可供溶剂萃取分离用的料液的过程。

将燃料组件剪切成5cm左右的小段,落到溶解器的吊篮中;(剪切机需布置在大型屏蔽热室中,采用远距离操作和维修方式,还要解决剪切粉末回收、防止锆屑自然及气溶胶处理等问题)。

元件在溶解器中加入硝酸进行溶解,包壳不溶解作为废物处理。

溶解产品液经过滤或靠离心除去其中极细微的不溶性颗粒。

澄清的料液加入化学试剂来调节铀浓度、酸度和镎、钚的化学价态,最终制成合格的溶剂萃取料液。

2.溶剂萃取过程

溶剂萃取法:用与水基本不相互溶的有机溶剂从水相中选择性地提取某种物质,使之与其余杂质分离的过程;

有机溶剂应具有选择性好、化学稳定性和辐照稳定性好、与水相有一定的密度差而粘度较完全呵呵、价格低廉且可回收以及毒性小、着火点高等特点;

TBP(磷酸三丁酯)是最适宜的萃取剂,使用时通常用稀释剂(如煤油)配制成30%(体积比)的浓度;

TBP萃取铀、钚是通过生成络合物实现的,能较好被萃取的只有UO2(NO3)2和(PuNO3)4两种形态,而Ⅲ价状态的钚和绝大部分的裂变产物及其他超铀元素(如镎、镅、锔等)均难以被萃取,因而可实现它们之间的分离;

PUREX流程(系“钚铀还原萃取”的英文词头缩写)应用得最普遍,其是以30%TBP为萃取剂、以硝酸为盐析剂;

经历一个萃取、洗涤和反萃取的过程称为一个溶剂萃取循环;

典型的PUREX流程对每种产品而言需经历三个循环;第一个循环为铀钚共去污分离循环,先让铀钚共萃取并用硝酸溶液洗涤,再将钚还原成不被萃取的Ⅲ而与铀分离,最后用稀硝酸将铀反萃;然后分别用两个循环对铀和钚进行了纯化;

为了去除有机溶剂因辐照和化学作用而产生的降解产物,并避免各循环溶剂之间相混,每个溶剂萃取循环都设有独立的溶剂处理系统,经净化的溶剂再返回使用;

工厂中使用的溶剂萃取设备主要有混合澄清槽、脉冲筛板柱和离心接触器三种。

3.尾端过程

尾端过程:由溶剂萃取获得的铀和钚的硝酸盐溶液转化成固体产品的过程;

往硝酸钚溶液中加入草酸溶液,即生成草酸钚沉淀,经过滤、洗涤、煅烧得到二氧化钚产品;

在液化床设备中直接将硝酸铀酰溶液脱硝即转化成UO3产品。