一种氧化铀粉末电化学还原的装置和方法与流程

本发明属于核废物处理技术领域，涉及一种氧化铀粉末电化学还原的装置和方法。

背景技术：

从反应堆中卸出的乏燃料有两种处理方式，一种是传统的水法后处理，另一种是干法后处理。

传统的水法后处理主要处理压水堆乏燃料，而快堆卸出的乏燃料具有燃耗深、比活度大、含钚量高特点，使得传统水法后处理方式较难处理。干法后处理由于不使用有机试剂，不存在溶剂辐解问题，比较适合处理比活度大的乏燃料。目前，干法后处理的主要方法是电解还原-电解精炼法，即将乏燃料预处理后，通过电解还原将二氧化铀转化为金属铀，再通过电解精炼使金属铀纯化。

在乏燃料干法后处理过程中，首先将密实的二氧化铀乏燃料芯块经高温氧化挥发，除去芯块中的易挥发气体，并将二氧化铀氧化为八氧化三铀粉末。然后将八氧化三铀粉末压制成小片，并用氢气将片状八氧化三铀还原为多孔的片状二氧化铀。完成该过程后才开始对二氧化铀进行电解还原-电解精炼。该方法可以较好地处理压片后的二氧化铀，但是将八氧化三铀粉末压片和将片状八氧化三铀氢化还原为二氧化铀的过程操作较为繁琐，且易产生放射性粉尘和易燃易爆气体。

技术实现要素：

本发明的首要目的是提供一种氧化铀粉末电化学还原的装置，以能够解决氧化铀还原过程中操作繁琐，产生放射性粉尘和使用危险气体的问题。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种氧化铀粉末电化学还原的装置，所述的装置包括反应坩埚、多孔氧化镁管、阳极、阴极、导线、直流电源、加热炉，

所述的反应坩埚用于装入熔盐，并在熔盐中插入所述的多孔氧化镁管和所述的阳极后进行氧化铀粉末电化学还原；

所述的多孔氧化镁管内插入阴极并可装入氧化铀粉末，所述的多孔氧化镁管的孔隙允许熔盐通过但不允许氧化铀粉末和被还原的金属铀通过；

所述的阴极和所述的阳极分别通过所述的导线与所述的直流电源连接；

所述的加热炉用于加热所述的反应坩埚使其中的熔盐熔化。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氧化铀粉末电化学还原的装置，其中所述的阳极的材料为石墨或铂；所述的阳极为片状或棒状；所述的阴极的材料为惰性金属，选自钼、镍、钽或钨。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氧化铀粉末电化学还原的装置，其中所述的熔盐为氯化物熔盐，选自氯化锂和/或氯化钙。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氧化铀粉末电化学还原的装置，其中所述的氧化铀粉末为二氧化铀或八氧化三铀粉末。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氧化铀粉末电化学还原的装置，其中所述的多孔氧化镁管的平均孔径为15-25nm，厚度为1-5mm。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氧化铀粉末电化学还原的装置，其中所述的装置还包括置于所述的反应坩埚外的保护坩埚。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氧化铀粉末电化学还原的装置，其中所述的装置还包括惰性氛围手套箱，用于将除直流电源外的其它装置部件置于其中，提供电化学还原的惰性环境。

本发明的第二个目的是提供一种利用前述装置进行氧化铀粉末电化学还原的方法，以能够解决氧化铀还原过程中操作繁琐，产生放射性粉尘和使用危险气体的问题。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种利用前述装置进行氧化铀粉末电化学还原的方法，所述的方法依次包括如下步骤：

1)在所述的反应坩埚中装入所述的熔盐，在所述的多孔氧化镁管内插入阴极并装入氧化铀粉末；

2)在所述的阳极和所述的阴极间通过所述的直流电源施加正向电压或正向电流，使熔盐呈熔融态，并使得所述的多孔氧化镁管内的氧化铀粉末被还原为金属铀。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种利用前述装置进行氧化铀粉末电化学还原的方法，其中步骤2)中，熔盐呈熔融态的温度为600-800℃。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种利用前述装置进行氧化铀粉末电化学还原的方法，其中步骤2)中，施加的正向电压或正向电流为脉冲电压或脉冲电流，使得阳极的电流密度为0.1-3a/cm²，优选0.1-1a/cm²。

本发明的有益效果在于，利用本发明的氧化铀粉末电化学还原的装置和方法，能够解决氧化铀还原过程中操作繁琐，产生放射性粉尘和使用危险气体的问题。

本发明可将氧化铀(二氧化铀或八氧化三铀)粉末有效还原为金属铀，实现氧化铀至金属铀的转化，并且该方法缩短处理步骤，过程安全，不使用易燃易爆的气体。本发明具有工艺流程短、易于控制、操作安全的优点。

附图说明

图1为示例性的本发明的氧化铀粉末电化学还原的装置的组成结构图。

图2为实施例1所得电解产物的xrd图。

图3为实施例2所得电解产物的xrd图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

示例性的本发明的氧化铀粉末电化学还原的装置的组成结构如图1所示，包括导线1、阴极2、氧化铀粉末3、多孔氧化镁管4、熔盐5、加热炉6、保护坩埚7、反应坩埚8、阳极9、直流电源10、惰性氛围手套箱11。

保护坩埚7内的反应坩埚8用于装入熔盐5(为氯化物熔盐，选自氯化锂和/或氯化钙)，并在熔盐5中插入多孔氧化镁管4和阳极9后进行氧化铀粉末3(为二氧化铀或八氧化三铀粉末)电化学还原。

多孔氧化镁管4内插入阴极2并可装入氧化铀粉末3，多孔氧化镁管4的孔隙允许熔盐5通过但不允许氧化铀粉末3和被还原的金属铀通过。多孔氧化镁管4的平均孔径为15-25nm，厚度为1-5mm。

阴极2和阳极9分别通过导线1与直流电源10连接。阳极9的材料为石墨或铂；阳极9为片状或棒状；阴极2的材料为惰性金属，选自钼、镍、钽、钨等。

加热炉6用于透过保护坩埚7加热反应坩埚8使其中的熔盐5熔化。

惰性氛围手套箱11用于将除直流电源10外的其它装置部件置于其中，提供电化学还原的惰性环境。

利用上述示例性的本发明的氧化铀粉末电化学还原的装置进行下述实施例的操作。

实施例1：

将八氧化三铀粉末装入壁厚为1mm的多孔氧化镁管中，将装有licl-li2o(li2o质量分为2％)熔盐的反应坩埚放入惰性氛围手套箱中电解炉内的保护坩埚内。钼棒阴极插入装有氧化铀粉末的多孔氧化镁陶瓷管底部。阳极为直径6mm的铂金属棒。升温至680℃，保温60分钟，使熔盐处于熔融态。将阳极、阴极和氧化镁管下降至熔盐中，通过导线将阴极和阳极分别与直流电源相连。用直流电源在阳极施加3.5v的脉冲电压，多孔氧化镁管内的八氧化三铀粉末电解后产物的xrd图谱如图2所示，产物中主要为金属铀。

实施例2：

将八氧化三铀粉末装入壁厚为5mm的多孔氧化镁管中，将装有licl-li2o(li2o质量分为2％)熔盐的反应坩埚放入惰性氛围手套箱中电解炉内的保护坩埚内。钼棒阴极插入装有氧化铀粉末的多孔氧化镁陶瓷管底部。阳极为直径6mm的铂金属棒。升温至650℃，保温30分钟，使熔盐处于熔融态。将阳极、阴极和氧化镁管下降至熔盐中，通过导线将阴极和阳极分别与直流电源相连。用直流电源在阳极施加3.5v的脉冲电压，多孔氧化镁管内的八氧化三铀粉末电解后产物的xrd图谱如图3所示，产物为金属铀和少量的二氧化铀。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。