一种模拟高温气冷堆乏燃料元件球基体石墨的剥离方法

摘要

一种模拟高温气冷堆乏燃料元件球基体石墨的剥离方法，该方法以直径为Ф60mm的模拟乏燃料元件球作为电极的阳极、阴极，以2～7mol/L硝酸和30～80g/L醋酸的混合液为电解液，在电流为2.5～9.5A电流，温度为18－30℃的恒温条件下进行电解。剥离速率最高可以达到15.5g/h，约12－13小时就能剥离一个石墨燃料球。本发明不仅使用的是低功率的电源，节省电能，同时电解液可以循环利用，降低成本，在电解过程中不会放出有毒害的气体，适应了环保的要求，是一种非常具有发展前途的乏燃料元件球的破碎工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及一种乏燃料元件球的破碎，特别涉及一种利用电解插层氧化法剥离高温气冷堆乏燃料元件中基体石墨的模拟破碎方法。为高温气冷堆的后处理首端技术奠定基础。

背景技术

核能是地球上储量丰富、高度浓集的能源。核能发电比较经济，清洁，能够大大减少环境污染问题，21世纪将是核能发电的大发展时期。

在各种反应堆型中，高温气冷堆(HTGR)以其固有安全性好、发电效率高、用途广泛等优点受到了世界各国特别是发展中国家的重视，由于其出口温度可以达到1000℃以上，能够提供约73％的工业用热需求，因此它有望作为第四代先进反应堆型之一在今后得到广泛的应用。高温气冷堆属于模块式球床堆，使用的核燃料为低富集度的铀，制成的球型燃料元件在堆中多次通过后，核燃料循环过程中积累的裂变产物使乏燃料元件带有很强的放射性，仅一个热功率为200MW的高温气冷堆，每年卸出的乏燃料元件就有9万多个。

随着环境保护以及最终安全处置放射性物质的要求越来越高，未来第四代核燃料循环系统要求节省资源、最终废物最小化以及经济性，因此研究高温气冷堆乏燃料元件的安全、经济和合理的处理技术是一个重要课题。

目前的高温气冷堆乏燃料元件球由8300个包覆燃料颗粒弥散在基体石墨中，其直径为60mm，而包覆燃料颗粒是由五层组成，在氧化铀(UO₂)核芯表面依次为化学气相疏松热解碳(P_yC)层、高密度各向同性P_yC层、SiC层和高密度各向同性P_yC层制成。虽然氧化铀核芯浸出液可以采用成熟的PUREX流程技术进行处理，但是其乏燃料后处理首端不能采用传统的剪切技术，因此需要针对其特点研究新技术。

当前乏燃料元件的破碎方式有很多种，如燃烧法、机械破碎法、脉冲电流法、氟化法等。燃烧法[见焦荣洲，朱永jun.高温气冷堆钍、铀燃料元件的后处理与处置技术的发展状况.高技术通讯，1994，3：36-40]就是将元件球直接燃烧，虽然能达到95％的铀回收率，但是还不能达到未来核燃料循环系统对废物最小化的要求，另外其排放气体中含有¹⁴C，严重污染了大气；机械破碎法存在放射性粉尘问题；脉冲电流法[见Michel Masson，StéphaneGrandjean.HTGR spent fuels processing：The CEA investigation program.Proceedingsof the Conference on High Temperature Reactors，Beijing，China，September，22-24，2004.HTR2004：1-9]可以有效的分解石墨，但是要求条件较为苛刻，反应时间也较长；氟化法[见V.N.Prusakov，N.M.Trotsenko.On Applicability of Gas-fluoride Technology toRegeneration of Spent HTGR Fuel Elements.Specialists’meeting on gas-cooled reactorfuel development and spent fuel treatment.Moscow(Russian Federation)18-21 Oct 1983.IWGGCR-8-30，383-387]的优点是其反应动力学较好，比溶剂萃取法分离的效果好，速度快，铀的纯化系数可达到10⁷～10⁹。氟化法属于干法后处理技术，高温下存在设备材料问题，氟化过程中产生放射性粉尘问题，都没有很好解决；综上所述，高温气冷堆乏燃料后处理中，元件球的破碎问题还没有很好解决，需要提出新的技术思路，开展进一步研究工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决高温气冷堆乏燃料的破碎，提供一种模拟高温气冷堆乏燃料元件球基体石墨的剥离方法，旨在寻找一种可节省能源，后处理成本低，适应环保的要求且具有发展前途的乏燃料元件的破碎工艺，从而为高温气冷堆的后处理首端技术奠定基础。

本发明的技术方案如下：

一种模拟高温气冷堆乏燃料元件球基体石墨的剥离方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)在电解槽中放入Φ60mm模拟乏燃料元件，以2～7mol/L硝酸和30-80g/L醋酸的混合液作为电解液；

2)以直径为Φ60mm的模拟乏燃料元件球作为电极的阳极、阴极；

3)接通电源，通入2.5～9.5A电流，在温度为18～30℃的恒温条件下进行电解。

本发明具有以下优点及突出性效果：本发明采用电化学法破碎乏燃料元件不仅使用的是低功率的电源，节省电能，同时电解液可以循环利用，降低成本，并且电解过程中不会放出有毒害的气体，适应了环保的要求，剥离速率最高可以达到15.5g/h，约12-13小时就能剥离一个石墨燃料球，是一种非常具有发展前途的乏燃料元件球的破碎工艺；

具体实施方式

下面通过实施例来详细说明本发明。

实施例1

配置4mol/LHNO₃-60g/LCH₃COOH的电解液置于电解槽中，分别加入模拟乏燃料元件作为阴极和阳极，在18℃下恒温，通入2.5A电流进行恒流电解。电解进行2h后，抽滤电解液，并用去离子水洗涤滤饼至滤液pH为7左右，于烘箱中120℃干燥3h后称量，剥离速率为3.7g/h。

实施例2

配置2mol/LHNO₃-80g/LCH₃COOH的电解液置于电解槽中，分别加入模拟乏燃料元件作为阴极和阳极，在30℃下恒温，通入8A电流进行恒流电解。电解进行2h后，抽滤电解液，并洗涤滤饼至滤液pH为7左右，于烘箱中120℃干燥3h后称量，剥离速率为6.9g/h。

实施例3

配置4mol/LHNO₃-60g/LCH₃COOH的电解液置于电解槽中，分别加入模拟乏燃料元件作为阴极和阳极，在25℃下恒温，通入4.5A电流进行恒流电解。电解进行2h后，抽滤电解液，并洗涤滤饼至滤液pH为7左右，于烘箱中120℃干燥3h后称量，剥离速率为7.2g/h。

实施例4

配置2mol/LHNO₃-60g/LCH₃COOH的电解液置于电解槽中，分别加入模拟乏燃料元件作为阴极和阳极，在30℃下恒温，通入7A电流进行恒流电解。电解进行2h后，抽滤电解液，并洗涤滤饼至滤液pH为7左右，于烘箱中120℃干燥3h后称量，剥离速率为11.1g/h。

实施例5

配置7mol/LHNO₃-30g/LCH₃COOH的电解液置于电解槽中，分别加入模拟乏燃料元件作为阴极和阳极，在30℃下恒温，通入9.5A电流进行恒流电解。电解进行2h后，抽滤电解液，并洗涤滤饼至滤液pH为7左右，于烘箱中120℃干燥3h后称量，剥离速率为12.5g/h。

实施例6

配置5mol/LHNO₃-60g/LCH₃COOH的电解液置于电解槽中，分别加入模拟乏燃料元件作为阴极和阳极，在30℃下恒温，通入7A电流进行恒流电解。电解进行2h后，抽滤电解液，并洗涤滤饼至滤液pH为7左右，于烘箱中120℃干燥3h后称量，剥离速率为12.6g/h。

实施例7

配置4mol/LHNO₃-30g/LCH₃COOH的电解液置于电解槽中，分别加入模拟乏燃料元件作为阴极和阳极，在18℃下恒温，通入9.5A电流进行恒流电解。电解进行2h后，抽滤电解液，并洗涤滤饼至滤液pH为7左右，于烘箱中120℃干燥3h后称量，剥离速率为14.2g/h。

实施例8

配置4mol/LHNO₃-60g/LCH₃COOH的电解液置于电解槽中，分别加入模拟乏燃料元件作为阴极和阳极，在30℃下恒温，通入7A电流进行恒流电解。电解进行2h后，抽滤电解液，并洗涤滤饼至滤液pH为7左右，于烘箱中120℃干燥3h后称量，剥离速率为15.5g/h。