熔融盐是一类非水溶剂,分为高温熔盐、室温熔盐和低温熔盐。 作为反应介质和电解介质,因其优良性能,可以溶解很多难溶于水的活泼金属。 近年来,该领域的研究热点是将熔盐作为干法后处理的电解质分离和回收锕系元素。 本文综述了锕系元素在高温熔盐中的电化学行为、热力学等物理特性,介绍了近几年室温离子液体(RTILs)的研究进展及锕系元素在RTILs中萃取特性的最新研究成果,展望了熔盐体系未来的研究方向。
Molten salts are non-aqueous solvents which are divided into high temperature molten salts, low temperature molten salts and room temperature molten salts. Due to their unique physical and chemical properties, they are used as the reaction and electrolytic media to electrodeposit the active metal coatings that can not be obtained in aqueous solution. In recent years, the research hot spot in the field of molten electrochemistry is that it is applicable in non-aqueous reprocessing by substituting caustic molten salts for electro-deposition and separation of actinide metal ions. This article reviews the properties of actinide elements in electrochemistry, thermodynamics and physics in high temperature molten salt. The recent research progress of room temperature ionic liquids and the latest extraction advancement of actinide elements in room temperature ionic liquids are introduced. The future research trend in molten system is also given.
随着世界能源和环境问题的日益凸显, 作为一种安全清洁的能源, 核能在电力供应中所占的比重逐年上升。 核燃料的循环利用是保证核能可持续发展的关键, 建立一个独立、完整和先进的核燃料循环工业体系对我国核工业的快速、持续发展至关重要。 在这个循环体系中, 乏燃料后处理是确保我国核能可持续发展的关键环节。 全世界每年产生的乏燃料约为11000 tHM, 目前乏燃料的累计存量已经超过150000 tHM, 乏燃料中含有大量U、Pu、次锕系元素(MA)和裂变产物(FP), 其中MA和FP对地球生物和环境造成长期的潜在危害, 故乏燃料的处理处置已经成为制约核能可持续发展的关键问题之一。
乏燃料后处理是对核电站卸出的乏燃料元件进行处理、分离并回收未烧尽的铀和新生成的钚, 同时对放射性废物进行处理, 以满足处置要求的一种处理方式[1]。 后处理技术根据使用介质的不同可分为使用水溶液的湿法和不使用水溶液的干法, 湿法主要有溶剂萃取法(液液萃取法)、离子交换法和沉淀法等; 干法主要有熔盐电解法、液态金属还原法和氟化物挥发法等。 干法后处理技术具有分离燃耗深、冷却期短、钚含量高(尤其是快堆乏燃料)等优点, 近年来已成为乏燃料后处理领域的研究热点, 世界上的主要核能大国均投入大量人力物力开展干法后处理技术研究, 并将主要精力集中在以熔盐电解法为基础的干法后处理流程的研发上。 锕系元素是乏燃料后处理的主要对象, 本文将综述锕系元素在高温熔盐中的电化学行为、热力学等物理特性, 介绍近几年国内外室温离子液体及锕系元素在RTILs中的萃取特性的最新研究成果, 提出熔盐体系未来的研究方向, 为从事乏燃料后处理研究的科技工作者建立基于RTILs的新型后处理技术提供基础理论研究依据。
熔融盐是一类非水溶剂, 作为反应介质和电解介质, 用于冶金、表面处理、电池、能源、合成化工材料、原子能等领域。 熔盐又分为低温熔盐、室温熔盐、高温熔盐, 三者之间并无明显的界限[2]。 熔盐电解法分为高温熔盐电解和室温熔盐电解。 高温熔盐电解是目前干法回收的重要技术之一, 它是指先将乏燃料溶解到金属氯化物的高温熔盐中, 利用电沉积的方式, 在阴极上分别或者共同沉积出铀和钚。 该工艺操作通常要在金属氯化物熔点以上进行, 对设备的要求及能耗极高, 具有耐辐照、低临界风险、放射性废物少、流程简单等优点, 可适用于金属燃料、氮化物燃料及氧化物燃料等多种形态的燃料处理[3]; 但该工艺存在操作温度高、熔融卤化物及液态金属对材料腐蚀严重、分离性能低等缺点[4]。
离子液体(RTILs), 也叫室温熔融盐, 由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的盐类[5], 在室温下成液体状态, 它融合了高温熔盐和水溶液的优点:导电性好、不挥发、热稳定性好、电化学窗口宽等[6], 在室温下就可得到在高温熔盐中电沉积才能得到的金属和合金。 因此, 若能用其代替碱金属氯化物熔盐作为熔盐电解技术的介质来分离和回收铀、钚和其它裂变产物, 将从根本上解决其所面临的高温和材料腐蚀问题, 对以熔盐电解为基础的干法后处理具有划时代的意义[7]。 然而, 该技术生产成本高, 很难合成集高电导率、高稳定性、宽电化学窗口等诸多优点为一体的RTILs, 故RTILs在乏燃料后处理技术中的大规模工业化应用尚不成熟[8]。
自20世纪60年代以来, 各国相继研究过多种干法后处理技术, 比较有发展前景的方法是金属燃料和氧化物燃料的熔盐电解精炼法。 锕系元素是乏燃料后处理的主要对象, 对锕系元素尤其是铀和钚的萃取分离是乏燃料后处理的主要任务。 目前, 很多研究团队均在进行锕系元素在高温熔盐中的相关性质的研究工作。
近年来, 国内外学者采用循环伏安法和计时电流法研究了U、Pu、Np和Th等锕系元素在氟化物或氯化物熔盐中的电化学行为, 得到了电流密度、电极电势、扩散系数等电化学参数, 探讨了反应机制, 分析了高温熔盐处理乏燃料的可行性。 由于钚的强放射性, 关于钚在高温熔盐中的电化学行为研究的文献报道不是很多。 Serp等[9]采用循环伏安、计时电势等技术研究了钚离子在LiCl-KCl熔盐中的电化学行为, 在733 K时, Pu3+扩散系数为Dpu2+=2× 10-5 cm/s, 标准电势为-2.796 V(Cl2-Cl-为参比电极), Pu3+-Pu反应是简单的一步反应机制, 通过Pu3+-Pu形成自由焓估算Pu3+离子的活度系数。 用类似的方法, Iizuka等[10]重点研究了电流密度对收集速率的影响, 当阴极电流密度低于4× 10-2 A/cm2时, 钚的回收率接近100%, 在更高电流密度时, 由于锂和液态镉阴极(LCCs)陶瓷部分反应致使钚的回收率下降, 发现阴极电流密度与熔盐中钚离子的浓度成正比, 由LCCs电极上实验数据外推出Pu的收集速率为324 g/h, 且在LCCs底部钚是以PuCd6的形式沉淀, 该实验首次推导出Pu的收集速率, 为研究其它锕系元素提供了有益的参考。 Cassayre等[11]在熔融LiCl-KCl合金中使用循环伏安和计时电流法研究了钍离子的还原机制和扩散系数, 观察到Th在熔盐中只有一个稳定价态, 还原到Th金属是一步反应机制, 在723 K时, Th的扩散系数DTh=(3.15± 0.15)× 10-5 cm2/s, 标准电动势
在高温熔盐中对铀的电化学行为的研究一直是锕系元素研究的热点。 Iizuka等[14]使用电化学方法从熔融盐或液态金属镉中回收锕系元素, 验证了从液态镉层电迁移铀和从熔融盐电解质中电解还原铀, 并成功地回收铀, 进一步验证了从高温熔盐中回收锕系元素的可行性。 Reddy等[15]使用高温熔盐原电池测量方法测出U-Ga合金的吉布斯自由能和电动势, 首次确定了α -U和液态镓组成的合金UGa3、UGa2和U2Ga3的吉布斯自由能分别为(-44.1± 0.016)T、(-46± 0.017)T和(-46.3± 0.017)T kJ/mol, 并获得铀在液镓中的偏摩尔过剩自由焓和偏摩尔焓, 但并没得出准确的电动势数值。 国内学者对铀在高温熔盐中的电化学行为也进行了相关性质的研究, 如高繁星等[16]研究了LiCl--KCl熔盐中铀的电化学行为; 刘刈等[17]在1073 K, 采用循环伏安法和计时电流法研究了U在氟化物LiF-NaF-UF4熔盐中的电化学还原机理, 得出U4+在氟化物熔盐中的还原分两步即U4++e-=U3+, U3++3e-=U, 这两个还原过程均为扩散控制且可逆, 扩散系数
能否成功实现锕系元素的相互分离是高温熔盐电解法用于乏燃料干法后处理的关键, 因此, 很多研究者都进行了深入的研究。 Shirai等[18]在不同温度下的LiCl-KCl熔盐中, 在W和Mo工作电极下, 通过循环伏安法研究了U和Pu的电沉积和溶解行为, 伏安图表明, U3+/U和Pu3+/Pu可能是准可逆的, U4+/U3+是可逆的, 且在沉积电势下形成U和Pu的吸收峰和解吸峰。 随后Sakamura等[19]在LiCl-KCl熔盐中通过电解精炼法从稀土金属中分离锕系元素并测量U、Pu、Np和Am的标准电势, 结果表明, Am是最难回收的。镅的伏安图有两个阴极峰表明Am3+/Am2+, Am2+/Am分两步还原, Am2+/Am的标准电势为-1.642 V。 Sou
关于锕系元素在高温熔盐中的热力学和其它物理学特性研究的文献报道较少, 研究方法基本相似。 Lambertin 等[21]采用循环伏安法和计时电流法研究用高温化学法分离钚的热力学的可行性, 得出Pu在液镓中的活度系数是lg (γ Pu, Ga)=(-7.3± 0.5), 发现液镓是分离Pu和Ce的理想溶剂。 Van der Meer等[22]研究氟化物熔盐处理核燃料的热力学和物理学特性, 综述了LiF-BeF2-ThF4这个三元系的一些重要特征, 并指出其典型的组成为0.717LiF-0.16BeF2-0.12ThF4-0.003UF4, 蒸汽压是10-810-6 bar, 熔合的温度是794.5 K, 与理论值一致, 并且纯氟化物组件的密度和液体混合物的密度呈线性关系。 Rance等[23]探讨了后处理镎的工艺流程可行性的相关问题并绘制了U、Pu、Am等核素在后处理工艺走向流程图, 分析比较237Np与其它裂片核素的性质(表1), 发现预期质量的镎与高活性废物转化为陶瓷废料的过程中产生的裂变产物相结合, 但还没有文献报道称镎的分离或转移不会发生, 也没有进行下一步的研究, 但这一发现对研究锕系元素在高温熔盐中的电化学行为提供了新的启发。
RTILs具有电导率高、电化学窗口宽、熔点低、辐照稳定性好等优点, 使其可以作为独特溶剂进行电化学研究, 并且在RTILs合成过程中引入特定的官能团, 形成任务专一型的离子液体, 即功能化离子液体(TSIL)[6], 提高其对目标金属离子的萃取率和选择性。 用RTILs代替氯化物熔盐作为熔盐电解质来进行干法后处理, 是解决高温强腐蚀问题的重要方向[7]。 因此, 很多研究者均开展了锕系元素在RTILs中萃取特性的研究。
近年来, RTILs因其独特的性能成为乏燃料后处理领域的研究热点。 国外的Cé line等[24]使用玻碳电极研究了U6+的氯化物的氧化还原特性, 在4种新型离子液体中使用循环伏安法揭示了两个主要的氧化还原电对即U5+C
目前, 对锕系元素在RTILs中萃取特性的主要研究工作是合成功能化的离子液体(TSIL), 探索不同的稀释剂和萃取剂对锕系元素的萃取能力, 寻求合成最好的RTILs来分离和回收锕系元素。 在RTILs中对Am的研究一直都很活跃, 并为研究其它锕系元素提供理论指导。 Senqupta等[28]使用RTILs从放射性废物中回收Am, 使用了侧链长度不同的离子液体Cnmim+P
在RTILs中对铀的研究一直都是锕系元素的重点, 除了研究它的电化学行为外, 还研究了在功能化离子液体(TSIL)中的氧化物、热力学和氧化还原性质等, 并取得很多创新的实验成果, 为研究其它锕系元素提供新的研究思路。 刘浩等[32]研究磷酸三丁酯/1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(TBP/[C8mim][PF6])和磷酸三丁酯/1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(TBP/[C4mim][PF6])在萃取U
对Pu的分离也是乏燃料后处理的关键步骤, 因其强放射性, 在RTILs中对Pu的研究文献报道较少, Huang等[37]研究发现, 在RTILs中, 稀释剂为1-己基-3甲基咪唑-双(三氟甲基磺酰)亚胺盐(C6mimTf2N), 萃取剂为TODGA, 从水相硝酸中萃取Pu4+, Pu4+的萃取百分数超过99%, 在0.1 mol/L TODGA/C6mimTf2N中, 遵循阳离子交换机制, Pu4+被萃取到RTILs相的形式是[Pu(NO3)(TODGA)]3+, 获得了萃取反应方程和热力学平衡常数的参数。随着钍基熔盐堆的发展, 作者认为应更加重视对Th相关性质的研究, Shiri-Yekta等[38]研究了1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([C4mim+][P
Iqbal[40]综合和评估锕系和镧系元素从核废料中萃取时可能形成的配体化合物, 对新形成的配体、配体的特性、亲水性配体的萃取效率、正辛基苯基-N, N'-二异丁基胺甲酰甲基氧化膦(CMPO)功能化离子液体对各种金属离子萃取能力等均做了详细的论证。 Mohapatra等[41, 42, 43, 44]在该领域做了很多研究, 并获得很多创新型实验成果。 研究发现, CMPO溶解在CnmimPF6中形成的新型功能化溶剂系统L-Ⅰ (CMPO-TSIL-P
乏燃料后处理是核燃料循环的中心环节, 对核能和核安全的可持续发展具有重要意义。 在先进核燃料循环系统中, 关键步骤是对这些高燃耗、高钚含量、高辐照的热堆和快堆乏燃料或嬗变靶件的处理, 这使得水法后处理流程无法满足分离要求[2]。 因此, 干法后处理技术重新受到人们的重视, 尤其是高温熔盐电解技术成为乏燃料干法后处理的重要研究方向。 该体系存在分离系数低、高温和材料腐蚀等问题, 因此规模还是较小。 为了研制更好的乏燃料后处理方法, 国内外的科学家把目光转向离子液体, 因其在室温下就能溶解上千度才能溶解的金属, 若能使RTILs代替高温熔盐用于乏燃料回收, 将对基于熔盐体系电解方法的干法后处理流程做出革命性变革。 RTILs的发展历史较短, 生产成本高, 目前RTILs用于乏燃料后处理的研究还处于起步阶段, 需要加强基础研究, 未来熔盐用于核燃料后处理的研究重点可能包括如下几个方面:
1)高温熔盐方面, 应加强在热力学、动力学和反应机理等方面的基础研究。 溶解度和耐高温耐腐蚀材料的问题, 是制约高温熔盐电解用于干法后处理的两大因素。
2)离子液体方面, 应改进对离子液体中杂质的分析检测和去除的方法, 加强动力学、热力学、萃取机理和锕系镧系离子相互分离等方向的基础研究。 提高反萃能力、萃取稳定性尤其是辐射稳定性。合成功能化离子液体。 增加处理乏燃料后对离子液体回收性质的研究。
3)熔盐体系方面, 应增加对锕系元素及其氧化物和裂变产物在熔盐体系中的基础研究, 以获得实验数据和工艺流程图。 这对熔盐体系用于干法后处理, 以及实现工业化至关重要。
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