[發明專利]一種離子液體直接溶解二氧化鈾或乏燃料氧化物的方法

有效

• 申請號: 201210410355.9
• 申請日: 2012-10-24
• 公開（公告）號: CN103778983B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 褚泰偉;姚愛寧
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G21C19/44
• 分類號: G21C19/44;G21F9/28
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 李稚婷

技術領域

本發明涉及乏燃料后處理技術領域，具體涉及UO₂或者乏燃料氧化物在離子液體中氧化溶解以備分離回收的方法。

背景技術

隨著經濟與社會的發展，人類對能源的需求與日俱增，能源發展制約著經濟建設。中國人口眾多，能源礦產人均量相對較少，而由于化石能源的廣泛使用，目前正面臨嚴峻的能源危機。核能具有許多優點，目前政府對核電行業的態度已經從“積極發展”轉變到“盡可能發展”，這對于發展中的中國來說意義重大。由于鈾資源的有限，為了維持核電的可持續發展，需要對乏燃料進行后處理，以回收寶貴的鈾資源，因此在一定程度上核燃料后處理技術的發展制約了核能的利用前景。

乏燃料后處理是實現核燃料閉合循環的關鍵環節。迄今為止，熱堆乏燃料工業化后處理是以Purex（plutonium uranium recovery by extraction）流程為主導工藝的水法技術。該流程使用有機溶劑和萃取劑，如TBP/OK體系，具有萃取效率高、工藝簡單等優點，但也有很大的缺點，用到了大量的酸、堿和有機溶劑，環境污染嚴重，溶劑和萃取劑輻射穩定性較差。除此之外，由于燃耗深、冷卻期短、钚含量高的乏燃料(尤其是快堆乏燃料)的處理技術具有潛在應用前景，這就使得水法工藝難以適應。所以各國科學家一直在尋找濕法處理的替代方法，無溶劑處理或干法處理。當然，無溶劑處理是最理想的方法，但在技術上還存在許多難題。

干法處理是在高溫、無水狀態下處理輻照核燃料的化學工藝過程，采用熔融鹽作為電解液，用氧化劑將UO₂氧化溶解進入熔融鹽電解液，再在陰極上電解還原沉積出氧化物，從而分離U與Pu。由于這些熔融鹽一般是在高溫下才變成液體，在后處理技術存在一些缺陷：操作溫度高，放射性核素的蒸汽壓增加，防護要求嚴格，設備腐蝕嚴重，流程需要在惰性氣氛保護下的密閉設備中才能完成。

近些年來，人們研究發現了一些在室溫條件下熔融的鹽或者鹽的混合物，被稱為“離子液體”。離子液體是在室溫及相鄰溫度下完全由離子組成的物質，具有獨特而優越的物理化學性質：室溫下蒸汽壓幾乎為零，熱穩定性好，輻射穩定性能優良，液態范圍寬，對多種有機、無機物有良好的溶解性，導電能力高和電化學窗口寬；使得它能夠作為獨特溶劑開展電化學研究，能夠電解制備許多不能在水溶液中存在、化學性質活潑的金屬，在乏燃料后處理技術中將會有廣泛而重要的應用。

目前，大多數核反應堆使用氧化物，主要以二氧化鈾、二氧化钚為燃料元件，由于二氧化鈾等燃料元件的化學性質極其穩定，將二氧化鈾溶解在離子液體中就成為一個難題。通常的溶解方法是將二氧化鈾氧化成鈾酰離子，為此選擇合適的氧化劑是非常重要的，否則二氧化鈾難以溶解在離子液體氛圍中。Y.Ikeda等在2005Fall Meeting ofthe Atomic Energy Societyof Japan(2005)一文中，提出了在氯化1-甲基-3-丁基-咪唑鎓和十氟丁基硫酸中通入氯氣溶解二氧化鈾的方法；中國專利申請公開說明書CN 101252027A中，何輝等人指出可以將UO₂、PuO₂或乏燃料溶解于含有N₂O₄或NO₂強氧化劑的離子液體中。雖然這兩種氣態氧化劑都具有溶解速率快，不向溶解體系引入雜質的特點，但是它們都有毒，不符合綠色化學的發展要求，為此我們希望在離子液體體系中找到一種無毒或者少毒的氧化劑來溶解二氧化鈾。

發明內容

本發明針對現有技術所存在的問題，提供一種經濟實用、綠色環保的離子液體中溶解UO₂或者乏燃料氧化物的方法。其最終目的是解決乏燃料在離子液體介質中的后處理技術，前提條件是要將乏燃料氧化物在離子液體中溶解，再考慮如何將乏燃料中有用的U、Th以及稀土等分離開來。

一種離子液體中溶解UO₂或者乏燃料氧化物的方法，是將UO₂或者乏燃料氧化物直接溶解于含鐵（III）的離子液體中，而不需要向離子液體體系中額外加入強氧化劑，關鍵在于所述的離子液體中應該含有氧化性的Fe(III)。本技術方案所涉及的處理對象主要是鈾的氧化物（UO₂）。

本發明方法所述含Fe(III)離子液體可以僅包含鐵基離子液體及其相應陽離子的鹵鹽類離子液體組成的混合離子液體體系，也可以是單純的鐵基離子液體。