專利名稱：一種模擬高溫氣冷堆乏燃料元件球基體石墨的剝離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種乏燃料元件球的破碎，特別涉及一種利用電解插層氧化法剝離高溫氣冷堆乏燃料元件中基體石墨的模擬破碎方法。為高溫氣冷堆的后處理首端技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
背景技術(shù)：
核能是地球上儲(chǔ)量豐富、高度濃集的能源。核能發(fā)電比較經(jīng)濟(jì)，清潔，能夠大大減少環(huán)境污染問(wèn)題，21世紀(jì)將是核能發(fā)電的大發(fā)展時(shí)期。
在各種反應(yīng)堆型中，高溫氣冷堆(HTGR)以其固有安全性好、發(fā)電效率高、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)受到了世界各國(guó)特別是發(fā)展中國(guó)家的重視，由于其出口溫度可以達(dá)到1000℃以上，能夠提供約73％的工業(yè)用熱需求，因此它有望作為第四代先進(jìn)反應(yīng)堆型之一在今后得到廣泛的應(yīng)用。高溫氣冷堆屬于模塊式球床堆，使用的核燃料為低富集度的鈾，制成的球型燃料元件在堆中多次通過(guò)后，核燃料循環(huán)過(guò)程中積累的裂變產(chǎn)物使乏燃料元件帶有很強(qiáng)的放射性，僅一個(gè)熱功率為200MW的高溫氣冷堆，每年卸出的乏燃料元件就有9萬(wàn)多個(gè)。
隨著環(huán)境保護(hù)以及最終安全處置放射性物質(zhì)的要求越來(lái)越高，未來(lái)第四代核燃料循環(huán)系統(tǒng)要求節(jié)省資源、最終廢物最小化以及經(jīng)濟(jì)性，因此研究高溫氣冷堆乏燃料元件的安全、經(jīng)濟(jì)和合理的處理技術(shù)是一個(gè)重要課題。
目前的高溫氣冷堆乏燃料元件球由8300個(gè)包覆燃料顆粒彌散在基體石墨中，其直徑為60mm，而包覆燃料顆粒是由五層組成，在氧化鈾(UO2)核芯表面依次為化學(xué)氣相疏松熱解碳(PyC)層、高密度各向同性PyC層、SiC層和高密度各向同性PyC層制成。雖然氧化鈾核芯浸出液可以采用成熟的PUREX流程技術(shù)進(jìn)行處理，但是其乏燃料后處理首端不能采用傳統(tǒng)的剪切技術(shù)，因此需要針對(duì)其特點(diǎn)研究新技術(shù)。
當(dāng)前乏燃料元件的破碎方式有很多種，如燃燒法、機(jī)械破碎法、脈沖電流法、氟化法等。燃燒法[見焦榮洲，朱永jun.高溫氣冷堆釷、鈾燃料元件的后處理與處置技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r.高技術(shù)通訊，1994，336-40]就是將元件球直接燃燒，雖然能達(dá)到95％的鈾回收率，但是還不能達(dá)到未來(lái)核燃料循環(huán)系統(tǒng)對(duì)廢物最小化的要求，另外其排放氣體中含有14C，嚴(yán)重污染了大氣；機(jī)械破碎法存在放射性粉塵問(wèn)題；脈沖電流法[見Michel Masson，StéphaneGrandjean.HTGR spent fuels processingThe CEA investigation program.Proceedingsof the Conference on High Temperature Reactors，Beijing，China，September，22-24，2004.HTR20041-9]可以有效的分解石墨，但是要求條件較為苛刻，反應(yīng)時(shí)間也較長(zhǎng)；氟化法[見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]的優(yōu)點(diǎn)是其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較好，比溶劑萃取法分離的效果好，速度快，鈾的純化系數(shù)可達(dá)到107～109。氟化法屬于干法后處理技術(shù)，高溫下存在設(shè)備材料問(wèn)題，氟化過(guò)程中產(chǎn)生放射性粉塵問(wèn)題，都沒有很好解決；綜上所述，高溫氣冷堆乏燃料后處理中，元件球的破碎問(wèn)題還沒有很好解決，需要提出新的技術(shù)思路，開展進(jìn)一步研究工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決高溫氣冷堆乏燃料的破碎，提供一種模擬高溫氣冷堆乏燃料元件球基體石墨的剝離方法，旨在尋找一種可節(jié)省能源，后處理成本低，適應(yīng)環(huán)保的要求且具有發(fā)展前途的乏燃料元件的破碎工藝，從而為高溫氣冷堆的后處理首端技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種模擬高溫氣冷堆乏燃料元件球基體石墨的剝離方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行1)在電解槽中放入Φ60mm模擬乏燃料元件，以2～7mol/L硝酸和30-80g/L醋酸的混合液作為電解液；2)以直徑為Φ60mm的模擬乏燃料元件球作為電極的陽(yáng)極、陰極；3)接通電源，通入2.5～9.5A電流，在溫度為18～30℃的恒溫條件下進(jìn)行電解。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明采用電化學(xué)法破碎乏燃料元件不僅使用的是低功率的電源，節(jié)省電能，同時(shí)電解液可以循環(huán)利用，降低成本，并且電解過(guò)程中不會(huì)放出有毒害的氣體，適應(yīng)了環(huán)保的要求，剝離速率最高可以達(dá)到15.5g/h，約12-13小時(shí)就能剝離一個(gè)石墨燃料球，是一種非常具有發(fā)展前途的乏燃料元件球的破碎工藝；具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1配置4mol/LHNO3-60g/LCH3COOH的電解液置于電解槽中，分別加入模擬乏燃料元件作為陰極和陽(yáng)極，在18℃下恒溫，通入2.5A電流進(jìn)行恒流電解。電解進(jìn)行2h后，抽濾電解液，并用去離子水洗滌濾餅至濾液pH為7左右，于烘箱中120℃干燥3h后稱量，剝離速率為3.7g/h。
實(shí)施例2配置2mol/LHNO3-80g/LCH3COOH的電解液置于電解槽中，分別加入模擬乏燃料元件作為陰極和陽(yáng)極，在30℃下恒溫，通入8A電流進(jìn)行恒流電解。電解進(jìn)行2h后，抽濾電解液，并洗滌濾餅至濾液pH為7左右，于烘箱中120℃干燥3h后稱量，剝離速率為6.9g/h。
實(shí)施例3配置4mol/LHNO3-60g/LCH3COOH的電解液置于電解槽中，分別加入模擬乏燃料元件作為陰極和陽(yáng)極，在25℃下恒溫，通入4.5A電流進(jìn)行恒流電解。電解進(jìn)行2h后，抽濾電解液，并洗滌濾餅至濾液pH為7左右，于烘箱中120℃干燥3h后稱量，剝離速率為7.2g/h。
實(shí)施例4配置2mol/LHNO3-60g/LCH3COOH的電解液置于電解槽中，分別加入模擬乏燃料元件作為陰極和陽(yáng)極，在30℃下恒溫，通入7A電流進(jìn)行恒流電解。電解進(jìn)行2h后，抽濾電解液，并洗滌濾餅至濾液pH為7左右，于烘箱中120℃干燥3h后稱量，剝離速率為11.1g/h。
實(shí)施例5配置7mol/LHNO3-30g/LCH3COOH的電解液置于電解槽中，分別加入模擬乏燃料元件作為陰極和陽(yáng)極，在30℃下恒溫，通入9.5A電流進(jìn)行恒流電解。電解進(jìn)行2h后，抽濾電解液，并洗滌濾餅至濾液pH為7左右，于烘箱中120℃干燥3h后稱量，剝離速率為12.5g/h。
實(shí)施例6配置5mol/LHNO3-60g/LCH3COOH的電解液置于電解槽中，分別加入模擬乏燃料元件作為陰極和陽(yáng)極，在30℃下恒溫，通入7A電流進(jìn)行恒流電解。電解進(jìn)行2h后，抽濾電解液，并洗滌濾餅至濾液pH為7左右，于烘箱中120℃干燥3h后稱量，剝離速率為12.6g/h。
實(shí)施例7配置4mol/LHNO3-30g/LCH3COOH的電解液置于電解槽中，分別加入模擬乏燃料元件作為陰極和陽(yáng)極，在18℃下恒溫，通入9.5A電流進(jìn)行恒流電解。電解進(jìn)行2h后，抽濾電解液，并洗滌濾餅至濾液pH為7左右，于烘箱中120℃干燥3h后稱量，剝離速率為14.2g/h。
實(shí)施例8配置4mol/LHNO3-60g/LCH3COOH的電解液置于電解槽中，分別加入模擬乏燃料元件作為陰極和陽(yáng)極，在30℃下恒溫，通入7A電流進(jìn)行恒流電解。電解進(jìn)行2h后，抽濾電解液，并洗滌濾餅至濾液pH為7左右，于烘箱中120℃干燥3h后稱量，剝離速率為15.5g/h。
權(quán)利要求
1.一種模擬高溫氣冷堆乏燃料元件球基體石墨的剝離方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行1)在電解槽中放入Φ60mm模擬乏燃料元件，以2～7mol/L硝酸和30-80g/L醋酸的混合液作為電解液；2)以直徑為Φ60mm的模擬乏燃料元件球作為電極的陽(yáng)極、陰極；3)接通電源，通入2.5～9.5A電流，在溫度為18～30℃的恒溫條件下進(jìn)行電解。
全文摘要
一種模擬高溫氣冷堆乏燃料元件球基體石墨的剝離方法，該方法以直徑為Ф60mm的模擬乏燃料元件球作為電極的陽(yáng)極、陰極，以2～7mol/L硝酸和30～80g/L醋酸的混合液為電解液，在電流為2.5～9.5A電流，溫度為18－30℃的恒溫條件下進(jìn)行電解。剝離速率最高可以達(dá)到15.5g/h，約12－13小時(shí)就能剝離一個(gè)石墨燃料球。本發(fā)明不僅使用的是低功率的電源，節(jié)省電能，同時(shí)電解液可以循環(huán)利用，降低成本，在電解過(guò)程中不會(huì)放出有毒害的氣體，適應(yīng)了環(huán)保的要求，是一種非常具有發(fā)展前途的乏燃料元件球的破碎工藝。
文檔編號(hào)C25F5/00GK1885439SQ20061001200
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者文明芬, 陳靖, 田麗芳 申請(qǐng)人:清華大學(xué)