后處理1A單元工藝控制條件分析

潘婷娟 馮金

中核四0四有限公司 甘肅蘭州 732850

后處理鈾钚共去污萃取分離循環由鈾钚共萃、鈾钚分離和鈾反萃三個單元構成，其中鈾钚共萃取單元（即1A單元）的主要目的是實現鈾钚最大限度地萃取及其與裂片元素最大限度地分離，它運行的好壞，對鈾、钚的去污和收率，對镎的走向和溶劑的輻射降解程度都起到決定性作用，它直接影響后續工藝的復雜性，鈾、钚收率和凈化系數是衡量該單元運行好壞的工藝指標。

1 系統介紹

1.1 工藝流程

1A單元主要由1AX萃取柱、1AS洗滌柱、1AW除油槽及其進出料系統組成。1A系統主要作用是：在1AX萃取柱內，用30%TBP-OK對1AF料液進行逆流萃取，并在1AS柱內，用洗滌劑（1AS2）對負載鈾、钚和部分裂片元素的有機相（1AP’）進行洗滌，使大量的裂片元素與鈾、钚分離。

1.2 原理

1AF料液中鈾和钚分別以UO2（NO3）2和Pu（NO3）4的狀態存在。在萃取過程中，料液中的六價鈾和四價钚幾乎全部被萃入有機相，而大部分裂變產物則留在1AW中。利用五價镎在低酸條件下基本上不被萃取的性質，在1AX柱引入1.1 mol/L NaNO2（1AS1），用于加強除Np，使Np6+被還原為Np5+而進入1AW水相萃殘液中。

1.3 設備原理及選型

1.3.1 設備原理

脈沖萃取柱是核燃料后處理工藝中采用較普遍的萃取設備，它具有傳質效率高、停留時間短、易保證臨界安全、放射性環境下檢修方便等特點。脈沖萃取柱由板段和上、下擴大段組成。在下部有打脈沖的進口，脈沖用以提供兩相混合、分散、流動的動力。有機相從下部進，上部出；水相從上部進下部出。兩相在板段逆向流動，實現萃取或反萃過程。脈沖萃取柱有兩種類型：折流板脈沖萃取柱與標準噴嘴篩板脈沖萃取柱[1]。

折流板脈沖萃取柱，在柱內間隔布置圓環和圓盤。液流在圓環和圓盤之間不斷的沖撞改變流向，在柱內形成湍流和渦流，促進液流的不斷分散聚集。

標準噴嘴篩板脈沖柱，在板段筒體的內部有許多水平布置的帶孔篩板，并由一根中心軸有規則地串連固定。篩板的作用是在脈沖動力下將分散相液流通過小孔分散為液滴形態，增大兩相的傳質接觸面積并加劇了兩相湍流。

1.3.2 設備選型

1AX柱為折流板脈沖萃取柱，1AS柱為標準噴嘴篩板脈沖萃取柱。由于1AF料液放射性較強及可能懸浮有一定固體顆粒的特殊情況，受到篩板堵塞及篩板浸潤性能改變等因素的影響，我國軍用后處理廠采用普通篩板脈沖萃取柱作為1A萃取器運行期間經常發生液泛，嚴重影響1A柱的穩定運行。國內外對折流板型脈沖萃取柱的研究和應用結果表明，與傳統篩板脈沖萃取柱相比，環形折流板脈沖萃取柱的傳質性能同樣優良，在臨界安全、固體顆粒或界面污物的排除以及溝流現象的消除等方面具有優越性，且通量大，運行穩定。因此，1AX柱最終選定為有機相連續的折流板段脈沖萃取柱，并將萃取柱柱體與下澄清段分開[2]。

2 試驗過程及結果討論

2.1 試驗過程

在設備結構及工藝條件確定的情況下，柱子的水力學運行狀況直接影響工藝指標。水力學運行條件主要包括脈沖強度及界面、水相出口范圍的確定。對1A柱進行不同脈沖頻率和罐壓的條件組合試驗，通過現場實測兩相夾帶、分析兩相出口鈾酸濃度等手段確定了1AX柱的最佳脈沖條件。

在1AF鈾酸濃度、洗滌劑成份流量、脈沖強度等條件確定的情況下，主要在柱子水相出口流量調節參數、界面控制范圍、水相與有機相的流比等方面進行了調整試驗，即分兩種情況：（1）柱重相同，控制不同鈾飽和度；（2）鈾飽和度相同，控制不同柱重。

2.2 結果討論

鈾和钚的回收率和對裂變產物的去污能力（即凈化系數）是衡量共去污循環的主要指標，但各種工藝條件對于保證鈾、钚的收率和提高凈化系數往往是互相矛盾的，因此在確定工藝條件參數時，必須根據體系的具體情況，對收率與凈化的矛盾，鋯、釕去污以及锝的諸多的共萃現象造成難以去污的矛盾加以綜合考慮。脈沖萃取柱水力學運行狀況也是影響工藝指標的重要因素[3]。

2.2.1 鈾飽和度的影響

1AF鈾濃度選定后，鈾飽和度通常由1AX、1AF間的流比來確定的，流比偏大會降低鈾飽和度，對裂片元素的去污不利；而流比偏小使鈾飽和度提高，雖能通過排擠效應改善對裂片元素的去污，但會導致運行不穩定，并造成鈾、钚流失量增大。因此，鈾飽和度的選擇既要保證鈾钚的收率，也要取得較好的凈化效果。試驗結果表明：在柱重相同的情況下，控制1A單元鈾飽和度約X%比鈾飽和度約1.1X%時钚收率有明顯提升，鈾收率變化不明顯，這是因為在U（Ⅵ）和Pu（Ⅳ）共存時，30%TBP-OK優先萃取U（Ⅵ），鈾飽和度提高時，Pu（Ⅳ）的分配系數降低，導致钚的收率降低；而鈾飽和度高時，1A單元的凈化系數明顯高于鈾飽和度低的情況，這是因為有機相中萃入較多的鈾，對其他裂片元素產生排擠效應，從而提高了對裂片元素的凈化效果。

2.2.2 柱重的影響

試驗結果表明：在控制相同鈾飽和度的情況下，1AX柱柱重控制在0.86-0.87g/cm3時1A單元的鈾钚收率均優于柱重在0.82-0.83g/cm3時的收率。這是因為柱重增加后，相應的提高了柱內分散相的滯留分數。由脈沖篩板柱的傳質效率與分散相存留分數的關系可見，隨著分散相存留分數（φ）的增大，脈沖篩板柱的傳質效率顯著提高（HETS值急劇下降）。將柱重控制值增大雖然可以相應的提高柱內分散相的存留分數，有利于傳質，但柱重并不是越大越好，應考慮發生液泛。

3 結語

在綜合考慮鈾钚收率和凈化系數以及生產能力的前提下，1A單元最佳工藝控制條件為：鈾飽和度為X%，1AX柱柱重為0.86-0.87g/cm3。