硝酸鈾酰反萃工藝模擬實驗研究

王晨陽　甘舒瀾

摘 要：在核燃料后處理工藝流程中，普雷克斯（Purex）流程是應用最廣泛的核燃料水法后處理方法，是用磷酸三丁酯萃取法從輻照核燃料中回收鈾、钚的一種化工過程。其中，在用磷酸三丁酯-煤油溶液萃取钚之后，如何安全、高效地將有機溶液中的钚提取出來，一直是一個研究課題。

關鍵詞：普雷克斯;硝酸鈾酰;反萃

普雷克斯流程是目前廣泛采用的水法后處理流程。該流程利用TBP易萃取四價钚、六價鈾，而不易萃取三價钚和裂變產物這一化學性能，以煤油（或正十二烷）稀釋的TBP為萃取劑，硝酸為鹽析劑，采用適當的方法來調節钚的價態，經過2～3個萃取循環，實現鈾、钚的回收和分離，以及對裂變產物的凈化。有些普雷克斯流程中最后一步用陰離子交換純化钚，用硅膠吸附純化鈾。

但無論具體采用哪種工藝路線，都需要經過將有機相溶液中的钚反萃到水相的過程，再進行下一步的調價、離子交換等。

考慮钚元素的特殊性，對于反萃過程的研究，直接采用硝酸钚進行不切實際，經過研究表明，硝酸鈾酰在TBP-煤油溶液中的特性和反萃過程與硝酸钚非常接近，因此，利用硝酸鈾酰作為實驗試劑是比較好的選擇。

1 研究目的

本研究的目的是采用一定濃度的稀硝酸溶液作為反萃劑，從含鈾的30%TBP-煤油體系將鈾反萃至水相，觀察反萃過程中兩相分離的情況、記錄反萃時間、分析檢驗產品，以尋求最佳的反應參數。

2 過程原理

當一定量的稀硝酸與含鈾的30%TBP-煤油體系接觸時，有機相的鈾（VI）會被反萃到水相，形成水相硝酸鈾酰溶液，其過程基本原理如下：

UO₂（NO₃）₂·2TBP（o）UO₂（NO₃）₂·2TBP（i）（1）

UO2（NO₃）₂·2TBP（i）UO2（NO₃）₂·TBP（i）+TBP（i）（2）

UO2（NO₃）₂·TBP（i）UO2（NO₃）₂（i）+TBP（i）（3）

UO₂（NO₃）₂（i）UO₂₂++NO₃^-（4）

TBP（i）TBP_（o）（5）

上式中i表示界面，o表示有機相。可見，反萃過程中，首先，萃合物UO2（NO3）2·2TBP從有機相主體擴散到水相--TBP的兩相界面;接著，該萃合物在界面發生解離，生成UO22+，NO3-離子和TBP分子;然后，UO22+和NO3-離子從界面擴散到水相主體，TBP分子從界面擴散到有機相主體。

3 過程設備及實施方案

反萃過程所用設備為混合攪拌澄清槽萃取器，其示意圖如圖1所示。實驗過程中，先配置飽和鈾濃度的UO2（NO3）2·2TBP-煤油溶液，用于模擬有機相，配置一定濃度的稀硝酸溶液，作為反萃劑。然后，將有機相和水相按等體積比加入到萃取器中，在一定轉速下攪拌10min左右，使二者充分混合傳質。接著停止攪拌，使水相和有機相靜置分層。最后，用蠕動泵從萃取器中泵出水相溶液，分析水相溶液濃度，計算萃取率。若萃取率沒有達到要求，則將萃余有機相采用新鮮稀硝酸進行第二次反萃過程，直到萃取率達到要求為止。一般三次反萃取即可達到要求。

4 過程影響因素

本過程的影響因素主要有：反萃時間，反萃劑稀硝酸濃度，反萃次數，相比，溫度等。實驗安排及實驗組數如下：

①反萃時間的影響：考察以下時間對萃取率的影響，10min，20min，30min，確定達到反萃平衡的時間;

②反萃劑稀硝酸濃度的影響：考察以下三個濃度的影響，0.01mol/L，0.05mol/L，0.1mol/L，確定合適的稀硝酸濃度;

③反萃次數的影響：考察以下萃取次數的影響，1次，2次，3次，4次，確定達到萃取要求的萃取次數;

④相比的影響：考察以下有機相與水相體積比的影響，1：1，2：1，1：2，確定最佳相比;

⑤溫度的影響：考察以下溫度的影響，20℃，30℃，40℃，50℃，確定最佳萃取溫度。

5 產品分析方法

所得產品中鈾的含量用偶氮胂（III）分光光度法測定。首先繪制標準曲線。繪制標準曲線時，首先配置鈾標準溶液，然后分別移取不同量的鈾標準溶液于不同容量瓶中，再在各容量瓶中依次添加2，4-二硝基酚指示劑，并添加氨水調色，在添加HCl溶液褪色，然后加入氯乙酸-NaOH緩沖溶液及偶氮胂（III）溶液，用水定容，之后在分光光度計上在660nm處測定吸光度，繪制標準曲線。在測定產品中鈾離子濃度時，按同樣的方法處理樣品，并測定吸光度，和標準曲線對比，即可得知樣品濃度。

6 過程所用設備及試劑匯總

試劑：硝酸鈾酰（UO₂（NO₃）₂·6H₂O，GR），磷酸三丁酯（（C₄H₉O）₃PO，A.R），十二烷（C₁₂H₂₆，A.R），煤油，稀硝酸（HNO₃，AR），2，4-二硝基酚溶液（1g/L），乙醇，氨水（1+1），鹽酸，氯乙酸-NaOH緩沖溶液（pH=2.5），偶氮胂（III）。

設備：萃取器（帶攪拌器和電機，溫度計），蠕動泵2臺。

7 結束語

普雷克斯流程作為目前廣泛采用的水法后處理流程，已經經歷幾十年的發展、應用和不斷完善，主要工藝路線基本已固化，但在各細小環節中，具體的工藝技術參數還不斷優化中。實踐是檢驗真理的唯一標準，作為工程技術人員，我們當大膽假設、小心求證，以科學、嚴謹的實驗來檢驗、完善工程應用技術和設備。

參考文獻：

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[2]楊學先.DHDECMP 萃取硝酸鈾酰的研究[J].原子能科學技術，1992，26（4）：68-72.

[3]吳克明.碳酸鈾酰胺的溶解度[J].原子能科學技術，1961， 3（3）：148-156.

作者簡介：

王晨陽（1992- ），男，漢族，湖北仙桃人，本科，畢業于華中科技大學，助理工程師，研究方向：機械成套設備的項目管理。

甘舒瀾（1984- ），男，漢族，湖北黃岡人，本科，畢業于華中科技大學，高級工程師，研究方向：熱能與動力工程。