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(huán)由鈾钚共萃、鈾钚分離和鈾反萃三個(gè)單元構(gòu)成，其中鈾钚共萃取單元（即1A單元）的主要目的是實(shí)現(xiàn)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(yùn)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?jīng)Q定性作用，它直接影響后續(xù)工藝的復(fù)雜性，鈾、钚收率和凈化系數(shù)是衡量該單元運(yùn)行好壞的工藝指標(biāo)。

1 系統(tǒng)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(jìn)出料系統(tǒng)組成。1A系統(tǒng)主要作用是：在1AX萃取柱內(nèi)，用30%TBP-OK對1AF料液進(jìn)行逆流萃取，并在1AS柱內(nèi)，用洗滌劑（1AS2）對負(fù)載鈾、钚和部分裂片元素的有機(jī)相（1AP’）進(jìn)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(tài)存在。在萃取過程中，料液中的六價(jià)鈾和四價(jià)钚幾乎全部被萃入有機(jī)相，而大部分裂變產(chǎn)物則留在1AW中。利用五價(jià)镎在低酸條件下基本上不被萃取的性質(zhì)，在1AX柱引入1.1 mol/L NaNO2（1AS1），用于加強(qiáng)除Np，使Np6+被還原為Np5+而進(jìn)入1AW水相萃殘液中。

1.3 設(shè)備原理及選型

1.3.1 設(shè)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(shè)備，它具有傳質(zhì)效率高、停留時(shí)間短、易保證臨界安全、放射性環(huán)境下檢修方便等特點(diǎn)。脈沖萃取柱由板段和上、下擴(kuò)大段組成。在下部有打脈沖的進(jìn)口，脈沖用以提供兩相混合、分散、流動(dòng)的動(dòng)力。有機(jī)相從下部進(jìn)，上部出；水相從上部進(jìn)下部出。兩相在板段逆向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)噴嘴篩板脈沖萃取柱[1]。

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

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

1.3.2 設(shè)備選型

1AX柱為折流板脈沖萃取柱，1AS柱為標(biāo)準(zhǔn)噴嘴篩板脈沖萃取柱。由于1AF料液放射性較強(qiáng)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(yùn)行期間經(jīng)常發(fā)生液泛，嚴(yán)重影響1A柱的穩(wěn)定運(yùn)行。國內(nèi)外對折流板型脈沖萃取柱的研究和應(yīng)用結(jié)果表明，與傳統(tǒng)篩板脈沖萃取柱相比，環(huán)形折流板脈沖萃取柱的傳質(zhì)性能同樣優(yōu)良，在臨界安全、固體顆?；蚪缑嫖畚锏呐懦约皽狭鳜F(xiàn)象的消除等方面具有優(yōu)越性，且通量大，運(yùn)行穩(wěn)定。因此，1AX柱最終選定為有機(jī)相連續(xù)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(yàn)過程及結(jié)果討論

2.1 試驗(yàn)過程

在設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝條件確定的情況下，柱子的水力學(xué)運(yùn)行狀況直接影響工藝指標(biāo)。水力學(xué)運(yùn)行條件主要包括脈沖強(qiáng)度及界面、水相出口范圍的確定。對1A柱進(jìn)行不同脈沖頻率和罐壓的條件組合試驗(yàn)，通過現(xiàn)場實(shí)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(qiáng)度等條件確定的情況下，主要在柱子水相出口流量調(diào)節(jié)參數(shù)、界面控制范圍、水相與有機(jī)相的流比等方面進(jìn)行了調(diào)整試驗(yàn)，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(jié)果討論

鈾和钚的回收率和對裂變產(chǎn)物的去污能力（即凈化系數(shù)）是衡量共去污循環(huán)的主要指標(biāo)，但各種工藝條件對于保證鈾、钚的收率和提高凈化系數(shù)往往是互相矛盾的，因此在確定工藝條件參數(shù)時(shí)，必須根據(jù)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(xiàn)象造成難以去污的矛盾加以綜合考慮。脈沖萃取柱水力學(xué)運(yùn)行狀況也是影響工藝指標(biāo)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(yīng)改善對裂片元素的去污，但會導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)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(yàn)結(jié)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(shí)钚收率有明顯提升，鈾收率變化不明顯，這是因?yàn)樵赨（Ⅵ）和Pu（Ⅳ）共存時(shí)，30%TBP-OK優(yōu)先萃取U（Ⅵ），鈾飽和度提高時(shí)，Pu（Ⅳ）的分配系數(shù)降低，導(dǎo)致钚的收率降低；而鈾飽和度高時(shí)，1A單元的凈化系數(shù)明顯高于鈾飽和度低的情況，這是因?yàn)橛袡C(jī)相中萃入較多的鈾，對其他裂片元素產(chǎn)生排擠效應(yīng)，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(yàn)結(jié)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(shí)1A單元的鈾钚收率均優(yōu)于柱重在0.82-0.83g/cm3時(shí)的收率。這是因?yàn)橹卦黾雍螅鄳?yīng)的提高了柱內(nèi)分散相的滯留分?jǐn)?shù)。由脈沖篩板柱的傳質(zhì)效率與分散相存留分?jǐn)?shù)的關(guān)系可見，隨著分散相存留分?jǐn)?shù)（φ）的增大，脈沖篩板柱的傳質(zhì)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(yīng)的提高柱內(nèi)分散相的存留分?jǐn)?shù)，有利于傳質(zhì)，但柱重并不是越大越好，應(yīng)考慮發(fā)生液泛。

3 結(jié)語

在綜合考慮鈾钚收率和凈化系數(shù)以及生產(chǎn)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。