【摘 要】
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核电的迅速发展使乏燃料的存量越来越多,为了实现燃料的闭环使用必须开发高效的乏燃料后处理技术。在新一代核能体系中,核燃料的燃耗进一步加深,乏燃料的比放射性更强、裂变碎片含量更多、热释率更高。此时水法后处理技术不再适用于处理此类深燃耗乏燃料,而干法后处理技术因其特有的优势被认为是替代水法后处理技术的最佳选择。镧系元素(Ln)是乏燃料中主要的裂变产物也是棘手的中子毒物,当其存在于回收的U/Ph产品中时对
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核电的迅速发展使乏燃料的存量越来越多,为了实现燃料的闭环使用必须开发高效的乏燃料后处理技术。在新一代核能体系中,核燃料的燃耗进一步加深,乏燃料的比放射性更强、裂变碎片含量更多、热释率更高。此时水法后处理技术不再适用于处理此类深燃耗乏燃料,而干法后处理技术因其特有的优势被认为是替代水法后处理技术的最佳选择。镧系元素(Ln)是乏燃料中主要的裂变产物也是棘手的中子毒物,当其存在于回收的U/Ph产品中时对核燃料的增殖与嬗变非常不利,但相似的化学价态却使镧/锕元素的分离变得十分困难。而干法后处理工艺中的熔盐电解精炼技术有可能实现镧/锕元素的高效分离,在国际上获得了极大的关注。在电解精炼流程中,根据镧/锕元素的还原电位差将锕系元素分离而镧系元素则留在电解质中,而镧系元素达到一定浓度后会导致其还原电位与锕系元素的还原电位趋于一致,使镧/锕元素发生共还原。因此为了净化熔盐电解质、提高镧/锕元素的分离效果,需要利用活性电极提取镧系元素。所以研究镧系元素在电极上的热力学及动力学性质对提高镧/锕元素分离效果和建立电解精炼模型十分重要。而在电解精炼进行的同时,可溶裂变碎片(铯、锶、钡)会在电解质中不断地累积,必须考虑其对镧系元素的电化学行为及电解质的物理性质所产生的影响。因此,本文选取La和Cs为代表元素,研究Li Cl-KCl中La(Ⅲ)在电极上的沉积动力学机理及Cs离子对La(Ⅲ)在两种电极上(W、Ga)的电化学行为及电解质物理性质的影响。本文开展了以下三个方面的研究:一、La(Ⅲ)的沉积动力学机理。在723 K~873 K温度下,采用循环伏安法、开路计时电位法、电化学阻抗谱法研究La(Ⅲ)在W电极上的沉积动力学机理,并计算La(Ⅲ)在熔盐电解质中的扩散系数、交换电流密度等动力学参数。二、Cs离子对La(Ⅲ)的电化学行为及电解质物性的影响。采用循环伏安法、开路计时电位法、电化学阻抗谱法、线性极化法、Tafel法,研究当Cs离子在Li Cl-KCl电解质中累积时对电解质物性及La(Ⅲ)在W电极上的电化学行为的影响。计算了不同Cs离子浓度的Li Cl-KCl熔盐体系中La(Ⅲ)的活度、扩散系数、La(Ⅲ)/La(0)的表观标准电位、交换电流密度、反应速率常数等热力学及动力学参数,同时讨论了电解质的黏度、等效阳离子半径及导电性的变化。三、Cs离子对La(Ⅲ)在液态Ga阴极上的动力学性质的影响。在723 K~873 K温度范围内采用循环伏安法、开路计时电位法、电化学阻抗谱法、线性极化法研究Cs离子累积时对La(Ⅲ)在液态Ga阴极上的电化学行为的影响,并计算了扩散系数、交换电流密度、反应速率常数、反应活化能等动力学参数。
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