活性炭從共晶熔體中吸附鏷和釷等錒系元素

　　基于233U的生產(chǎn)和后續(xù)使用，釷燃料循環(huán)與傳統(tǒng)的鈾燃料循環(huán)相比具有許多優(yōu)勢。首先，233U的裂變實(shí)際上不會產(chǎn)生長壽命的錒系元素，而錒系元素是需要地質(zhì)處置的高放廢物的主要成分之一。然而，在用232Th輻照期間，平行發(fā)生232U的形成，它與它的子放射性核素一起具有高水平的放射性，由于需要采用保護(hù)室進(jìn)行處理，因此阻礙了在核電工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。本文研究了活性炭從堿金屬氟化物熔體中回收Nd(III)的可能性。

　　活性炭吸附回收實(shí)驗(yàn)

　　我們使用了基于堿金屬氟化物的低共熔混合物，其組成為mol%：LiF(46.5)–NaF(11.5)–KF(42.0)(FLiNaK)。其質(zhì)量通過導(dǎo)數(shù)儀的熔化溫度(Tm=454℃)檢查。前面詳細(xì)描述了使用FLiNaK的活性炭進(jìn)行吸附的設(shè)置方案。將干燥的活性炭置于帶孔的特殊金屬銅籃中，并浸入熔鹽中。實(shí)驗(yàn)在650℃靜態(tài)條件下進(jìn)行，吸附時(shí)間為1.5h。裝有活性炭的籃子定期進(jìn)行垂直平移運(yùn)動，使鹽與碳混合。取下籃子后，檢測碳鹽共晶中目標(biāo)元素的含量。Th、U和Nd的濃度通過以下程序分析。含有碳和低共熔物的樣品用硫酸處理以去除HF。然后，在蒸發(fā)后，將它們用水稀釋，并根據(jù)程序使用分光光度計(jì)在650nm的波長下使用鹽酸中的偶氮砷III進(jìn)行分析。活性炭在富集金屬鈉之前，為了增加其表面對金屬的親和力，在200℃的空氣中進(jìn)行干燥，在真空和600℃的惰性氣體中進(jìn)行熱處理。通過圖1所示的裝置制備富含金屬鈉的活性炭樣品。

　　圖1：用于在金屬鈉中富集活性炭的設(shè)置方案。

　　將預(yù)先制備好的活性炭置于網(wǎng)格中，網(wǎng)格棒用密封條固定。將金屬鈉以不超過陶瓷插入物的體積的量裝入反應(yīng)器中，在氬氣中進(jìn)行加熱。根據(jù)所得碳中所需的金屬量選擇反應(yīng)器中的溫度和富集過程的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)確定，要獲得金屬含量在1至10wt%范圍內(nèi)的樣品，必須在200-300℃的溫度下將活性炭與熔體接觸，并加熱至400-600℃2對于達(dá)到30wt%的金屬含量是必要的。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為實(shí)現(xiàn)釷燃料循環(huán)，需要直接從經(jīng)輻照的天然232Th的含氟共晶中提取233Pa。先前表明，在650℃，氟化釷被活性炭從共晶熔體中吸附，吸附量比類似條件下的氟化釹小一個(gè)數(shù)量級。重要的是闡明四價(jià)鈾氟化物在類似條件下的吸附機(jī)制，它是在233Pa衰變期間形成的。U(IV)和Th(IV)氟化物的吸附數(shù)據(jù)(圖2)證明了U(IV)的回收率略高于Th(IV)。從圖2中可以看出，在釷循環(huán)的框架內(nèi)用活性炭在U(IV)–Th(IV)對上選擇性提取由鏷同位素形成的鈾同位素是不可行的，因?yàn)槿狈︼@著的吸附等溫線的差異。在連續(xù)提取溶解在共晶中的釷輻照過程中形成的微量233Pa的情況下，有必要評估氟化釷的作用，氟化釷在共晶中的溶解度非常高，達(dá)到32.8mol%。隨著兩種氟化物濃度的增加，鏷的吸附能力降低。可能，活性炭對共晶熔體中Pa的吸附受到與復(fù)合物形成相關(guān)的熔體中發(fā)生的過程的顯著影響。

　　圖2：從熔體中吸附釷和鈾氟化物的等溫線。(1,2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);(3,4)根據(jù)Langmuir方程逼近實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。(1,3)四氟化鈾;(2,4)THF4。

　　研究活性炭組合物中引入的金屬鈉對吸附各種金屬氟化物的影響，包括鏷和釷，作為釷循環(huán)最重要的元素，應(yīng)該作為一項(xiàng)單獨(dú)的工作進(jìn)行，因?yàn)樗鼘⒂斜匾�開發(fā)生產(chǎn)一定量金屬鈉的技術(shù)。這項(xiàng)研究揭示了嵌入活性炭中的金屬鈉對其對鏷和其他元素的吸附能力有顯著影響的事實(shí)，并考慮了這種過程的可能選擇，這種過程可能是由還原的鏷在金屬鈉中的溶解或其沉淀引起的在活性炭的孔隙中。

　　活性炭從共晶熔體中吸附鏷和釷等錒系元素，對活性炭在650℃下從FLiNaK共晶中吸附鏷、釷、鈾和镅進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，鈾和氟化釷的吸附等溫線具有明顯的凸性，并由Langmuir方程描述，而這些元素的吸附比先前研究的氟化釹的吸附大約低一個(gè)數(shù)量級。隨著熔體中釹和釷氟化物濃度的增加，活性炭對鏷的萃取減少，并且在釷存在的情況下，它比可比較條件下的釹更大。有人提出，四電荷鏷陽離子與[ThF8]4-陰離子絡(luò)合物的強(qiáng)庫侖相互作用可防止鏷的吸附。在氟化釹存在下，鏷分配系數(shù)的降低不太顯著，這可能是由于鏷與鏷的配合物穩(wěn)定性較低。發(fā)現(xiàn)用金屬鈉飽和的活性炭對鏷的吸附增加。隨著活性炭中鈉含量增加到30wt%，與不含鈉的初始碳相比，鏷的吸附增強(qiáng)了約20倍，同時(shí)，鏷與其他研究元素的分離因子增加了3以上次。

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