基本信息
- 项目名称：
- 核燃料后处理萃取过程与萃取设备调研
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 综述了国内外核燃料后处理萃取过程与萃取设备的对比，其中设备对比详细介绍了离心萃取器。对核燃料后处理技术进行初步的了解，为今后我国在核领域的发展进行畅想和展望。
- 详细介绍：
- 能源是人类生存和进步的物质基础，长期以来对煤炭和石油的开采使其将面临枯竭，核能接替化石能源的趋势正在形成。为了充分利用核燃料资源，对乏燃料中的易裂变核素和可转换核素进行回收再利用。而核燃料后处理的任务就是从组成成分很复杂，放射性很强的乏燃料中分离去除裂变产物和次量锕系元素，提取和纯化易裂变核素和可转换核素。后处理与天然铀矿采冶，转化，燃料元件制造等主要环节共同形成核燃料闭合循环 核燃料后处理发展了水法和干法两种技术途径，但迄今为止，工业化后处理厂采用的都是水法技术。水法后处理的主导工艺是purex流程，这一流程经过几十年的发展，并没有发生根本性的改变，但一直在朝着更安全、经济的目标发展。 我国后处理技术的发展也在努力追赶国际先进技术。目前，在中试厂的分离工艺技术发展中，我国后处理领域的科技人员，以原子能源为基地，突破了一系列后处理工艺技术，为中试厂的顺利建设提供了良好的技术支持。在此基础上，原子能院又循着国际发展趋势，在水法后处理的前沿基础上取得若干突破，开发了多个性能良好的无盐试剂，设计了具有自主知识产权的先进二循环流程工艺，推动我国后处理工艺技术迈上了一个新的台阶。先进二循环流程继承了中试厂的两循环工艺，并通过发展的两种重要的无盐试剂，使工艺过程大大简化，核素走向更加合理，废物产量大幅度降低。这一具有国际水平的先进流程通过多次的温实验验证，已经预示了其光明的应用前景。当然，这个流程也还有不少化学和工艺问题需要解决，还需要通过在进一步的温试验和热试验的研究中逐步完善，以验证其工业化的可行性。原子能院还在多年开展主工艺流程的基础上，统一规划，提出了合理分配各段核素回收指标的“一体化分离流程”概念。其指导思想是适当降低主工艺流程对铀钚的收率要求，为主工艺流程进一步简化创造条件，并将废液分离流程中分离难度较大的元素纳入主工艺流程进行回收。这一设想如果实现，将具有良好的资源效益、安全效益、环境效益，也是国际上后处理技术的重要发展方向。 到上世纪90年代后期，由于反应堆技术的进步，以及核能经济性与安全性要求的提高和自动化远距离操作技术的发展，使核燃料的燃耗被加深，MOX元件得到应用。尤其是分离嬗变技术路线的提出，使分离深燃耗、短冷却器、高钚含量的乏燃料提到日程。这使得水法工艺难以适应，这就为干法后处理技术的发展带来了新的机遇。 干法后处理技术，又称高温后处理技术。最初是由美国的ANL和俄罗斯的RIAR、RICT发展起来的。 进入新世纪以来，主要核能国家如美国、俄罗斯、日本、法国、英国、韩国、印度等国家均投入大量人力物力开展干法后处理技术研究，并将主要精力集中在熔盐体系的干法后处理流程开发上。这些流程归结起来，主要有金属锂还原金属电解精制流程、电解氧化物沉积流程，。这些流程虽然各有特点，但都存在一些技术上的难题等待攻克。不少国家设立了干法后处理技术攻关研究的专门计划 核燃料后处理萃取设备主要有混合澄清槽，脉冲萃取柱和离心萃取器。由于离心萃取器具有许多优点，在核工业中正日益受到重视，在未来的核工业发展中有广阔的前景，因此，本文在对比国内外核燃料后处理萃取设备时，重点对比离心萃取器的应用。 离心萃取器是依靠离心力来完成两相混合液分相的溶剂萃取设备，具有存留量小，停留时间短，适应的流比范围宽，达到质平衡速度快，传质级效率高，开停车方便且开车后能迅速达到稳态运行，设备紧凑，占用空间小，易实现远距离自动控制和维修，能较好的解决溶剂辐照损伤和核临界安全问题等优点 欧美研制进展 世界上第一台离心萃取器是美国SRL实验室20世纪60年代研制的搅拌桨式ＳＲＬ型离心萃取器，随后一些国家也研制出离心萃取器。但是由于SRL型离心萃取器带有搅拌桨，设备的远距离拆装比较困难。美国阿贡国家实验室开发出了ANL型环隙式离心萃取器，并在20世纪90年代开发出了带水平溢流管的环隙式离心萃取器。无论从制造方面还是操作方面，环隙式离心萃取器是公认最简单，也是目前国内外研究最多的一种离心萃取器。 法国研制的LX型单台多级离心萃取器结构更复杂，各级密封困难，且转速高时发热，法国于20世纪90年代中期研制出F12mm微型离心萃取器，并且已安装16台到MAR-COULE得热室里。 印度IJCAR中心也研制出多种规格的环隙式离心萃取器，但有特色的产品不多，而英国则与美国合作进行环隙式离心萃取器的研制。其他种类的离心萃取器有俄罗斯研制的CER,ECS和CENTREK型离心萃取器以及意大利开发出的CCTT-1型离心萃取器CER,ECS和CENTREK型离心萃取器将转筒设计成圆锥体型，并设计了一个特殊的装置，使离心萃取器能处理含有少量固体的材料 日本PNC公司在20世纪90年代开发出了采用磁力驱动的环隙式离心萃取器，使得结构更加紧凑，减少了设备占用空间，方便了放射性酸性的密封，而且电机可直接更换，从而使远距离维修更方便快捷；随后，又研制出一种REFLUX型环隙式离心萃取器和带水平溢流管的环隙式离心萃取器。2004年，日本又报道了两个最新专利，一个是带有中子吸收体的环隙式离心萃取器，即在转筒底部壁或壳体内壁上嵌入能吸收中子的物质，这样可提高设备的临界安全性。另一个是磁轴承式离心萃取器，磁轴承的应用可降低酸气对普通轴承及其润滑脂的腐蚀损坏，基本解决了放射性气体的密封问题，使离心萃取器的使用寿命大为延长预计可运行25000h也不需维修轴承，大大提高了其工作效率。 我国于20世纪70年代开始对离心萃取器进行研制，先后研制了单台多级离心萃取器和搅拌桨式离心萃取器。到20世纪80年代，开始进行环隙式离心萃取器的研制，清华大学和中国原子能科学研究院分别研制出F10mm和F22mm环隙式离心萃取器。其中，F10mm微型离心萃取器是世界上最小规格的离心萃取器，级存留量仅为4ml左右，且水力学性能和传质性能良好，在结构上采用了模块化设计，各模块之间无需螺钉或销钉连接，实现了以简单上下移动的方式快速拆装设备，为便于机械手或机器人操作实现远距离快速维修提供了条件，还开发了多级（2,3或4级）组合壳体式结构，使结构更加紧凑，也减少了液体在级连接管中的存留量。F10mm微型离心萃取器已成功的应用于后处理流程和高放废液处理流程的实验研究， 最近清华大学研制出F70mm工业规模核用离心萃取器。它具有良好的机械性能，水力学性能和传质性能。在结构上，它有两个重大改进：1）采用磁力驱动；2）设置了自然调节溢流结构，实现了多级串联运行，即使某一级或相间的多级出现故障造成停车时，整个级联仍能正常运行。另外，也采用了模块化设计，为实现远距离安装，控制和维修提供了条件。 根据对国内外核燃料后处理技术及设备的对比，以及当前我国核燃料后处理技术的发展，我们切实需要加强对核科学与技术研究与进程，特别是在21世纪这个能源短缺的时代。 后处理的主要目的是回收辐照燃料中宝贵的可裂变材料（铀-235，铀-233）和可转换材料，以便再制成新的燃料元件。当前，国外诸如美国，日本，英国，俄罗斯等国家在核燃料后处理方面以取得突出成果处于世界的领先地位。虽然我国的核燃料后处理技术稍落后于一些国家，但是其发展也在努力追赶国际先进技术，早期，以原子能院为主要基地，在国内有关高校和研究机构的大力协同下，成功的完成了我国生产堆后处理技术的研发，为确立我国的核大国地位作出了贡献。 我国发展的高放废液技术已接近国际先进水平，在有些方面已经取得了重要成果，设计的原理分离流程在国际上具有一定影响力。在核处理发展的同时，我们也要注意科研中应关注的问题：1）突出重点，满足建造大型后处理厂的急需，乏燃料中次量锕系元素和裂变产物元素含量大，放射性比活度高。因此，我们需要严密的辐射防护和核临界安全。以及工艺过程远距离自动化和连续操作，减少操作过程和实现最小维修量或免修。当前应该以建造大型后处理工厂的急需为重点；2）要适当的兼顾灵活性和前瞻性，我国的反应堆类型多，除通用的清水堆外，还有CANDU堆，高温气冷堆，快中子增值堆，特殊用途动力堆以及各种其他堆。在后处理技术储备研究中需要重视灵活性和兼顾性。 当然，所有的核燃料后处理技术发展，都必须建立在严谨的核辐射防护与安全的基础之上。核能的可持续发展需要充足的核燃料，为了能够有效地利用铀钍资源，必须形成核燃料闭合循环，为了实现核燃料闭合循环，应该加强研究和开发后处理技术，尽管我国在此领域与世界先进技术还存在一些距离，但是我们有理由相信我们必将是一个核能大国。 虽然目前许多从事核燃料后处理开发研究的国家都很重视对离心萃取器的研制和应用研究，并且取得了一定的成果，但是我们同时也在不断的进步，不断的更新着自己的设备与技术，所以说不久的将来，我国会在核燃料后处理领域里独树一帜的。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的:对当前国内外核燃料后处理设备与萃取技术进行初步的了解，为今后我国在核领域的发展奠定基础 基本思路：通过对国内外核燃料后处理萃取技术与设备的对比，找出我们当前比较落后的方面，然后进行改进和发展。
科学性、先进性及独特之处
- 该作品通过对世界在核燃料后处理领域处于领先地位的国家的了解，与我国在此领域取得的成就的对比，找出我们的优点与不足，以更好的发展。
应用价值和现实意义
- 通过对比，找出不足，为今后我国在核领域的发展指明了方向，为促进我国向核大国的发展做出自己的绵薄之力。
学术论文摘要
- 本文综述了国内外核燃料后处理萃取过程与萃取设备的对比，其中设备对比详细介绍了离心萃取器。最后本文介绍了笔者读完文献后的感受，以及对核燃料后处理方面的畅想
获奖情况
- 2011年5月4日在哈尔滨工程大学"五四杯" 参赛
鉴定结果
- 正在等待
参考文献
- 1. 欧阳应根《我国核燃料后处理技术的发展》（2006） 2. 林灿生《浅谈核燃料后处理》（2006） 3. 段五华等《核用离心萃取器的研制和应用进展》（2006）
同类课题研究水平概述
- 美国与日本、法国、当属世界领先级大国。但是我国也有其他国家不可比拟的优势。
