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基本信息
- 項目名稱：
- 核燃料后處理萃取過程與萃取設(shè)備調(diào)研
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 綜述了國內(nèi)外核燃料后處理萃取過程與萃取設(shè)備的對比，其中設(shè)備對比詳細介紹了離心萃取器。對核燃料后處理技術(shù)進行初步的了解，為今后我國在核領(lǐng)域的發(fā)展進行暢想和展望。
- 詳細介紹：
- 能源是人類生存和進步的物質(zhì)基礎(chǔ)，長期以來對煤炭和石油的開采使其將面臨枯竭，核能接替化石能源的趨勢正在形成。為了充分利用核燃料資源，對乏燃料中的易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素進行回收再利用。而核燃料后處理的任務(wù)就是從組成成分很復(fù)雜，放射性很強的乏燃料中分離去除裂變產(chǎn)物和次量錒系元素，提取和純化易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素。后處理與天然鈾礦采冶，轉(zhuǎn)化，燃料元件制造等主要環(huán)節(jié)共同形成核燃料閉合循環(huán) 核燃料后處理發(fā)展了水法和干法兩種技術(shù)途徑，但迄今為止，工業(yè)化后處理廠采用的都是水法技術(shù)。水法后處理的主導(dǎo)工藝是purex流程，這一流程經(jīng)過幾十年的發(fā)展，并沒有發(fā)生根本性的改變，但一直在朝著更安全、經(jīng)濟的目標(biāo)發(fā)展。 我國后處理技術(shù)的發(fā)展也在努力追趕國際先進技術(shù)。目前，在中試廠的分離工藝技術(shù)發(fā)展中，我國后處理領(lǐng)域的科技人員，以原子能源為基地，突破了一系列后處理工藝技術(shù)，為中試廠的順利建設(shè)提供了良好的技術(shù)支持。在此基礎(chǔ)上，原子能院又循著國際發(fā)展趨勢，在水法后處理的前沿基礎(chǔ)上取得若干突破，開發(fā)了多個性能良好的無鹽試劑，設(shè)計了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進二循環(huán)流程工藝，推動我國后處理工藝技術(shù)邁上了一個新的臺階。先進二循環(huán)流程繼承了中試廠的兩循環(huán)工藝，并通過發(fā)展的兩種重要的無鹽試劑，使工藝過程大大簡化，核素走向更加合理，廢物產(chǎn)量大幅度降低。這一具有國際水平的先進流程通過多次的溫實驗驗證，已經(jīng)預(yù)示了其光明的應(yīng)用前景。當(dāng)然，這個流程也還有不少化學(xué)和工藝問題需要解決，還需要通過在進一步的溫試驗和熱試驗的研究中逐步完善，以驗證其工業(yè)化的可行性。原子能院還在多年開展主工藝流程的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一規(guī)劃，提出了合理分配各段核素回收指標(biāo)的“一體化分離流程”概念。其指導(dǎo)思想是適當(dāng)降低主工藝流程對鈾钚的收率要求，為主工藝流程進一步簡化創(chuàng)造條件，并將廢液分離流程中分離難度較大的元素納入主工藝流程進行回收。這一設(shè)想如果實現(xiàn)，將具有良好的資源效益、安全效益、環(huán)境效益，也是國際上后處理技術(shù)的重要發(fā)展方向。 到上世紀(jì)90年代后期，由于反應(yīng)堆技術(shù)的進步，以及核能經(jīng)濟性與安全性要求的提高和自動化遠距離操作技術(shù)的發(fā)展，使核燃料的燃耗被加深，MOX元件得到應(yīng)用。尤其是分離嬗變技術(shù)路線的提出，使分離深燃耗、短冷卻器、高钚含量的乏燃料提到日程。這使得水法工藝難以適應(yīng)，這就為干法后處理技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機遇。 干法后處理技術(shù)，又稱高溫后處理技術(shù)。最初是由美國的ANL和俄羅斯的RIAR、RICT發(fā)展起來的。 進入新世紀(jì)以來，主要核能國家如美國、俄羅斯、日本、法國、英國、韓國、印度等國家均投入大量人力物力開展干法后處理技術(shù)研究，并將主要精力集中在熔鹽體系的干法后處理流程開發(fā)上。這些流程歸結(jié)起來，主要有金屬鋰還原金屬電解精制流程、電解氧化物沉積流程，。這些流程雖然各有特點，但都存在一些技術(shù)上的難題等待攻克。不少國家設(shè)立了干法后處理技術(shù)攻關(guān)研究的專門計劃 核燃料后處理萃取設(shè)備主要有混合澄清槽，脈沖萃取柱和離心萃取器。由于離心萃取器具有許多優(yōu)點，在核工業(yè)中正日益受到重視，在未來的核工業(yè)發(fā)展中有廣闊的前景，因此，本文在對比國內(nèi)外核燃料后處理萃取設(shè)備時，重點對比離心萃取器的應(yīng)用。 離心萃取器是依靠離心力來完成兩相混合液分相的溶劑萃取設(shè)備，具有存留量小，停留時間短，適應(yīng)的流比范圍寬，達到質(zhì)平衡速度快，傳質(zhì)級效率高，開停車方便且開車后能迅速達到穩(wěn)態(tài)運行，設(shè)備緊湊，占用空間小，易實現(xiàn)遠距離自動控制和維修，能較好的解決溶劑輻照損傷和核臨界安全問題等優(yōu)點 歐美研制進展 世界上第一臺離心萃取器是美國SRL實驗室20世紀(jì)60年代研制的攪拌槳式ＳＲＬ型離心萃取器，隨后一些國家也研制出離心萃取器。但是由于SRL型離心萃取器帶有攪拌槳，設(shè)備的遠距離拆裝比較困難。美國阿貢國家實驗室開發(fā)出了ANL型環(huán)隙式離心萃取器，并在20世紀(jì)90年代開發(fā)出了帶水平溢流管的環(huán)隙式離心萃取器。無論從制造方面還是操作方面，環(huán)隙式離心萃取器是公認最簡單，也是目前國內(nèi)外研究最多的一種離心萃取器。 法國研制的LX型單臺多級離心萃取器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，各級密封困難，且轉(zhuǎn)速高時發(fā)熱，法國于20世紀(jì)90年代中期研制出F12mm微型離心萃取器，并且已安裝16臺到MAR-COULE得熱室里。 印度IJCAR中心也研制出多種規(guī)格的環(huán)隙式離心萃取器，但有特色的產(chǎn)品不多，而英國則與美國合作進行環(huán)隙式離心萃取器的研制。其他種類的離心萃取器有俄羅斯研制的CER,ECS和CENTREK型離心萃取器以及意大利開發(fā)出的CCTT-1型離心萃取器CER,ECS和CENTREK型離心萃取器將轉(zhuǎn)筒設(shè)計成圓錐體型，并設(shè)計了一個特殊的裝置，使離心萃取器能處理含有少量固體的材料 日本PNC公司在20世紀(jì)90年代開發(fā)出了采用磁力驅(qū)動的環(huán)隙式離心萃取器，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少了設(shè)備占用空間，方便了放射性酸性的密封，而且電機可直接更換，從而使遠距離維修更方便快捷；隨后，又研制出一種REFLUX型環(huán)隙式離心萃取器和帶水平溢流管的環(huán)隙式離心萃取器。2004年，日本又報道了兩個最新專利，一個是帶有中子吸收體的環(huán)隙式離心萃取器，即在轉(zhuǎn)筒底部壁或殼體內(nèi)壁上嵌入能吸收中子的物質(zhì)，這樣可提高設(shè)備的臨界安全性。另一個是磁軸承式離心萃取器，磁軸承的應(yīng)用可降低酸氣對普通軸承及其潤滑脂的腐蝕損壞，基本解決了放射性氣體的密封問題，使離心萃取器的使用壽命大為延長預(yù)計可運行25000h也不需維修軸承，大大提高了其工作效率。 我國于20世紀(jì)70年代開始對離心萃取器進行研制，先后研制了單臺多級離心萃取器和攪拌槳式離心萃取器。到20世紀(jì)80年代，開始進行環(huán)隙式離心萃取器的研制，清華大學(xué)和中國原子能科學(xué)研究院分別研制出F10mm和F22mm環(huán)隙式離心萃取器。其中，F(xiàn)10mm微型離心萃取器是世界上最小規(guī)格的離心萃取器，級存留量僅為4ml左右，且水力學(xué)性能和傳質(zhì)性能良好，在結(jié)構(gòu)上采用了模塊化設(shè)計，各模塊之間無需螺釘或銷釘連接，實現(xiàn)了以簡單上下移動的方式快速拆裝設(shè)備，為便于機械手或機器人操作實現(xiàn)遠距離快速維修提供了條件，還開發(fā)了多級（2,3或4級）組合殼體式結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，也減少了液體在級連接管中的存留量。F10mm微型離心萃取器已成功的應(yīng)用于后處理流程和高放廢液處理流程的實驗研究， 最近清華大學(xué)研制出F70mm工業(yè)規(guī)模核用離心萃取器。它具有良好的機械性能，水力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。在結(jié)構(gòu)上，它有兩個重大改進：1）采用磁力驅(qū)動；2）設(shè)置了自然調(diào)節(jié)溢流結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多級串聯(lián)運行，即使某一級或相間的多級出現(xiàn)故障造成停車時，整個級聯(lián)仍能正常運行。另外，也采用了模塊化設(shè)計，為實現(xiàn)遠距離安裝，控制和維修提供了條件。 根據(jù)對國內(nèi)外核燃料后處理技術(shù)及設(shè)備的對比，以及當(dāng)前我國核燃料后處理技術(shù)的發(fā)展，我們切實需要加強對核科學(xué)與技術(shù)研究與進程，特別是在21世紀(jì)這個能源短缺的時代。 后處理的主要目的是回收輻照燃料中寶貴的可裂變材料（鈾-235，鈾-233）和可轉(zhuǎn)換材料，以便再制成新的燃料元件。當(dāng)前，國外諸如美國，日本，英國，俄羅斯等國家在核燃料后處理方面以取得突出成果處于世界的領(lǐng)先地位。雖然我國的核燃料后處理技術(shù)稍落后于一些國家，但是其發(fā)展也在努力追趕國際先進技術(shù)，早期，以原子能院為主要基地，在國內(nèi)有關(guān)高校和研究機構(gòu)的大力協(xié)同下，成功的完成了我國生產(chǎn)堆后處理技術(shù)的研發(fā)，為確立我國的核大國地位作出了貢獻。 我國發(fā)展的高放廢液技術(shù)已接近國際先進水平，在有些方面已經(jīng)取得了重要成果，設(shè)計的原理分離流程在國際上具有一定影響力。在核處理發(fā)展的同時，我們也要注意科研中應(yīng)關(guān)注的問題：1）突出重點，滿足建造大型后處理廠的急需，乏燃料中次量錒系元素和裂變產(chǎn)物元素含量大，放射性比活度高。因此，我們需要嚴(yán)密的輻射防護和核臨界安全。以及工藝過程遠距離自動化和連續(xù)操作，減少操作過程和實現(xiàn)最小維修量或免修。當(dāng)前應(yīng)該以建造大型后處理工廠的急需為重點；2）要適當(dāng)?shù)募骖欖`活性和前瞻性，我國的反應(yīng)堆類型多，除通用的清水堆外，還有CANDU堆，高溫氣冷堆，快中子增值堆，特殊用途動力堆以及各種其他堆。在后處理技術(shù)儲備研究中需要重視靈活性和兼顧性。 當(dāng)然，所有的核燃料后處理技術(shù)發(fā)展，都必須建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮溯椛浞雷o與安全的基礎(chǔ)之上。核能的可持續(xù)發(fā)展需要充足的核燃料，為了能夠有效地利用鈾釷資源，必須形成核燃料閉合循環(huán)，為了實現(xiàn)核燃料閉合循環(huán)，應(yīng)該加強研究和開發(fā)后處理技術(shù)，盡管我國在此領(lǐng)域與世界先進技術(shù)還存在一些距離，但是我們有理由相信我們必將是一個核能大國。 雖然目前許多從事核燃料后處理開發(fā)研究的國家都很重視對離心萃取器的研制和應(yīng)用研究，并且取得了一定的成果，但是我們同時也在不斷的進步，不斷的更新著自己的設(shè)備與技術(shù)，所以說不久的將來，我國會在核燃料后處理領(lǐng)域里獨樹一幟的。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的:對當(dāng)前國內(nèi)外核燃料后處理設(shè)備與萃取技術(shù)進行初步的了解，為今后我國在核領(lǐng)域的發(fā)展奠定基礎(chǔ) 基本思路：通過對國內(nèi)外核燃料后處理萃取技術(shù)與設(shè)備的對比，找出我們當(dāng)前比較落后的方面，然后進行改進和發(fā)展。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 該作品通過對世界在核燃料后處理領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的國家的了解，與我國在此領(lǐng)域取得的成就的對比，找出我們的優(yōu)點與不足，以更好的發(fā)展。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 通過對比，找出不足，為今后我國在核領(lǐng)域的發(fā)展指明了方向，為促進我國向核大國的發(fā)展做出自己的綿薄之力。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本文綜述了國內(nèi)外核燃料后處理萃取過程與萃取設(shè)備的對比，其中設(shè)備對比詳細介紹了離心萃取器。最后本文介紹了筆者讀完文獻后的感受，以及對核燃料后處理方面的暢想
獲獎情況
- 2011年5月4日在哈爾濱工程大學(xué)"五四杯" 參賽
鑒定結(jié)果
- 正在等待
參考文獻
- 1. 歐陽應(yīng)根《我國核燃料后處理技術(shù)的發(fā)展》（2006） 2. 林燦生《淺談核燃料后處理》（2006） 3. 段五華等《核用離心萃取器的研制和應(yīng)用進展》（2006）
同類課題研究水平概述
- 美國與日本、法國、當(dāng)屬世界領(lǐng)先級大國。但是我國也有其他國家不可比擬的優(yōu)勢。
