第五章授课(5.3首端过程)剖析

5.3 首端处理过程

●“首端处理”这个术语最初是指料液在萃取分离之前，用沉淀、挥发等方

法去除某几个特定的裂片元素（如锆、铌、钌），以补充萃取净化之不足。

●后来用于概括从乏燃料的接受到萃取上料为止的所有操作步骤。

●所以，燃料组件的解体、包壳的脱除、燃料芯体的溶解和溶解液的调制等

统称为首端处理。

●首端处理的目的：

☞尽量去除燃料芯体以外的部分，即包壳材料及其它非燃料构件，使它们不参加到化学分离过程中去，以免影响化学反应，并且尽可能不进入高放射性废液，以减少废物处理量；

☞进而将不同种类的核燃料加工成具有特定的物理和化学状态的料液，供后续分离工序使用，以便于用同一化工流程来处理各种不同型式的燃料元（组）件。

☞首端处理不仅要去除结构另件和包壳层，有时还要去除某些裂变产物（如131I、3H、85Kr、133Xe等）。

●棒束型燃料组件和片组型燃料元件首先用机械切割方法分解，以卸除附属

的非燃料构件，如两端构件、定位格架、节流装置、组件盒等。

●脱除包壳主要有三种方法：

1）化学脱壳法；

2）机械脱壳法；

3）机械化学结合法――切断浸取法（溶解燃料芯体而不溶解包壳）。

●化学脱壳法是用化学试剂把金属包壳材料溶解掉而不溶解芯体，因为芯体

在这阶段溶解会造成不能允许的燃料损失。

●适当的溶剂是：

☞对不锈钢可使用硫酸或王水；

☞对锆合金可使用氟化物（NH4F+NH4NO3）；

☞对镁合金可使用硫酸；

☞对铝合金可使用氢氧化钠或加硝酸钠以减少氢气的产生。

●虽然用化学脱壳法很容易处理任何形状的燃料元（组）件，但它有下列缺

点：

1）为了减轻腐蚀，设备需用昂贵的特种合金钢制造；

2）产生大量放射性废液（5-6m3/tU），不易处理到容许排放的水平而必须贮存起来，花费很大；

3）随包壳而溶解或脱落的铀、钚损失较大。

●现在化学脱壳法仅用于生产堆和研究试验堆的铝包壳燃料元件。

●机械脱壳法在英、法两国的石墨气冷堆镁包壳元件的脱壳中得到应用。☞它是用机械方法在水下脱壳，用水作为屏蔽层，并可避免细粒飞扬。

☞切除元件的两端，再将包壳管用对称布置的三个铣刀按纵向切成长条，像剥香蕉皮那样剥离

☞然后将长条切成碎块以减少贮存体积。将金属铀芯棒表面的包壳碎屑刷净后，送去溶解。

☞这种方法要求水下工作的剥壳机能自动控制、耐水腐蚀和动作可靠，优点是高放射性废液较少。

●又如快堆燃料组件为六边形不锈钢外壳，内为燃料棒，先切去端部接头、

充气室和解剖外套箱，把燃料组件拆散成较小的燃料棒束，尽量减少后续剪切的困难。

●另有一种燃料组件结构为同心圆多层燃料组件，外套筒和最内层管为铝合

金，先切去端头，再用推拉装置将它们与含燃料棒的圆套筒分离。

●剥香蕉皮式的机械脱壳法不适用于锆合金或不锈钢包壳陶瓷体燃料元件。

●现代动力堆的棒束性组件，普遍采用切断浸取法。

☞单根燃料棒或整个燃料组件，在剪切机上切成2－5cm的短段，装在不锈钢制的多孔盛料筐内送入硝酸浸取槽（溶解器）。

☞燃料芯块溶解于沸腾的硝酸中，铀芯被浸取出来而锆合金或不锈钢短管则不溶解，将包壳短管捞取出来经漂洗、监测后，送去埋存。

●切断浸取法具有同机械脱壳法一样的优点：

☞金属构件和包壳材料作为固体废物，体积很小，并且可以无限期地埋藏起来，废物贮存费仅为化学脱壳法的5％。

☞缺点是剪切机需远距离操作，设备复杂，维修困难，对收集燃料细粒、防止气溶胶扩散等问题须妥善解决。

☞另外一点是，短段切口可能有较大的变形，以至影响硝酸的流通和燃料的完全浸出，或需要采取附加回收工序以减少未溶解燃料的损失。

●结构复杂的快中子堆燃料组件不作整体剪切，而在解体后将单棒逐根地切

成短段，装在盛料筐内送去溶解，除了包壳以外的其它结构材料度不进入溶解器。浸取过程终了时将留在筐内的不锈钢短管作为固体废物埋存。

●高温气冷燃料元件要求特殊的首端处理――燃烧浸取法。先将石墨元件压

碎或磨碎，靠燃烧除去石墨外壳和基体，再用硝酸将燃料从残渣中浸取出来。

●以金属为基体的弥散体型燃料元件，不可能或很难进行单独的脱壳处理。☞例如材料试验堆的铝铀合金元件，就采用燃料、包壳一起溶解的处理方法。

☞溶剂使用硝酸，加汞盐（硝酸汞）作为使铝溶解的催化剂。

☞然后将含有硝酸铝－硝酸铀酰－裂变产物硝酸盐的溶液送去作化学分离。☞另一种方法是先用氢氧化钠将铝选择性地溶解掉，再用硝酸对铀进行溶解。

●连续溶解过程是指以一定的速度连续地往溶解器中加入乏燃料短棒和溶解

剂，并以一定的速度连续排出合格的溶剂液的过程。

☞溶解器的优点是：生产能力大、溶解过程反应平稳、无气峰，产品均匀。☞连续溶解器中，有一个不断地匀速旋转的12格旋转轮，从剪切机下来的乏燃料短棒，连续地进入旋转轮的格中，乏燃料短棒浸泡在硝酸溶液中浸取溶解芯块，当乏燃料短棒转出液面时包容在包壳中的芯块已被全部溶解。

溶解液不断排出，新鲜的硝酸溶液不断注入使溶解器的液位维持恒定。废包壳随着旋转轮离开液面，自动地落入废包壳出口。连续溶解器过程现已成熟地应用于大型商用乏燃料后处理厂。

●首端处理对后处理厂的试剂消耗、三废产生数量即运行费用影响甚大，而

且还直接关系到萃取过程能否顺利进行，因此它是后处理工艺的一个重要组成部分。

●近年来首端处理受到很大重视，做了大量研究工作。

☞有的工厂配备了六、七套不同的首端处理方法，使同一溶剂萃取系统可以适应多种不同类型的乏燃料。

☞有的工厂通过增建首端处理车间，将原来只能处理生产堆或气冷堆的低辐照、天然金属铀燃料的老厂，改造成为可以处理动力堆高辐照、氧化物燃料的工厂。

●今后快堆乏燃料的水法处理，也在很大程度上取决于首端处理技术的进