后处理1A单元工艺控制条件分析

潘婷娟 冯金

中核四0四有限公司 甘肃兰州 732850

后处理铀钚共去污萃取分离循环由铀钚共萃、铀钚分离和铀反萃三个单元构成，其中铀钚共萃取单元（即1A单元）的主要目的是实现铀钚最大限度地萃取及其与裂片元素最大限度地分离，它运行的好坏，对铀、钚的去污和收率，对镎的走向和溶剂的辐射降解程度都起到决定性作用，它直接影响后续工艺的复杂性，铀、钚收率和净化系数是衡量该单元运行好坏的工艺指标。

1 系统介绍

1.1 工艺流程

1A单元主要由1AX萃取柱、1AS洗涤柱、1AW除油槽及其进出料系统组成。1A系统主要作用是：在1AX萃取柱内，用30%TBP-OK对1AF料液进行逆流萃取，并在1AS柱内，用洗涤剂（1AS2）对负载铀、钚和部分裂片元素的有机相（1AP’）进行洗涤，使大量的裂片元素与铀、钚分离。

1.2 原理

1AF料液中铀和钚分别以UO2（NO3）2和Pu（NO3）4的状态存在。在萃取过程中，料液中的六价铀和四价钚几乎全部被萃入有机相，而大部分裂变产物则留在1AW中。利用五价镎在低酸条件下基本上不被萃取的性质，在1AX柱引入1.1 mol/L NaNO2（1AS1），用于加强除Np，使Np6+被还原为Np5+而进入1AW水相萃残液中。

1.3 设备原理及选型

1.3.1 设备原理

脉冲萃取柱是核燃料后处理工艺中采用较普遍的萃取设备，它具有传质效率高、停留时间短、易保证临界安全、放射性环境下检修方便等特点。脉冲萃取柱由板段和上、下扩大段组成。在下部有打脉冲的进口，脉冲用以提供两相混合、分散、流动的动力。有机相从下部进，上部出；水相从上部进下部出。两相在板段逆向流动，实现萃取或反萃过程。脉冲萃取柱有两种类型：折流板脉冲萃取柱与标准喷嘴筛板脉冲萃取柱[1]。

折流板脉冲萃取柱，在柱内间隔布置圆环和圆盘。液流在圆环和圆盘之间不断的冲撞改变流向，在柱内形成湍流和涡流，促进液流的不断分散聚集。

标准喷嘴筛板脉冲柱，在板段筒体的内部有许多水平布置的带孔筛板，并由一根中心轴有规则地串连固定。筛板的作用是在脉冲动力下将分散相液流通过小孔分散为液滴形态，增大两相的传质接触面积并加剧了两相湍流。

1.3.2 设备选型

1AX柱为折流板脉冲萃取柱，1AS柱为标准喷嘴筛板脉冲萃取柱。由于1AF料液放射性较强及可能悬浮有一定固体颗粒的特殊情况，受到筛板堵塞及筛板浸润性能改变等因素的影响，我国军用后处理厂采用普通筛板脉冲萃取柱作为1A萃取器运行期间经常发生液泛，严重影响1A柱的稳定运行。国内外对折流板型脉冲萃取柱的研究和应用结果表明，与传统筛板脉冲萃取柱相比，环形折流板脉冲萃取柱的传质性能同样优良，在临界安全、固体颗粒或界面污物的排除以及沟流现象的消除等方面具有优越性，且通量大，运行稳定。因此，1AX柱最终选定为有机相连续的折流板段脉冲萃取柱，并将萃取柱柱体与下澄清段分开[2]。

2 试验过程及结果讨论

2.1 试验过程

在设备结构及工艺条件确定的情况下，柱子的水力学运行状况直接影响工艺指标。水力学运行条件主要包括脉冲强度及界面、水相出口范围的确定。对1A柱进行不同脉冲频率和罐压的条件组合试验，通过现场实测两相夹带、分析两相出口铀酸浓度等手段确定了1AX柱的最佳脉冲条件。

在1AF铀酸浓度、洗涤剂成份流量、脉冲强度等条件确定的情况下，主要在柱子水相出口流量调节参数、界面控制范围、水相与有机相的流比等方面进行了调整试验，即分两种情况：（1）柱重相同，控制不同铀饱和度；（2）铀饱和度相同，控制不同柱重。

2.2 结果讨论

铀和钚的回收率和对裂变产物的去污能力（即净化系数）是衡量共去污循环的主要指标，但各种工艺条件对于保证铀、钚的收率和提高净化系数往往是互相矛盾的，因此在确定工艺条件参数时，必须根据体系的具体情况，对收率与净化的矛盾，锆、钌去污以及锝的诸多的共萃现象造成难以去污的矛盾加以综合考虑。脉冲萃取柱水力学运行状况也是影响工艺指标的重要因素[3]。

2.2.1 铀饱和度的影响

1AF铀浓度选定后，铀饱和度通常由1AX、1AF间的流比来确定的，流比偏大会降低铀饱和度，对裂片元素的去污不利；而流比偏小使铀饱和度提高，虽能通过排挤效应改善对裂片元素的去污，但会导致运行不稳定，并造成铀、钚流失量增大。因此，铀饱和度的选择既要保证铀钚的收率，也要取得较好的净化效果。试验结果表明：在柱重相同的情况下，控制1A单元铀饱和度约X%比铀饱和度约1.1X%时钚收率有明显提升，铀收率变化不明显，这是因为在U（Ⅵ）和Pu（Ⅳ）共存时，30%TBP-OK优先萃取U（Ⅵ），铀饱和度提高时，Pu（Ⅳ）的分配系数降低，导致钚的收率降低；而铀饱和度高时，1A单元的净化系数明显高于铀饱和度低的情况，这是因为有机相中萃入较多的铀，对其他裂片元素产生排挤效应，从而提高了对裂片元素的净化效果。

2.2.2 柱重的影响

试验结果表明：在控制相同铀饱和度的情况下，1AX柱柱重控制在0.86-0.87g/cm3时1A单元的铀钚收率均优于柱重在0.82-0.83g/cm3时的收率。这是因为柱重增加后，相应的提高了柱内分散相的滞留分数。由脉冲筛板柱的传质效率与分散相存留分数的关系可见，随着分散相存留分数（φ）的增大，脉冲筛板柱的传质效率显著提高（HETS值急剧下降）。将柱重控制值增大虽然可以相应的提高柱内分散相的存留分数，有利于传质，但柱重并不是越大越好，应考虑发生液泛。

3 结语

在综合考虑铀钚收率和净化系数以及生产能力的前提下，1A单元最佳工艺控制条件为：铀饱和度为X%，1AX柱柱重为0.86-0.87g/cm3。