硝酸铀酰反萃工艺模拟实验研究

王晨阳　甘舒澜

摘 要：在核燃料后处理工艺流程中，普雷克斯（Purex）流程是应用最广泛的核燃料水法后处理方法，是用磷酸三丁酯萃取法从辐照核燃料中回收铀、钚的一种化工过程。其中，在用磷酸三丁酯-煤油溶液萃取钚之后，如何安全、高效地将有机溶液中的钚提取出来，一直是一个研究课题。

关键词：普雷克斯;硝酸铀酰;反萃

普雷克斯流程是目前广泛采用的水法后处理流程。该流程利用TBP易萃取四价钚、六价铀，而不易萃取三价钚和裂变产物这一化学性能，以煤油（或正十二烷）稀释的TBP为萃取剂，硝酸为盐析剂，采用适当的方法来调节钚的价态，经过2～3个萃取循环，实现铀、钚的回收和分离，以及对裂变产物的净化。有些普雷克斯流程中最后一步用阴离子交换纯化钚，用硅胶吸附纯化铀。

但无论具体采用哪种工艺路线，都需要经过将有机相溶液中的钚反萃到水相的过程，再进行下一步的调价、离子交换等。

考虑钚元素的特殊性，对于反萃过程的研究，直接采用硝酸钚进行不切实际，经过研究表明，硝酸铀酰在TBP-煤油溶液中的特性和反萃过程与硝酸钚非常接近，因此，利用硝酸铀酰作为实验试剂是比较好的选择。

1 研究目的

本研究的目的是采用一定浓度的稀硝酸溶液作为反萃剂，从含铀的30%TBP-煤油体系将铀反萃至水相，观察反萃过程中两相分离的情况、记录反萃时间、分析检验产品，以寻求最佳的反应参数。

2 过程原理

当一定量的稀硝酸与含铀的30%TBP-煤油体系接触时，有机相的铀（VI）会被反萃到水相，形成水相硝酸铀酰溶液，其过程基本原理如下：

UO₂（NO₃）₂·2TBP（o）UO₂（NO₃）₂·2TBP（i）（1）

UO2（NO₃）₂·2TBP（i）UO2（NO₃）₂·TBP（i）+TBP（i）（2）

UO2（NO₃）₂·TBP（i）UO2（NO₃）₂（i）+TBP（i）（3）

UO₂（NO₃）₂（i）UO₂₂++NO₃^-（4）

TBP（i）TBP_（o）（5）

上式中i表示界面，o表示有機相。可见，反萃过程中，首先，萃合物UO2（NO3）2·2TBP从有机相主体扩散到水相--TBP的两相界面;接着，该萃合物在界面发生解离，生成UO22+，NO3-离子和TBP分子;然后，UO22+和NO3-离子从界面扩散到水相主体，TBP分子从界面扩散到有机相主体。

3 过程设备及实施方案

反萃过程所用设备为混合搅拌澄清槽萃取器，其示意图如图1所示。实验过程中，先配置饱和铀浓度的UO2（NO3）2·2TBP-煤油溶液，用于模拟有机相，配置一定浓度的稀硝酸溶液，作为反萃剂。然后，将有机相和水相按等体积比加入到萃取器中，在一定转速下搅拌10min左右，使二者充分混合传质。接着停止搅拌，使水相和有机相静置分层。最后，用蠕动泵从萃取器中泵出水相溶液，分析水相溶液浓度，计算萃取率。若萃取率没有达到要求，则将萃余有机相采用新鲜稀硝酸进行第二次反萃过程，直到萃取率达到要求为止。一般三次反萃取即可达到要求。

4 过程影响因素

本过程的影响因素主要有：反萃时间，反萃剂稀硝酸浓度，反萃次数，相比，温度等。实验安排及实验组数如下：

①反萃时间的影响：考察以下时间对萃取率的影响，10min，20min，30min，确定达到反萃平衡的时间;

②反萃剂稀硝酸浓度的影响：考察以下三个浓度的影响，0.01mol/L，0.05mol/L，0.1mol/L，确定合适的稀硝酸浓度;

③反萃次数的影响：考察以下萃取次数的影响，1次，2次，3次，4次，确定达到萃取要求的萃取次数;

④相比的影响：考察以下有机相与水相体积比的影响，1：1，2：1，1：2，确定最佳相比;

⑤温度的影响：考察以下温度的影响，20℃，30℃，40℃，50℃，确定最佳萃取温度。

5 产品分析方法

所得产品中铀的含量用偶氮胂（III）分光光度法测定。首先绘制标准曲线。绘制标准曲线时，首先配置铀标准溶液，然后分别移取不同量的铀标准溶液于不同容量瓶中，再在各容量瓶中依次添加2，4-二硝基酚指示剂，并添加氨水调色，在添加HCl溶液褪色，然后加入氯乙酸-NaOH缓冲溶液及偶氮胂（III）溶液，用水定容，之后在分光光度计上在660nm处测定吸光度，绘制标准曲线。在测定产品中铀离子浓度时，按同样的方法处理样品，并测定吸光度，和标准曲线对比，即可得知样品浓度。

6 过程所用设备及试剂汇总

试剂：硝酸铀酰（UO₂（NO₃）₂·6H₂O，GR），磷酸三丁酯（（C₄H₉O）₃PO，A.R），十二烷（C₁₂H₂₆，A.R），煤油，稀硝酸（HNO₃，AR），2，4-二硝基酚溶液（1g/L），乙醇，氨水（1+1），盐酸，氯乙酸-NaOH缓冲溶液（pH=2.5），偶氮胂（III）。

设备：萃取器（带搅拌器和电机，温度计），蠕动泵2台。

7 结束语

普雷克斯流程作为目前广泛采用的水法后处理流程，已经经历几十年的发展、应用和不断完善，主要工艺路线基本已固化，但在各细小环节中，具体的工艺技术参数还不断优化中。实践是检验真理的唯一标准，作为工程技术人员，我们当大胆假设、小心求证，以科学、严谨的实验来检验、完善工程应用技术和设备。

参考文献：

[1]郭倚天.含铀有机废液中微量铀的回收[J].北京大学学报（自然科学版），2016，52（6）：1050-1056.

[2]杨学先.DHDECMP 萃取硝酸铀酰的研究[J].原子能科学技术，1992，26（4）：68-72.

[3]吴克明.碳酸铀酰胺的溶解度[J].原子能科学技术，1961， 3（3）：148-156.

作者简介：

王晨阳（1992- ），男，汉族，湖北仙桃人，本科，毕业于华中科技大学，助理工程师，研究方向：机械成套设备的项目管理。

甘舒澜（1984- ），男，汉族，湖北黄冈人，本科，毕业于华中科技大学，高级工程师，研究方向：热能与动力工程。