[科普中國]-萃取循環(huán)

介紹

萃取循環(huán)本身的組合是加工方法的主體。燃料元件溶解成溶液后，進(jìn)一步預(yù)處理這種溶液，使其成為含有核燃料(裂變物質(zhì)和增殖物質(zhì))、裂變產(chǎn)物、腐蝕產(chǎn)物，可能還有核燃料的合金組分和包殼組分的原始溶液，再經(jīng)過萃取分離后，將得到二份或者三份(很少有四份)溶液。共中一份溶液含有裂變產(chǎn)物、腐蝕產(chǎn)物、合金組分和包殼組分，而在其余溶液內(nèi)含有核燃料，如鈾和钚。

萃取循環(huán)次數(shù)取決于所要求的純化系數(shù)。裂變物質(zhì)和增殖物質(zhì)經(jīng)過三次或四次循環(huán)后，裂變產(chǎn)物已很少，再進(jìn)一步加工時可以不用輻照防護(hù)設(shè)備。如果循環(huán)次數(shù)較少，其產(chǎn)品還需要按其他方法繼續(xù)精制，或是把制得的裂變物質(zhì)置于輻照防護(hù)墻后進(jìn)行加工。2

萃取設(shè)備溶劑萃取與蒸發(fā)蒸餾一樣，是使液體混合物達(dá)到組分分離的一種單元操作。完成液一液萃取操作的設(shè)備有多種形式：分級接觸萃取設(shè)備(槽式設(shè)備)和連續(xù)微分萃取設(shè)備(塔式、柱式設(shè)備)。

現(xiàn)在，雖然溶劑萃取設(shè)備多種多樣，但核燃料后處理工藝因其處理對象的高放射性活度和易裂變物質(zhì)的臨界安全問題，不允許采用一般化學(xué)工藝中所使用的萃取器。在核燃料后處理工藝中，最初采用無脈沖的填料萃取柱。這種填料柱中沒有強制攪拌措施，水相和有機(jī)相根據(jù)進(jìn)入柱中液體的密度差發(fā)生接觸傳質(zhì)。在這種情況下，為確保鈾和钚的完全萃取，兩相需要很長的接觸時間，從而導(dǎo)致有機(jī)相在設(shè)備中顯著量輻射降解。后來人們研制了混合澄清槽、脈沖柱和離心萃取器，添加了對兩相進(jìn)行強制攪拌的部件，從而使萃取過程加快。

溶劑萃取器是溶劑萃取循環(huán)的主要設(shè)備。在核燃料后處理工藝的發(fā)展過程中先后有四種溶劑萃取設(shè)備：填料柱、脈沖柱、混合澄清槽和離心萃取器。其中結(jié)構(gòu)最簡單的是填料柱，但是它要求廠房有相當(dāng)高的空間。在脈沖柱和混合澄清槽中采用機(jī)械攪拌或空氣脈沖攪拌以增加相界面面積和相間湍動。離心萃取器，不僅采用機(jī)械攪拌以提高傳質(zhì)效率，還利用離心力加速分相?？梢詮南铝辛矫婧饬俊⒈容^溶劑萃取設(shè)備的性能：

(1)能形成足夠的相界面面積，以加速待萃取組分在兩相間的傳質(zhì)；

(2)便于兩相逆流流動，相間夾帶量??；

(3)進(jìn)入萃取接觸器的各物料流比和濃度在一定范圍內(nèi)變化時，設(shè)備應(yīng)具有一定的操作靈活性；

(4)機(jī)械性能可靠，且易于操作和維修；

(5)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，工藝物料滯留量小；

(6)初始投資費用和運行費用低。3

一般流程在一個萃取過程中可以使用多至四個串聯(lián)的萃取循環(huán)。下面敘述的是共萃取核燃料的一個典型的萃取循環(huán)。

這個萃取循環(huán)由三個串聯(lián)的柱，即萃取柱、分離柱和反萃取柱組成。所謂柱不能單純地理解為一個單獨的柱，它也可以是由若干個混合澄清器級或二個到三個單獨的萃取柱所構(gòu)成的。

核燃料是在萃取柱中被共萃取的，而裂變產(chǎn)物和非放射性的次要組份則留在水溶液中。含有鈾和钚產(chǎn)品以及裂變產(chǎn)物的硝酸原料液由柱的中部加入。萃取劑(用碳?xì)浠衔锵♂尩牧姿崛□?、甲基異丁基酮等?由下部通入，與水溶液呈逆流，然后帶著可萃取的組份而上升。柱的下段叫做萃取段，因為核燃料的萃取就是在這里實現(xiàn)的。裂變產(chǎn)物的液流由萃取柱的底部排出。萃洗水溶液由柱的上段即萃洗段加入，與上升的有機(jī)相對流，調(diào)節(jié)好鹽析劑含量，使之不致共萃取裂變物質(zhì)和增殖物質(zhì)，但要盡量把萃洗段內(nèi)共萃取的裂變產(chǎn)物反萃過來。

含有核燃料的有機(jī)溶液由萃取柱頂部排出，而后進(jìn)入分離柱的中部。在該柱中，含有鹽析劑(硝酸或硝酸鋁)和還原劑通常是Fe的水溶液由上向下流動，與有機(jī)液流相逆流，以分離鈾和钚。四價钚被Fe(SOsNH2)2還原成三價钚后由有機(jī)相反萃到水溶液。水相中存在的鹽析劑阻止了鈾的反萃。新鮮萃取劑在分離柱的萃洗段中由下而上流動，與钚水溶液相逆流，目的是要把被反莘的鈾部分重新從水溶液中萃取下來。钚的水溶液液流由分離柱底部排出。

由分離柱頂部排出的有機(jī)溶劑液流只含有鈾。再把它通入反萃取柱的底部，而洗滌液(通常是很稀的硝酸水溶液)則由上而下流動，把鈾反萃取到水相中去。鈾的水溶液液流由反萃取柱的底部排出，而用過的萃取劑則由柱的頂部排出。在純制循環(huán)時，在反萃水相液流進(jìn)口下1級或2級處，加入萃取柱反萃取用的硝酸最為合適。這樣可以降低有機(jī)溶液中硝酸和鈾的比例，還可以減少從反萃取柱排出的水溶液。從而也就可以降低后面蒸發(fā)器中的腐蝕以及提高產(chǎn)品的純度。

在釷增殖物質(zhì)的加工過程中，鈾和釷的分離可以不用還原劑。四價釷的可萃取性較差，我們就可以利用這一點來分離它，但要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)萃洗溶液中的鹽析劑濃度，使六價鈾留在有機(jī)液內(nèi)，而四價釷則被萃入水相。于是，從萃取柱排出的不是钚的水溶液液流，而是釷的水溶液液流。如果放棄裂變物質(zhì)的分離，則除廢液液流以外，還只能得到一種裂變物質(zhì)的水溶液液流，并且循環(huán)只用二個柱。一個這樣的雙柱純制循環(huán)或串聯(lián)在三柱分離循環(huán)之前，或串聯(lián)在它的后面，以進(jìn)一步純制分離產(chǎn)品。在后一種情況下，鈾和钚或釷各需要一個循環(huán)。在第一個萃取循環(huán)中，裂變產(chǎn)物的去污因子為和。在其余的循環(huán)中，由于只能分離萃取性能同裂變物質(zhì)相似的裂變產(chǎn)物，所以裂變產(chǎn)物的去污因子較小。

有些方法采用一種分別萃取核燃料的萃取流程，這種流程與目前所描述的萃取流程有所不同。在第一個萃取柱中只萃取鈾或钚，然后在它的第一個反萃取柱中從有機(jī)相重新洗滌出來。萃取柱的排出液就進(jìn)入第二個萃取柱，萃取共他產(chǎn)物(鈾、钚、釷)，再在相應(yīng)的反萃取柱中重新洗滌出來。

繪出的操作流程只是一般流程。濃縮用的蒸發(fā)器、貯藏溶液用的容器或者進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的以及調(diào)配溶液用的容器都沒有繪出。廢液和經(jīng)過幾個循環(huán)使用后的萃取劑多半是在相應(yīng)的處理設(shè)備中一起進(jìn)行處理的。