【摘 要】
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核电在低碳经济发展中拥有明显的优势,随着核能的广泛应用,放射性废料以越来越快的速度积累。锆基合金包壳材料作为核反应堆安全稳定运行的第二道安全屏障,在核废料中占据很大比重。为了回收Zr金属,降低地质处置库的体积,必须将Zr与其他裂片元素分离。目前,在先进核燃料循环中,熔盐电解技术被认为是很有优势的核废料后处理技术之一。因此,本工作是以Zr和Sr为研究对象,在Li Cl-KCl-K2Zr F6(1.0
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核电在低碳经济发展中拥有明显的优势,随着核能的广泛应用,放射性废料以越来越快的速度积累。锆基合金包壳材料作为核反应堆安全稳定运行的第二道安全屏障,在核废料中占据很大比重。为了回收Zr金属,降低地质处置库的体积,必须将Zr与其他裂片元素分离。目前,在先进核燃料循环中,熔盐电解技术被认为是很有优势的核废料后处理技术之一。因此,本工作是以Zr和Sr为研究对象,在Li Cl-KCl-K2Zr F6(1.03×10-4mol/cm3)-Sr Cl2（0.097 mol/cm3）熔盐体系中利用液态Zn阴极将金属Zr与裂片元素分离,同时将含Sr（Ⅱ）的熔盐废物进行净化,进而降低含高放射性熔盐废物的体积。（1）通过一系列电化学方法,研究了Zr（Ⅳ）在惰性W电极上的电化学行为。循环伏安曲线和反向计时电位研究表明,Zr（Ⅳ）的还原过程Z r（I V）?2e→Zr（I I）?2e→Zr;在0.07 V/s-0.20 V/s的电位扫速范围内,Zr（Ⅳ）/Zr（Ⅱ）与Zr（Ⅱ）/Zr是可溶/可溶与可溶/不可溶的还原过程,Zr（Ⅱ）的还原过程是受扩散控制的准可逆过程,测定扩散系数为5.65×10-5cm2·s-1。采用塔菲尔极化法测定了不同K2Zr F6浓度下Zr（Ⅱ）/Zr在W电极上的交换电流密度,随着浓度的增加,交换电流密度增大,电荷转移电阻降低;同时研究了F-的浓度对Zr（Ⅳ）还原机制的影响。发现F-的浓度增加,长链配合物的形成,离子团变大,导致Zr（Ⅳ）/Zr（Ⅱ）与Zr（Ⅱ）/Zr的还原电位负移;Zr（Ⅱ）的扩散系数从1.55×10-5cm2·s-1降低至0.72×10-5 cm2·s-1。（2）通过Zr（Ⅳ）在Zn膜和液态Zn电极上的电化学行为,研究了Zn电极分离Zr的可行性。Zr（Ⅳ）在Zn膜电极上为两步两电子还原,并发生去极化效应形成Zr-Zn合金;而Zr（Ⅳ）在液态Zn电极上的还原为一步四电子还原。研究发现在液态Zn电极上Zr（Ⅳ）/Zr（0）的还原为扩散控制的准可逆过程,测定的扩散系数为8.07×10-5 cm2·s-1;计算了不同扫速下Zr（Ⅳ）/Zr（Zn）的交换电流密度和电荷转移电阻,发现随着扫速的增加,交换电流密度增大,电荷转移电阻降低;通过恒电位电解从熔盐中分离Zr,在液态Zn电极上得到了一种Zr-Zn金属间化合物,XRD和SEM-EDS测试分析结果显示得到了Zn21.8Zr1金属间化合物。（3）通过Sr（Ⅱ）在Zn膜电极上的电化学行为,研究了Sr（Ⅱ）在活性Zn电极上的电化学分离。Sr（Ⅱ）在Zn膜电极上为一步两电子还原,并发生去极化效应形成Sr-Zn合金;根据Zr（Ⅳ）和Sr（Ⅱ）在Zn电极上的电化学行为,结合Sr Cl2、KCl、Li Cl的分解电压,建立了Zr（Ⅳ）电化学分离的电位条件:能够实现Zr（Ⅳ）和Sr（Ⅱ）分离的电位范围约为-0.96V～-1.44 V。在Li Cl-KCl-K2Zr F6-Sr Cl2（0.097 mol/cm3）体系中,以液态Zn为电极在-1.30V电位下进行恒电位电解分离Zr（Ⅳ）和Sr（Ⅱ）,XRD和SEM-EDS测试分析结果显示,熔盐体系中的Zr（Ⅳ）被唯一的分离出来。对分离Zr后的含Sr（Ⅱ）废熔盐进行电化学净化。采用恒电流电解法和恒电位电解从熔盐中分离Sr,XRD和SEM-EDS测试分析结果显示得到Sr Zn13金属间化合物。
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