辐照核燃料后处理过程会产生强放射性废液(简称强放废液),如何安全处理是极为重要的问题。其中含有长寿命、高毒性锕系元素镅(Am)、锔(Cm)、铀(U)、镎(Np)、钚(Pu)及强放射性的裂变产物锶(Sr)、铯(Cs)等。如果直接将该废液固化处理,埋藏在地层中,则所含的锕系元素需要经过数百万年的衰变才能达到对人类无害的水平。
解决问题的方法是从强放废液中分离锕系元素,使它变成不含长寿命α核素的废液,这样的废液固化后只需在地层中埋藏约一千年即可达到天然放射性本底的水平,从而大大提高了处理强放废液的安全性。
而分离出来的锕系元素,经进一步处理后,可作为核燃料返回反应堆使用,或加工成各种用途广泛的同位素源。
目前从强放废液中分离锕系元素的方法有:(1)磷酸三丁酯(TBP)萃取法;(2)二(2-乙基己基)磷酸(HDEHP)萃取法;(3)美国的双官能团萃取剂(DBDECMP)萃取法;(4)美国二(2-己氧基乙基)萃取法;(4)三烷基氧化膦(TRPO)萃取法。
以三烷基氧化膦(TRPO)萃取法为例,从强放废液中萃取锕系元素的工艺流程为:
1、萃取段:强放废液中含有锕系元素(铀、镎、钚、镅、锔)、稀土和裂变产物,在该废液中加入适量的肼和硝酸羟胺,将镎、钚调至+4价,形成待处理料液进入萃取段。萃取有机相由30%(体积)三烷基(混合)氧化膦(TRPO)一加氢煤油组成,经过多级逆流萃取,使料液和萃取有机相充分接触,锕系元素、稀土元素萃入有机相,而主要裂变产物锶、铯仍留在水相中,该水相废液可直接进行固化、埋藏处置。
2、反萃段,在反萃取段中含有锕系、稀土元素的负载有机相用5M硝酸进行第一次反萃,这时镅、锔和稀土元素从有机相反萃到硝酸反萃液中。
第一次反萃后的有机相用0.5M草酸溶液再次反萃,这时镎、钚从有机相中反萃到草酸反萃液,第二次反萃后的有机相流入第三反萃段中,最后用5%碳酸钠溶液从有机相将铀反萃到碳酸钠反萃液中,从而使有机相得到纯化。纯化后的有机相用2M硝酸洗涤并重复使用。
在萃取和反萃取段中,可以采用的萃取设备主要有:离心萃取机和萃取槽,郑州天一萃取生产制造的CWL-M系列新型离心萃取机可适用于锕系元素及稀土的萃取中,该系列新型离心萃取机不仅功耗低、占地面积小、维护成本低、安全稳定,且在材料上进行了耐腐性的升级,经过处理后,可耐强酸强碱及有机溶剂的腐蚀。
在多次萃取及反萃取的生产中,CWL-M新型离心萃取机通过多级串联设计,可实现工业连续化、自动化操作,大大提高萃取车间现代化发展水平。