[科普中国]-萃取循环

介绍

萃取循环本身的组合是加工方法的主体。燃料元件溶解成溶液后，进一步预处理这种溶液，使其成为含有核燃料(裂变物质和增殖物质)、裂变产物、腐蚀产物，可能还有核燃料的合金组分和包壳组分的原始溶液，再经过萃取分离后，将得到二份或者三份(很少有四份)溶液。共中一份溶液含有裂变产物、腐蚀产物、合金组分和包壳组分，而在其余溶液内含有核燃料，如铀和钚。

萃取循环次数取决于所要求的纯化系数。裂变物质和增殖物质经过三次或四次循环后，裂变产物已很少，再进一步加工时可以不用辐照防护设备。如果循环次数较少，其产品还需要按其他方法继续精制，或是把制得的裂变物质置于辐照防护墙后进行加工。2

萃取设备溶剂萃取与蒸发蒸馏一样，是使液体混合物达到组分分离的一种单元操作。完成液一液萃取操作的设备有多种形式：分级接触萃取设备(槽式设备)和连续微分萃取设备(塔式、柱式设备)。

现在，虽然溶剂萃取设备多种多样，但核燃料后处理工艺因其处理对象的高放射性活度和易裂变物质的临界安全问题，不允许采用一般化学工艺中所使用的萃取器。在核燃料后处理工艺中，最初采用无脉冲的填料萃取柱。这种填料柱中没有强制搅拌措施，水相和有机相根据进入柱中液体的密度差发生接触传质。在这种情况下，为确保铀和钚的完全萃取，两相需要很长的接触时间，从而导致有机相在设备中显著量辐射降解。后来人们研制了混合澄清槽、脉冲柱和离心萃取器，添加了对两相进行强制搅拌的部件，从而使萃取过程加快。

溶剂萃取器是溶剂萃取循环的主要设备。在核燃料后处理工艺的发展过程中先后有四种溶剂萃取设备：填料柱、脉冲柱、混合澄清槽和离心萃取器。其中结构最简单的是填料柱，但是它要求厂房有相当高的空间。在脉冲柱和混合澄清槽中采用机械搅拌或空气脉冲搅拌以增加相界面面积和相间湍动。离心萃取器，不仅采用机械搅拌以提高传质效率，还利用离心力加速分相。可以从下列六方面衡量、比较溶剂萃取设备的性能：

(1)能形成足够的相界面面积，以加速待萃取组分在两相间的传质；

(2)便于两相逆流流动，相间夹带量小；

(3)进入萃取接触器的各物料流比和浓度在一定范围内变化时，设备应具有一定的操作灵活性；

(4)机械性能可靠，且易于操作和维修；

(5)设备结构紧凑，工艺物料滞留量小；

(6)初始投资费用和运行费用低。3

一般流程在一个萃取过程中可以使用多至四个串联的萃取循环。下面叙述的是共萃取核燃料的一个典型的萃取循环。

这个萃取循环由三个串联的柱，即萃取柱、分离柱和反萃取柱组成。所谓柱不能单纯地理解为一个单独的柱，它也可以是由若干个混合澄清器级或二个到三个单独的萃取柱所构成的。

核燃料是在萃取柱中被共萃取的，而裂变产物和非放射性的次要组份则留在水溶液中。含有铀和钚产品以及裂变产物的硝酸原料液由柱的中部加入。萃取剂(用碳氢化合物稀释的磷酸三丁酯、甲基异丁基酮等等)由下部通入，与水溶液呈逆流，然后带着可萃取的组份而上升。柱的下段叫做萃取段，因为核燃料的萃取就是在这里实现的。裂变产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，与上升的有机相对流，调节好盐析剂含量，使之不致共萃取裂变物质和增殖物质，但要尽量把萃洗段内共萃取的裂变产物反萃过来。

含有核燃料的有机溶液由萃取柱顶部排出，而后进入分离柱的中部。在该柱中，含有盐析剂(硝酸或硝酸铝)和还原剂通常是Fe的水溶液由上向下流动，与有机液流相逆流，以分离铀和钚。四价钚被Fe(SOsNH2)2还原成三价钚后由有机相反萃到水溶液。水相中存在的盐析剂阻止了铀的反萃。新鲜萃取剂在分离柱的萃洗段中由下而上流动，与钚水溶液相逆流，目的是要把被反莘的铀部分重新从水溶液中萃取下来。钚的水溶液液流由分离柱底部排出。

由分离柱顶部排出的有机溶剂液流只含有铀。再把它通入反萃取柱的底部，而洗涤液(通常是很稀的硝酸水溶液)则由上而下流动，把铀反萃取到水相中去。铀的水溶液液流由反萃取柱的底部排出，而用过的萃取剂则由柱的顶部排出。在纯制循环时，在反萃水相液流进口下1级或2级处，加入萃取柱反萃取用的硝酸最为合适。这样可以降低有机溶液中硝酸和铀的比例，还可以减少从反萃取柱排出的水溶液。从而也就可以降低后面蒸发器中的腐蚀以及提高产品的纯度。

在钍增殖物质的加工过程中，铀和钍的分离可以不用还原剂。四价钍的可萃取性较差，我们就可以利用这一点来分离它，但要适当地调节萃洗溶液中的盐析剂浓度，使六价铀留在有机液内，而四价钍则被萃入水相。于是，从萃取柱排出的不是钚的水溶液液流，而是钍的水溶液液流。如果放弃裂变物质的分离，则除废液液流以外，还只能得到一种裂变物质的水溶液液流，并且循环只用二个柱。一个这样的双柱纯制循环或串联在三柱分离循环之前，或串联在它的后面，以进一步纯制分离产品。在后一种情况下，铀和钚或钍各需要一个循环。在第一个萃取循环中，裂变产物的去污因子为和。在其余的循环中，由于只能分离萃取性能同裂变物质相似的裂变产物，所以裂变产物的去污因子较小。

有些方法采用一种分别萃取核燃料的萃取流程，这种流程与目前所描述的萃取流程有所不同。在第一个萃取柱中只萃取铀或钚，然后在它的第一个反萃取柱中从有机相重新洗涤出来。萃取柱的排出液就进入第二个萃取柱，萃取共他产物(铀、钚、钍)，再在相应的反萃取柱中重新洗涤出来。

绘出的操作流程只是一般流程。浓缩用的蒸发器、贮藏溶液用的容器或者进行化学反应的以及调配溶液用的容器都没有绘出。废液和经过几个循环使用后的萃取剂多半是在相应的处理设备中一起进行处理的。