熔盐电解提取_分离典型裂片）及燃料元素（Th）的研究.pdf

熔盐电解提取/分离典型裂片元素（Zr、Ce、Nd）及燃料元素（Th）的研究

摘要

核能的应用改变了世界的能源格局，作为一种高效、安全、稳定的清洁能源，其

被视为未来能源体系的主要支撑。但近年来，高放射性的乏燃料后处理问题限制了核

能的进一步发展。熔盐电解技术是当前国际公认的具有优异应用前景的乏燃料干法后

处理技术，其流程短以及抗辐射性强的特性紧密贴合了乏燃料后处理的需求。尽管熔

盐电解干法后处理技术展现出了卓越的实用前景，然而影响燃料元素分离以及次锕系

元素嬗变的裂片元素提取问题一直是困扰其迈向实际应用的关键。此外，随着传统核

能技术引起的核扩散风险的加剧，促使核能技术进行了进一步的迭代与完善，作为第

四代先进核能系统候选的钍基熔盐堆由此得到广泛关注。维持钍基熔盐堆持续运行的

关键在于在线加工系统的构建，而熔盐中未反应的钍及裂片元素的分离是实现这一技

术的基础。为推动乏燃料干法后处理技术的发展，基于上述问题，本文选取Zr、Ce、

Nd等典型裂片元素和Th为研究对象，开展了裂片元素提取以及Th/Ln分离的研究

（Ln=Ce、Nd）。旨在探究四种元素在熔盐中以及活性电极上的反应过程和性质特点，

为乏燃料中锕系元素的分离提取构建提供一定的参考和借鉴。主要研究内容如下：

1.针对Zr(IV)离子还原机理的不确定性和Cu电极能降低成核活化能的特性，开展

了裂片元素及包壳材料Zr的电化学行为以及固态Cu电极上的电解提取研究。探究

Zr(IV)离子在熔盐中惰性电极上的反应过程，确定了Zr(IV)离子的连续两步两电子还原：

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Zr(IV)+2e→Zr(II)、Zr(II)+2e→Zr(0)。研究Zr(IV)离子还原过程的可逆性，测定其在熔

盐中的扩散系数，并进一步分析了Zr(IV)离子的电化学形核过程。深入研究了Zr(IV)

离子在Cu膜电极上的反应过程以及在Cu电极上的电解提取过程，确定了CuZr金属

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间化合物相的形成，并成功电解提取出了Zr。

2.鉴于固态电极的枝晶问题以及液态电极在熔盐电解干法后处理中的萃取作用，

进行了电解提取Ln系裂片元素Ce的液态阴极材料筛选研究。探究Ce(III)离子在Ga、

Zn、In、Pb液态电极上的反应过程，通过四种液态电极上反应特性分析，确定电极材

料的去极化值大小顺序以及交换电流密度大小顺序：GaZnInPb、GaInPbZn，揭

示了液态Ga电极良好的电解提取潜质。在此基础上，进一步研究了Ce在液态Ga电

极上的热力学性质。通过库仑滴定技术和电势法测定不同温度下的活度系数，揭示了

活度系数随温度的变化关系。采用恒电流脉冲电解方法测定了其773K下的饱和溶解

度，确定了Ce在液态Ga电极上的饱和溶解度为5.77×10-4。

3.基于二元电极的理论优势，构建了液态Ga-Al合金电极，探究了变价Ln系裂片

哈尔滨工程大学博士学位论文

元素Nd在合金电极上的电化学行为以及电解反应过程。首先，研究了Nd(III)离子在

熔盐中的热力学性质，采用半微分法测定Nd(III)/Nd反应体系的表观电极电位，揭示

了表观电极电位随温度的变化关系，并进一步得到NdCl3在熔盐中不同温度下的吉布

斯自由能变。其次，系统地研究了Nd(III)离子在Ga-Al合金膜电极上的反应过程，确

定了Nd-Ga-Al三元金属间化合物相的生成，并揭示Nd(III)离子在液态合金电极上的界

面反应过程。最后，对液态Ga-Al合金电极上电解效率进行了评估，多次电解结果分

析表明，Ga-Al合金电极具有良好的电流效率，恒电流电解时的电流效率基本在90%以

上。

4.从合金电极的实用性分析以及Ga电极电解提取的良好效果考量，进行了液态

Ga电极上Th/Ln电化学分离的研究。探究并分析Th(IV)离子在Ga电极上的动力学、

热力学性质，揭示了其交换电流密度随温度的变化为：j=0.668T-439.745；确定了活度