活性电极电沉积过程中铀及变价镧系元素的化学种态研究

Pyrometallurgical process is one of the most promising options for the reprocessing of advanced nuclear fuels. In the pyrometallurgical process, active electrodes are of great significance for the recovery of actinides and the separation of actinides from lanthanides. However, the chemical speciation of variable valence elements during the electrodeposition process on the active electrodes was not well understood, and it is one of the key scientific issues. In this work, the chemical speciation of uranium and variable valence lanthanides will be studied during the elctrodeposition process on solid Al and liquid Ga electrodes. Both the electrochemical techniques and high temperature in situ spectroscopic technique will be emloyed to determine the stable oxidation state, coordination mode of uranium and variable valence lanthanides. The distribution of related chemical species in the electrolytic cell and the effect of trace oxygen ions on the chemical species will be also studied. In addition, interactions between the chemical species will be also determined. This work will make deeper understanding of the electrochemical reactions in the electrorefining process, it would be also benefit for improving the current efficiecy. More importantly, it will provid basic experimental data and scientific insights for the selection of active electrode materials.

干法后处理是未来先进核燃料循环的重要组成部分，而熔盐电精炼流程是目前被认为最有前途的干法后处理技术之一。在熔盐电精炼流程中，活性电极在锕系元素提取及锕-镧分离方面将发挥重要作用，但目前学术界对其电沉积过程中变价元素的化学种态尚不清楚，是亟待解决的关键科学问题之一。本项目拟以固态Al和液态Ga作为活性阴极，开展铀及变价镧系元素在电沉积过程中的化学种态变化及相关机理研究。通过电化学技术与高温原位光谱技术相结合的方式确定电沉积过程中铀及变价镧系元素的稳定氧化态、配位模式、各化学物种在电解池中的分布规律、熔盐中微量氧离子对各化学物种的影响以及各化学物种之间的相互影响与联系等。本项目的开展将有助于对目前熔盐电精炼流程中各电化学过程的深入理解，以进一步降低不利因素对沉积的影响，提高精炼电流效率。同时，本项目的实施也将为活性电极材料的选择提供基础数据和科学参考。

干法后处理是未来先进核燃料循环的重要组成部分，而熔盐电精炼流程是目前被认为最有前途的干法后处理技术之一。在熔盐电精炼流程中，活性电极在锕系元素提取及锕-镧分离方面将发挥重要作用，其中电沉积过程中变价元素的化学种态是亟待解决的关键科学问题之一。本项目针对这一科学问题开展了一系列研究，重点研究了铀与变价镧系元素(Ln)在 LiC-KCl 熔盐体系中的化学种态，及这些元素在活性铝电极上电沉积过程中化学种态的转化。此外，还研究了熔盐体系中微量氧对铀与镧系元素离子的存在形式及电沉积过程的影响。研究结果表明，对于U(III)，U(IV)和Ln(III)离子在LiCl-KCl熔盐体系中均以六配位的[MCl6]n-形式存在，Ln(II)离子的配位能力很弱。在活性铝阴极电沉积过程中，U与变价的Ln离子均存在循环电解现象，导致电流效率很低。通过采用活性阳极（牺牲阳极），可以消除电沉积过程中的循环电解，大幅度提高电流效率。本项目的研究成果有助于对目前熔盐电精炼流程中各电化学过程的深入理解，降低不利因素对沉积的影响，提高精炼电流效率。