核废料熔盐电解后处理中多溶质LiCl-KCl熔盐耦合性质研究

As one of the advanced spent fuel reprocessing technologies, the pyroprocessing is attracting more and more attentions. How to improve the separation of actinides and lanthanide depends directly on the understanding of their properties in LiCl-KCl eutectic salt. Previous studies mainly focus on the single solute system. However, recent studies have shown the dependence of electrochemical properties on the presence of other species. In order to reveal the interactions in LiCl-KCl molten salt with multiple species, the electrochemical experiments will be carried out in this project to obtain the signal characteristics of multiple species molten salt system with different concentrations under various electrochemical methods. The algorithms will be proposed and optimized to distinguish the overlap signals. Also, the kinetic model will be developed to predict their behaviors. Based on this work, properties of each element in the system, such as diffusion coefficient, apparent potential, and activity coefficient will be calculated to reveal the interaction between elements in the system. This work will benefit the system design of pyroprocessing and improvement of element separation degree.

作为核废料先进后处理方法之一，基于LiCl-KCl电解质的熔盐电解法受到越来越多的关注。电解过程中如何提高锕系、镧系元素的分离系数直接依赖于对这些元素在熔盐中电化学行为性质的理解。以往性质研究大多基于单溶质熔盐体系，忽略了多溶质之间可能存在的相互作用。然而2016、2017年研究发现一种氯化物的加入会对原有氯化物在LiCl-KCl熔盐中的性质产生显著影响。为揭示多溶质LiCl-KCl熔盐中各溶质的相互作用规律，本项目拟通过电化学实验和理论模型相结合的方法，针对含有三种溶质的LiCl-KCl熔盐体系，研究多溶质体系电化学实验中复合信号响应特征，发展复合信号分离算法，建立多溶质熔盐体系电化学行为理论模型，揭示其耦合机理，掌握额外离子加入对原有离子在LiCl-KCl熔盐中的行为性质（形式电位、活度系数，扩散系数等）的影响规律，为乏燃料熔盐电解后处理中元素分离系数的提高提供技术支持。

本项目采用实验与模拟相结合的方法进行了多溶质熔盐体系元素耦合性质研究。.首先通过电化学实验得到了单溶质镧系元素（La、Gd、Ce、Nd）分别在LiCl-KCl熔盐中的电化学行为和性质，并研究了在单溶质体系中加入其他元素时电化学信号的变化规律，包括峰高、峰位迁移等，从而获得了多元素体系电化学信号的变化规律；同时针对多元素电化学信号峰重叠的问题，发展了基于遗传算法的重叠峰分离方法，可以分离近乎重合的电化学信号峰，为通过电化学手段获得多元素体系性质提供了技术支撑；同时本项目基于流体力学、热力学及电极动力学理论，建立了针对多元素体系的的电极表面动力学模型，并通过实验数据验证了模型的准确性，基于此开发了一种能够预测多组分物质电解精炼过程中元素分离行为的有限元模型，本模型以能斯特方程作为平衡条件，使用传质系数来计算电极/熔盐界面的通量，能够准确估计电极端的电势、物质在阴极阳极的分电流、物质在熔盐和液态电极中的浓度变化以及物质在阴极的沉积情况。研究成果为多元素复杂熔盐体系的电化学行为提供了技术支撑。