基于改善核燃料循环的新型铀过氧簇合物的设计、合成与性质研究

In order to achieve the safe and efficient development of nuclear power in our country, it is very necessary to carry out research about reprocessing of spent nuclear fuel. Uranium peroxide clusters are one novel type of uranium materials emerged in recent years. In the solution, they exist as giant anions with a molecular weight as high as 45000 and are obviously much larger than conventional inorganic ions, indicating that we may extract uranium based on the big size or mass difference between uranium clusters and other species in the solution and develop a novel reprocessing technique of spent nuclear fuel based on clusters. More than 50 uranium peroxide clusters have been successfully synthesized and characterized so far. However, most of them grow accompanied with unknown byproduct and their yield is low. In this proposal, we will arrange and conduct research about uranium peroxide clusters to service their potential applications in the reprocessing of spent nuclear fuel. Firstly, we will design and gradually optimize reactions to find an ideal reaction for the synthesis of clusters with high yield and purity. We will use uranium dioxide as the starting material rather than uranyl nitrate used in previous syntheses since the main composition of spent nuclear fuel is uranium dioxide. Secondly, we will investigate effects of fission element, radiation intensity, temperature and pH on the formation, structure, and properties of clusters. Finally, we will discuss the feasibility to develop a novel reprocessing technique base on uranium peroxide clusters.

为了满足我国核电安全高效发展的重大需求，非常有必要开展乏燃料后处理的研究。铀过氧簇是科研人员近年来合成的一类新型铀材料。它们在溶液中以巨型阴离子的形式存在，分子量高达45000，明显远大于溶液中常规的小离子。这意味着我们或许可以根据铀簇与溶液中其它组分的尺寸或重量差别而把铀以簇合物的形式分离出来，构建基于铀簇的乏燃料后处理的新思路。目前已报道的铀过氧簇有50多个，但是它们的反应中往往伴有副产物，产率比较低。本项目以铀过氧簇在乏燃料后处理中的潜在应用为导向来设计研究方案，拟以二氧化铀为起始反应物来设计、优化铀过氧簇的合成反应，筛选出可制备高产率、高纯度的铀过氧簇的合成方法。在此基础上系统研究裂变元素、辐射强度、温度等因素对铀过氧簇形成、结构和性质的影响，并探讨基于铀过氧簇的乏燃料后处理技术的可行性。

为了满足我国核电安全高效发展的需求，非常有必须开展乏燃料后处理的研究。铀过氧簇是一类具有精确纳米结构的新型铀化合物，在溶液中以巨型阴离子的形式存在，分子量高达45000，要远大于常规无机离子。因此可以尝试把乏燃料中的铀转化为铀簇，然后根据铀簇与裂变产物元素离子间尺寸或质量的差别，把铀分离出来，发展基于簇合物的乏燃料后处理流程。科研人员近十余年来已成功合成了几十个铀过氧簇。但是这些研究大多侧重于铀簇的合成与结构表征，且所合成铀簇的产率大多很低。为了能够有足够的样品来开展铀过氧簇的性质及在后处理中应用的相关研究，本项目系统研究了碱金属阳离子、配体、pH等因素对铀过氧簇形成和结构的影响。发现钠离子对铀四元环的形成具有模板作用，而钾离子对铀五元环的形成具有模板作用；通过调控pH，可以改善晶体的产率和纯度，减少副产物的量；配体的构型对簇合物的形成和结构有很大影响。通过使用合适的配体，成功合成了几个具有新颖结构的铀过氧簇。在这些研究的基础上，优化了几个代表性铀过氧簇的合成方法，并以UO2为起始物，合成出了具有较高产率和纯度的簇合物晶体。然后利用这些晶体研究了簇合物的溶解性、稳定性等性质。考虑到乏燃料中除了含有大量铀之外，还含有几十种裂变产物元素。我们研究了裂变元素离子的水溶液行为，发现这些离子易水解生成簇合物等产物。通过选用合适的配体，我们成功合成了几个裂变元素的簇合物。在此基础上，研究了裂变元素离子对铀过氧簇形成的影响，发现少量裂变元素离子的加入，不会影响铀过氧簇的形成和结构。这些研究结果为进一步开展铀过氧簇在核燃料循环中的应用研究提供了科学基础。