基于聚合硼酸根晶格鉴别能力的新型镧锕分离方案基础研究

The current techniques of nuclear waste reprocessing is still under development, fundamental questions still remain in the following aspects, which require urgent answers: how to effectively extract the vast amount of unburned uranium and newly formed plutonium from the spent nuclear fuels; how to separate minor actinide elements from lanthanide and other fission products to control the waste volumes, and etc. Based on the aforementioned questions, this project will take advantages of the previous trivalent lanthanide and actinide borate chemistry studies, to conduct experiments in three different directions: 1) systematically vary synthetic conditions of boric acid flux reactions; 2)develop new synthetic methods and reaction media; 3) utilize boronates as new ligands. The purpose of this study is to fully develop and complete the fundamental understanding of trivalent lanthanide and actinide borate coordination chemistry, gradually improve the ability of polyborate crystal lattices to separate trivalent lanthanide and actinide ions, and finally discover their potential applications in effective actinide/lanthanide and actinide/actinide separations.

当今国内外的核燃料循环工艺仍非常不完善，如何有效地将大量剩余未利用的铀和新生成的钚从乏燃料里提取出来循环利用，如何实现次要锕系元素与镧系元素及其它裂变产物的分离，从而严格控制废料体积等仍然有大量的基础科学问题亟待研究。本项目将在三价镧系锕系元素硼酸盐化学的前期研究基础上，通过系统地改变反应条件；利用新型合成手段及反应介质；采用有机硼酸作为新配体等三方面内容开展和完善三价镧系锕系元素硼酸盐配位化学基础研究，并将逐步改进聚合硼酸盐晶格鉴别三价镧系锕系元素的能力，进一步挖掘其在高效镧锕分离及锕系内部分离中的潜在应用价值。

三价镧系锕系元素传统上认为具有极为类似的化学行为，以至于它们之间的分离是一个巨大的挑战（包括在稀土资源的利用以及乏燃料后处理中）。传统的分离方法基于串级溶剂萃取流程，但存在一些不可避免的缺点。我们在这个项目中按照申请书原定计划，在已取得的良好结果基础上，利用硼酸根对三价镧系锕系的晶格鉴别能力，使其根据金属元素离子半径的细微变化作出相应显著的改变。进而根据镧系元素的结晶差异性，利用其选择性结晶的特点采用固液分离或固固分离的方法进而实现镧系锕系元素间的分离。在分离难度更大的镧系组分内已掌握基本分离规律，为镧锕的分离打下良好基础。目前已实现不同晶格类型相邻镧系元素间的固液分离，部分分离效果可与工业级单次萃取效果相媲美；另外，在晶格差异性明显的镧系元素之间首次发现镧系不固溶现象，实现定量固固分离，其结果优于目前工业级分离效果。该工作所得到一个最有科学意义的结论就是三价镧系锕系离子的化学性质在某些特定的系统下的化学行为差异可以被显著放大，这打破了传统大家对三价镧系锕系离子的认识。利用这种新的认识，可以衍生出了一种崭新的，高效率，低成本，低污染的三价镧系以及镧锕分离策略。