动力堆乏燃料后处理溶解液澄清技术研究

王 镇，李 飞，王树生

（中核四○四有限公司，甘肃 兰州 732850）

动力堆乏燃料后处理溶解液澄清技术研究

王 镇，李 飞，王树生

（中核四○四有限公司，甘肃 兰州 732850）

用于乏燃料后处理溶解料液澄清的主要设备是沉降离心机。离心机研究过程中出现下轴承温升过高、酸置换效果不理想、降速和冲渣过程中有含渣料液进入清液等问题，从而影响离心机的料液分离效果。针对存在的问题，对离心机轴承降温；取消酸置换；在清液管道上增加缓冲罐和返回料液槽的空气提升器，防止渣水进入清液槽；改善冲渣效果等技术改进后，满足工艺要求，实现了工程应用。

沉降离心机；轴承温度；酸置换；降速；含渣料液；冲渣

乏燃料溶解液是一种不透明的褐色溶液，其中悬浮着高度分散的微小的不溶性固体残渣，其量达0．1%～1%，多数为球形，也有棒状和针状呈合金状态［1］。因此，在进入萃取分离循环之前，必须进行澄清工序，否则不溶性固体颗粒不仅会堵塞管道、加速溶剂辐解、增加界面污物、降低某些裂变产物的去污系数，使萃取设备的水力学性能变坏，甚至会造成临界事故［1］。

1 后处理溶解液澄清的常用方法

澄清溶解液中不溶物的主要方法有离心沉降、过滤澄清及结合絮凝剂的方法［2］。一般后处理厂采用烧结不锈钢过滤器，其孔径为20μm左右，如：美国的汉福特工厂采用离心过滤、爱达荷工厂采用烧结不锈钢过滤器等［2］。

我国自主研发了挠性轴、倒杯式转鼓、下进料方式的沉降离心机。通过模拟料液、冷铀及热料液负载试验，表明沉降离心机能够较好地实现固液分离功能，分离出的清液质量较高，但发现酸置换不合格、降速过程中有含渣料液进入清液槽等问题，为确保料液整体分离效果，进行系统改进后满足工艺要求，实现了工程应用。

2 离心沉降法的基本原理

将分散在悬浮液中的颗粒，利用固—液两相的密度差，采用离心运动进行分离。颗粒在液体中的沉降规律是颗粒沿着离心力方向 （径向）沉降［3］。

3 主要工艺过程和技术指标

溶解料液澄清的主要工艺过程包括：用沉降离心机对溶解液进行沉降离心，接着用0．3mol／L的硝酸对离心机供料槽进行酸置换，而后用高压去离子水冲洗离心机转鼓进行排渣；对沉降离心后的清液要求不溶固体颗粒物含量≤5mg／L，且其颗粒物粒径≤1．5μm；对离心机轴承温升要求≤60℃等［3］。

4 研究过程

4．1 模拟料液负载试验

4．1．1 模拟料液的选择

考虑真实乏燃料元件溶解液的特性，选用氧化铝作为料液的不溶悬浮固体，以硝酸锶调节液相密度和粘度，构成 Al2O3－Sr（NO3）2水模拟体系，用以模拟溶解料液。

4．1．2 模拟料液沉降离心

在高转速分离时，清液中的含固量最大为2．87mg／L，小于1．5μm 的不溶物占100%，满足设计要求。试验发现，在降速过临界转速时约有4～26．5L的含渣料液进入清液中 （见表1），其含渣量较高，影响了离心机整体分离效果。

表1 降速过程中进入清液中的含渣料液体积Table 1 The volume of the liquid flowing into the clear liguid tank during deceleration

4．1．3 “酸”置换

在使用允许最大体积的去离子水对离心机转鼓进行置换后，转鼓内残留料液仍含有较高浓度的硝酸锶，置换效果不理想，详见图1。

图1 水置换前后转鼓内料液密度对比Fig．1 The comparison of feed liquid density before and after water replacement

4．1．4 冲渣

沉降离心完毕后，将离心机降速至20rpm进行正反转冲渣。冲渣结束后通过拆装检查转鼓，表明其内壁清洁，无沉渣，说明冲渣效果达到要求。但在冲渣过程中，有含渣料液自清液口排出，该部分排出液含固量较高，影响清液质量。

4．2 轴承温升验证试验

沉降离心机在负载运行过程发现下轴承温度持续上升，温升达64．4℃ （环境温度20℃，见图2）。需要采取有利的措施对下轴承进行降温。

图2 未采取冷却措施时设备运行过程中上、下轴承温度Fig．2 The upper and lower bearing temperature during equipment operation without cooling

4．3 冷铀负载试验

4．3．1 冷铀沉降离心

离心机在冷铀工况下运行正常，分离效率达到设计要求，但在降速过临界转速时约有4～26．5L的含渣料液进入清液中 （见表2），降速后冷铀清液的含固量约为降速前的2．5倍，其小于1．5μm的粒径平均仅达到70．3%，不满足设计要求。

表2 降速过程中进入清液中的含渣料液体积Table 2 The volume of the liquid flowing into the clear liguid tank during deceleration

4．3．2 酸置换

冷铀料液沉降分离后，用允许最大体积0．3mol／L的硝酸进行置换，转鼓内残留料液仍含有较高浓度的硝酸铀酰 （约100g／L），置换效果不满足要求。

4．3．3 冲渣

冷铀料液沉降离心后，进行正反转冲渣，冲渣效果达到要求。但在冲渣过程中，有含渣料液自清液口排出，该部分排出液含固量较高，影响清液质量。

5 问题分析与改进

（1）下轴承温升过高

紧挨下轴承有一个塑料密封轴套和不锈钢密封轴套，离心机在高速运转时，下轴承热量被两个密封套阻隔，散发不出去，造成其局部温度过高。

为避免温度过高损坏轴承，通过引入0．3MPa压空至下轴承处，对其进行冷却。改进后，下轴承在长时间的运行过程中，最大温升44℃，满足设计要求见图3。

图3 增加冷却后的下轴承温度Fig．3 The lower bearing temperature after increasing cooling

（2）酸置换效率低

由于溶解液铀浓度较高，且料液槽内残留铀体积相对较大，使得置换酸与残留液混合后铀浓度仍然偏高。若增加置换酸体积，则会造成清液浓度不满足运行要求。

为避免转鼓内残存物料损失，在渣水槽增加了取样点和蒸汽喷射泵，可将较高浓度料液输送至料液槽进行再次离心。同时，取消了酸置换工序，节省了运行时间。

（3）降速时含渣料液进入清液槽

沉降离心机转鼓内残留料液在高速运行下形成平衡液面，大部分不溶物固体附着在转鼓内壁。而转鼓在降速过程中使得平衡液面被打破，尤其是经过临界转速时转鼓震动较大，使转鼓内壁附着的残渣有小部分又重新进入料液。因而，使得自清液口流入清液槽的料液（4～26．5L）不溶物固体含量较高。

为此，在清液管道上增加缓冲罐和返回料液槽的空气提升器，用来接收降速时的含渣料液，防止渣水进入清液槽。改进表明，在未破坏设备的前提下，从根本上解决了降速过程中含渣料液进入清液槽的问题，使沉降分离效果达到了技术指标。

（4）冲渣水进入清液槽

经试验，用0．5～0．7MPa（表压）的去离子水进行冲渣，渣水不再进入清液槽 （见表3）。说明冲渣水压力在0．5～0．7MPa （表压）时冲渣效果满足工艺要求。

表3 改变冲渣水压力后的数据对比Table 3 Data comparison between before and after the pressure of flush slag water was changed

6 热料负载试验验证

乏燃料热试验及热运行期间，通过热料液的沉降离心，验证了沉降离心机的下轴承温升小于60℃的工艺要求，同时不再有含渣料液进入清液槽，所得清液满足溶解清液各项技术指标。

7 结论

通过技术改进和热料负载试验验证，解决了沉降离心机下轴承温度过高、酸置换效率低、降速时含渣料液进入清液槽及冲渣水进入清液槽等问题，实现了沉降离心机的工程应用。

［1］王俊峰，章泽甫，张天祥 ．动力堆核燃料后处理工学 ［M］．北京：中国原子能出版社，2013．

［2］任凤仪，周镇兴 ．国外核燃料后处理 ［M］．北京：中国原子能出版社，2006．

［3］《化学工程手册》编委会 ．化学工程手册 ［M］．北京：化学工业出版社，1989．

Study on Clarification Technology of Spent Fuel Reprocessing Dissolved Solution in Power Reactor

WANG Zhen，LI Fei，WANG Shu－sheng
（The 404Company Limited，CNNC，Lanzhou，Gansu Prov．732850，China）

The main equipment used for the clarification of spent fuel reprocessing dissolved solution is the settling centrifuge，In the process of centrifuge study，the temperature rise of the bearing is too high，and acid replacement effect is not ideal．In the deceleration and flush scraps process，scrapS－containing liquid flows into the clear liquid，so that the separation effect of the centrifuge is influenced．In view of the existing problems，the air compressor cooling under the centrifuge is used，acid replacement is cancelled，a buffer tank and air lift returning to liquid tank are added in the pipeline，to prevent the slag water from into the liquid tank．After improvement of slag flushing effect，process requirements are met，and engineering application is realized．

settling centrifuge；bearing temperature；acid replacement；deceleration；scrapS－containing liquid；flush scraps

TL24 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0421－04

TL24

A

1674－1617 （2017）03－0421－04

10．12058／zghd．2017．03．421

2017－05－14

王 镇 （1979—），男，湖北十堰人，工程师，现主要从事化工工程与工艺工作 （E－mail：582895373＠qq．com）。

（责任编辑：白佳）