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作者与研究背景
本研究由Noriko Asanuma、Masayuki Harada、Masanobu Nogami、Kazunori Suzuki、Toshiaki Kikuchi、Hiroshi Tomiyasu 和 Yasuhisa Ikeda共同完成，分别来自东京工业大学核反应堆研究实验室、创新研究所、三菱材料公司和信州大学。该研究于2006年发表在《Journal of Nuclear Science and Technology》期刊上。
本研究属于核燃料后处理领域的科学研究，旨在开发一种基于碳酸盐溶液中乏燃料溶解的新型后处理工艺。核燃料后处理是核能循环利用的重要环节，其中二氧化铀（UO₂）的溶解机制是一个关键科学问题。传统的酸性溶解方法虽然成熟，但存在腐蚀性强、操作复杂等问题。相比之下，碱性溶液中的溶解可能具有更高的安全性和环保性。此外，乏燃料中含有裂变产物（FP），这些杂质可能会影响溶解效率及分离效果。因此，本研究通过模拟乏燃料颗粒（SSFP）在碳酸铵溶液中的阳极溶解行为，探索其溶解速率、电流效率以及裂变产物的行为，为新型后处理工艺提供理论支持。
研究流程
本研究分为多个实验步骤，具体如下：
样品制备与实验装置
SSFP由UO₂和13种氧化物组成，包括Sr、Ba、La、Ce等元素（表1）。其尺寸与压水反应堆燃料颗粒一致（直径8.2mm，高度12mm，重量6.5g）。实验装置包括一个阳极和电解池（图2）。SSFP用导电胶固定在碳棒上，并涂覆无机耐热粘合剂以防止还原反应。电解池被阳离子交换膜分隔为两个室，每个室填充50cm³的10% (NH₄)₂CO₃溶液作为电解液。Pt线和Ag/AgCl电极分别用作阴极和参比电极。
阳极极化曲线测量
在进行溶解实验之前，首先测量SSFP在(NH₄)₂CO₃溶液中的阳极极化曲线（图3），以确定避免水分解反应的电解电流范围。
阳极溶解实验
实验在不同温度下（313K、323K、333K）进行恒电流电解。溶解时间约为6小时，电压控制在1.0V左右。实验过程中记录电解液中六价铀（U(VI)）浓度随时间的变化（图4）。
表面分析
溶解实验结束后，使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱仪（EDX）对SSFP表面进行分析，观察其微观形貌和元素分布（图7-10）。
裂变产物分析
通过离心分离电解液中的沉淀物，并使用ICP-AES（电感耦合等离子体原子发射光谱）分析残余溶液中模拟裂变产物的浓度（表3）。
主要结果
1. 溶解速率与电流效率
实验结果显示，SSFP的溶解速率随时间逐渐降低，特别是在溶解时间超过3小时后显著减缓（图4）。电流效率也低于100%，表明溶解过程中伴随水分解反应。根据动力学分析，溶解速率常数（Φ值）分别为313K时2.2×10⁻⁶ mol·cm⁻²·min⁻¹、323K时3.1×10⁻⁶ mol·cm⁻²·min⁻¹和333K时4.5×10⁻⁶ mol·cm⁻²·min⁻¹。与含杂质的UO₂相比，纯UO₂的溶解速率通常慢10倍，因此本研究中的溶解速率与硝酸溶液中的溶解速率相当。
表面形貌与溶解机制
SEM和EDX分析显示，溶解后的SSFP表面分为凸起部分和多孔部分（图7）。凸起部分主要由纯UO₂基质组成，而多孔部分则含有模拟裂变产物（如Zr、Pd、Ba等）。这表明纯UO₂基质的存在降低了表面电导率，从而导致溶解速率和电流效率下降。此外，在恒电流电解中，电导率降低会增加电位，当电位超过1.23V时，水分解反应开始发生，进一步降低电流效率。
裂变产物行为
分析电解液中的裂变产物发现，大部分碱土金属（如Sr、Ba）和稀土元素（如La、Pr、Nd、Sm）以高比例沉淀（表3）。例如，Sr的沉淀率为70%，Ba的沉淀率为84%。这些元素可能以氢氧化物或不溶性碳酸盐的形式沉淀。相比之下，Zr和Mo部分溶解，其浓度约为30mg·dm⁻³，占总量的60%-70%。Cs预计也会溶解在碱性溶液中。
结论与意义
本研究表明，SSFP在碳酸铵溶液中的阳极溶解具有与硝酸溶液相当的溶解速率，且裂变产物可通过沉淀有效分离。这一发现为开发新型非酸性后处理工艺提供了重要依据。此外，溶解过程中产生的六价铀（U(VI)）和钚（Pu(VI)）可形成稳定的碳酸络合物，便于后续分离和回收。吸附树脂（如酰胺肟树脂）可用于从溶液中提取U和Pu，最终通过稀硝酸洗脱并用氨水沉淀回收。
本研究的科学价值在于揭示了碱性条件下UO₂溶解的动力学机制及其与裂变产物分离的可能性。应用价值体现在其潜在的环保性和安全性，为核燃料后处理技术的发展开辟了新方向。
研究亮点
1. 首次系统研究了SSFP在碳酸铵溶液中的阳极溶解行为，验证了其与硝酸溶液相当的溶解速率。
2. 发现纯UO₂基质的存在显著影响溶解速率和电流效率，揭示了溶解过程中的电化学机制。
3. 裂变产物的高比例沉淀为同时实现溶解和分离提供了新思路。
4. 提出了一种基于酰胺肟树脂的后处理工艺，具有较高的实用价值。
其他有价值内容
本研究还探讨了PuO₂在碱性条件下的溶解可能性，指出其可通过适当的电解电位实现阳极溶解。此外，研究强调了碳酸络合物在裂变产物分离中的重要性，为进一步优化后处理工艺提供了理论基础。