类型b
这篇论文的主要作者包括S. I. Stepanov, A. V. Boyarintsev, M. V. Vazhenkov等，他们分别来自门捷列夫俄罗斯化学技术大学（Mendeleev Russian University of Chemical Technology）和俄罗斯科学院弗鲁姆金物理化学与电化学研究所（Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences）。论文发表在《Russian Journal of General Chemistry》2011年第81卷第9期。
本文的主题是介绍一种新的乏核燃料（SNF）后处理技术——Carbex工艺。该技术旨在通过碳酸盐介质中的水化学方法替代传统的PUREX工艺，以提高核燃料后处理的安全性和效率。文章回顾了现有的碳酸盐法处理乏核燃料的研究进展，并详细探讨了Carbex工艺的概念、实验数据及其潜在优势。
1. PUREX工艺的局限性与碳酸盐法的优势 PUREX工艺是一种广泛应用的乏核燃料后处理技术，使用硝酸溶液和三正丁基磷酸酯（TBP）作为萃取剂。然而，硝酸介质具有强氧化性和腐蚀性，且与碳氢溶剂结合时存在爆炸和火灾风险。此外，PUREX工艺还面临设备腐蚀、高能耗以及放射性废液处理成本高等问题。相比之下，碳酸盐介质不具有氧化活性，在没有氧化剂的情况下对设备材料无腐蚀性，且对生物体无毒。碳酸盐基团在溶液中可发挥双重作用：当碳酸根离子过量时，它会沉淀多种多价金属；而在碳酸根离子不足时，则作为有效的配体增加锕系元素碳酸盐络合物的溶解度。这为控制乏核燃料组分的溶解度和选择性纯化提供了可能。
2. 碳酸盐法处理乏核燃料的研究进展 自1971年Ueno和Saito首次报道使用季铵盐（QAS）从碳酸盐溶液中萃取裂变材料以来，碳酸盐法逐渐发展。例如，Tomiya等人提出了一种基于碳酸盐介质的后处理方案，包括电解溶解燃料、铯沉淀分离、铀钚镎锆沉淀分离等步骤。韩国研究人员则提出了一种改进的碳酸盐工艺，利用强碱性碳酸盐溶液氧化溶解燃料，并通过沉淀分离锝和铯。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）进一步优化了这一工艺，提出了高温氧化燃料组合物并用过氧化物-碳酸盐溶液溶解铀氧化物的方法。这些研究表明，碳酸盐法在分离铀和裂变产物（FPs）方面具有高度选择性，但沉淀方法无法达到PUREX工艺中萃取精制的高净化系数（约10^6）。
3. Carbex工艺的概念与实验研究 Carbex工艺是一种基于碳酸盐萃取的新型水化学方法，旨在替代PUREX工艺。其核心思想是用含有过氧化氢作为氧化剂的碳酸盐溶液代替硝酸介质，从而提高安全性、选择性和处理效率。Carbex工艺的基本流程包括以下几个阶段： - 高温氧化燃料组合物：通过空气氧化或挥发氧化将燃料中的二氧化铀（UO2）转化为三氧化铀（U3O8），从而促进后续溶解。 - 氧化溶解燃料组合物：在碳酸盐溶液中加入过氧化氢或其他适当氧化剂，溶解燃料中的铀和钚。 - 分离不溶性裂变产物：从碳酸盐溶液中去除不溶性裂变产物。 - 萃取精制铀和钚：使用季铵盐作为萃取剂进行碳酸盐萃取精制。 - 固相反萃取铀和钚碳酸盐：从有机相中回收铀和钚碳酸盐。 - 制备陶瓷核燃料粉末：将铀和钚碳酸盐转化为二氧化铀（UO2）和二氧化钚（PuO2）粉末，用于制造陶瓷核燃料。
实验研究表明，高温氧化燃料组合物可以有效促进铀的溶解，而超声波处理可显著加速氧化溶解过程。此外，萃取实验表明，季铵盐（如甲基三烷基铵盐，MTAA）能够高效萃取铀和钚的碳酸盐络合物，同时实现与铯、钼等易溶裂变产物的有效分离。
4. Carbex工艺的潜在应用价值 Carbex工艺不仅在理论上具有创新性，还在实际应用中展现出巨大潜力。首先，它避免了硝酸介质的高氧化性和腐蚀性，降低了操作风险。其次，通过碳酸盐介质的选择性溶解和萃取，Carbex工艺能够在多个阶段实现高效的裂变产物分离。最后，该工艺的最终产物（UO2和PuO2粉末）可以直接用于制造陶瓷核燃料，从而缩短了整个后处理周期。
5. 未来研究方向 尽管Carbex工艺已经取得了显著进展，但仍需进一步优化。例如，如何选择更有效的氧化剂以稳定不同价态的元素；如何开发协同萃取剂以提高萃取效率和分离选择性；以及如何在液-液-气三相系统中实现碳酸盐萃取等。这些问题的解决将进一步推动Carbex工艺的发展。
本文全面回顾了碳酸盐法处理乏核燃料的研究进展，并详细介绍了Carbex工艺的概念、实验数据及其潜在优势。Carbex工艺作为一种新型的乏核燃料后处理技术，不仅在理论上填补了现有技术的空白，还为实际应用提供了可行的解决方案。它的成功开发有望显著提高核燃料后处理的安全性和效率，为核能的可持续发展做出重要贡献。