一种液态电极电沉积UO2的方法

本发明属于核能开发领域，具体涉及回收核燃料即电沉积uo2的方法。

背景技术：

1、

2、目前主流的核燃料是氧化物燃料，经过反应堆辐照后取出称为乏燃料，为了对乏燃料进行后处理，俄罗斯原子反应堆研究所开发了氧化物电沉积流程。将乏燃料置于熔融的氯化物熔盐体系中，通入氯气使铀以铀酰离子uo22+形式存在，最后通过电解在阴极以uo2形式沉积。目前已达到半工业化状态，但是在电沉积过程中固体电极上的uo2容易脱落掉入熔盐中。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有电沉积uo2过程中的问题，以液态电极作为阴极，使电沉积得到的uo2不会脱落掉入熔盐中。

2、涉及的电化学原理：

3、原料氟化铀酰在熔融盐中溶解为铀酰离子，在通电情况下，铀酰离子在熔盐中电还原为uo2的过程为两步单电子转移，通过如下阴极反应制备二氧化铀：

4、uo22++e-＝uo2+

5、uo2++e-＝uo2。

6、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

7、一种液态电极电沉积uo2的方法，包括以下步骤：

8、s1：液态铋电极的制备：将装有适量的bi颗粒的小坩埚放入中井式炉中，bi融化后，将w丝作为导线插入，并将w丝套入刚玉套管中进行保护；

9、s2：熔盐熔化及净化：在惰性气氛下，将装有licl-kcl共晶盐的大坩埚放入井式炉中，共晶盐熔化后，使用三电极体系进行预电解熔融盐除去杂质；

10、s3：电沉积二氧化铀：在惰性气氛条件下，向预电解后的熔盐中加入uo2f2，将电极接通电源使用三电极体系进行电沉积。

11、进一步的，所述licl和kcl的纯度均为99.9％。

12、进一步的，所述licl与kcl的质量比为4.6～4.8：5～5.4。

13、进一步的，所述大坩埚为刚玉坩埚。

14、进一步的，所述大坩埚尺寸为高80mm，底部直径42mm，上口直径67mm。

15、进一步的，所述将熔盐加热至熔盐熔点以上具体加热至500±20℃。

16、进一步的，所述三电极体系为，阳极为石墨碳棒，阴极为的w丝，参比电极为ag/agcl电极。

17、所述s1步骤中液态电极的制备方法如下，

18、s11：液态铋电极的制备：称取一定质量的固体bi颗粒放入准备好的小坩埚中，然后放置于井式炉之中，将温度加热至bi熔点以上；

19、s21：待固体bi完全融化成液态时，将处理好的w丝作为电导线插入到液态bi中，之后将坩埚从井式炉中取出；

20、s31：待液态bi冷却至室温，完全凝固之后，即可得到液态电极。

21、其中，所述装载固体bi颗粒的小坩埚的为刚玉坩埚。所述装载固体bi颗粒的小坩埚尺寸为高29mm，底部直径20mm，上口直径41mm。

22、进一步的，所诉温度加热至bi熔点以上具体为加热至300～350℃。

23、进一步的，所述w丝的尺寸为直径为1mm，长20～25cm。

24、进一步的，所述w丝的处理方法为，用200目的粗砂纸进行通体打磨，将w丝表面的氧化钨打磨完全后，将w丝放入超声波清洗机中进行清洗，然后放入干燥箱中进行干燥。

25、进一步的，所述步骤(1)中预电解的方法为，将三电极体系分别插入熔盐中，将电极接通电源，恒电位电解一段时间。

26、进一步的，所述碳棒尺寸为直径5mm，所述w丝尺寸为直径为1mm。

27、进一步的，所述恒电位具体指-2.0v(vsag/agcl)。

28、进一步的，所述时间为3h。

29、(2)电沉积二氧化铀：将uo3与nh4hf2以质量比1:5混合，然后使用研钵进行研磨，然后将混合物装入坩埚中盖上坩埚盖，放入井式炉中，在一定温度下反应一段时间后取出。将制备的uo2f2作为uo22+的来源，加入至处理完的熔盐中，将液态电极插入熔盐中，固体bi融化为液态之后，将三电极体系接通电源进行电沉积，其中电位为-0.4v～-0.8v(vsag/agcl)，电沉积时间8h。

30、进一步的，所述uo3和nh4hf2纯度均为99.9％以上。

31、进一步的，所述研钵为玛瑙研钵。

32、进一步的，所述坩埚和坩埚盖均为陶瓷。

33、进一步的，所述反应具体温度为300-350℃。

34、进一步的，所述反应时间为3h。

35、进一步的，所述电沉积所使用的三电极体系分别为，阳极为直径5mm的石墨碳棒，阴极为液态bi电极，参比电极为ag/agcl电极。所述液态电极为前述方法制备得到。

36、本发明具有以下突出特点和显著效果:

37、(1)本发明采用高温熔盐作为反应介质，能够使低熔点金属熔化从而得到液态电极，进而为使用液态电极电沉积uo2提供理想电极。

38、(2)本发明通过使用液态电极，电沉积得到了无枝晶的uo2，避免了因为枝晶生成而导致电解池短路。

39、(3)本发明使用液态电极，使得uo2不会掉落入熔盐中，uo2便于回收，让uo2的产率达到67.7％，这样也保证了熔盐的多次循环利用，液态电极也可以循环利用，并且操作简便，成本低，污染低。

技术特征：

1.一种液态电极电沉积uo2的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种液态电极电沉积uo2的制备方法，其特征在于：所述s1步骤中液态电极的制备方法如下，

3.根据权利要求1所述的一种液态电极电沉积uo2的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中的液态bi电极的制备温度为300～350℃。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种液态电极电沉积uo2的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，licl和kcl的纯度均为99.9％，并且licl与kcl的质量比为4.6～4.8：5～5.4。

5.根据权利要求4所述的一种液态电极电沉积uo2的制备方法，其特征在于：步骤s2中，licl-kcl共晶盐熔化温度为500±20℃。

6.根据权利要求4所述的一种液态电极电沉积uo2的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中的三电极体系：阳极为光谱石墨棒，阴极为w丝，参比电极为ag/agcl。

7.根据权利要求5所述的一种液态电极电沉积uo2的制备方法，其特征在于：步骤s2中所述的预电解条件为恒电位-2.0v(vsag/agcl)，电解时间3h。

8.根据权利要求7所述的一种液态电极电沉积uo2的制备方法，其特征在于：步骤s3中所述uo2f2的制备方法为，将uo3与nh4hf2以质量比1:5混合，然后使用玛瑙研钵进行研磨，然后将混合物装入陶瓷坩埚中盖上陶瓷坩埚盖，放入井式炉中，在温度为300-350℃下反应3h后取出。

9.根据权利要求8所述的一种液态电极电沉积uo2的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述三电极体系中的阳极与参比电极与步骤2中所述三电极体系的阳极与参比电极一致，阴极为液态bi电极。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述电沉积条件为恒电位-0.4v～-0.8v(vsag/agcl)下，电沉积时间8h。

技术总结本发明涉及一种液态电极上熔盐电沉积UO<subgt;2</subgt;的方法，包括以下步骤：(1)液态铋电极的制备：称取适量的Bi颗粒放入小坩埚中融化，然后将W丝作为导线插入，并将W丝套入刚玉套管中进行保护；(2)熔盐熔化及净化：在惰性气氛下，将LiCl‑KCl按质量比4.6:5.4称取加入大坩埚并置于井式炉中，加热使熔盐熔化后，采用三电极体系进行预电解熔融盐除去杂质；(3)电沉积二氧化铀：在惰性气氛条件下，向预电解后的熔盐中加入UO<subgt;2</subgt;F<subgt;2</subgt;，将电极接通电源使用三电极体系采用恒电位电解进行电沉积，在阴极得到二氧化铀(UO<subgt;2</subgt;)。本发明的方法克服了电沉积过程中UO<subgt;2</subgt;脱落掉入熔盐中的问题。技术研发人员：韩伟,陈加宜,李梅,刘汝庚受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14