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從鈾鉬合金燃料中選擇性分離鈾、鉬試驗研究

文檔作者：任萌，李佳，朱常桂，劉錦洪文檔來源：中國核動力研究設計院反應堆燃料及材料重點實驗室		點擊數：	更新時間： 2024年06月06日
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第30卷第3期(總第119期)
2011年9月
濕法冶金
Hydrometallurgy of China
V01．30 No．3(Sum．119)
Sep．2011
從鈾鉬合金燃料中選擇性分離鈾、鉬試驗研究
任萌，李佳，朱常桂，劉錦洪
(中國核動力研究設計院反應堆燃料及材料重點實驗室，I匹t)rf成都610041)
摘要：研究了以硝酸溶液為沉淀劑，從U-lO％Mo合金中選擇性沉淀分離鈾和鉬，考察了硝酸濃度、硝酸過量
系數對鈾、鉬分離的影響。試驗結果表明：在n(HNOs)肪(Mo)一定條件下，硝酸濃度對鈾溶解率影響較小；
隨咒(HNOs)／n(Mo)增大，鈾溶解率增大至95．2％，鉬沉淀率先降低后升高，鈾鉬分離系數(p先減小后增大；
EHN03]≥12 mol／L時，行(HNOa)／n(Mo)≥94有利于鈾鉬分離．且工藝上容易實現。
關鍵詞：鈾鉬合金；水合M003；鈾；鉬；分離
中圖分類號：TF803．2 文獻標志碼：A 文章編號：1009—2617(2011)03—0237—03
彌散型UMo／Al燃料屬于板型燃料元件，包
殼為鋁合金，芯體中燃料相為UMo合金顆粒，其
中鈾與鉬的質量比為9：1，基體相為鋁粉，UMo
合金顆粒均勻彌散分布在鋁粉中。
由于鈾、鉬化學性質的差異，在用混合堿除去
鋁合金包殼和鋁粉基體后，可以選擇溶劑萃取
法[1。21分離鈾、鉬。但溶劑萃取法存在一些問題，
如使用有機溶劑時有爆炸的風險，需要在沸騰濃
度下使用HNO。溶解等。相對而言，化學沉淀法
具有條件溫和、不用有機溶劑等優點[3]。用化學
沉淀法分離鈾、鉬，可以選擇沉淀鉬、鈾不沉淀，也
可以選擇沉淀鈾、而將鉬留在溶液中來實現鈾與
鉬的選擇性分離[4]。試驗選擇前一種方法——從
彌散型UMo／Al燃料元件中選擇性分離鉬和鈾。
l 試驗原理
鈾與鉬為鈾鉬合金燃料的主要組成部分，其
中鈾化學性質較活潑，可以溶解在濃硝酸中；鉬雖
然也與濃硝酸作用，但會生成難溶于水的水合三
氧化鉬沉淀。具體反應為：
U+8HNCh—UQ(N(Zh)2+6NOz千+4H20，(1)
Mo+6HN03一MoC03·2H20 1，+
6N02十+H：O。(2)
因此，根據鈾、鉬在硝酸溶液中的狀態可以將二者
分離。生成的M003·2HzO固體具有層狀結構，
通過MoO。八面體共用角頂氧原子形成片層，并
在二維空間無限擴展，因此，MoO。·2H：O固體
具有較大的吸附表面，在固液分離中將會吸附一
部分鈾。
2 試驗方法
將去除包殼和基體的U-10％Mo合金粉末
5．00 g放人100 mL三角燒瓶中，常溫下磁力攪
拌，緩慢滴加沉淀劑硝酸溶液。反應放出紅棕色
NO。氣體，有棕色沉淀生成，并放出大量熱。反
應平穩后，將三角燒瓶加熱至沸騰，棕色沉淀逐漸
變成白色，反應完畢后冷卻至室溫，沉降、抽率，洗
滌白色MoO。·2H。O沉淀。但是，當沉淀劑硝酸
溶液的濃度較低時(<10 tool／L)，生成含有部分
U02M004的紅棕色沉淀。
濾液轉移至250 mL容量瓶中，定容，測定其
中鈾及鉬的濃度。將耐酸漏斗中白色沉淀用1
mol／L的NaOH溶液充分溶解，紅棕色沉淀用(1
+1)HN03溶液溶解后轉移至100 mL容量瓶
中，定容，測定其中鈾及鉬的質量分數。
鈾溶解率、鉬沉淀率和鈾、鉬分離效率計算公
式如下： 鈾溶解率=u薔譬客墓糯XIOo％，(3)
鉬沉淀率=西者挈驀墓軍裔喪—基×-00％，(4)
收疆日期：2010—10—27
作者筒介：任萌(1979一)，女，安徽淮北人。在讀博士。主要研究方向為核燃料循環與材科，應用化學與化工。
萬方數據
·238· 濕法冶金2011年9月鈾鉬分離系數(p一署蒜等器。(5) 3 試驗結果與討論
式中：艦(U)，m。(Mo)——濾液中U和Mo的質
量，g)m2(U)，m2(Mo)——沉淀物中U和Mo的
質量，g。
3．1 HN03濃度對鈾、鉬分離的影響
控制行(HN03)／-(Mo)一67／1，改變HN03
濃度，進行溶解沉淀試驗。試驗結果見表1。
裹1 HN(]h濃度對鈾、鉬分離的影響
從表1看出，隨硝酸濃度增大，剩余酸度也增
大，但鈾溶解率僅稍有變化，即剩余酸度對鈾溶解
率影響不大。
在用硝酸沉淀鉬時，鈾的損失主要有2部分：
一部分被M003·2H：O固體吸附；另一部分是鈾
鉬合金與硝酸反應過程中會生成紅棕色鉬酸鈾酰
(U02MoO。)固體，隨M003·2H20一起沉淀。
當體系中剩余[H+3<4 mol／L(如DH一4和DH-
5)時，即生成一定量UO。M004沉淀而引起鈾的
損失；隨硝酸濃度增大，剩余[H+]增大，反應形
成的U02M004沉淀減少，因此鈾損失減少；但體
系中剩余[H+]增大到5．74 mol／L時，雖然反應形
成的uchM004固體減少，但由于有更多的M003
·2H：O沉淀生成，被吸附的鈾也會增多，鈾溶解
率又呈下降趨勢。總體上，鈾溶解率高于92．29％。
體系中剩余酸度越高，Mo沉淀率越高。當
剩余[H+1<2．5 mol／L時，鉬沉淀率為0，即此
時不能生成M003·2H20沉淀。
由式(2)看出：對于鉬與硝酸的反應，隨
HNO。濃度增大，反應向右進行，因而有更多的
Mo轉化為MoOa·2H20沉淀；相反，若HN03
濃度太低，平衡時剩余[-H+]也相應較低，Mo則
主要以HMoOi-或MoOi4一形式存在。因此，為了
提高鉬沉淀率，應盡量用濃度較高的HNQ溶液。
隨HNO。濃度增大，體系中剩余[H+]對鈾
鉬分離系數(盧)有影響。從表1看出：隨HNO。
濃度增大，體系中剩余[H+]也增大，鈾、鉬分離
系數升高。但即使剩余酸度無限增大，口值也只
能趨近于一個極值50．3。實際上，剩余酸度不可
能無限增大，所以在該條件下，口值只能達到某個
有限值。由于試驗所用分析純HNO。濃度不會
大于15 mol／L，并且由表1看出，當HNO。濃度
增大到12 mol／L時，鈾溶解率開始有減小的趨
勢，并且此時鉬沉淀率也較高，所以確定HNo。
濃度以12 mol／L為宜。
3．2 HNOs過■系數對鈾鉬分離的影響
合金中，鈾鉬質量比為9：1，物質的量比為
3．63：1，即沉淀1 tool鉬的同時溶解3．63 tool
鈾，根據鈾、鉬與硝酸的反應，共消耗硝酸約35
tool，所以，硝酸與鈾、鉬反應的化學計量比約為
35：1。在硝酸過量情況下，用12 mol／L硝酸進
行溶解沉淀試驗，結果見表2。
襄2 HN(h過量系數對鈾鉬分離的影響
萬方數據
第30卷第3期任萌，等：從鈾鉬合金燃料中選擇性分離鈾、鉬試驗研究·239·
從表2看出：硝酸過量越多，剩余酸度越大，
鈾溶解率也越高；但是當，z(HNO。)／n(Mo)增大
到67時，剩余[H+]一5．74 mol／L，鈾溶解率增
大幅度減小，為93．88％，趨于平衡。
硝酸過量系數較小時，反應完畢后體系中剩
余[H+]<4 mol／L(見表2，樣品DQ_1)，生成的
U0。MoO。沉淀相對較多，即鈾的損失較大；當硝
酸過量系數增大至54／1時，反應后剩余[H+]升
高至4．17 mol／L，鈾溶解率呈線性增大，這是由
于體系酸度較大時，幾乎沒有UO。MoO。固體生
成，鈾的損失主要是由MoO。·2H：O固體吸附引
起；當硝酸過量系數增大至75左右時，鈾溶解率
又呈現緩慢增長趨勢，并最終達到平衡。該平衡
是由于UO：(N03)：的生成速率與M003·2H20
固體吸附速率達到動力學平衡所致。
從表2看出，當HN0。濃度一定([HN0。]=
12 mol／L)時，體系中剩余[H+]升高，鉬沉淀率
呈現先降低后升高的趨勢。這是因為MoO。·
2H。O為兩性物質，與HNO。存在以下溶解平衡：
M003·2H20+HN03{
M002(N03)++OH一十2H20， (6)
但MoO。·2H。O主要以酸性為主，故體系中還存
在以下溶解平衡：
M003·2H20F—HMoO；+H++H20。(7)
因此，隨HN0。過量倍數增加，反應終點剩余
[H+]也增大，平衡(6)向右移動，MoO。·2H：O
溶解度增大，導致鉬沉淀率降低；而隨HNO。過
量倍數增加，體系中[H+]增大，平衡(7)向左移
動，當[H+]增大至5．74 mol／L時，MoO。·
2H：O溶解度又開始減小，致使鉬沉淀率升高[s]。
因此，當，z(HN03)／n(Mo)>61．7后，HN03過
量倍數越高，鉬沉淀率越大。但是由于HN0。濃
度為12 mol／L，充分反應后，體系中[H+]平衡濃
度最高只能趨近于12 mol／L，所以根據MoO。·
2H。O溶解度與[H+]的關系，鉬沉淀率最高只能
達到97．07％。
HN0。過量系數對鈾鉬分離效率有顯著影
響，從表2看出：隨HNo。過量倍數增大，反應終
點剩余[H+]也增大，鈾鉬分離系數先減小后增
大；但是，當咒(HNO。)／n(Mo)<81，剩余[H+]<
6．78 mol／L時，口變化較小；當咒(HN03)／n(Mo)
>81，剩余[H+]>6．78 mol／L時，p增大幅度較
大；硯(HNO。)／n(Mo)增大到94時，鈾鉬分離系
數達126．65。
3．3 濾液中鈾的回收
鈾鉬合金用HNO。溶解后，過濾MoO。·
2HzO沉淀，得到的含鈾酸性溶液中含有少量的
鉬并殘留濃度較高的硝酸。對該濾液濃縮并純
化、轉化，把其中大量的鈾轉化為二氧化鈾、六氟
化鈾或金屬鈾加以回收。
從濾液中回收鈾可以采用溶劑萃取法或離子
交換法。溶液中鈾質量濃度較高，在70～200
g／L之間，以采用溶劑萃取法為好Es-q。有關溶劑
萃取法回收鈾、沉淀鉬之后的溶液的處置還處于
試驗階段，還需進一步優化試驗條件。
4結論
鈾鉬合金中的鈾可以用濃硝酸溶解形成
U0z(NO。)：而進入溶液，而鉬與濃硝酸作用后生
成M003·2H20沉淀。在[HNO。]≥12 mol／L，
竹(HNO。)／n(Mo)≥94條件下，鈾溶解率達95．
2％，鉬沉淀率達97％，鈾鉬分離系數達126，工藝
上較容易實現。
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(下轉第251頁)
萬方數據
第30卷第3期李林波，等：用過氧硫酸氧化處理偶氮染料酸性綠20廢水·251·
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Treatment of Azo Dye Green20 Acidic Wastewater by Peroxymonosuifuric Acid
LI Lin—bo，LEI Wei，HONG Tao
(School of Metallurgical Engineering，Xi’an
Xi’an，Shaanxi
University of Architecture and Technology，
710055，China)
Abstract：Preparation of the oxidant by electrolyzing sulphuric acid method for dealling with acidic
green 20 wastewater，as the representative of ago dyes，had been studied．Initially amount of oxidant，
reaction time，reaction temperature，catalyst types，catalyst and oxidant addition methods on acidic
Green 20 wastewater were examined．At the optimum conditions of Green 20 concentration of 200
mg／L，cobalt sulfate as catalyst，oxidant dosage of 30 mL／L，catalyst dosage of 20 mg／L，reaction tem—
perature of 60℃，and reaction time of 60 min，the decolorization rate of acidic green 20 wastewater
was up to 100％and COD removal rate was of 90％．UV spectrum analysis results showed that azo
bond first brokes，following by naphthalene ring and benzene ring，and chromophore was destructed．
Key words：peroxymonosulfuric acid；ago dye；acidic green20 wastewater；decolorization
(I-接第239頁)
Test Study on Selective Separation of Uranium and Molybdenum in U-Mo Alloy
REN Meng，LI Jia，ZHU Chang-gui，LIU Jin-hong
(Nuclear Power Institute of China，National Key Laboratory for Nuclear Fuel and Materials。
Chengdu，Sichuan 610041，China)
Abstract：Using nitric acid as precipitant，selective separation of uranium and molybdenum in U-10％
Mo alloy has been studied．The effects of nitric acid concentration and excess coefficient on selective
separation of uranium and molybdenum have been examined．It iS confirmed that under the conditions
of certain挖(HN03)／n(Mo)，the effect of HN03 concentration on recovery of uranium is sinail；with
increase of以(HN03)／n(Mo)，recovery of uranium increases to 95．2％，while molybdenum precipitation
increases firstly and decreases finally，the separation coefficient of uranium and molybdenum decreases
firstly but increases subsequently．When[HN03]≥12 mol／L，n(HNOs)／n(Mo)≥94 is the benefit to
separate uranium from molybdenum．The process is easy to achieve．

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