一种生产稀土的方法与流程

[0001]
本发明属于核工程和稀土生产领域，具体涉及一种生产稀土的方法。


背景技术：

[0002]
稀土是化学周期表中镧系元素和钪、钇共17种金属元素的总称。根据物理化学性质的差异，可将稀土元素分为三组：镧、铈、镨、钕、钷为轻稀土组，钐、铕、釓、铽、镝为中稀土组，钬、铒、铥、镱、镥、钪与钇为重稀土组。
[0003]
稀土被广泛应用于国民经济生产的各个领域。稀土因具有优良的光电磁等物理特性，可用作高品质与高性能的新型军用材料，能大幅度提高坦克、飞机、导弹等的战术性能。稀土因能改善钢、铸铁的性能，而被广泛用于冶金工业。因具有活性高、选择性好、抗重金属中毒能力强的优点，稀土催化剂用于石油化工领域。稀土也在玻璃陶瓷工业、纺织、农牧养殖等方面有广泛的应用。随着世界科技革命和产业变革的不断深化，稀土在国民经济和社会发展中的应用价值得到了进一步提升，尤其在高科技领域中日益重要。稀土是发展电子信息、开发新能源、环保与国防尖端技术等方面不可缺少的新材料。稀土钴及钕铁硼永磁材料，被广泛用于电子及航天工业。纯稀土氧化物和三氧化二铁化合而成的石榴石型铁氧体单晶及多晶，可用于微波与电子工业。用高纯氧化钕制作的钇铝石榴石和钕玻璃，可作为固体激光材料。稀土六硼化物可用于制作电子发射的阴极材料。镧镍金属用作贮氢材料。铬酸镧是高温热电材料。
[0004]
现有的稀土来源主要是从自然界中矿石中提取。矿产稀土资源开采属于重污染行业，给矿区附近的居民生活与自然环境带来比较严重的不良影响。据报道，每开采1吨稀土，要破坏200平方米的地表植被，剥离300平方米的地表土层，产生2000立方米尾矿，每年造成1200平方米的水土流失。对稀土矿的乱采滥伐造成大面积水土污染。
[0005]
铀-233、铀-235和钚-239等属于易裂变材料，其裂变产物中含有几十种元素，其中包括多种稀土元素，如钇、镧、铈、镨、钕、鉕、钐、铕、釓等。在热中子反应堆中，天然矿物提取的铀-235可直接发生裂变反应，铀-233可通过钍-232增殖获得的铀-233也可进而发生裂变反应；在快中子反应堆中，通过铀-238增殖的pu-239可通过铀-238增殖进而也会发生裂变反应。
[0006]
在反应堆中达到一定燃耗深度被卸载内燃烧过后卸出且不再在该反应堆中使用的核燃料叫乏燃料。乏燃料中含核燃料(铀或钚或钍)和大量裂变产物。乏燃料主要来自核电站动力堆，还有少部分来自各种研究堆、试验堆及辐照装置。
[0007]
发明人经过研究发现，反应堆卸载的乏燃料中含有丰富的稀土种类，每吨乏燃料中稀土含量远超每吨天然稀土矿的含量，具体数据见表1。
[0008]
表1四种常见堆型反应堆每吨乏燃料出堆时稀土种类及含量
[0009][0010]
经过冷却放置5年后，核反应堆卸载的乏燃料中的稀土元素含量保持稳定(见表2)。
[0011]
表2四种常见堆型反应堆每吨乏燃料冷却5年后稀土种类及含量
[0012][0013]
据统计，目前全球运行的核电站数量达437座，在建与拟建核电站数量将进一步增加。从核电站卸出的乏燃料数量巨大，核电站反应堆主要为压水堆。截止到2018年底，据不完全统计，全球乏燃料贮存量已超过35万吨，按压水堆乏燃料中稀土含量为1.58％计算，则从中可提取稀土5530吨。我国核电发展起步较晚，但近年来，我国核电呈高速发展态势，2019年7月中国核电发展中心和国网能源研究院有限公司联合编著出版的《我国核电发展规划研究》指出，到2030年、2035年和2050年，我国核电机组规模将达到1.3 亿千瓦、1.7亿千瓦和3.4亿千瓦。到2020年底，我国核电装机容量达到5 800 万千瓦，乏燃料累积量将达到9 000余吨，到2030年、2035年和2050年，乏燃料累积量将分别达到31 000吨、49 000吨和138 500吨，所能提取稀土的重量分别约为490吨、744吨、2188吨。随着我国核电产业的大规模高速发展，将会产生越来越多的乏燃料，从乏燃料中提取稀土将创造巨大的经济利益，并有益于我国环境保护。
[0014]
有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

[0015]
针对现有稀土矿不可再生的缺陷，本发明的目的是提供一种生产稀土的方法，该方案能够从核反应堆卸载的乏燃料中提取稀土，增加稀土的来源。
[0016]
本发明的技术方案如下：
[0017]
一种生产稀土的方法，将反应堆卸出的乏燃料冷却后解体去壳，从燃料芯块中提
取稀土产品。
[0018]
进一步地，上述的生产稀土的方法，从燃料芯块中提取稀土产品包括：将反应堆卸出的乏燃料冷却后解体去壳，从乏燃料后处理产生的高放废物中提取稀土产品包括：
[0019]
对所述高放废物进行物理方法处理，以实现稀土与其他裂变产物的分离；
[0020]
进行稀土组分分离，得到钇、镧、铈、镨、钕、鉕、钐、铕和釓中的一种或多种元素的单一稀土产品。
[0021]
进一步地，上述的生产稀土的方法，所述乏燃料后处理产生的高放废物为乏燃料芯块经高温氟化挥发或高温熔盐电化学处理分离铀、钚后的高放射性活度水平放射性废物。
[0022]
进一步地，上述的生产稀土的方法，所述稀土与其他裂变产物的分离的物理方法为电磁法、电化学法或高温挥发法。
[0023]
进一步地，上述的生产稀土的方法，所述稀土组分分离的方法为电磁法或电化学法。
[0024]
进一步地，上述的生产稀土的方法，将反应堆卸出的乏燃料冷却后解体去壳，从乏燃料后处理产生的高放废液提取稀土产品包括：
[0025]
对所述高放废液进行化学处理，以实现稀土与其他裂变产物的分离；
[0026]
进行稀土组分分离，得到钇、镧、铈、镨、钕、鉕、钐、铕和釓中一种或多种元素的单一稀土产品。
[0027]
进一步地，上述的生产稀土的方法，所述乏燃料后处理产生的高放废液为乏燃料芯块被酸溶解后再经purex流程提取铀、钚后的高水平放射性液体。
[0028]
进一步地，上述的生产稀土的方法，用于乏燃料芯块溶解的酸为盐酸、硝酸或硫酸。
[0029]
进一步地，上述的生产稀土的方法，所述对所述高放废液化学处理为沉淀法、溶剂萃取法或离子交换法。
[0030]
进一步地，上述的生产稀土的方法，所述稀土组分分离的方法为萃取色层法或离子交换法。
[0031]
进一步地，上述的生产稀土的方法，所述反应堆为压水堆、重水堆、沸水堆或石墨气冷堆。
[0032]
本发明的有益效果如下：
[0033]
本发明能够从乏燃料中提取大量稀土，可以创造巨大的经济价值。本发明通过物理或化学方法提取乏燃料中稀土元素可以变废为宝，增加地球上稀土量，继而减少对矿产稀土的开采，最终有利于环境保护。
附图说明
[0034]
图1为本发明一个实施例生产稀土的方法的流程图。
[0035]
图2为本发明另一实施例生产稀土的方法的流程图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0037]
实施例1
[0038]
本实施例提供了采用干法技术提取乏燃料中的稀土元素，以实现规模化生产稀土的方法，如图1所示，包括：
[0039]
s100将反应堆卸出的乏燃料冷却至少5年后解体去壳；
[0040]
s200将燃料芯块中的铀及裂变产物(含裂变产生的稀土)熔融后卤化，形成铀及裂变产物的卤化物；
[0041]
s300使铀及裂变产物的卤化物在电磁力的作用下相互分离；
[0042]
s400进行稀土组分分离。
[0043]
其中，铀与裂变产物熔融后，与碱金属的卤化物(如氟化、氯化等)在 200℃条件下发生置换反应。
[0044]
实施例2
[0045]
本实施例提供了采用干法技术提取乏燃料中的稀土元素，以实现规模化生产稀土的方法，包括：
[0046]
s100将反应堆卸出的乏燃料冷却至少5年后解体去壳；
[0047]
s200将燃料芯块中的铀及裂变产物(含裂变产生的稀土)熔融后卤化，形成铀及裂变产物的卤化物；
[0048]
s300使铀及裂变产物的卤化物在电磁力的作用下相互分离；
[0049]
s400进行稀土组分分离。
[0050]
其中，铀与裂变产物熔融后，与碱金属的卤化物(如氟化、氯化等)在 1600℃条件下发生置换反应。
[0051]
实施例3
[0052]
本实施例提供了采用干法技术提取乏燃料中的稀土元素，以实现规模化生产稀土的方法，包括：
[0053]
s100将反应堆卸出的乏燃料冷却至少5年后解体去壳；
[0054]
s200将燃料芯块中的铀及裂变产物(含裂变产生的稀土)熔融后卤化，形成铀及裂变产物的卤化物；
[0055]
s300使铀及裂变产物的卤化物在电磁力的作用下相互分离；
[0056]
s400进行稀土组分分离。
[0057]
其中，铀与裂变产物熔融后，与碱金属的卤化物(如氟化、氯化等)在 860℃条件下发生置换反应。
[0058]
实施例4
[0059]
本实施例提供了采用湿法技术提取乏燃料中的稀土元素，以实现规模化生产稀土的方法，如图2所示，包括：
[0060]
s100将反应堆卸出的乏燃料冷却至少5年后解体去壳；
[0061]
s200
’
将燃料芯块溶解后的乏燃料溶解液进行化学分离流程提取回收核材料，得到含各裂变元素的高放废液；
[0062]
s300
’
对所述高放废液进行沉淀、过滤，以实现稀土与其他裂变产物的分离；
[0063]
s400进行稀土组分分离。
[0064]
其中，所述燃料芯块溶解后的乏燃料溶解液为燃料芯块被硝酸或硫酸溶解后的乏
燃料溶解液。所述化学分离流程(本实施例中为purex流程)提取回收核材料为：采用磷酸三丁酯萃取法从辐照核燃料中回收铀和钚。所述对所述高放废液进行沉淀、过滤的方法为草酸沉淀法。
[0065]
上述几个实施例中，稀土组分分离的方法为萃取色层法或离子交换法，得到钇、镧、铈、镨、钕、鉕、钐、铕、釓等单一稀土产品。
[0066]
试验例
[0067]
利用来自同一压水反应堆的同一批乏燃料在冷却5年时根据上述实施例 1-4的方法进行稀土生产试验，每吨原料的稀土产品产量结果如下表所示：
[0068][0069]
上表结果表明，本发明的生产稀土方法能够制备得到数量可观的稀土产品。
[0070]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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