引言
用过的核燃料因其高热量产生及放射性危害而被视为高级放射性废物，但它同时也含有可回收的核材料，如铀和超铀元素。从用过的核燃料中回收锕系元素，并减少最终废料中的锕系元素含量，对于提升核燃料循环的可持续性以及减轻地质处置的负担具有重要意义[[1], [2], [3], [4]]。就封闭后处置库的安全性而言，锕系元素在意外人员进入的情况下会带来严重的放射性风险[[5], [6], [7], [8]]。因此，人们研究了基于熔盐的热处理方法，通过电精炼和电沉积等方式实现用过的核燃料中锕系元素的分离回收[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]。
经过热处理后，镧系元素在熔盐中的浓度仍然很高，而大部分锕系元素则通过电化学回收过程被提取出来。工艺物料平衡分析表明，在电沉积及后续的残余锕系元素回收之后，残余盐中的镧系元素与锕系元素的比值可超过100[4]。由于残余盐中镧系元素与锕系元素的浓度比极高，因此进一步通过电化学方法分离二者十分困难，因为这两种元素的平衡电位较为接近[[14], [15], [16]]。此外，为避免核材料扩散，若使用液态金属作为阴极，锕系元素和镧系元素可能会通过形成金属间化合物而共同沉积在阴极上，这会缩小两者之间的电极电位差[[14], [15], [16], [17], [18], [19]]。因此，在常规电化学处理之后，还需要一种非电化学的分离方法来实现进一步的元素分离。
液态铋已被视为实现此类进一步元素分离的候选介质[[20], [21], [22], [23]]。由于液态铋的密度介于铋-锕系和铋-镧系金属间化合物的密度之间，因此所形成的金属间相的垂直分布可以由其密度差异来驱动[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]]。此前的研究显示，使用二元铈-铋和铪-铋合金时，像CeBi2这样的铋-镧系金属间相由于密度低于液态铋，往往会向上层漂浮；而像HfBi这样的铋-锕系替代金属间相则因为密度较高而沉向下方[[20], [21], [22]]。这些结果证明了基于液态铋中金属间相的密度差异实现锕系元素与镧系元素分离的可行性。然而，仅依靠密度差异带来的垂直分布并不足以实现完全分离，因为在重力分离之后，所形成的金属间相必须与液态铋基质物理上分离。因此，需要在保持液态铋合金处于高温状态的同时，采用诸如过滤之类的方法来分离金属间相颗粒。
但在实际的液态铋合金中，锕系元素和镧系元素并不会处于单独的二元状态。在残余盐中镧系元素与锕系元素的比值极高，它们会同时沉积到液态铋中，从而形成多组分的铋-锕系-镧系合金[15,16]。在这样的体系中，金属间相的形成与分布无法仅通过二元铋-锕系或铋-镧系相的行为及密度差异来完全解释。此外，液态铋中形成的金属间相还会根据溶质浓度、饱和程度以及冷却历史等因素呈现出不同的形态和空间分布[[20], [21], [22], [23]]。因此，有必要进一步明确多组分铋合金中金属间相的形成、垂直分布以及后续的分离行为。
本研究探讨了基于铋的合金形成以及随后通过高温过滤进行分离的方法，旨在评估将这两种方法结合起来，从以镧系元素为主的残余熔盐中进一步分离锕系元素与镧系元素的可行性。首先，制备了二元铋-铈和铋-铪合金，以研究铋-镧系和铋-锕系替代金属间相的密度驱动型垂直分布规律。接着，形成了三元铋-铈-铪合金，以探究镧系元素与锕系元素共存时对铋基金属间相的形成及垂直分布的影响。最后，使用二元铋-铈和铋-镧合金以及三元铋-铈-镧合金在573开尔文下进行了过滤试验，以评估从液态铋中分离铋-镧系金属间相的可行性，以及滤液中溶质的保留情况。基于这些实验结果，本文提出了一个包含三元铋合金形成、密度驱动型垂直分离以及高温过滤的集成工艺方案，期望能应用于热处理后残余熔盐处理中的进一步元素分离。
