核燃料循环中挥发氧化技术演化的技术视角

《Dalton Transactions》：The evolution of voloxidation in nuclear fuel recycling: a technical perspectiveOpen Access

　　

摘要专业翻译 挥发氧化（Voloxidation）作为一种用于乏燃料（UNF）回收的前端处理方法，长期以来一直受到研究。该方法的主要目标包括燃料去包壳、氧化诱导粉化以及挥发性裂变产物的集中管理。该方法最初在早期水法后处理项目中开发，通过可控的固-气氧化反应将二氧化铀（UO2）燃料转化为更高价态的氧化物。经过数十年的实验室规模、中试规模和工程规模研究，挥发氧化技术在制备燃料以集成到经典的后处理流程（如PUREX和干法处理）中的性能已得到验证。近期对先进燃料循环的兴趣以及对尾气处理和监管限制的重新关注，促使研究人员重新评估挥发氧化在当代回收策略中的实用性。本综述回顾了挥发氧化研究的发展历史，总结了当前的技术水平，并讨论了从过去示范中获得的经验教训。

论文解读文章

研究背景与问题

随着对能源安全和环境可持续性关注的日益增长，核电仍是许多国家长期能源战略的关键组成部分。然而，乏燃料（UNF）的长期管理给核能领域带来了独特挑战。目前，美国等国家采用开放式燃料循环，即不对乏燃料进行再纯化或再利用而直接处置。相比之下，法国等国家采用的闭式燃料循环则从乏燃料中去除裂变产物并进行处置，同时回收铀（U）和钚（Pu）用于制造新的反应堆燃料。传统的后处理方法，如钚-铀还原萃取（PUREX）工艺，在处理过程中会产生大量酸性废液，并且面临挥发性裂变产物（如碘-129和氚）管理的难题。因此，寻找更高效、更环保的乏燃料回收替代方案变得至关重要。

研究目的与意义

本研究旨在系统性地回顾和评估一种名为“挥发氧化”（Voloxidation）的干法首端处理技术的演化历程。该技术利用固-气反应将金属或氧化物燃料转化为氧化铀粉末，作为后续水法或干法处理的预处理步骤。其主要优势在于简化回收流程、改善挥发性裂变产物管理，并减少强酸的使用。通过对该技术的历史发展、现状及未来机遇进行深入分析，本文为评估其在现代核燃料循环战略中的实用性和部署潜力提供了关键的技术视角。

关键技术方法

本文是一篇综述性论文，其采用的核心技术方法是文献调研与分析。研究人员系统地收集和梳理了自20世纪50年代以来关于铀氧化和乏燃料处理的相关公开出版物和报告，并对这些资料进行了归纳、对比和分析。研究涵盖了从实验室基础研究到中试乃至工程规模的各类实验成果，特别关注了四种主要的挥发氧化工艺变体：AIROX、VOLOX、DEOX和NO₂ VOLOX。通过对这些方法的化学反应原理、工艺参数、适用范围和技术成熟度进行综合比较，揭示了该技术的发展脉络和当前状态。

研究结果

1. 原子国际还原氧化（AIROX）

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  研究结论：AIROX工艺于20世纪50年代由原子国际公司设计，是最早的挥发氧化方法。它是一种低净化方法，主要目标是实现铀粉的回收再利用，以制造新的陶瓷燃料，而非专门去除裂变产物。该工艺通过在氧气或空气中将UO₂氧化为U₃O₈，利用约30%的体积膨胀使包壳破裂，随后用氢气（H₂）将其还原回UO₂。研究发现，至少需要三个氧化-还原循环才能达到理想的粉末粒径。该工艺在中试规模下成功处理了长达3英尺的燃料棒，证明了其技术可行性。

2. 挥发氧化（VOLOX）

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  研究结论：VOLOX工艺于20世纪70年代兴起，其重点从铀粉的直接再利用转向了裂变产物管理。该工艺同样使用氧气或空气作为氧化剂，但旨在作为水法后处理流程的前端，以便在一个步骤中集中释放和处理所有挥发性裂变产物，特别是氚。橡树岭国家实验室（ORNL）和萨凡纳河实验室（SRL）的研究推动了该技术的中试和工程化，成功处理了公斤级的商用乏燃料和混合氧化物（MOX）燃料。韩国原子能研究院（KAERI）则通过引入折叠式筛网、搅拌叶片和振动器等创新设计，开发了处理量达数十公斤的高容量挥发氧化器，提高了氧化效率和产品均一性。

3. 氧化去包壳（DEOX）

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  研究结论：DEOX工艺是21世纪初由爱达荷国家实验室（INL）与KAERI合作开发的，主要作为干法后处理（电精炼）的首端步骤。与AIROX不同，DEOX不需要还原步骤，因为其产物U₃O₈可直接用于后续的溶解过程。该工艺的目标包括：从包壳中分离燃料、优化氧化物颗粒尺寸以及去除有害裂变产物。研究发现，在500–800°C的氧气或空气中进行氧化，可使UO₂转化为U₃O₈，并通过体积膨胀撑破包壳。此外，在900–1200°C的真空条件下进行高温处理，可有效去除某些裂变产物。

4. 先进挥发氧化（NO₂ VOLOX）

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  研究结论：这是最晚近发展的挥发氧化技术，始于2010年代，其特点是用二氧化氮（NO₂）作为氧化剂。该工艺能将UO₂最终氧化为更高价态的UO₃，反应温度相对较低（200–500°C）。其反应机理涉及NO₂与铀氧化物的逐步反应，生成的NO可通过添加氧气（O₂）再生为NO₂。目前，该技术尚处于实验室规模研究阶段，已证实U₃O₈可在225°C下被NO₂/O₂混合气体轻松氧化为UO₃。关于裂变产物行为的研究仍在进行中，例如一项研究发现，用于捕获碘的银吸附剂会与NO₂发生反应，这提示了集成化设计的复杂性。

总结与结论

总结讨论：本文系统回顾了自20世纪50年代以来挥发氧化技术的四个主要分支——AIROX、VOLOX、DEOX和NO₂ VOLOX。每种技术都有其特定的历史背景、工艺目标和应用场景。AIROX技术成熟度最高，达到了技术就绪水平（TRL）6–8级，而后续的VOLOX和DEOX也达到了TRL 5–7级。最新的NO₂ VOLOX技术仍处于较低的TRL 3–5级，但其低温操作和生成易溶的UO₃的特性使其具有吸引力。尽管各工艺侧重点不同，但挥发氧化作为干法首端处理技术，在裂变产物管理、减少废液量和适应多种后处理流程方面展现出共同的优势。

研究结论翻译：

无论工艺如何变化，挥发氧化都是乏燃料（UNF）前端处理的一个关键机遇。干法首端处理在裂变产物管理、减少水相废物量以及适应包括水法处理和干法处理在内的多种后处理流程方面具有优势。挥发氧化的多功能性使得所有拟议的流程都能接收来自现有和先进反应堆等多种堆型的燃料。持续进行挥发氧化研究，重点关注工艺放大和最终的工业部署，对于核能行业内实现高效、经济和环境友好的乏燃料（UNF）管理至关重要。