【科研团队展示】核化学与放射化学

研究方向简介

        核燃料循环与材料学科下属核化学与放射化学团队面向国家需求与应用前沿，主要在废物固化处理及深地质处理技术、乏燃料高温熔盐干法后处理、铅铋快堆关键核素技术、核电厂放射性液态流出物环境影响研究方面取得重要进展，与中核集团、中广核集团等单位深度合作，承研了多个相关项目。

团队目前已建有核化学与放射化学丙级资质实验室。实验室拥有高纯锗γ谱仪、低本底α/β计数器、液体闪烁谱仪、场发射扫描电子显微镜-EDS能谱仪（JSM-IT800 & Oxford-AZtecLive UltimMax 100）、高频电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）、离子色谱仪、动态光散射粒度仪、双工位低氧手套箱、高速冷冻离心机、手脚污染仪、便携式表面污染仪、比表面及孔径分析仪等一批先进精密仪器，具有优越的科研条件。

【成果1】 高放废物处置库水岩条件下放射性核素的还原固定研究

        甘肃北山花岗岩地区是中国高放废物地质处置库的重点研究区，目前我国正在该区域规划和建设第一座地质处置地下实验室。铁基材料是高放废物储存罐的重要选材，是阻滞核废料中以铀为主的放射性元素的溶解与迁移的第一道屏障。中法核工程与技术学院核化学与放射化学团队开展了针对在处置库地质条件下铁及其厌氧腐蚀产物磁铁矿、黄铁矿（地球上含量最多的硫化物矿物）对溶解性铀酰的吸附和还原机制研究，并基于现场测量、地下水中的溶解铁及围岩中Fe2+/Fe3+的比例，建立了一套确定北山处置场地下水氧化还原电势（Eh）的方法。团队成员多次赴甘肃北山采集深地质花岗岩和地下水样品，并现场测量钻孔内地下水的Eh值；运用批实验的方法，开展了铀和北山花岗岩、铀与铁/磁铁矿、铀与黄铁矿等多类反应，结合X-射线吸收谱（XAS）、X-射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）等谱学表征，深入探究了反应机理及反应条件对反应路径和反应产物的影响。北山地下水Eh值的研究结果被中国高放废物处置工程牵头人王驹研究员评价为目前为止最可靠的值，部分结果2018年评选为《核化学与放射化学》期刊年度优秀论文。北山地质处置库相关科学研究已获得国家自然科学基金面上项目（No. 41773095）的资助，部分结果拟向Environmental Science & Technology、Applied Geochemistry等高水平SCI期刊投稿。研究结果将为核废物存储罐的选材及处置库地球化学屏障的设计提供参考与科学依据，同时为地下处置库的安全评估提供基础数据，并在铀污染的防治与修复领域具有潜在的应用价值，具有重要的科学意义。

图1. 铀在北山处置库场址条件下的还原与固定研究

【成果2】乏燃料后处理之干法熔盐电解精炼技术

         干法后处理熔盐电解精炼技术被认为是有望取代传统水法，非常有前景的后处理技术之一。在干法后处理电解精炼流程中，铀主要是通过固态阴极进行电解回收。国际上对铀在LiCl-KCl熔盐中不同的固态阴极上的电解沉积或者精炼行为开展过较多研究，但已有的研究都是从比较宏观的层面，长时间极限扩散条件下进行的电解。铀在固态阴极基底上的早期成核现象、形貌及其演变过程却仍不清楚，目前这方面的研究鲜有报道。中法核工程与技术学院核化学与放射化学团队开展了针对铀电结晶过程的研究，从微观层面探索铀早期晶核的形成状态对后续铀金属沉积、铀枝晶生长的关系，以及过电位、温度、阴极基底等参数的影响作用。此项研究已获得中国博士后创新人才支持计划（BX20180387）和中国博士后科学基金（2019M653182）的支持，相关结果拟向Electrochimica Acta、Journal of Electrochemical Society 等高水平SCI期刊投稿，并申请专利若干项。本工作将为熔盐电精炼流程中体系阴极材料选择、流程设计、监测和仿真提供科学依据与基础数据。

图2，铀在玻璃碳圆盘电极上电解10s、20s 和30s 条件下，铀晶核的生长演变过程。

【成果3】乏燃料后处理之离子液体分离回收铀资源

     近年来随着核能的大力发展，乏燃料后处理的重要性逐渐提高。相对于加入强氧化剂来实现二氧化铀在离子液体中的溶解，利用功能化离子液体直接溶解二氧化铀已成为一个新兴科研方向。利用离子液体进行乏燃料后处理，其核心步骤是将主要组分为二氧化铀的乏燃料溶解在离子液体中并分离回收铀资源。本团队采用咪唑含铁离子液体与羧基功能化离子液体的混合物、或单一的羧基功能化离子液体溶解体系，其中含铁离子液体作氧化剂，羧基与溶解生成的铀酰离子配位进而增大二氧化铀在离子液体中的溶解量。研究结果还表明在外界条件下空气中的氧气可作为氧化剂参与二氧化铀的溶解且溶解量随温度升高而增大。利用咪唑含铁离子液体与羧基功能化离子液体的混合体系可将铀的回收率提高至98 %。利用HFeCl4酸溶液与CCl4/正己烷通过溶剂萃取法，铀的最大回收率为91.4 % (pH =10.59)。回收的离子液体在后续的处理中是可以重复利用的，这为离子液体实际投入工业应用提供了可能性。该研究可为离子液体在乏燃料后处理方面的实际应用提供一定实验依据与理论基础，对于实现铀资源的回收再利用具有重要意义与应用价值。

图3. 二氧化铀在羧基功能化离子液体中的溶解研究

【成果4】放射性污染治理之云母矿物及其风化影响研究

土壤及沉积物的放射性污染问题受到全世界各国的关注。云母矿物及其受风化作用影响形成的次生矿物是土壤及沉积物的重要组成部分，对环境中的多种放射性核素（如U-238、Th-230、Cs-137、Sr-90等）有很强的亲和力。风化影响是描述和预测环境中放射性核素的吸附行为、赋存形态、转化及归趋的重要因素。相关结果拟向Geochimica et Cosmochimica Acta、Applied Clay Science等高水平SCI期刊投稿。研究结果可为有效修复治理环境放射性污染、涉核活动应急预案等提供可靠的理论基础和技术支持。

图4. 分子水平和场环境中铯与云母类矿物的相互作用