[0001] 本专利涉及乏燃料后处理技术领域，具体涉及一种适用于硝酸镅的连续沉淀设备及方法。

[0002] 近年来，随着先进核燃料循环研究的开展，国际上对乏燃料后处理/分离一体化流程的研究也愈发重视。目前国际上开展的较为影响力的核燃料一体化分离流程，日本的PUREX‑TRUEX一体化流程，俄罗斯的SuperPUREX流程以及中国的PUREX‑TRPO流程，这些流程都经改进及简化最终得到了热试验验证，将次锕系元素镅成功进行分离，但其在转型方面都存在着诸多的问题，为将其转变为适合储存的颗粒固体形式，需要一步将硝酸镅溶液转化为氧化物，这种类型的转化最成熟的方法就是使用草酸沉淀，相较于过氧化氢沉淀，它所涉及的溶液和固体比过氧化氢流程更加稳定，安全；也别对于它处理含有高浓度能催化过氧化氢分解的元素溶液较为满意。但使用草酸沉淀时面对其酸性条件下草酸的低溶解度，在进行前处理脱销时存在诸多问题。例如：使用有机酸造成的容器腐蚀及沉淀杂质的干扰、碱中和对沉淀原液中金属浓度的降低及尾气工艺问题等；在进行沉淀过程中不仅要满足沉淀金属镅浓度，同时还需考虑高浓镅的屏蔽防护等困难：常用的釜式沉淀反应器对于操作人员的单次接受剂量较高等等。这些弊端均无较好解决方案。目前国内对于镅提取制备均处在试验阶段，国外也暂未有相关镅氧化物制备工业化的技术报道。

[0003] 镅‑241因其不需要通过反应堆辐照，而直接通过乏燃料中已分离的钚‑241同位素衰变获得。其具有的低能量、高概率γ辐射和高比活度的特点而广泛应用于中子源、厚度计及烟雾报警等。近年来，随着放射性同位素电池受到追捧，镅‑241作为小型同位素核电池的最佳原料受到广泛关注。

[0004] 为实现分离一体化镅提取闭环，需设计发明一种简单高效、可实施性高的硝酸镅转型工艺。这对开拓和加速我国的镅同位素工业化生产及产品应用具有重要意义。

[0025] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

[0026] 在本申请一个或多个实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请一个或多个实施例。在本申请一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本申请一个或多个实施例中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

[0027] 应当理解，尽管在本申请一个或多个实施例中可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请一个或多个实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。

[0028] 一种适用于硝酸镅的连续沉淀设备，包含冷凝管1，冷凝管1连接蒸浓反应器2，其将蒸浓反应槽2产生的蒸汽进行冷凝后收集，蒸浓反应槽2内筒接有高酸料液及去离子水进口3、蒸汽入口4、蒸汽出口5，蒸汽通过蒸汽入口4进入夹层后导热到料液最后通过蒸汽出口5排出，蒸浓反应器2下端通过球阀6连接流量泵7，流量泵7连接反应液混合槽13；调料后的低酸料液通过球阀6后在流量泵7控制下进入反应液混合槽体13，所述反应液混合槽13的上方有反应液混合槽盖11，所述反应液混合槽盖11上方设有进液口10、温度计套管9，反应液混合槽13中间设有搅拌器8，所述搅拌器8下端连结搅拌桨12；反应液混合槽体13下端通过球阀14连接流量泵15，混合后的料液通过球阀14后在流量泵15的作用下进入超声通道16，所述超声通道16自下向上螺旋分布在超声发生器轴18的外侧，超声发生器17外设有支架
22，所述超声通道16末端通过球阀19后接入平板过滤器20，所述平板过滤器20的底部设有溶液出口21。

[0029] 反应液混合槽13有效容积为3L，材质为内层316L+外层铅(316L厚度为3mm，铅厚度为5mm，镅‑241金属量有效屏蔽量为8.26g)；

[0030] 在本发明中，所述反应液混合槽13中的搅拌器8距离槽体底部1.5cm，搅拌桨12为四叶螺旋式搅拌桨，桨叶直径为3cm，搅拌转速控制在300‑500r/min；

[0031] 在本发明中，所述温度计套管9为卡盘接口，其内端向超声反应体13内腔延伸并形成保护腔，所述保护腔内为空气导热；

[0032] 在本发明中，所述混合液超声管道16前端设有隔膜泵15；超声管道16内径为φ15mm，长2.1m螺旋式分布在超声波发生器轴18上；

[0033] 在本发明中，所述超声发生器轴18外侧自下向上螺旋分布有超声管道16；

[0034] 在本发明中，所述超声发生轴18的管径为φ50mm，长度为50cm；

[0035] 一种适用于硝酸镅的连续沉淀的方法，包括以下步骤：

[0036] S1：将硝酸镅溶液通过进液口3转入蒸浓反应器2中，将硝酸镅溶液浓缩，而蒸汽通过蒸汽入口4进入蒸浓反应器2中，通过蒸汽出口5排出；

[0037] S2：通过进液口3加入去离子稀释硝酸镅溶液，再将硝酸镅溶液通过球阀6、流量泵7进入反应器混合槽13中；而草酸通过反应器混合槽进液口10进入反应器混合槽13，与硝酸镅溶液在反应器混合槽13中借助搅拌器8进行初步混合，经初步混合后的溶液在流量泵15的作用下进入超声管道16；

[0038] S3：溶液在超声通道16内停留，在超声作用下进一步反应，草酸水合物结晶，反应生成悬浊液通过超声管道末端球阀19经平板过滤器20过滤，得到草酸镅水合物固体。

[0039] S4：从去离子水进口3通入去离子水，对超声管道和过滤所得草酸镅固体进行洗涤，干燥后得到草酸镅滤饼；再将草酸镅滤饼盛至石英坩埚中，转入煅烧炉升温至750℃，保温6h，最终得到二氧化镅粉末。

[0040] 在本发明中，步骤S1蒸发速率为5L/h；由于硝酸和水会形成共沸混合物，共沸点随压力的增加而上升，但到达一定值时，沸点随硝酸浓度增加而降低，这个点即为68％±0.5％。在常温常压下，共沸点温度一般在120.5℃，在此温度下，硝酸通过蒸馏浓缩，在缩减硝酸体积与摩尔数的同时，浓度一直维持在68％左右，即14±0.5mol。

[0041] 在本发明中，步骤S1所述的硝酸与水的共沸点为120.5℃(水常温下沸点为100℃、硝酸常温下沸点为86℃)；

[0042] 在本发明中，所述步骤S1中，控制溶液酸度为14.4mol/L，控制硝酸镅溶液蒸浓使用去离子水稀释后，溶液酸度为0.3～0.8mol/L，硝酸镅溶液中镅浓度≥1g/L,沉淀原液体积根据沉淀金属浓度而定；

[0043] 在本发明中，所述步骤S1中产生的蒸发冷凝液通过冷凝管1进入冷凝液储槽充当调料液，等待再次进入蒸浓系统，此时的冷凝液酸度大于6mol/L小于14.4mol/L；

[0044] 在本发明中，步骤S2所述草酸浓度为0.9mol/L,草酸加入量需过量0.1mol，即，利用草酸从硝酸镅中沉淀草酸镅溶液发生的化学反应如下：

[0045] 2Am(NO3)3+3H2C2O4+xH2O＝Am2(C2O4)3·xH2O+6HNO3

[0046] 配置浓度为0.9mol/L，过量0.1M草酸需加入x L：

[0047]

[0048] V:沉淀原液体积；

[0049] m:硝酸镅溶液中镅金属量；

[0050] 在本发明中，步骤S2所述反应液混合槽13中草酸溶液进液流量为0.1～0.5L/h，硝酸镅进液流量为0.5～3.5L/h，两股溶液可同时进液；

[0051] 在本发明中，步骤S3所述硝酸镅溶液与草酸的混合溶液经流量泵通入超声通道，控制停留时间为10～20min最佳；

[0052] 在本发明中，步骤S3所述草酸镅水合物悬浊液通过设有金属滤布的平板过滤器过滤，滤布孔径为10～50μm；

[0053] 在本发明中，S4中使用去离子水清洗管道及草酸镅水合物表面附着的微小颗粒物，若酸度≥0.3mol会导致草酸镅水合物反溶，造成沉淀物流失，导致母液过高；

[0054] 实施例：

[0055] 接经TRPO流程分离的硝酸镅溶液14.0L(酸度5.5mol，镅浓度0.21g/L)，需调整其酸度、体积、金属镅浓度满足沉淀要求。为达到沉淀最优条件，若将硝酸镅酸度调至0.3～0.8mol，镅浓度≥1g/L，计算得至少需将硝酸镅溶液浓缩85倍。

[0056] 1)将14.0L硝酸镅溶液通过进液口3转入蒸浓反应器2中，以5L/h的蒸发速率将硝酸镅溶液浓缩85倍，蒸浓反应器2中夹套层通过蒸汽为反应过程提供能量，蒸汽通过蒸汽入口4进入，蒸汽为0.25MPa、120℃饱和蒸汽，蒸汽通过蒸汽出口5排出。蒸浓过程中盯紧液位计，待体积浓缩至165ml硝酸镅溶液，关闭蒸浓反应，此时得到酸度约为14±0.5mol、镅浓度为17.85g/L的高浓硝酸镅溶液。冷凝液通过冷凝管1导入冷凝液储槽，充当下批次硝酸镅的调料液，在此系统中循环。加热

[0057] 2)通过去离子水进口3处加入去离子水稀释18倍(去离子水约加入2.805L)，得到酸度为0.8mol，体积为2.97L，镅浓度为0.992g/L的硝酸镅溶液。需配制0.9mol/L草酸0.43L。调料后的硝酸镅溶液通过球阀6、流量泵7进入反应器混合槽13中，草酸则通过反应器混合槽进液口10以0.28L/h的速度进入反应器混合槽13，溶液在反应器混合槽中借助搅拌器8进行初步混合，为防止料液混合不均匀，搅拌桨12转速控制在450r/min保证硝酸镅溶液与草酸溶液充分混合，此转速下料液不至于飞溅，也起到了充分混合作用。待反应器混合槽13内料液体积达到2.2L时打开出叶阀，经初步混合后的料液在流量泵15的作用下以
2.2L/h的流量进入超声管道16。

[0058] 计算依据：3.14×21dm×(0.075dm)2×1/6h＝2.2L

[0059] 即从反应器混合槽13的混合料液通过流量泵15转入超声通道16的流速控制在2.2L/h；

[0060] 3)超声波发生轴18的管径为φ50mm，长度为50cm，超声管道内径为φ15mm，长2.1m螺旋式分布在超声波发生器轴18上，反应液在超声通道16内停留超过10min，在超声强化的作用下，混合溶液进一步反应，草酸水合物结晶加速生长。反应生成悬浊液通过超声管道末端球阀19经平板过滤器20过滤(金属滤布孔径：15μm)，得到草酸镅水合物固体，母液3.4L通过沉淀母液出口21流向后端进行浓缩再回收。

[0061] 4)沉淀原液和草酸完成进液后，从去离子水进口3以100mL/min通入去离子水10min，对超声管道和过滤所得草酸镅固体进行洗涤，干燥后得到草酸镅滤饼5.73g(结合水：10.87个)，取样通过高纯锗γ谱仪分析沉淀母液中Am浓度为15.1mg/L，计算镅元素得沉淀率为98.24％。

[0062] 5)将沉淀后得到的5.73g草酸镅水合物盛至石英坩埚中，转入煅烧炉升温至750℃，保温6h。最终得到3.26g二氧化镅粉末。

[0063] 以上所述仅为本专利的较佳实施例而已，并不用以限制本专利，凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。

[0064] 需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本申请所必须的。

[0065] 在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

[0066] 以上公开的本申请优选实施例只是用于帮助阐述本申请。可选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本申请的内容，可作很多的修改和变化。本申请选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本申请的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本申请。