降低乏燃料后处理工艺中HN3含量的方法研究
杜晨亮 安海军 庞华贤
中核新能核工业工程有限责任公司 山西太原 030012
[摘 要] HN3也叫做叠氮酸，在乏燃料的后处理工艺中，会使用肼（N2H4）消除其中的亚硝酸（HNO2），而这其中就会产生叠氮酸。叠氮酸是一种非常危险的产物，会有爆炸的风险，因此需要尽可能的降低乏燃料后处理工艺中产生的叠氮酸。而本文对叠氮酸在乏燃料后处理中各环节的分布进行了研究，并针对性的提出了降低叠氮酸含量的方式。
[关键词] 乏燃料后处理；叠氮酸（HN3）；处理
叠氮酸是一种具有爆炸性质的产物，当其与重金属接触时，会发生氧化还原反应与复分解反应形成重金属盐，这种重金属盐极易爆炸。此外，乏燃料后处理中的冷凝环节中叠氮酸含量较高，如果遭遇明火也有很高的爆炸风险。我国曾发生过多起因叠氮酸爆炸导致的后处理工厂的事故，造成了巨大的经济损失，同时也对人身安全造成了威胁，因此展开降低乏燃料后处理过程中叠氮酸含量的研究对于保障化工业的安全生产是非常重要的[1]。
1 肼（N2H4）的加入
肼（N2H4）是一种能量密度很高的物质，通常用作火箭燃料，在乏燃料后处理中加入肼，主要是应用其还原性对乏燃料进行处理，该过程中会发生（1）式中的反应生成叠氮酸。
此反应并不是乏燃料后处理中的唯一反应，反应产物与肼和亚硝酸的含量比例相关，当亚硝酸的含量很多时，会发生（2）式中的反应：
叠氮酸会与亚硝酸进一步反应生成氮气与一氧化二氮，属于容易处理的物质。乏燃料后处理工艺中需要加入肼的环节有共去污循环、铀二循环与钚二循环。
2 HN3在乏燃料后处理中的分布
由于肼的性质，一般的乏燃料后处理中肼基本都会集中在水相中，在有机相中的分布极少。但叠氮酸的水溶性较差，常规的乏燃料后处理中有将近80%的叠氮酸进入了有机相中，留在水相中的仅有20%。同时，在碱洗环节中，叠氮酸会随同进入碱溶液中，因此叠氮酸分布的重点应当是共去污循环与铀二循环。
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2.1 HN3在共去污循环中的分布
根据文献中记载的对乏燃料后处理中的萃取过程，叠氮酸的含量一般为肼的总含量的4%-15%，因此，我们以叠氮酸对肼含量的6%计算，通过迭代模型演示石叠氮酸在共去污循环中的转移。
叠氮酸的沸点较低，仅为37℃，在常温下会缓慢的以气体形式蒸发，因此在冷凝环节中的冷凝蒸汽也会存在少量的叠氮酸。
碱处理溶液为Na2CO3溶液，经过碱洗后，溶液中几乎不存在叠氮酸，而碱溶液一般直接排放，此时其中的叠氮酸含量为0．0053mol/L。
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在反萃取过程中，大部分的叠氮酸转移到有机相中，反萃取完毕后叠氮酸的浓度为14mg/L。
2.2 HN3在铀二循环中的分布
铀二循环中会使用水合肼与硝酸进行对2DF 的调节，其中，水合肼与硝酸的浓度均为0．2mol/L。由于调酸的过程中需要加热至95℃，因此肼与亚硝酸反应生成的叠氮酸均以气相的形式直接排出。
叠氮酸在乏燃料后处理过程中主要在共去污循环与铀二循环中分布，且铀二循环后期的2DW 环节是叠氮酸最容易发生爆炸的环节，因此对叠氮酸的处理工作应在2DW 之前完成。
2.3 HN3在乏燃料后处理中的分布
通过上述内容，我们可以总结出叠氮酸主要分布在共去污循环与铀二循环的碱洗溶液中，而碱洗溶液则会送往废液处理处使用水泥进行固化处理。
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冷凝蒸发环节在40℃下进行，此时叠氮酸会少量气化进入到冷凝液中并以蒸汽的形式排除，冷凝液中会残存少量的叠氮酸。
铀二循环后期的2DW 过程中仍残留较多的叠氮酸，且溶液中残存的肼与亚硝酸反应会继续生成叠氮酸，并且溶液中存在大量的重金属，叠氮酸与这些重金属反应生成重金属盐极易发生爆炸，大多数因叠氮酸导致的后处理工厂爆炸也就发生在此时[2]。
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3 降低乏燃料后处理过程中HN3 含量的方式
以上述数据进行铀二循环的迭代模型计算，得出铀二循环的初始环节中叠氮酸含量为19．2mol/L；调酸并加热至90℃后，叠氮酸的含量增加到120mol/L；而Na2CO3 碱洗后，叠氮酸几乎全部转移到碱洗溶液中，此时2DW 中叠氮酸的浓度为70．3mol/L，肼几乎不存在。
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3.1 2DW 溶液中HN3的处理
本文第1 部分中阐述了肼与亚硝酸含量比对叠氮酸产量的影响，可以看出亚硝酸含量过多时叠氮酸将进一步与亚硝酸反应。因此，我们可向2DW 溶液中加入亚硝酸钠提升其中亚硝酸的配比，将过量的叠氮酸充分的反应掉。根据模拟实验的检测，在未处理之前叠氮酸的含量为5．2%，而在处理后，该数值降低到了1．8%，可以看出过量亚硝酸可以有效的降低叠氮酸的含量。
3.2 冷凝过程中HN3的处理
冷凝过程中的也会残留少量的叠氮酸，而常规的冷凝温度为40℃，这会导致叠氮酸少量蒸发进入冷凝液中，因此可以将冷凝温度进一步降低，低于叠氮酸的沸点。我们拟设计将冷凝温度降低到30℃，经过模拟实验的检测，40℃时冷凝液中叠氮酸的含量为2．1%，而降低到30℃时则降低到了0．3%。但30℃属于较低的冷凝温度，因此在实际处理时，应当根据其他约束条件选择适合的冷凝温度，尽量不要超过叠氮酸的沸点。
3.3 碱洗溶液中HN3的处理
叠氮酸易溶于碱溶液，因此碱洗后的废液中也含有大量的叠氮酸，通常来说使用水泥固化碱洗废液的方式不会引起叠氮酸爆炸，但实际过程中由于不可控因素多，因此碱洗废液中的叠氮酸有必要进行处理。处理的方式同2DW 类似，对碱溶液进行酸化后，使用NaNO2进行反应，消除其中的HN3[3]。
3.4 其他方面的处理
叠氮酸会残留在处理设备中，因此在乏燃料后处理完毕后，应使用弱碱性溶液对设备进行清洗，避免HN3 堆积在检修设备时导致爆炸。
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4 结语
HN3是一种在乏燃料后处理中常见的产物，具有易爆炸的危险性质，对化工生产造成了严重的威胁。因此本文对乏燃料后处理中HN3的降低方式进行了研究，HN3 主要分布在共去污循环与铀二循环中，其中碱洗溶液、铀二循环的2DW 溶液以及冷凝液中都有HN3存在。处理HN3的主要方式是在酸性条件下使用亚硝酸盐进行反应和降低冷凝温度，可以有效降低HN3的含量。
参考文献：
[1]章泽甫,王俊峰,张天祥．动力堆核燃料后处理工学[M]．北京：中国原子能出版社,2013．
[2]张春龙,朱礼洋,何辉,等．核燃料后处理厂钚的水解聚合及应对措施[J]．核科学与工程,2017,37(3)：464-469．
[3]刘郢,李鑫,夏良树．乏燃料后处理厂房维修方案探讨[J]．产业与科技论坛,2018,v．17(12)：73-76．
[中图分类号] F406.5
[文献标识码] A
标签：乏燃料后处理论文; 叠氮酸(HN3)论文; 处理论文; 中核新能核工业工程有限责任公司论文;