核燃料閉式迴圈對於核能的可持續發展具有重要的戰略意義, 其中乏燃料再生利用是閉式核燃料迴圈的核心環節, 能夠提高鈾資源的利用率, 實現放射性廢物最小化, 更可以妥善解決高放廢物的處理處置問題. 目前, 國際上公認的處理高放廢物的方法是通過加速器驅動的次臨界反應堆 (ADS) 將長壽命高放射性核素轉變為短壽命以及中等壽命或者穩定的核素. 壓水堆乏燃料經過高溫氧化還原處理, 去除了其中的大部分揮發性裂變產物, 剩餘的放射性主要取決於其中的U, Pu以及Np, Am, Cm等次錒系核素. 研究包含有次錒系核素的再生核燃料小球的製備方法及裝置, 是實現嬗變系統的核心環節.
中國科學院近代物理研究所嬗變化學研究室與瑞士保羅謝勒研究所 (PSI) 合作, 通過對溶膠凝膠過程的化學動力學進行系統研究, 發現在室溫下通過改變料液組成可在短時間內完成溶膠凝膠過程. 由此提出了一種室溫即時-無冷卻混合與微波輔助加熱相結合的快速溶膠凝膠方法, 用於在手套箱內製備包含有次錒系核素的新型核燃料小球. 科研人員在瑞士PSI和近代物理所分別搭建了用於製備包含有次錒系核素核燃料小球的實驗平台, 並成功製備了粒徑為500μm的類比核燃料CeO 2小球. 該方法有效避免了次錒系核素的α和γ射線對凝膠劑的輻射分解, 以及二次有機放射性廢液的產生.
研究工作得到了中科院戰略性先導科技專項 (A類) '未來先進核裂變能—來先進嬗變系統' 項目和國家自然科學基金項目的支援. 相關研究成果發表在Ceramics International上.
圖1.溶膠凝膠過程的化學動力學研究
圖2.即時-無冷卻混合與微波加熱相結合的溶膠凝膠原理示意圖
圖3.CeO
2凝膠球
