《水蒸汽熱裂解化法去除放射性核石墨中的14C》是依託清華大學，由梁彤祥擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：水蒸汽熱裂解化法去除放射性核石墨中的14C
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：梁彤祥
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
退役核石墨的再生循環是比較有前途的放射性廢物處置方法，需要解決的關鍵問題是如何實現14C的淨化。本項目採用水蒸汽裂解原位氧化工藝對退役石墨進行淨化，在研究輻照後石墨內部的14C分布規律的基礎上,研究工藝參數如溫度、氣流量、壓力、氧分壓等對氧化行為的影響，選擇性地將富集在石墨表面、孔隙內表面等處的14C氧化成14CO、14CO2，從而實現放射性石墨的淨化。利用擴散、密度泛函方法等計算,揭示石墨的水蒸汽原位氧化機制和放射性核素14C的生成及演變機制，為核石墨再生工藝的研發提供理論依據及工藝基礎。通過退役石墨氧化行為的研究，建立新的氧化腐蝕模型，為反應堆進水進氣事故安全分析和評價提供技術支持。研究成果對石墨放射性廢物處理、核能可持續發展和學科建設有著重要的意義。
結題摘要
目前國際上約有20萬噸具有放射性的退役核石墨需要處理，採用氧化焚燒、埋藏、碳酸鹽轉化等處理方法，焚燒產生大量具有放射性二氧化碳氣體，埋藏的體積龐大，也存在放射性沾污的問題。高溫氣冷堆作為第四代先進反應堆，今後要得到發展，需要解決的一個重要問題就是核石墨的退役處理。退役核石墨屬於中低放廢物，金屬核素、氚等可以通過高溫處理揮發掉，而14C需要採用氧化方法去除。14C主要集中在石墨表面、孔壁，因此採用微氧化如水蒸氣氧化，可以去除絕大部分的14C，而剩餘核石墨可以實現再生。 項目的主要研究內容：研究石墨的氧化行為和CO尾氣TiO2催化轉化，摸索石墨微氧化的條件；利用第一性原理研究輻照對氧化行為的影響；套用密度泛函理論研究B、N摻雜對核石墨氧化行為的影響規律，並探索核石墨抗氧化的途徑；對氧化產生的尾氣進行固化，減少放射性CO2氣體的排放。 主要結果：1，研究了石墨不同溫度氧化的熱力學和動力學，低溫氧化有利於氧化氣體向內部擴散，從而更有利於內部孔隙的氧化，即除去孔隙表面的14C；採用TiO2、CuO實現了CO向CO2的轉變，N摻雜的TiO2納米顆粒更有利於CO氣體的催化氧化；2，利用硼氫化鈉將CO2尾氣固化為炭，實現氣體向固體的轉變，減少放射性氣體的釋放，並且對於14C固體炭的製備具有重要意義；3，理論研究了石墨輻照缺陷對石墨氧化的影響，輻照產生的空位缺陷使得石墨的氧化性提高了十倍之多，這是因為空位的產生降低了空位附近原子的配位數，使得缺陷位置的原子具有高的反應活性，從而降低石墨的抗氧化性。通過氧氣的吸附、氧化產物的脫附等研究，在理論上豐富了石墨氧化的研究內容；4，研究了石墨摻雜B後的氧化性能，摻雜B原子在石墨體系引入一個空穴，主要集中於與B相鄰的三個碳原子上，於是低濃度B摻雜對氧化起著催化作用。而在高濃度B摻雜下，大量B-B鍵的出現是產生抑制作用的根本原因。此外，通過對摻雜體系電子態密度的分析，從根本上解釋了B摻雜後對氧吸附能力、CO脫附能壘的影響，二者存在競爭關係。 在科學研究的基礎上，及時總結研究內容和成果，發表了被SCI收錄的科技論文11篇；培養2名博士生，3名碩士生。 項目的開展，對於負責人獲得“方大炭素-核研院核石墨聯合研究”重大橫向課題（1200萬）起著關鍵的支撐作用。
