萃取循環指的是包括溶劑萃取、反萃取，通常還包括洗滌在內的一系列淨化步驟。經過一次萃取和反萃取的循環後。一般達不到淨化要求，因此需要反覆地進行萃取和反萃取，這就是現代後處理工廠常用的三循環流程。
基本介紹
- 中文名：萃取循環
- 外文名：extraction cycle
- 套用：核燃料後處理
- 學科：核工程
- 主要設備：溶劑萃取器
- 主要流程：溶劑萃取、反萃取、洗滌等
介紹,萃取設備,一般流程,
介紹
萃取循環本身的組合是加工方法的主體。燃料元件溶解成溶液後，進一步預處理這種溶液，使其成為含有核燃料(裂變物質和增殖物質)、裂變產物、腐蝕產物，可能還有核燃料的合金組分和包殼組分的原始溶液，再經過萃取分離後，將得到二份或者三份(很少有四份)溶液。共中一份溶液含有裂變產物、腐蝕產物、合金組分和包殼組分，而在其餘溶液內含有核燃料，如鈾和鈽。
萃取循環次數取決於所要求的純化係數。裂變物質和增殖物質經過三次或四次循環後，裂變產物已很少，再進一步加工時可以不用輻照防護設備。如果循環次數較少，其產品還需要按其他方法繼續精製，或是把製得的裂變物質置於輻照防護牆後進行加工。
萃取設備
溶劑萃取與蒸發蒸餾一樣，是使液體混合物達到組分分離的一種單元操作。完成液一液萃取操作的設備有多種形式：分級接觸萃取設備(槽式設備)和連續微分萃取設備(塔式、柱式設備)。
現在，雖然溶劑萃取設備多種多樣，但核燃料後處理工藝因其處理對象的高放射性活度和易裂變物質的臨界安全問題，不允許採用一般化學工藝中所使用的萃取器。在核燃料後處理工藝中，最初採用無脈衝的填料萃取柱。這種填料柱中沒有強制攪拌措施，水相和有機相根據進入柱中液體的密度差發生接觸傳質。在這種情況下，為確保鈾和鈽的完全萃取，兩相需要很長的接觸時間，從而導致有機相在設備中顯著量輻射降解。後來人們研製了混合澄清槽、脈衝柱和離心萃取器，添加了對兩相進行強制攪拌的部件，從而使萃取過程加快。
溶劑萃取器是溶劑萃取循環的主要設備。在核燃料後處理工藝的發展過程中先後有四種溶劑萃取設備：填料柱、脈衝柱、混合澄清槽和離心萃取器。其中結構最簡單的是填料柱，但是它要求廠房有相當高的空間。在脈衝柱和混合澄清槽中採用機械攪拌或空氣脈衝攪拌以增加相界面面積和相間湍動。離心萃取器，不僅採用機械攪拌以提高傳質效率，還利用離心力加速分相。可以從下列六方面衡量、比較溶劑萃取設備的性能：
(1)能形成足夠的相界面面積，以加速待萃取組分在兩相間的傳質；
(2)便於兩相逆流流動，相間夾帶量小；
(3)進入萃取接觸器的各物料流比和濃度在一定範圍內變化時，設備應具有一定的操作靈活性；
(4)機械性能可靠，且易於操作和維修；
(5)設備結構緊湊，工藝物料滯留量小；
(6)初始投資費用和運行費用低。
一般流程
在一個萃取過程中可以使用多至四個串聯的萃取循環。下面敘述的是共萃取核燃料的一個典型的萃取循環。
這個萃取循環由三個串聯的柱，即萃取柱、分離柱和反萃取柱組成。所謂柱不能單純地理解為一個單獨的柱，它也可以是由若干個混合澄清器級或二個到三個單獨的萃取柱所構成的。
核燃料是在萃取柱中被共萃取的，而裂變產物和非放射性的次要組份則留在水溶液中。含有鈾和鈽產品以及裂變產物的硝酸原料液由柱的中部加入。萃取劑(用碳氫化合物稀釋的磷酸三丁酯、甲基異丁基酮等等)由下部通入，與水溶液呈逆流，然後帶著可萃取的組份而上升。柱的下段叫做萃取段，因為核燃料的萃取就是在這裡實現的。裂變產物的液流由萃取柱的底部排出。萃洗水溶液由柱的上段即萃洗段加入，與上升的有機相對流，調節好鹽析劑含量，使之不致共萃取裂變物質和增殖物質，但要儘量把萃洗段內共萃取的裂變產物反萃過來。
含有核燃料的有機溶液由萃取柱頂部排出，而後進入分離柱的中部。在該柱中，含有鹽析劑(硝酸或硝酸鋁)和還原劑通常是Fe的水溶液由上向下流動，與有機液流相逆流，以分離鈾和鈽。四價鈽被Fe(SOsNH2)2還原成三價鈽後由有機相反萃到水溶液。水相中存在的鹽析劑阻止了鈾的反萃。新鮮萃取劑在分離柱的萃洗段中由下而上流動，與鈽水溶液相逆流，目的是要把被反莘的鈾部分重新從水溶液中萃取下來。鈽的水溶液液流由分離柱底部排出。
由分離柱頂部排出的有機溶劑液流只含有鈾。再把它通入反萃取柱的底部，而洗滌液(通常是很稀的硝酸水溶液)則由上而下流動，把鈾反萃取到水相中去。鈾的水溶液液流由反萃取柱的底部排出，而用過的萃取劑則由柱的頂部排出。在純制循環時，在反萃水相液流進口下1級或2級處，加入萃取柱反萃取用的硝酸最為合適。這樣可以降低有機溶液中硝酸和鈾的比例，還可以減少從反萃取柱排出的水溶液。從而也就可以降低後面蒸發器中的腐蝕以及提高產品的純度。
在釷增殖物質的加工過程中，鈾和釷的分離可以不用還原劑。四價釷的可萃取性較差，我們就可以利用這一點來分離它，但要適當地調節萃洗溶液中的鹽析劑濃度，使六價鈾留在有機液內，而四價釷則被萃入水相。於是，從萃取柱排出的不是鈽的水溶液液流，而是釷的水溶液液流。如果放棄裂變物質的分離，則除廢液液流以外，還只能得到一種裂變物質的水溶液液流，並且循環只用二個柱。一個這樣的雙柱純制循環或串聯在三柱分離循環之前，或串聯在它的後面，以進一步純制分離產品。在後一種情況下，鈾和鈽或釷各需要一個循環。在第一個萃取循環中，裂變產物的去污因子為
和
。在其餘的循環中，由於只能分離萃取性能同裂變物質相似的裂變產物，所以裂變產物的去污因子較小。
有些方法採用一種分別萃取核燃料的萃取流程，這種流程與目前所描述的萃取流程有所不同。在第一個萃取柱中只萃取鈾或鈽，然後在它的第一個反萃取柱中從有機相重新洗滌出來。萃取柱的排出液就進入第二個萃取柱，萃取共他產物(鈾、鈽、釷)，再在相應的反萃取柱中重新洗滌出來。
繪出的操作流程只是一般流程。濃縮用的蒸發器、貯藏溶液用的容器或者進行化學反應的以及調配溶液用的容器都沒有繪出。廢液和經過幾個循環使用後的萃取劑多半是在相應的處理設備中一起進行處理的。
