Растворимость CeO2 и Nd2O3 в расплавах LiCl-L2O

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Современное развитие атомной промышленности требует решения задач переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), увеличения степени выработки ядерного топлива и отделения продуктов деления (ПД) от делящихся материалов (ДМ). Перспективным методом решения данных проблем является пирохимическая переработка ОЯТ, одной из стадий которой выступает оксидное осаждение. Из соображений безопасности исследования ведутся с использованием имитаторов ПД и ДМ, одними из которых являются лантаноиды церий и неодим. В работе было изучено растворение оксидов неодима (III) и церия (IV) в расплавах на основе хлорида лития. В расплаве LiCl-Li2O при содержании Li2O не более 4 мол.% растворимость оксида церия остается ниже предела обнаружения, а затем резко возрастает, достигая величины 8.4∙10-3и 2.4∙10-2мол.% при 5 и 9 мол.% Li2O соответственно. В случае же с оксидом неодима величина его растворимости в расплаве LiCl-Li2O линейно возрастает от 1.5∙10-3мол.% при 2 мол.% Li2O до 6.4∙10-3мол.% при 9 мол.% Li2O. Время достижения состояния насыщения при растворении оксида неодима в несколько раз меньше, чем время достижения состояния насыщения при растворении оксида церия (25 часов для Nd2O3против 145 часов для CeO2). Для анализа механизмов растворения оксидов церия и неодима исследованы фазовые составы керамических таблеток этих оксидов после эксперимента и спектры оптического поглощения полученных расплавов. С учетом этих данных были предложены варианты механизма взаимодействия оксидов церия и неодима с расплавами LiCl-Li2O (0–9 мол.%). Так, растворение оксида церия протекает по двухстадийному процессу с замедленным образованием промежуточных нерастворимых соединений церия с последующим их переходом в растворимые формы LiCeO2(для Ce3+) и Li2CeO3(для Ce4+). Это обусловливает замедленную кинетику и нелинейную зависимость от содержания Li2O. Оксид неодима взаимодействует с оксидом лития в расплаве, образуя растворимое соединение неодимат лития LiNdO2.

Об авторах

С. И. Жук

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Email: zhuk@ihte.ru
Екатеринбург, Россия

Н. С. Паняк

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Email: zhuk@ihte.ru
Екатеринбург, Россия

С. В. Чернышев

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Email: zhuk@ihte.ru
Екатеринбург, Россия

М. И. Власов

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: zhuk@ihte.ru
Екатеринбург, Россия

Список литературы

  1. Адамов Е.О., Иванов В.Б., Джалавян А.В., Лопаткин А.В. Концептуальные положения стратегии развития ядерной энергетики России в перспективе до 2100 г. // Атомная энергия. 2012. Т. 112. № 6. С. 319–330.
  2. Шадрин А.Ю., Иванов В.Б., Скупов М.В., Троянов В.М., Жеребцов А.А. Сравнение некоторых вариантов технологий замкнутого ядерного топливного цикла // Атомная энергия. 2016. Т. 121.В. 2.С. 90–97.
  3. Koyama T., Sakamura Y., Iizuka M., Kato T., Murakami T., Glatz J.-P. Development of Pyro-processing Fuel Cycle Technology for Closing Actinide Cycle // Procedia Chemistry. 2012. V.7. Pp.772–778.
  4. Seregin M.B., Parshin A.P., Kuznetsov A.Yu., Ponomarev L.I. Solubility of UF4, ThF4, and CeF3in a LiF–NaF–KF melt // Radiochemistry. 2011. 53(5). Pp. 491–493.
  5. Ponomarev L.I., Seregin M.B., Mikhalichenko A.A., Parshin A.P. Validation of actinide fluoride simulators for studying solubility in fuel salt of molten-salt reactors. // At. Energy. 2012. 112. Pp. 417–422.
  6. Gourishankar K.V., Johnson G.K., Johnson I. Thermodynamics of Mixed Oxide Compounds, Li2O–Ln2O3(Ln = Nd or Ce) // Metallurgical and Materials Transactions B. 1997. V. 28. Pp. 1103–1110.
  7. Kato T., Sakamura Y., Iwai T., Arai Y. Solubility of Pu and rare-earths in LiCl–Li2O melt // Radiochim. Acta. 2009. V. 97. Pp. 183–186.
  8. Korzun I.V., Nikolaeva E.V., Zakiryanova I.D. Thermal analysis of the oxide–chloride systems GdCl3–Gd2O3and GdCl3–KCl–Gd2O3 // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2021. 144. Pp. 1343–1349.
  9. Cui J., Hope G.A. Raman and Fluorescence Spectroscopy of CeO2, Er2O3, Nd2O3, Tm2O3, Yb2O3, La2O3, and Tb4O7 // Journal of Spectroscopy.2015.P. 8.
  10. Патент РФ на изобретение № 2836124. Установка для исследования оптических характеристик расплавленных сред / Ю.П. Зайков, М.И. Власов, С.В. Чернышев; опубл.: 11.03.2025. Бюл. 8.
  11. Kovrov V.A., Mullabaev A.R., Shishkin V.Y., Zaikov Y.P. Solubility of Li2O in an LiCl–KCl melt // Russian metallurgy (Metally). 2018.Т. 2018№ 2.С. 169–173.
  12. Sakamura Y. Solubility of Li2O in Molten LiCl–MClx(M = Na, K, Cs, Ca, Sr, or Ba) Binary Systems // Journal of The Electrochemical Society. 2010.157. 9. Pp. 135–139.
  13. Hayashi H., Minato K. Stability of lanthanide oxides in LiCl–KCl eutectic melt // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2005. 66. Pp. 422–426.
  14. Davies A., et al. Thermodynamics and phase stability of Li8XO6octalithium ceramic breeder materials (X = Pb, Ce, Ge, Zr, Sn) // J. Phys.: Condens., Matter. 2022.34. 355701. Pp. 14.
  15. Johnson K.E., Sandoe J.N. Solvent LiCI-KCl in the nephelauxetic series for trivalent rare earths // Canadian journal of chemistry. 1968. 46. Pp. 3457–3462.
  16. Khokhryakov A.A., Khokhlova A.M. Electronic Absorption Spectra of the Ce3+Ions in Halide Melts // Radiochemistry. 2003.45.6. Pp. 559–561.
  17. Potapov A.M., Salyulev A.B. Electronic absorption spectra of CeCl3in molten alkali chlorides // Progress in Molten Salt Chemistry: Proceedings from the EUCHEM 2000 Conference on Molten Salts. 2000. 1. Pp. 429–433.
  18. Kim B.Y., Yun J.-I. Optical absorption and fluorescence properties of trivalent lanthanide chlorides in high temperature molten LiCl–KCl eutectic // Journal of Luminescence. 2016. 178. Pp. 331–339.
  19. Choi S., Bae S.-E., Park T.-H. Electrochemical and Spectroscopic Monitoring of Interactions of Oxide Ion with U (III) and Ln (III) (Ln = Nd, Ce, and La) in LiCl-KCl Melts // Journal of The Electrochemical Society. 2017.164. 8. H.5068–5073.
  20. Greenhaus H.L., Feibush A.M., Gordon L. Ultraviolet Spectrophotometric Determination of Cerium (III) // Analytical Chemistry. 1957.29. 10. Pp. 1531–1534.
  21. Medalia A.I., Byrne B.J. Spectrophotometric Determination of Cerium (IV) // Analytical Chemistry. 1961.23. 3. Pp. 453–456.
  22. Barbanel’ Yu.A., Kolin V.V., Kotlin V.P., Lumpov A.A. Coordination chemistry of actinides in molten salts // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 1990.143. 1. Pp. 167–179.
  23. Chrissanthopoulos A., Papatheodorou G.N. Temperature dependence of the f-f hypersensitive transitions of Ho3+and Nd3+in molten salt solvents and the structure of the LaCl3–KCl melts // Journal of Molecular Structure. 2006. 782. Pp. 130–142.
  24. Barbanel’, Yu.A. Koordinatsionnaya khimiya f-elementov v rasplavakh (Coordination Chemistry of f Elements in Melts). Moscow: Energoatomizdat. 1985. Pp. 143.
  25. Хохряков, А.А., Вершинин А.О., Пайвин А.С., Лизин А.А. Электронные спектры ионовNd(III) в расплавленных фторидах щелочных металлов // Расплавы. 2015.4. С. 3–11.
  26. Fujii T., Nagai T., Sato N., Shirai O., Yamana H. Electronic absorption spectra of lanthanides in a molten chloride II. Absorption characteristics of neodymium (III) in various molten chlorides // Journal of Alloys and Compounds. 2005. 393. L1–L5.
  27. Photiadis G.M., Borresen B., Papatheodorou G.N. Vibrational modes and structures of lanthanide halide–alkali halide binary melts LnBr-KBr (Ln = La, Nd, Gd) and NdCl3-ACl (A = Li, Na, K, Cs) // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1998.94. 17. Pp. 2605–2613.
  28. Runowski M., et al. UV-Vis-NIR absorption spectra of lanthanide oxides and fluorides // Dalton Trans.2020.49. С. 2129. https://doi.org/10.1039/C9DT04921E

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025