Electrochemical Preparation of UCl3 -LiCl-KCl Molten Salt in a Frit-Separated Cell
本文展示了一种利用铋阴极在隔板电解池中制备 UCl₃-LiCl-KCl 熔盐的高效、无试剂电化学方法，该方法成功实现了高电流效率和精确的浓度控制，且不会引入金属杂质或腐蚀性气体。
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在追求未来能源的过程中，科学家们正将目光投向一种特定的核反应堆，这种反应堆使用液态金属而非水进行运行。这些被称为钠冷却快堆的机器，为回收利用乏燃料提供了一种方法，将通常被视为废物的物质转化为资源。然而，为了使这种回收工作顺利进行，工程师必须将燃料中有用的部分与无用的部分分离。这一过程被称为电解熔盐工艺（pyroprocessing），它在一个熔盐浴中进行，熔盐的作用就像是一个液态化学海绵。为了让这个海绵高效工作，必须预先加载一种特定的化合物——三氯化铀。传统上，制造这种化合物是一项杂乱且危险的业务，通常需要使用有毒气体或重金属，这可能会污染最终产物。挑战在于寻找一种能够清洁、安全地创造出这种必需成分，且不会向这个精密的系统中引入新杂质的方法。
来自哈尔滨工程大学和中国原子能科学研究院的研究小组开发了一种新方法来解决这一问题。他们没有使用危险气体或添加额外化学物质，而是构建了一个特殊的电池，利用电能将固体金属铀直接转化为所需的盐类化合物。该装置由一个多孔玻璃隔层分为两个独立的腔室，这个隔层类似于一个非常精细的筛子。在一个腔室内，他们放置了一块固体金属铀；在另一个腔室内，他们放置了一池液态铋——这是一种在相对较低温度下即可熔化的银白色金属。整个系统充满了氯化锂和氯化钾的熔融混合物，并加热至 773 开尔文，这个温度足以保持盐类呈液态，但又不会热到使其沸腾挥发。
该过程通过向系统施加电流来运作。当电流流动时，第一个腔室中的固体铀开始溶解，释放出带电的铀粒子进入熔盐中。与此同时，电流会导致第二个腔室中生成锂。如果这些锂被单独留在那里，它们会发生剧烈反应或者直接飘走，从而破坏平衡。为了防止这种情况发生，液态铋充当了海绵的角色，吸收了新生成的锂，并将其锁定在一种稳定的合金中。两个腔室之间的多孔玻璃隔层起到了至关重要的作用：它允许必要的离子通过以完成电路，但能阻挡溶解的铀漂移到另一侧，否则会导致铀的浪费。这种分离确保了铀精确地留在其需要的地方，并在盐浴中不断增加浓度。
研究人员通过连续进行十次实验并使用两种不同的电流水平来测试这种方法。他们发现，随着每次运行，盐中的铀化合物浓度都会稳定且可预测地增加。在系列实验结束时，盐中含有近 12.5% 的目标化合物，这一水平已足以满足工业用途。该过程效率极高，将超过 95% 的电能转化为了目标化学产物。至关重要的是，团队证实了铋成功捕捉到了锂。在实验结束后，他们检查了铋，发现它变成了明显的紫色，这标志着内部形成了新的化学化合物。进一步的分析显示，铋和锂确实结合在了一起，证明了这种液态金属完全履行了它的职责：紧紧抓住锂，使其无法逃逸。
这种新方法相比旧方法有了显著改进。以往的技术通常依赖于镉（一种有毒重金属）或具有腐蚀性的气体，这些物质可能会损坏设备并留下不必要的杂质。通过使用电力和液态金属海绵，这种方法不需要外部化学物质来驱动反应。铀化合物的产量可以通过控制通过系统的电量来进行精确管理。虽然多孔隔层增加了一定的电阻，导致系统运行需要稍多一点的功率，但为了结果的纯度和安全性，这种权衡是值得的。这项研究表明，利用一种清洁、自给自足的电化学过程来制造核燃料回收所需的必需成分是完全可能的，这为更高效、更安全的核能系统铺平了道路。
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