基于有限元方法的CeCl3和NdCl3在LiCl-KCl熔盐中的电极动力学模拟

doi:10.11962/1006-4990.2020-0171

无机盐工业 ›› 2021, Vol. 53 ›› Issue (2): 34-37.doi: 10.11962/1006-4990.2020-0171

基于有限元方法的CeCl₃和NdCl₃在LiCl-KCl熔盐中的电极动力学模拟

顾徐波,周文涛(),王德忠()

上海交通大学,上海 200240

收稿日期:2020-08-10 出版日期:2021-02-10 发布日期:2021-02-06
通讯作者: 周文涛,王德忠
作者简介:顾徐波（1994— ）,男,在读研究生,研究方向为核科学与技术。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(11805121)

Finite element method based electrochemical electrode kinetics simulation for CeCl₃ and NdCl₃ in LiCl-KCl molten salt

Gu Xubo,Zhou Wentao(),Wang Dezhong()

Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China

Received:2020-08-10 Online:2021-02-10 Published:2021-02-06
Contact: Wentao Zhou,Dezhong Wang

摘要/Abstract

摘要：

充分理解锕系元素和镧系元素在熔盐中的行为和性质是实现反应堆乏燃料熔盐电解后处理的关键,然而熔盐电解实验所需的高温环境、腐蚀性熔盐甚至放射性物质等条件限制了实验的广泛开展。为寻求一种低成本且可靠的获取元素在熔盐中性质的途径,采用有限元方法在不同温度下模拟了不同浓度的三氯化铈和三氯化钕在LiCl-KCl熔盐中的循环伏安曲线,并与实验数据做了对比。结果表明,有限元方法能够较为准确地反映实际电化学过程,继而为乏燃料熔盐电解后处理提供数据支持。

关键词: 有限元方法, 乏燃料, 熔盐电解, 电极动力学, 循环伏安法

Abstract:

It is the key issue for realizing the electrolytic post-ptreatment of spent fuel to fully understand the behavior and properties of various actinides and lanthanides in the molten salt.However, the high-temperature environment,corrosive molten salt and even radioactive salt required for pyroprocessing experiments limit the extensive development of them.In order to find a low-cost and reliable way to obtain the properties of the elements in the molten salt,the finite element method was utilized to simulate the cyclic voltammetry curves of CeCl₃ and NdCl₃ in LiCl-KCl molten salt at different temperatures and concentrations.Compared with the experimental data,the results showed that the finite element method can accurately reflect the actual electrochemical process,providing data support for the electrolytic post-ptreatment of spent fuel.

Key words: finite element method, spent fuel, molten salt electrolysis, electrode dynamics, cyclic voltammetry

中图分类号:

TQ131.11

顾徐波,周文涛,王德忠. 基于有限元方法的CeCl₃和NdCl₃在LiCl-KCl熔盐中的电极动力学模拟[J]. 无机盐工业, 2021, 53(2): 34-37.

Gu Xubo,Zhou Wentao,Wang Dezhong. Finite element method based electrochemical electrode kinetics simulation for CeCl₃ and NdCl₃ in LiCl-KCl molten salt[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2021, 53(2): 34-37.

图/表 9

图1

图2

表1

图3

表2

表3

图4

图5

表4

参考文献 12

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法拉第常数/ （ C·mol^-1）	温度/K	c（Ce³⁺）/ （mol·m^-3）	Ce³⁺平衡电位（E）/V	Ce³⁺扩散系数（D）/ （ m²·s^-1）
96 485	773	329.2	-2.137^[8]	0.69×10^-9[8]
CeCl₃密度/ （kg·m^-3）	CeCl₃摩尔质量/（g·mol^-1）	LiCl-KCl 摩尔质量/ （g·mol^-1）	LiCl-KCl 熔盐密度/ （kg·m^-3）	Ce³⁺交换电流密度 i₀/（A·m^-2）
3 970	246.475	55.258 6	1 621.4	1 492^[8]

序号		质量分数/%	温度/ K	阴极峰电流/mA	相对误差/%	峰电位/ V	相对误差/%
1	实验	0.50	773	-17.0	4.7	-2.188 8	0.4
1	模拟	0.50	773	-17.8	4.7	-2.189 6	0.4
2	实验	2.00	773	-69.2	0.4	-2.156 2	0.7
2	模拟	2.00	773	-69.5	0.4	-2.141 8	0.7
3	实验	1.82	833	-170.0	12.0	-1.954 1	0.5
3	模拟	1.82	833	-191.0	12.0	-1.964 3	0.5

法拉第常数/ （C·mol^-1）	温度/K	c（Nd³⁺）/ （mol·m^-3）	c（Nd²⁺）/ （mol·m^-3）	Nd³⁺平衡电位/V	Nd²⁺平衡电位/V	Nd³⁺扩散系数（D）/（ m²·s^-1）	Nd²⁺扩散系数（D）/（ m²·s^-1）
96 485	723	329.2	0	-2.142	-2.175	0.69×10^-9[12]	1.09×10^-9[12]
NdCl₃密度/ （ kg·m^-3）	NdCl₃摩尔质量/ （ g·mol^-1）	LiCl-KCl摩尔质量/（g·mol^-1）	LiCl-KCl熔盐密度/（kg·m^-3）	Nd³⁺速率常数（k）/（m·s^-1）	Nd²⁺速率常数（k）/（m·s^-1）	Nd³⁺阴极传递系数（α₃）	Nd²⁺阴极传递系数（α₂）
4 134	250.601	55.258 6	1 621.4	1	4.119×10^-7[12]	0.5	1.0

序号		质量分数/%	温度/K	Nd³⁺阴极峰电流/mA	相对误差/%	峰电位/ V	相对误差/%	Nd²⁺阴极峰电流/mA	相对误差/%	峰电位/ V	相对误差/%
1	实验	3	723	-9.19	5.0	-2.140	0.4	-43.9	4.3	-2.188	0.8
1	模拟	3	723	-9.65	5.0	-2.132	0.4	-45.8	4.3	-2.206	0.8
2	实验	6	723	-9.23	5.2	-2.128	0.8	-37.3	7.5	-2.190	0.5
2	模拟	6	723	-8.74	5.2	-2.111	0.8	-40.1	7.5	-2.200	0.5
3	实验	3	773	-10.96	2.9	-2.116	0.6	-50.8	0	-2.168	0.7
3	模拟	3	773	-11.28	2.9	-2.104	0.6	-50.8	0	-2.184	0.7

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