[科普中國(guó)]-放射性廢物玻璃固化

將放射性廢物和玻璃形成劑在1000℃或更高的溫度下熔制成玻璃體的處理技術(shù)，是高放（射性）廢液固化方法之一

玻璃固化的研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代末，早期對(duì)磷酸鹽玻璃固化研究較多，隨后發(fā)現(xiàn)磷酸鹽玻璃固化體貯存一段時(shí)間后形成晶體，失去透明性，使放射性核素的浸出率顯著增加，而且磷酸腐蝕性強(qiáng)，熔融器和固化尾氣管道需用鉑作材料。于是研究工作的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向硼硅酸鹽玻璃固化。研究結(jié)果證明，硼硅酸鹽玻璃是較理想的高放廢液固化基材。

玻璃固化是將高放廢液與玻璃基材按一定比例混合后，在高溫900-1200度下煅燒、熔融、澆注，經(jīng)退火后轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定玻璃固化體。以磷酸、磷酸鹽或其他含磷物質(zhì)作玻璃形成劑的稱為磷酸鹽玻璃固化，以二氧化硅和三氧化二硼作玻璃形成劑的稱為硼硅酸鹽玻璃固化。

從化學(xué)和物理的角度看，高放廢液的玻璃固化是一個(gè)溶解過(guò)程。其中，玻璃基材的熔融體構(gòu)成溶劑以溶解高放廢液氧化物。氧化物因此轉(zhuǎn)化為玻璃結(jié)構(gòu)的組成部分，如下圖所示1。

基材玻璃固化的研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代末，早期對(duì)磷酸鹽玻璃固化研究較多，隨后發(fā)現(xiàn)磷酸鹽玻璃固化體貯存一段時(shí)間后形成晶體，失去透明性，使放射性核素的浸出率顯著增加，而且磷酸腐蝕性強(qiáng)，熔融器和固化尾氣管道需用鉑作材料。于是研究工作的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向硼硅酸鹽玻璃固化。研究結(jié)果證明，硼硅酸鹽玻璃是較理想的高放廢液固化基材。

方法按操作方式可分為兩種：①一步法，高放廢液和玻璃形成劑在玻璃熔制容器內(nèi)蒸發(fā)、煅燒而熔制成玻璃；②兩步法，高放廢液先在煅燒器內(nèi)轉(zhuǎn)化為煅燒物，然后進(jìn)入熔融器，和玻璃形成劑熔制成玻璃。由于焦耳陶瓷熔融爐具有生產(chǎn)能力大、使用壽命長(zhǎng)和玻璃質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，從70年代中期開(kāi)始研究將高放廢液直接加入這種熔融爐的連續(xù)玻璃化流程。

特點(diǎn)玻璃固化時(shí)，大部分放射性核素在高溫下以氧化物形式和玻璃形成劑熔制成均勻的玻璃體，從而使放射性核素有效地固定。固化體具有較高的抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕的能力和良好的輻照穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。不足之處是玻璃是一種自由能較高的亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，它有通過(guò)析出晶體，釋放能量而到達(dá)穩(wěn)定態(tài)的自發(fā)傾向。析出晶體的玻璃體在抗水浸出等性能上有所下降，這是安全上所不希望的。

玻璃種類及特性玻璃種類繁多，化學(xué)成分復(fù)雜，不同體系玻璃的熔點(diǎn)、黏度、可達(dá)到減容比、浸出率、熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性均不同。應(yīng)針對(duì)廢液的化學(xué)組成，選擇合適的玻璃配方和固化工藝，以降低玻璃的熔制溫度，減少設(shè)備的腐蝕。

工藝高放廢液玻璃固化工藝不斷改進(jìn)，目前已經(jīng)歷了四代：感應(yīng)加熱金屬熔爐——一步法工藝、回轉(zhuǎn)爐煅燒+感應(yīng)加熱金屬熔爐——兩步法工藝、焦耳加熱陶瓷熔爐工藝、冷坩堝感應(yīng)爐工藝。此外，等離子體熔爐和電弧熔爐工藝等還在開(kāi)發(fā)中。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李煒煒 - 高級(jí)工程師 - 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心