導(dǎo)讀：玻璃固化是將物質(zhì)轉(zhuǎn)化為玻璃形態(tài)的過程，長期以來一直被國際核監(jiān)管機(jī)構(gòu)視為高放廢液的理想處理方法，因?yàn)樗哂袛?shù)十萬年的耐用性。日本、法國、美國等核工業(yè)強(qiáng)國都在高放廢液的玻璃固化技術(shù)方面有深入研究和長期應(yīng)用實(shí)踐。

高放廢液的玻璃固化是將廢液加熱、蒸發(fā)濃縮、煅燒，使內(nèi)含的鹽份熔融，與玻璃基材一起形成玻璃固化體。由于這種固化體具有良好的化學(xué)、機(jī)械穩(wěn)定性和抗輻照性能，被認(rèn)為是當(dāng)前最具實(shí)用價(jià)值的方法。經(jīng)過多年的研究和改進(jìn)，高放廢液玻璃固化技術(shù)得到不斷更新和發(fā)展。目前已開發(fā)了四代熔爐工藝：第一代是感應(yīng)加熱金屬熔爐，即一步法罐式工藝;第二代是回轉(zhuǎn)爐煅燒/感應(yīng)加熱金屬熔爐兩步法工藝;第三代是焦耳加熱陶瓷熔爐(JHCM)工藝;第四代是冷坩堝感應(yīng)熔爐(CCIM)工藝。

高放廢液的玻璃固化技術(shù)

目前，第一代即罐式工藝已經(jīng)淘汰，得到工業(yè)應(yīng)用的是第二代和第三代，即主要為回轉(zhuǎn)爐煅燒/感應(yīng)加熱金屬熔爐和焦耳加熱陶瓷熔爐兩大類。而第四代冷坩堝玻璃固化是一種先進(jìn)的熔融技術(shù)，具有熔制溫度高、處理廢物的范圍廣、使用壽命長、退役容易等優(yōu)點(diǎn)，總體成本也比較經(jīng)濟(jì)，是一項(xiàng)很有發(fā)展前景的高放廢液固化處理技術(shù)。

焦耳加熱陶瓷熔爐結(jié)構(gòu)(左)，冷坩堝感應(yīng)熔爐結(jié)構(gòu)(右)

1.日本

東海村后處理廠玻璃固化設(shè)施(TVF)

1992年，為了解決茨城縣東海村后處理廠產(chǎn)生的高水平放射性廢物，日本在東海后處理工廠建成了用于處理高放廢液的陶瓷熔爐玻璃固化設(shè)施(TVF)，于1995年開始正式運(yùn)行。TVF采用液體進(jìn)料焦耳加熱陶瓷熔爐(LFCM)方式，即將高放廢液與玻璃形成劑(纖維狀)同時(shí)投入玻璃熔爐，直接通電加熱熔融后，將其注入固化體容器從而制得玻璃固化體。TVF的裝置圖如下圖所示，其對(duì)高放廢液的處理能力為0.35m3/d，玻璃固化體生產(chǎn)能力為0.7t/d。

東海村焦耳加熱陶瓷熔爐結(jié)構(gòu)

日本東海村TVF設(shè)施

六所村后處理廠玻璃固化設(shè)施(JVF)

1993年,為處理日本國內(nèi)輕水堆產(chǎn)生的乏燃料,日本核燃料公司JNFL在青森縣六所村建立了日本第一家商業(yè)核燃料后處理廠(RRP)。該后處理廠設(shè)有五個(gè)設(shè)施：

1)后處理廠;

2)MOX燃料制造設(shè)施;

3)鈾濃縮設(shè)施;

4)高放射性廢物儲(chǔ)存和管理中心;

5)低放射性處置中心。

RRP的最大處理能力為800tU/a,其玻璃固化設(shè)施(JVF)擁有2條生產(chǎn)線,分別是A系列和B系列玻璃固化生產(chǎn)線,每條生產(chǎn)線的日處理能力為1.68m3。兩條生產(chǎn)線均于2013年完成了試運(yùn)行。

六所村后處理廠JVF陶瓷熔爐玻璃固化的設(shè)施示意圖

JVF工藝采用與東海村后處理設(shè)施相同的液態(tài)進(jìn)料陶瓷熔爐(LFCM)技術(shù)。首先采用“焦耳加熱”(電流直接通過材料進(jìn)行加熱)的方法在陶瓷熔爐中熔化硼硅酸鹽玻璃;然后,將高放廢液加入爐中;最后將熔融的液態(tài)混合物灌入密封容器中。待容器裝滿且混合物固化后,對(duì)容器進(jìn)行焊接密封,然后將經(jīng)檢查合格的容器送入玻璃固化廢物貯存中心。玻璃固化熔爐外觀圖如上圖所示,該裝置橫向?縱向(不含支架高度)均為3m。

六所村后處理廠由于技術(shù)問題，進(jìn)行了長達(dá)30年的建設(shè)，投資1300億美元，至今仍未投產(chǎn)。其投產(chǎn)日期已經(jīng)被數(shù)次推遲，最新的一次投產(chǎn)日期預(yù)計(jì)為2022年底。

2.法國

回轉(zhuǎn)煅燒爐/感應(yīng)加熱金屬熔爐

法國是世界上率先實(shí)現(xiàn)玻璃固化工業(yè)化的國家。經(jīng)過20年的開發(fā)研究，世界上第一座玻璃固化設(shè)施即AVM(回轉(zhuǎn)煅燒爐/感應(yīng)加熱金屬熔爐)于1978年在馬爾庫爾投入運(yùn)行。

該設(shè)施的處理能力(進(jìn)料率)為40L/h，玻璃固化體生產(chǎn)能力為15kg/h。在處理了2074.5m3高放廢液(16×106TBq)之后，該設(shè)施于1999年進(jìn)入退役階段?；贏VM的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，法國在阿格后處理廠先后建成2座更大規(guī)模的玻璃固化設(shè)施———AVH-R7和T7。

阿格后處理廠流程

AVH-R7有3條生產(chǎn)線(2條運(yùn)行，1條備用)，最初每條線的處理能力為60L/h，生產(chǎn)能力為30kg/h。1994-1995年間進(jìn)行了一次改造，能力達(dá)到100L/h。T7也有3條生產(chǎn)線，每條線的最大處理能力為100L/h。為了對(duì)含鉬高放廢液進(jìn)行玻璃固化，法國計(jì)劃將R7改建為冷坩堝玻璃固化工藝，并于2010年完成一條生產(chǎn)線的改造。

冷坩堝

20世紀(jì)80年代，法國建成了第一個(gè)550mm的冷坩堝，在其十幾年的實(shí)驗(yàn)時(shí)間里，共計(jì)運(yùn)行了5000h，產(chǎn)生了約50t的模擬高放廢液玻璃產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代，在馬庫爾廠建成EREBUS平臺(tái)(650mm)，模擬固化美國漢福特的高放廢液，該平臺(tái)可采用液體直接進(jìn)料或粉末進(jìn)料。模擬結(jié)果顯示冷坩堝技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，可處理多種不同類型的高放廢物。

2010年，法國將R7的一條旋轉(zhuǎn)煅燒爐+熱熔爐生產(chǎn)線改造成旋轉(zhuǎn)煅燒爐+冷坩堝生產(chǎn)線，并開始處理UP2-400后處理廠產(chǎn)生的退役廢液，至今共生產(chǎn)了200罐UP2-400退役廢液玻璃產(chǎn)品;2013年對(duì)富含U-Mo核素的高放廢物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性處理，共產(chǎn)生了約10罐的高放廢物產(chǎn)品，同時(shí)采用冷坩堝技術(shù)處理輕水堆高放廢液的申請(qǐng)已得到法國安全部門的批準(zhǔn)。

“罐內(nèi)”固化工藝

2018年，法國替代能源和原子能委員會(huì)(CEA)開發(fā)了一種“罐內(nèi)”固化工藝。CEA、法國歐安諾集團(tuán)(Orano)和ANADEC一直在評(píng)估使用這種“罐內(nèi)”玻璃化工藝處理福島第一核電站廢水中放射性廢物的可能性。這些廢物包括受污染的污泥和礦物吸附劑。

該工藝由CEA的馬爾庫爾(Marcoule)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，在新工藝中熔爐是一次性的，并作為固化玻璃的主要容器。工藝實(shí)驗(yàn)室規(guī)模(100g)測(cè)試、部分實(shí)驗(yàn)規(guī)模(1kg)測(cè)試和近工業(yè)規(guī)模(100kg)測(cè)試都已完成。目前正在進(jìn)行工業(yè)可行性研究。

CEA Marcoule開發(fā)的“罐內(nèi)”固化原型

3.美國

焦耳加熱陶瓷熔爐

法國一樣，美國早期研發(fā)了第一代玻璃固化設(shè)施。上世紀(jì)70年代初期，美國首次選擇了焦耳加熱陶瓷玻璃熔爐。

薩凡納河、西谷、愛達(dá)荷和漢福特的玻璃固化設(shè)施均基于焦耳加熱陶瓷熔爐技術(shù)。薩凡納河玻璃固化設(shè)施稱為國防廢物處理設(shè)施(DWPF)，是美國第一座生產(chǎn)規(guī)模的玻璃固化設(shè)施，1996年開始運(yùn)行，運(yùn)行期間不斷進(jìn)行工藝改進(jìn)，研究了玻璃泵和鼓泡技術(shù)，并使用甘醇酸-硝酸流程代替硝酸-甲酸流程，針對(duì)不同批次的廢物采用特定的玻璃配方，處理能力不斷提高。

漢福特廢物處理廠已完成設(shè)計(jì)，由預(yù)處理廠房、高放玻璃固化廠房和低放玻璃固化廠房三個(gè)主要建筑物組成，2016年完成建設(shè)，2019年進(jìn)行了熱運(yùn)行。漢福特貯存的廢液首先被送至預(yù)處理廠房進(jìn)行分離，其中分離出的高放成分被送入高放玻璃固化廠房(兩臺(tái)熔爐)進(jìn)行玻璃固化，處理工藝與薩凡納河廠工藝類似，產(chǎn)生的廢物玻璃產(chǎn)品罐將暫存在暫存庫的貯存井中，而剩下的大量廢液被定為低放，送入低放玻璃固化廠房進(jìn)行玻璃固化。產(chǎn)生的廢物玻璃容器將在廠區(qū)內(nèi)最終處置。

建設(shè)中的漢福特廢物處理廠

美國ES公司為漢福特設(shè)計(jì)了高放熔爐：熔池表面積3.75m2，重100t，大小4267mm×4023mm×3719mm，更新的鼓泡系統(tǒng)。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3t/d，最大生產(chǎn)能力7.5t/d。

漢福特JHCM熔爐截面圖，展示了鼓泡系統(tǒng)、貴金屬和尖晶石沉積物

美國借鑒以往熔爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)漢福特高放熔爐做了一些改進(jìn)。該熔爐是漿體進(jìn)料JHCM。熔爐爐體由3層耐火磚組成，以抵御高溫腐蝕。爐體外殼配有冷卻板用來移出熔爐產(chǎn)生巨大熱量以保護(hù)耐火磚層。電極的位置是精心布置的，可使電流分布不受沉積在爐體底部貴金屬的影響。通過大量的研究工作，設(shè)計(jì)人員還改進(jìn)了鼓泡器來提高熔融玻璃的熱對(duì)流，可加強(qiáng)對(duì)廢液中硫和貴金屬的包容，同時(shí)顯著提高了玻璃產(chǎn)生率(在能源部的加速處理計(jì)劃的要求下，改進(jìn)后的鼓泡器可將玻璃產(chǎn)生速率提高至125kg/h)。

冷坩堝

美國將冷坩堝技術(shù)作為下一代放射性廢物玻璃固化設(shè)施備選技術(shù)之一。為評(píng)價(jià)該技術(shù)對(duì)廢物處理的適用性，美國與俄羅斯、法國、韓國等進(jìn)行合作，利用這些國家的冷坩堝設(shè)施對(duì)美國的放射性廢液/泥漿等進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，此技術(shù)能滿足美國放射性廢物處理的要求。在評(píng)價(jià)冷坩堝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、安全性方面，美國發(fā)現(xiàn)僅通過國際合作是不夠的，還需自主建造冷坩堝。

愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室與俄羅斯相關(guān)機(jī)構(gòu)合作，建設(shè)了一臺(tái)內(nèi)徑為267mm的冷坩堝實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，既可液體進(jìn)料，也可固體進(jìn)料。在此樣機(jī)的基礎(chǔ)上，擬設(shè)計(jì)建造下一代冷坩堝系統(tǒng)。另外，西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室及愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室分別建立了內(nèi)徑分別為56、236、418和650mm的冷坩堝試驗(yàn)臺(tái)架。

總結(jié)

高放廢液的玻璃固化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代和第四代，著名的法國阿格后處理廠和日本在建的六所村后處理廠以焦耳加熱陶瓷熔爐(JHCM)工藝為主。法國和美國還在積極布局冷坩堝玻璃固化技術(shù)的發(fā)展，法國已經(jīng)建成工業(yè)化生產(chǎn)線，美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室和西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室都已有原理樣機(jī)。