前言

當今世界上核裝置的反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢料（高放廢液），在反應(yīng)堆運行期間，這類放射性物質(zhì)的放射性對人的危害極大。高放廢液固化研究在美國、西歐等地起步較早。20世紀70年代末到80年代，對高放廢液固化的研究重點是固化體的種類選擇開展了國際間合作研究與交流?？晒┻x擇的有多種固化體材料，如玻璃、水泥、玻璃、陶瓷等，而玻璃因其特有的特性被認為是將放射性核素長期在廢物固化體中并保持穩(wěn)定的理想材料，它具有最終貯存所需的化學(xué)穩(wěn)定性和抗輻射性，有很強的包容能力，可將核素固定在玻璃結(jié)構(gòu)內(nèi)。

自20世紀60年代開發(fā)了用玻璃固化核廢物技術(shù)以來，所有原子能利用的先進國家均以玻璃固化處理方法作為高放射性廢液處理技術(shù)的首選。在玻璃固化技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，形成了兩種比較成熟的玻璃固化技術(shù)：一種是法國開發(fā)的回轉(zhuǎn)煅燒爐加熱金屬熔融罐技術(shù)；另一種是由美國和德國開發(fā)的焦耳加熱陶瓷熔爐技術(shù)。該兩種玻璃固化技術(shù)在世界上已廣泛得到應(yīng)用。

1、低熔硼硅酸鹽玻璃

伴隨著原子能開發(fā)的進展，有效處置放射性污染的廢棄物也隨之向玻璃行業(yè)提出一門新的課題已迫在眉睫。中國上海玻璃協(xié)會陶國琴秘書長和中國建材國家工程集團公司玻璃院彭壽十分關(guān)注特種玻璃的研發(fā)及應(yīng)用，并引導(dǎo)玻璃及加工玻璃和特種玻璃研發(fā)走在創(chuàng)新之路前列，為中國國防、航天、核能等高端領(lǐng)域助力，獲得可喜的成功。

低熔硼硅酸鹽玻璃固化是將高能級放射性廢物或其煅燒體與玻璃原料混合，混合料熔融后，經(jīng)冷卻固化，轉(zhuǎn)換成為玻璃態(tài)物質(zhì)。該玻璃的混入量低于10%~20%時，高放射性的核裂變生成物及錒系元素幾乎完全為氧化物，被玻璃的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所固定。其中一部分形成玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體，另一部分被封閉到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。這樣玻璃可比較自由地將各原子核收入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)。

2、玻璃固化處理方法

將高能級放射性核廢液進行玻璃化處理的技術(shù)有金屬熔融法和陶瓷熔融法。二者使用的玻璃都是低熔硼硅酸玻璃。

①?金屬坩堝熔融法

此法為法國通稱的AVM方法，1978年以來開始以工業(yè)規(guī)模運轉(zhuǎn)。其處理工藝是用回轉(zhuǎn)爐將放射性廢物煅燒形成粉狀體，向粉狀體中混入玻璃熔塊，裝入金屬制坩堝（鉻鎳鐵合金601）中，在1050℃下進行玻璃的高頻熔融，再轉(zhuǎn)入不銹鋼容器，之后放入貯存坑內(nèi)。

②?陶瓷爐熔融法

用有熔槽的電加熱陶瓷爐處理玻璃的方法，是在比用金屬坩堝熔融法高出100~200℃的高溫中熔化，因此可以得到化學(xué)耐久性好的玻璃。美國、德國及日本都以開發(fā)這種陶瓷爐為重點。該工藝是將廢液與玻璃熔塊混合，以料漿狀直接供給熔爐，利用鉻鎳鐵合金690等合金電極通電供給玻璃焦耳熱，熔融玻璃以溢流方式澆鑄充填。爐材采用含有氧化鉻的Monofrax K-3類材料。

③?其它技術(shù)

在日本開發(fā)的利用高頻感應(yīng)加熱玻璃的方式，此時頻率為3MHz或400MHz可以進行高溫加熱，得到化學(xué)穩(wěn)定性良好的玻璃。

另外還開發(fā)了將熔融的玻璃滴到旋轉(zhuǎn)的圓盤或模型上，制成玻璃球（ф5~10mm）裝入裝運箱。也有用熔融鉛充填的方法和等離子在玻璃球表面上鍍金屬薄膜的方法（德國、比利時、美國）。還有將多孔質(zhì)高硅氧玻璃浸入廢液燒結(jié)的方法（美國）及利用多孔質(zhì)高硅氧玻璃的反應(yīng)，將這種玻璃粉和廢液鍛燒體、銅粉混合體在比較低的溫度（600~700℃）中進行熱壓的方法（日本）等?，F(xiàn)在正在開發(fā)利用溶凝法將廢液凝膠化，再用微波照射凝膠化配合料，以此使其玻璃化的技術(shù)等。

3、中國高放廢液玻璃固化研發(fā)狀況

中國對高放廢液玻璃固化的研究工作始于20世紀70年代，經(jīng)過四十多年的發(fā)展取得了長足的進步。中國主要圍繞罐式玻璃固化工藝開展研究，并且進行了連續(xù)工藝的冷運行。1986年中國決定采用較大產(chǎn)量的液體加料陶瓷電熔爐法，在20世紀90年代初進行了冷試驗。

液體加料陶瓷電熔爐法，即將廢液在回轉(zhuǎn)爐中煅燒為粉體，玉玻璃熟料混合后裝入金屬制坩堝中，在高鋼貯罐中，用鈦、鉛等金屬包在容器外，將容器埋入膨潤土或石英粉并置于安全地層中。

4、核廢物固化玻璃的潛在市場

①中國增加核電拉動核廢物固化玻璃的潛在市場

世界核電行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，到2030年，全球?qū)⑿略?60臺核電機組。其產(chǎn)生的核廢物急需處理，核廢物固化玻璃具有良好的潛在市場。

據(jù)報道，目前，俄羅斯在外的核電項目數(shù)量世界領(lǐng)先，與中國核電同時起步的韓國也在核電市場中擊退了美國等幾個老牌核電出口國。國家能源局表示，對于煤炭占一次能源67%的中國來說，增加核電是一個現(xiàn)實的選擇，它沒有溫室氣體排放，同時，沿海建設(shè)的核電站都用海水冷卻，大大節(jié)約了淡水資源。

根據(jù)該機構(gòu)預(yù)測值，2030年全球核電裝機容量將達到727GW，比目前增長1倍。中國將核電建設(shè)作為經(jīng)濟領(lǐng)域的主要政策之一，中國政府已決定在2016年開始的第十三個五年計劃中，以每年6-8座的速度新建核電站，并將為自主開發(fā)的新型核電站投入共5000億元資金。

據(jù)報道，國家核電技術(shù)公司稱，未來10年中國將建60臺核電機組。國務(wù)院發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020年）》早就提出：到2020年，在運核電規(guī)模將達到5800萬千瓦，在建規(guī)模達3000萬千瓦。國家核電技術(shù)公司專家委員會解釋，要完成國家規(guī)劃，按目前在運28臺、裝機容量2614.8萬千瓦，在建26臺、裝機容量2912萬千瓦計算，到“十三五”末，可以達到5800萬千瓦，但少了3000萬千瓦在建規(guī)模；所以“十三五”內(nèi)需再建28-30臺機組。按同樣速度，到2025年，還有30臺左右需建。

按我國能源綠色低碳發(fā)展目標：到2020年，非化石能源占一次能源消費總量比重達到15%，單位GDP碳排放量比2005下降40%-45%；到2030年，更分別達到20%左右和60%-65%，且2030年前后碳排放達到峰值，并力爭盡早達峰?！耙獌冬F(xiàn)我們隊國際社會做出的莊嚴承諾，各門類綠色低碳能源就必須按類分解這一發(fā)展目標”。核電到2020年在運5800萬千瓦、在建3000萬千瓦，“是一個最起碼的量”。

中核集團院士的研究表明，在環(huán)境影響方面，不同能源鏈的溫室氣體排放系數(shù)比較，褐煤、煤、石油、太陽能、水力、生物質(zhì)、風能、核能中，核能依次排在最低；對人員健康的影響方面，核能的輻射照射也遠遠低于煤。

目前，世界在建核電機組總共65臺，其中中國26臺、俄羅斯9臺、印度6臺、美國5臺、韓國4臺。

中國核電的優(yōu)勢是在“工程造價相對較低”。對此，有關(guān)核電方面專家指出，中國需要在提高技術(shù)含量、管理精細度上繼續(xù)努力，尤其在產(chǎn)生的核廢料的安全處置問題上采用玻璃防護核廢物，固化核廢物的特種玻璃的開發(fā)研究和應(yīng)用已迫在眉睫。

②日本對安全提出更高要求

日本環(huán)保部表示：為了體現(xiàn)核電的安全性，核電有“兩個千分之一”的定量安全目標：第一，反應(yīng)堆事故堆核電廠附近的個人或居民群體可能產(chǎn)生的癌癥死亡風險，不應(yīng)超過由于其他事故而普遍受到的急性死亡風險的0.1%；第二，反應(yīng)堆事故對核電廠附近的個人或居民群體可能產(chǎn)生的癌癥死亡風險，不應(yīng)超過由于原因?qū)е掳┌Y風險的0.1%。為此，除了確保反應(yīng)堆安全運行外，日本對產(chǎn)生的核廢物處置非常重視。采用玻璃固化核廢物已發(fā)表了諸多專利，以助力推動采用玻璃固化核廢物處置。

④?韓國求處置核廢物對策

韓國世界第五大核能使用國，現(xiàn)有23座核反應(yīng)堆，全國三分之一能源來自于核電。韓國由于每年新增750萬噸核廢料，存儲池會很快填滿。韓國正面臨安放核廢料的危機。韓國2024年前將新建11座新核電站，一些核廢料屆時將何處置，開發(fā)利用“玻璃固化核廢物”已成為新的重要課題。其采用玻璃固化核廢物具有良好潛在市場。