[科普中国]-放射性废物玻璃固化

将放射性废物和玻璃形成剂在1000℃或更高的温度下熔制成玻璃体的处理技术，是高放（射性）废液固化方法之一

玻璃固化的研究开始于20世纪50年代末，早期对磷酸盐玻璃固化研究较多，随后发现磷酸盐玻璃固化体贮存一段时间后形成晶体，失去透明性，使放射性核素的浸出率显著增加，而且磷酸腐蚀性强，熔融器和固化尾气管道需用铂作材料。于是研究工作的重点转向硼硅酸盐玻璃固化。研究结果证明，硼硅酸盐玻璃是较理想的高放废液固化基材。

玻璃固化是将高放废液与玻璃基材按一定比例混合后，在高温900-1200度下煅烧、熔融、浇注，经退火后转化为稳定玻璃固化体。以磷酸、磷酸盐或其他含磷物质作玻璃形成剂的称为磷酸盐玻璃固化，以二氧化硅和三氧化二硼作玻璃形成剂的称为硼硅酸盐玻璃固化。

从化学和物理的角度看，高放废液的玻璃固化是一个溶解过程。其中，玻璃基材的熔融体构成溶剂以溶解高放废液氧化物。氧化物因此转化为玻璃结构的组成部分，如下图所示1。

基材玻璃固化的研究开始于20世纪50年代末，早期对磷酸盐玻璃固化研究较多，随后发现磷酸盐玻璃固化体贮存一段时间后形成晶体，失去透明性，使放射性核素的浸出率显著增加，而且磷酸腐蚀性强，熔融器和固化尾气管道需用铂作材料。于是研究工作的重点转向硼硅酸盐玻璃固化。研究结果证明，硼硅酸盐玻璃是较理想的高放废液固化基材。

方法按操作方式可分为两种：①一步法，高放废液和玻璃形成剂在玻璃熔制容器内蒸发、煅烧而熔制成玻璃；②两步法，高放废液先在煅烧器内转化为煅烧物，然后进入熔融器，和玻璃形成剂熔制成玻璃。由于焦耳陶瓷熔融炉具有生产能力大、使用寿命长和玻璃质量好等优点，从70年代中期开始研究将高放废液直接加入这种熔融炉的连续玻璃化流程。

特点玻璃固化时，大部分放射性核素在高温下以氧化物形式和玻璃形成剂熔制成均匀的玻璃体，从而使放射性核素有效地固定。固化体具有较高的抗化学介质侵蚀的能力和良好的辐照稳定性、热稳定性和机械稳定性。不足之处是玻璃是一种自由能较高的亚稳态物质，它有通过析出晶体，释放能量而到达稳定态的自发倾向。析出晶体的玻璃体在抗水浸出等性能上有所下降，这是安全上所不希望的。

玻璃种类及特性玻璃种类繁多，化学成分复杂，不同体系玻璃的熔点、黏度、可达到减容比、浸出率、热稳定性、机械稳定性和辐照稳定性均不同。应针对废液的化学组成，选择合适的玻璃配方和固化工艺，以降低玻璃的熔制温度，减少设备的腐蚀。

工艺高放废液玻璃固化工艺不断改进，目前已经历了四代：感应加热金属熔炉——一步法工艺、回转炉煅烧+感应加热金属熔炉——两步法工艺、焦耳加热陶瓷熔炉工艺、冷坩埚感应炉工艺。此外，等离子体熔炉和电弧熔炉工艺等还在开发中。

本词条内容贡献者为:

李炜炜 - 高级工程师 - 环境保护部核与辐射安全中心