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玻璃固化

/glass solidification; vitrification/
条目作者石伟群

石伟群

最后更新 2022-01-20
浏览 175
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将放射性废液或其煅烧体与玻璃基材按一定比例混合,经熔融和复杂的高温反应而熔制成稳定玻璃体的过程。

英文名称
glass solidification; vitrification
所属学科
核技术

玻璃固化是放射性废物固化的方法之一,通常用于高放废液的处理,其主要流程包括对放射性废液进行浓缩、煅烧,使其含有的盐分转化为氧化物,然后再与玻璃基料一起熔融,最终浇铸成玻璃固化体。从化学和物理的角度看,高放废液的玻璃固化是一个熔解过程。经此过程,高放废液中的裂变产物和锕系元素能够被牢固地固定在玻璃体的结构中。

玻璃固化技术的相关研究始于20世纪50年代,70年代法国率先建成了世界上第一座玻璃固化工业设施。玻璃固化技术已在法国、英国、比利时、美国、俄罗斯、日本等国家得到应用,中国对玻璃固化处理高放废液技术也进行了实验研究。

玻璃种类繁多,化学组成复杂,不同体系玻璃的理化性质与性能(熔点、黏度、浸出率、热稳定性、减容比等)差异较大,因此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,减少设备腐蚀和保证固化体的质量。适用于高放废液固化的玻璃主要有两类,即硼硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃。硼硅酸盐玻璃是使用较为广泛的固化基材,其浸出率低,废物包容量大,对废液组成变化不敏感,但热力学稳定性较差。磷酸盐玻璃作为最早开发研究的固化基材,其具有熔制温度低、对废液组分适应能力强等优点,但由于磷酸盐对设备腐蚀严重,只有俄罗斯、印度等少数国家仍在使用。

自高放废液玻璃固化技术产生以来,其制备工艺也在不断发展。截至2020年,高放废液玻璃固化工艺已经历了四代,即感应加热金属熔炉(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、冷坩埚感应熔炉工艺。此外,等离子体熔炉和电弧熔炉等工艺技术也正在开发之中。

玻璃固化具有下列优点:有较强的抗浸出性,浸出率一般可达10-7~10-4g/(cm2·d);包容能力强,如硼硅酸盐玻璃的废物包容率可达15%~25%(质量分数);有良好的耐辐照性和化学稳定性;应用较为广泛,技术成熟;具有较大的减容比;处理过程产生的粉尘量少。该技术的主要缺点为:需要复杂的后处理工序,要进行检漏、高压水洗等操作;在处理时会产生有毒气体,必须有良好的尾气处理系统;温度对固化体性能影响较大,在高温条件下,玻璃相会发生熔融析晶等现象;处理费用昂贵。

随着技术的进步,玻璃固化处理的对象已不限于高放废液,也可以用来处理低中水平放射性废物、超铀废物以及混合废物。

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