日本高放廢液玻璃固化技術

盧嘉煒，郭子方，吳志豪，陳 耿，翁漢欽，林銘章，陳曉麗，周 強

(1.中國科學技術大學物理學院，安徽 合肥 230027； 2.中核四川環(huán)保工程有限責任公司，四川 廣元 628000)

日本自20世紀50年代中期開始發(fā)展核電，并于1966年正式運行第一個商業(yè)核反應堆。由于缺乏足夠的自然資源，日本決定采取閉式的核燃料循環(huán)政策。日本的放射性廢物管理分為幾個主要類別：高水平放射性廢物(HLW)、低水平放射性廢物(LLW)、核反應堆產(chǎn)生的廢物、極低水平放射性廢物(VLLW)、鈾生產(chǎn)廢物和超鈾(TRU)廢物。目前，對于高放廢物，玻璃固化已成為被人們普遍接受的滿足安全處置的形式。玻璃固化技術自20世紀50年代以來，已經(jīng)發(fā)展了四代，分別是罐式法、煅燒+感應熔爐法、焦耳加熱陶瓷熔爐法和冷坩鍋法，其中最常用的是焦耳加熱陶瓷熔爐法。然而一些國家的焦耳加熱陶瓷熔爐在運行期間，曾出現(xiàn)貴金屬底部沉積、運行一段時間后出現(xiàn)黃相、熔爐冷卻水管泄露、加熱/冷卻線圈失靈和電極燒壞等問題。目前這些問題還有待尋找更佳的解決辦法[1-4]。

日本于1976年開展高水平放射性廢物研發(fā)計劃，并于20世紀70年代初期，動燃團(現(xiàn)日本原子力研究開發(fā)機構，JAEA)進行模擬高放廢液玻璃固化技術的研究。過去，日本主要依靠英國BNFL(現(xiàn)為政府核退役管理局)和法國公司COGEMA(現(xiàn)為ORANO)處理其生產(chǎn)的大部分乏燃料。1992年，日本核燃料有限公司(JNFL)在茨城縣東海村(Tokai)后處理廠建成用于處理高放廢液的玻璃固化設施，并于1993年在青森縣六所村(Rokkasho)建造了日本第一家商業(yè)核燃料后處理廠[5-8]。

日本在相關玻璃固化研發(fā)和測試過程中，不斷出現(xiàn)熔爐底部出料口堵塞、乏燃料儲存池泄露等問題，致使六所村后處理廠玻璃固化設施投入運行的時間一再推遲，同時東海后處理廠固化設施也由于各種問題被暫停運行多年。自1982年以來，日本利用液體進料焦耳加熱陶瓷熔爐技術(LFCM)在工程規(guī)模和模擬規(guī)模的熔爐中開展了多項實驗，已有20多年經(jīng)驗。雖然期間日本發(fā)生多起玻璃固化事故，但日本在玻璃固化技術研發(fā)方面一直處于領先地位，因此也積累了很多經(jīng)驗教訓。基于經(jīng)驗教訓及現(xiàn)行設施，日本還開展了先進玻璃固化技術的研究和下一代技術的基礎研究。因此，本文旨在一方面回顧日本玻璃固化的歷史，理清日本玻璃固化的發(fā)展脈絡；另一方面，分析其發(fā)展歷程及經(jīng)驗教訓，為我國的玻璃固化發(fā)展提供相關的經(jīng)驗和借鑒。

1 東海村后處理廠玻璃固化設施(TVF)

1.1 工藝及設備

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施(TVF)，于1995年開始正式運行。TVF采用液體進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的裝置圖如圖1所示[9-11]。

圖1 東海村后處理廠陶瓷熔爐玻璃固化的設施示意圖[12]Fig.1 Schematic diagram of facilities for vitrification at Tokai[12]

TVF對HLW處理能力為0.35 m3/d，玻璃固化體生產(chǎn)能力為0.7 t/d。TVF液體進料焦耳加熱陶瓷熔爐技術(LFCM)工藝流程主要為：首先通過地溝中的管道把高放廢液從東海村后處理廠運入玻璃固化設施的接收槽內(nèi)，完成高放廢液的接收；其次對高放廢液進行預處理，通過添加化學藥品或者在蒸發(fā)器內(nèi)濃縮的方法把廢液濃縮到原始濃度的兩倍左右，把預處理后的高放廢液用蒸汽噴射方法轉移到進料槽。用兩級空氣提升器把高放廢液從進料槽連續(xù)地供給熔爐；熔爐內(nèi)采用硅碳電阻加熱法進行啟動或重新啟動，隨后用焦耳法加熱。玻璃固化過程中，由于高放廢液與玻璃形成劑同時投入玻璃熔爐，可使進入熔爐的高放廢液吸入硼硅玻璃纖維濾筒內(nèi)熔化，以減少熔爐廢氣系統(tǒng)中的微粒霧沫，爐內(nèi)溫度控制在1 100～1 250 ℃，熔融速度為9 kg/h；之后將熔融玻璃定期從熔爐底部排入熔爐底下的不銹鋼容器罐[13-15]。在熔爐底部設有用感應加熱法控制的凝結閥，以進行熔融玻璃的排放，其平均排放速度為150 kg/h。在熔爐底部內(nèi)表面設有45°的傾斜角，以防正極短路和貴金屬聚集。熔爐的設計壽命不少于5年。

圓柱型不銹鋼容器罐高104 cm，外徑43 cm，1個容器可裝約300 kg(約110 L)玻璃固化物。當熔融玻璃排入容器罐時，連續(xù)測量實際進入該罐的玻璃重量。罐裝滿后，運到焊接室，用鎢電極惰性氣體焊機封閉頂蓋。用高壓水噴射法和鋼絲刷洗法對容器罐進行表面去污，然后用擦拭法檢查。最后，再檢查容器罐的尺寸和外觀，確保沒有問題后運往貯存室。

玻璃固化體廢物罐(以下簡稱玻璃固化罐)需在地下貯存30～50年后再搬運出來進行最終地質(zhì)處置。此外，還要對二次廢物與固化過程產(chǎn)生的廢氣進行處理[16-18]。熔爐廢氣處理系統(tǒng)由下列部分組成：粉塵洗滌器、文丘里管洗滌器、多孔板水洗滌器、高效煙霧消除器、釕吸收器(石英凝膠)和高效微粒空氣過濾器，這些裝置主要用于去除亞微粒、煙霧和揮發(fā)性釕。

LFCM工藝的特征是可以連續(xù)運行和規(guī)模大型化。另外，因為將廢液直接供入爐內(nèi)，爐內(nèi)部表面的溫度可保持較低狀態(tài)，所以銫等放射性核素的揮發(fā)較少[19-20]。TVF固化體的組成成分管理值中，以質(zhì)量分數(shù)(wt.)表示，全廢棄物氧化物目標值為25%，實際含有率≤30%，Na2O含有率目標值為10%，實際含有率為8～12%，其標準組成列于表1。

1.2 存在問題

TVF熔爐的運行始于1992年，一直持續(xù)到2001年，期間曾發(fā)生兩次重要的故障。之后由于1997年發(fā)生在德海后處理廠瀝青固化設施的爆炸事故，使得TVF熔爐的操作也在2001年被迫暫停三年半。第一次事故是將熔融的玻璃從液體進料焦耳加熱陶瓷熔爐注入不銹鋼容器中時，由于出料口溫度控制不當，導致熔融的玻璃沉積在與容器相連接的設備中，造成底部出料口堵塞。之后JNFL安裝了改進設備，新的連接設備采用了改進的取樣容器并設置了一個更大的觀察窗。出料口采用振動粉磨機和抽氣器排出在連接設備內(nèi)的玻璃沉積物。同時對手冊中有關監(jiān)測底部溫度和熔融玻璃流動狀態(tài)的程序進行了修改。第二次事故是由于貴金屬的積累，造成其中一個主電極損壞。日本JNFL對熔爐設計進行了改進，增強了對貴金屬的排出能力，改進后的第二臺熔爐于2004年10月正式投入運行，到2007年生產(chǎn)了35 t玻璃固化體[21-22]。

表1 TVF玻璃固化體的標準組成Tab.1 Standard composition of TVF vitrification

從1994年到2007年，JAEA在東海運行了相關的HLW玻璃固化試驗設施，生產(chǎn)了247罐玻璃固化廢物。2007年之后，由于核電站進行抗地震重新評估和受福島第一核電站事故的影響，TVF的熱運行被暫停多年。2016年1月，TVF重新啟動運行，對400 m3的高放廢液進行了玻璃固化處理，又生產(chǎn)59個玻璃固化罐[23]。

2 六所村后處理廠玻璃固化設施(JVF)

2.1 工藝及主要設備

1993年，為處理日本國內(nèi)輕水堆產(chǎn)生的乏燃料，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)。該后處理廠設有五個設施：1)后處理廠；2)MOX燃料制造設施；3)鈾濃縮設施；4)高放射性廢物儲存和管理中心；5)低放射性處置中心。RRP的最大處理能力為800 tU/a，其玻璃固化設施(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1.68 m3 [24]。

六所村后處理廠的玻璃固化設施(JVF)，其工藝采用與東海村后處理設施相同的液態(tài)進料陶瓷熔爐(LFCM)技術。首先采用“焦耳加熱”(電流直接通過材料進行加熱)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，對容器進行焊接密封，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圖2所示，該裝置橫向、縱向(不含支架高度)均為3 m[25]。

圖2 六所村后處理廠陶瓷熔爐玻璃固化的設施示意圖[12]Fig.2 Schematic diagram of facilities for vitrification at Rokkasho[12]

在玻璃熔爐的運行過程中，有兩個關鍵點，其一是爐內(nèi)溫度控制。JVF熔爐采用主電極間電力(焦耳加熱)和間接加熱電力進行調(diào)控，從而將玻璃溫度和氣相溫度維持在目標范圍內(nèi)。根據(jù)以往的經(jīng)驗，溫度控制與冷帽層的控制密切相關。因為冷帽層的形成狀態(tài)隨高放廢液的性狀(廢液濃度、廢液成分等)或電力平衡(主電極間電力和間接加熱電力)等的變化而變化，因此需根據(jù)高放廢液的性狀設定電力平衡。熔爐爐內(nèi)溫度的監(jiān)測及調(diào)控主要分為爐上部和爐底部。監(jiān)測及調(diào)控爐上

部的目的是為了保證爐內(nèi)的穩(wěn)定運行，主要監(jiān)視點分為氣相溫度和液相溫度。氣相溫度通過間接加熱電力進行調(diào)控，液相溫度即玻璃溫度主要通過主電極電力進行調(diào)控。監(jiān)測和調(diào)控爐底部的目的是為了防止鉑族金屬在底部出料口的沉積，主要監(jiān)視爐內(nèi)的溫度，通過底部輔助電極冷卻流量進行調(diào)控。其示意圖如圖3所示。

圖3 熔爐爐內(nèi)溫度監(jiān)測及調(diào)控示意圖[12]Fig.3 Temperature monitoring and control diagram in melting furnace[12]

第二個關鍵點是防止鉑族金屬的沉降。高放廢液中含有Na、Zn、Mo、Cs、Ba、Ru、Rh、Pd、錒系元素以及鑭系元素等。其中Ru、Rh、Pd等鉑族金屬元素與玻璃的熔融性差，密度大，容易沉積。隨著鉑族金屬濃度的增加(沉降、堆積)，會導致玻璃的粘性上升，同時鉑族金屬濃度的增加會使導電率上升(電阻下降)，導致玻璃的加熱性能變差。針對該問題，日本采用熔爐內(nèi)爐底低溫運行的方法進行控制。第一步是低溫運行階段，高放廢液和玻璃固化體原料顆粒通過連續(xù)供給的方式送入到熔爐內(nèi)，此時爐底溫度保持在較低狀態(tài)；第二步爐底加熱，通過主電極間通電，使爐內(nèi)溫度上升；第三步流出，利用流出噴嘴進行高頻加熱，使熔爐內(nèi)的物質(zhì)流出；第四步爐底冷卻，待熔融物流出后，通過外界空氣使熔爐內(nèi)溫度逐漸降低。與東海村的玻璃固化設施TVF相比，JVF在熔爐底部構造上進行了第一代(KMOC#1)和第二代(KMOC#2)的改良，使其具備防止異物阻塞功能，無鉑族金屬容易堆積的部位，以提高鉑族金屬排出性能。同時在供給時廢料不經(jīng)過濃縮，因此高放廢液中的氧化物濃度會隨燃耗等變動[26-27]。東海后處理廠和六所村后處理廠玻璃固化工藝對比列于表2。

2.2 存在問題

六所村后處理廠于2006年11月生產(chǎn)出第一臺MOX粉末產(chǎn)品，并于2007年11月使用A系列固化生產(chǎn)線對玻璃固化設施進行測試。在實驗的前兩個月，玻璃固化設施生產(chǎn)了60個玻璃固化罐，但之后由于蓋子被焊接到玻璃固化廢物罐上造成了焊接機器的損壞，導致測試實驗暫停。在測試實驗的后半部分，由于熔爐的溫度不能維持在1 200 ℃，致使鉑族金屬堆積在底部導致出料口堵塞，無法達到玻璃固化實驗所要求的爐底每小時70 L的流出速度，熔融的玻璃流出所需時間比正常時間長三倍，因此測試實驗被迫停止[28]。

2008年7月2日，在引入處理鉑族元素的新措施后，玻璃固化設施的測試實驗重新開始。然而，由于出料口的噴嘴無法加熱導致熔融玻璃不能流動，因此測試僅在32 min后暫停，沒有生產(chǎn)單個玻璃固化罐。據(jù)推測，該問題是由于所謂的“低粘度流體”引起，即比熔融玻璃粘度低的物質(zhì)會比玻璃更快地流下并粘附到噴嘴上，這些物質(zhì)包括放射性物質(zhì)，如鉬等，從而導致噴嘴堵塞。同年10月10日，在除去附著在噴嘴上的物質(zhì)后恢復實驗。10月30日，再次出現(xiàn)鉑族元素的沉積，六所村后處理廠通過插入直的攪拌棒進行攪拌來解決該問題[29]。

2008年12月，六所村后處理廠工作人員發(fā)現(xiàn)熔爐內(nèi)的攪拌棒攪拌速率變慢，當用照相機檢查熔爐內(nèi)部時發(fā)現(xiàn)攪拌棒發(fā)生彎曲，同時一些熔爐內(nèi)的天花板磚被損壞。從2009年1月9日開始，玻璃固化室中的警報器顯示凸緣下方的托盤和地板上的集水盤中的液體水位升高，之后警報反復響起。操作員使用攝像機檢查時發(fā)現(xiàn)托盤中的液體水位低于警報水平，因此忽略了警報。直到1月21日，當?shù)谝淮畏治鐾斜P中的液體并且發(fā)現(xiàn)放射性非常高時，JNFL才意識到存在HLW的泄漏。JNFL表示從HLW進料罐泄漏了大約150 L的液體，泄漏液體中銫-137的含量為1.6×1010Bq/mL，而銫-137進料罐A僅為3.6×109Bq/mL，表明泄漏液體中的濃度是進料罐中濃度的4.4倍。2009年2月，當通過ITV攝像機加強監(jiān)測時，再次發(fā)生高放廢液的滴落。2012年1月，熔爐內(nèi)玻璃的排出流速下降，流動性降低。工作人員通過樣品采集分析了事發(fā)的原因。通過從放電噴嘴收集的樣品分析發(fā)現(xiàn)，排出的物質(zhì)中除了含有玻璃成分外，樣品中還存在與爐內(nèi)玻璃接觸的磚(濕表面磚)的主要成分，但未發(fā)現(xiàn)天花板磚和微晶玻璃的主要成分。其次，對熔爐內(nèi)進行觀測發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)有一些裂紋和碎片，但并未影響到整個熔爐的運行。另外研究了玻璃熔爐在啟動/關閉時爐底溫度的變化趨勢，通過應力分析考察了爐底溫度變化對磚的影響。該研究結果表明，造成裂紋產(chǎn)生的原因主要有以下幾點：

表2 東海后處理廠和六所村后處理廠玻璃固化工藝對比[12]Tab.2 Comparison of vitrification between Tokai and Rokkasho[12]

1)濕表面磚表面拉伸應力引起的開裂：在熔融的玻璃排放過程中，由于表面冷卻，磚表面出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。另一方面，由于爐內(nèi)氣流的存在，內(nèi)部冷卻速度比關機時快，磚內(nèi)部的冷卻速率和表面冷卻速率存在差異，導致兩者間存在溫度差，因此磚的應力要大得多，容易導致裂紋的產(chǎn)生。

2)由于磚坯膨脹引起的壓縮應力導致啟動時發(fā)生碎裂：當熔爐啟動時，磚與玻璃接觸的表面開始膨脹；相鄰磚的接觸面由于膨脹而相互推擠(產(chǎn)生壓應力)，從而產(chǎn)生錯位；當熔爐內(nèi)產(chǎn)生開裂和碎裂后，磚與磚之間的應力減輕，在后續(xù)過程中不會出現(xiàn)新的裂紋和錯位。由于在時長為3.5個月的長期待機中，兩次停機和啟動時僅進行了一次放電，因此導致了磚顆粒積聚。

針對以上問題，六所村后處理廠采取的應對策略如下：①減少磚顆粒的產(chǎn)生：在執(zhí)行熔爐的啟動和關閉操作時逐步改變溫度。在操作過程中，首先將熔爐排空，以避免在有高碎裂概率的情況下啟動；②抑制磚顆粒堆積：當作為故障預防措施進行停機時，或當由于頂部電源故障發(fā)生非計劃停機時，應及時清除爐內(nèi)的磚粒；③排空流量減慢對策：使用改進的混合棒進行排空的操作；④監(jiān)視熔爐內(nèi)磚的情況：進行排空操作時，及時觀察爐內(nèi)情況，并檢查濕表面磚的開裂和碎裂的進展，在啟動后檢查第一批和第二批的放電狀態(tài)，以便了解碎片的產(chǎn)生。在采取相應措施后，及時確認熔爐內(nèi)流動性已恢復正常。其熔爐內(nèi)部示意圖如圖4所示。

圖4 熔爐內(nèi)示意圖[30]Fig.4 Schematic diagram of melting furnace[30]

其中，濕表面磚：具有優(yōu)異的防止熔融玻璃腐蝕性能的防火磚；備用磚：具有適當保溫性能和防腐性能的防火磚；保溫澆注料：熔爐內(nèi)用耐火材料作為保溫材料，耐火材料澆注在水泥中；絕緣板：隔熱材料，增強熔爐的保溫隔熱性能，同時吸收磚的熱膨脹；套管：用于支撐上述熔爐結構的材料[30]。

自1993年以來，在經(jīng)歷了長達13年的建設以及28個月的試運行之后，六所村后處理廠原計劃于2008年11月投入運行。但是，由于其設計的高放廢液熔爐在試運行中出現(xiàn)問題，該廠迄今未能投入運行。日本六所村后處理廠分別于2013年1月和5月完成了B系列和A系列玻璃固化實驗，并于2013年10月完成了熱試驗，進入商業(yè)運行前的最后階段。2014年1月，JNFL向核管理局提交了一份請求，要求對六所村后處理廠進行審查，以確保其符合新引入的燃料循環(huán)設施的安全標準，因此其運行推遲到2017年。JNFL在2018年12月表示，為了繼續(xù)加強六所村后處理廠的安全措施，例如內(nèi)部防洪，管道的抗震性，改善冷卻水塔對龍卷風的抵抗力以及改進內(nèi)部火災措施，如有必要還將對高壓和高溫蒸汽泄漏對控制裝置和設備的影響進行評估，并制定相關對策等，其運行時間將再推遲三年。JNFL預計該工廠將在2021年上半年完工。該工廠的設計目標是每年處理多達800 t的乏燃料，提取約8 t钚，用于生產(chǎn)MOX燃料[31]。

3 技術改進及研發(fā)計劃

目前，基于此前玻璃固化設施的運行經(jīng)驗和教訓，日本在之后開展了改進玻璃固化技術的研究[32-34]，同時準備開展關于低放廢物玻璃固化的基礎研究。

3.1 改進玻璃固化技術

改進玻璃固化技術主要旨在開發(fā)可溶解更多含有鉑族等金屬的高放廢液的新特性玻璃的同時，開發(fā)相應的新型玻璃熔爐，以提高日本乏燃料后處理技術水平。該研究以現(xiàn)行的液態(tài)進料陶瓷熔爐(LFCM)為基本，在現(xiàn)行高放廢液玻璃固化車間的空間、附帶設備的前提下更換熔爐(2座)，每座的處理能力(熔融表面積)與現(xiàn)行爐相同，熔爐的壽命將從原來的5年延長為7年。該開發(fā)課題主要包括：

(1)新型爐的開發(fā)：為了抑制鉑族金屬的沉淀和堆積，對玻璃熔爐的構造、爐底部加熱方法以及可更換的過濾網(wǎng)等進行開發(fā)研究，目前進行了如下改進：①在新型熔爐中將原來的四邊形爐底改為60°傾斜圓錐形，以防止鉑族金屬的沉積；②增加爐底部的加熱裝置(下段輔助電極、爐底部高頻加熱裝置)以防止玻璃流出時造成噴嘴堵塞；③攪拌裝置的電機驅(qū)動進行負荷限制以解決攪拌棒彎曲的問題；④頂部耐火磚采用拱形構造以防止其掉落和損傷；⑤底部電極濾網(wǎng)變更為不易阻塞構造(丙烯酸纖維模型)以防止底部耐火磚引起的流出噴嘴堵塞。現(xiàn)行爐與新型熔爐底部電極構造對比示意圖如圖5所示。

(2)核心技術的開發(fā)：針對提高和改良爐性能的個別核心技術進行開發(fā)研究，并進行驗證。目前進行了如下改進：①增加吹氣式液位計，用從熔融玻璃內(nèi)部送氣產(chǎn)生的壓力測量液位的方法對液位進行一致而準確的測量；②在熔爐內(nèi)部增加改進型助推器，提高從異常狀態(tài)恢復的性能，具有更有效的排空能力；③采用鼓泡裝置，增強熔融玻璃的流動性，從而抑制黃相的產(chǎn)生。改進方案如圖6所示。

圖5 現(xiàn)行熔爐與新型熔爐電極構造對比示意圖[34]Fig.5 Schematic comparison of the current furnace electrode structure with the modified furnace electrode structure[34]

圖6 核心技術開發(fā)裝置示意圖[34]Fig.6 Schematic diagram of core technology development device[34]

(3)新型玻璃介質(zhì)的開發(fā)：開發(fā)可以抑制黃相產(chǎn)生的新型玻璃介質(zhì)和可以充填更多高放廢液(高充填)的玻璃介質(zhì)，以便可以包容更多鉑族金屬元素以及其它放射性元素。目前進行了如下改進：①開發(fā)抑制黃相發(fā)生的玻璃介質(zhì)：現(xiàn)行進料方法為玻璃組分與廢液分別同時進行混合，后續(xù)改為將改良后的玻璃組分的一部分(如Al，Si等)分配到廢液側后，再將玻璃組分與廢液進行混合從而抑制黃相的產(chǎn)生；②開發(fā)高減容玻璃介質(zhì)：將改良后的玻璃組成中的Al、B實施再分配，再向廢液中添加添加物，從而達到廢棄物的高充填化。

(4)解析評價工具的開發(fā)：高可靠性的設計/運行支持工具——熔爐解析代碼的開發(fā)，目前采用通用CFD code的熔爐解析軟件，作為運行評價和設計工具，實施了高精度解析及高速化和通用化，同時建立了各種相關模型：利用冷帽層模型評估冷帽層的成長和熔融過程；爐底加熱模型利用電流控制實現(xiàn)焦耳加熱；鉑族金屬粒子沉降模型評估粒子沉降速度；流動模型評估鉑族金屬形成的非牛頓性流體；流出模型評估玻璃的重力流出情況。

(5)基礎研究：進行解析代碼所需要的物性數(shù)據(jù)、評價模型的準備，各種機理的闡述，玻璃技術的基礎準備，目前主要通過基礎試驗、熔爐解析軟件中所反映的信息(冷帽層的構造，熔融玻璃的物性等)以及熔爐運行狀態(tài)評價數(shù)據(jù)，對冷帽層的形成機理、爐內(nèi)鉑族金屬的行為進行研究，并對熔融玻璃的物性進行測定[32-34]。

針對目前設施在運行中出現(xiàn)的問題，日本在現(xiàn)行爐和新型爐方面采取的改進措施情況列于表3。

3.2 低放廢物玻璃固化技術

低放廢物玻璃固化技術是指對于核電廠及乏燃料再處理設施在去污等相關操作過程中所產(chǎn)生的低放廢物，為了建立其玻璃固化技術，開展關于“玻璃組成”及“玻璃熔爐的運行控制技術”方面的調(diào)查和基礎試驗。日本計劃將玻璃固化技術應用于低放廢物的處理與處置，實現(xiàn)廢物減容和穩(wěn)定儲存的目的。同時在利用玻璃固化技術進行高放廢物處置時通過開發(fā)先進的玻璃固化技術實現(xiàn)玻璃固化體減容20%～30%。表4和表5分別給出了低放廢物玻璃固化組分以及玻璃固化改進組分。

表3 現(xiàn)行熔爐與新型熔爐改進措施對比Tab.3 Comparison of improvement measures for current furnace and new furnace

表4 低放廢物玻璃固化組分Tab.4 Vitrification components of low-level radioactive waste

表5 玻璃固化改進組分Tab.5 Improvement of vitrification composition

在低放廢物熔融玻璃固化的成分開發(fā)研究中，對于高硝酸鈉廢液，固化過程采用高溫脫硝處理；對于燃燒灰，其主要成分可作為玻璃的形成成分；對于高硝酸鈉廢液、磷酸廢液、沉淀物等廢物，玻璃固化比水泥固化(包容率約12%)具有更好的包容率；對于HEPA過濾器，可通過金屬Al酸化和玻璃固化從而抑制氫氣的產(chǎn)生；對于含有高濃度硫的離子交換樹脂洗提液，采用玻璃陶瓷等進行固化，可以提高廢棄物充填率。以上方法均可實現(xiàn)良好的減容。

在玻璃固化組分改進的研究中，向硼硅酸鹽玻璃中添加V，可以形成容易吸納多原子離子的區(qū)域，從而提高相分離抑制效果；由于MoO3對P2O5的溶解度非常高，在其中添加P也可提高相分離抑制效果；鐵磷酸玻璃與硼硅酸鹽玻璃相比，密度約增加10%～20%。因此，即使充填率相同，每塊玻璃固化體的充填量也大得多；結晶化玻璃由于可以使難溶于玻璃的物質(zhì)成為非水溶性結晶相(玻璃陶瓷)而分散于玻璃中，因此對處理難溶于玻璃的物質(zhì)具有較好的效果[34]。

4 結語

針對玻璃固化熔爐中出現(xiàn)的問題，日本大力研發(fā)新型玻璃熔爐，其研發(fā)的關鍵任務是減少鉑族金屬的沉積，從而改善玻璃流動性。除了探索改進熔爐的結構和設施之外，JNFL還致力于開發(fā)新的玻璃材料，從而減少玻璃固化體的體積并提高熔爐的可操作性，以進一步提高玻璃固化體的性能。根據(jù)前期研究結果，新的玻璃熔爐在熔融玻璃的流動性方面有著顯著的改善，并且擁有更高的廢液處理能力和更強的穩(wěn)定性，之后JNFL將考慮將新的玻璃熔爐投入實際使用。

目前我國高放廢液玻璃固化技術已是核工業(yè)短板，雖然我國在玻璃固化技術研究上已做了大量研究工作，但我國高放廢液處理仍處于技術研究階段，尚未完全掌握高放廢液玻璃固化工藝的核心技術。因此，我國應該特別加強對高放廢液玻璃固化技術在廢液源項分析，玻璃配方研制，熔爐設計、尾氣處理系統(tǒng)等具有特殊性及復雜性內(nèi)容的研究。

針對日本主要采用的LFCM法，該方法主要有以下幾個優(yōu)點：處理量大，工藝相對簡單；無需向爐膛內(nèi)通入氣體，并能運行“冷帽”，減少揮發(fā)性核素向尾氣中的揮發(fā)以及顆粒物的夾帶；被處理廢物的熔融體在熔爐內(nèi)停留時間長，可確保產(chǎn)物玻璃體的均勻。然而，LFCM法依然存在不少缺點，如運行過程容易出現(xiàn)黃相、出料口容易發(fā)生鉑族金屬堵塞以及爐體耐火磚損傷等問題。

針對以上問題，并借鑒日本的經(jīng)驗和教訓，我國在相應技術的研發(fā)過程中可采取如下解決方法：(1)出現(xiàn)黃相：設置鼓泡裝置；采用分配式進料法；開發(fā)抑制黃相的玻璃配方等。(2)出料口堵塞：改進熔爐結構(包括爐底形狀及傾斜度、濾網(wǎng)構造等)；改進熔爐加熱方法(包括電極設置、溫度運行方式、溫度調(diào)控設置等)；增設爐底加熱裝置、攪拌裝置、吹氣式液位計和改進型助推器；開發(fā)高充填的玻璃介質(zhì)等。(3)爐體耐火磚損傷：改進熔爐運行方式；設置爐內(nèi)監(jiān)視器；改進爐體內(nèi)部磚塊設置；耐火磚采用拱形結構等。另外，熔爐的壽命只有5年，與后處理廠的壽命不同期，而其中影響熔爐使用壽命的主要原因是熔爐耐火材料和電極腐蝕。因此，我國未來在對焦耳加熱陶瓷熔爐法進行研究時應加強對熔爐耐火材料和電極材料的研發(fā)，以增強熔爐的壽命。同時，應完善玻璃固化操作過程的規(guī)章和制度并加強熔爐運行過程中的監(jiān)管，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而確保熔爐的安全穩(wěn)定運行。在此基礎上，我國應盡快進行關鍵技術的攻關和核心工藝的實驗室驗證，從而完成高放廢液玻璃固化技術工程化和國產(chǎn)化可行性和經(jīng)濟性的論證及路線選擇，形成一套完整的玻璃固化工程化解決方案，為國內(nèi)乏燃料后處理做基礎和準備。