美核废料玻璃固化成功：200亿美元收获首块9公斤玻璃

据科技日报29日报道，这是一个等待了20余年的喜讯。近日，美国太平洋西北国家实验室的科学家成功完成低放废液玻璃固化的首次热试。



科学家们将核废料固化成玻璃。（图源：美国太平洋西北国家实验室）

“此次试验产生的9公斤玻璃，是美国能源部自1997年给汉福特厂核废料处理项目投资200多亿美元产生的第一块核废料玻璃。”6月28日，武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室教授徐凯在接受科技日报记者专访时介绍。他曾在美国太平洋西北国家实验室工作多年。

徐凯解释，这次热试完全模拟汉福特厂将要采取的低放废液处理工艺，对真实低放废液进行固化处理。值得一提的是，该工艺为连续进料模式而非传统的批次进料。

“这对深入研究汉福特玻璃固化工艺，以及未来扩大处理规模具有极其重要的指导意义。”徐凯评价。

作为曼哈顿计划的一部分，汉福特厂建于1943年，人类首次核弹引爆试验及投放到日本长崎的原子弹所使用的高纯钚都产自这里。在提取高纯钚过程中，该厂产生了大量放射性废液。目前，约20万立方米的军工遗留废液暂存于此，贮存量为全球之最，其中90％以上为低放废液。



美国汉福特厂（图源：华尔街日报）

随着时间的推移，简单液态贮存方式的弊端日益暴露。1987年，汉福特厂成为核废料处理场，1989年美国联邦政府着手处理此处核废料。但因处理工艺复杂、技术难度大，虽然投资费用一直呈直线式攀升，但项目进展十分缓慢。

核废料是人类面临的主要环境问题之一。比如，乏燃料后处理中产生的高水平放射性废液，含有辐照核燃料中总裂变产物的97％以上，由于具有放射性元素浓度高、释热率大和腐蚀性强等特点，如果不加以严格管理、妥善处理，一旦进入生物圈，必将造成极其严重的环境灾难。

过去40多年，科研人员一直在探索一种技术路径，其中第一步是先将废液转化为固态消除其流动性，降低废液内含有的放射性元素进入环境的可能性，继而将废液固化体放置于深地质层中，实现对废料的最终处置，利用地质介质为屏障将废物中的放射性元素和人类生活的环境相隔绝。

所谓玻璃固化，是指将核废料与玻璃添加剂混合，经高温熔融，浇铸成玻璃固化体的工艺，放射性元素在原子尺度内固化于玻璃体内，保证了其地质存贮的安全，被认为是完成最终处置的第一道重要工序。

目前玻璃固化有两条技术路径：热锅法、冷锅法。

通俗地讲，热锅法是将废液浓缩、煅烧后转化成的粉状氧化物，撒向高达1200摄氏度的硼硅酸盐玻璃液里，让氧化物与液态玻璃融合。冷锅法的核心是在锅外缠绕感应线圈，对锅内玻璃液实现感应加热，与此同时，在锅外围注入冷水，高温玻璃液在锅内壁形成起保护作用的“锅巴”，避免了对锅的腐蚀，延长了使用寿命。

过程听起来并不是太复杂，但不能忽略的是，玻璃固化装置运行条件和要求极为特殊，工作环境不但具有放射性，而且温度高达上千摄氏度。所有操作特别是维护，必须能通过远距离完成。



红色材料是来自汉福特地下的放射性废料，这是它首次在持续过程中被固化成玻璃。（图源：美国太平洋西北国家实验室）

“好比送到月球的月球车坏了，只能远距离遥控修复。有些难度大的修复，维修风险与成本甚至比建造成本还高。”徐凯说。

他同时表示，玻璃固化是一项高精尖的复杂技术。目前世界上掌握玻璃固化技术的国家并不多，有限的玻璃固化技术国际合作也无法实现真正的核心技术交流。即使有外国公司的技术援助，如英国核燃料公司曾是汉福特核废料处理项目的主要承包商，美国太平洋西北国家实验室也并未中断玻璃固化技术研究，四十年如一日，在玻璃固化领域产生了大量原创性成果，对未来的工程化应用有着至关重要的指导作用，“可见坚持自主创新十分必要”。

（科技日报记者 陈瑜）