滾燙的玻璃熔融體從熔爐中緩緩澆注進容器
冷卻凝固后的玻璃體整齊地放入庫房……
莫非我們正身處某個玻璃生產廠之中嗎?
這些玻璃怎么不像平時見到的那樣晶瑩透亮呢?
圖源國家原子能機構
這些暗色的“玻璃塊”可不是質量不佳的玻璃，而是包裹了放射性物質的玻璃固化產品，是一種安全穩定處置高放核廢料的方式。近日，原子能院的一項科研成果為這些“玻璃塊”的工藝優化提供了思路。
玻璃固化配方設計及性能計算模型界面
這是原子能院放射化學研究所“核廢料玻璃固化中關鍵元素行為”研究項目自主研發設計的玻璃固化配方設計及性能計算模型，為玻璃固化熔制工藝控制和配方設計提供了有力的理論和模型計算支持。
玻璃固化是將高放廢液中放射性廢物進行包容處理的重要手段。將放射性廢液和基礎玻璃料以一定的比例加入高溫熔爐，經過澄清和熔融后，廢液中的放射性核素進入玻璃料的網格結構，和熔融的玻璃料形成統一的玻璃熔體;將玻璃熔體澆注進產品容器后冷卻固化，就可以獲得一個完整的實心“玻璃塊”，放射性核素也被包裹其中，實現了放射性核素的安全處置。由于廢液中含有不同的放射性核素，在加入熔爐時需要配合不同配方的基礎玻璃料，以保證包容成型的玻璃固化體能夠滿足長期處置的安全評價要求。
過程中由于放射性廢液里過渡金屬含量較高，導致玻璃熔體極易形成析晶或熔體粘度增加，從而影響出料工藝;同時，隨著燃耗升高，高放廢液中鑭系元素、過渡金屬以及裂片元素的含量也會隨之增加，從而影響玻璃固化熔制工藝進程。這些問題對于玻璃固化配方設計提出了挑戰，是實現玻璃固化工程設施長期穩定運行所必須解決的重要問題。
為此，放射化學研究所研究團隊針對高放廢液中的Fe(鐵)、Ni(鎳)、Cr(鉻)、Al(鋁)等主要組分進行了配方設計和玻璃固化樣品性能測試，成功獲得相應的硼硅酸鹽玻璃固化配方及性能分析數據。圍繞Nd(釹)、Ce(鈰)、Zr(鋯)、Mo(鉬)等元素不同添加量對玻璃固化熔體熔融反應速率、高溫粘度、高溫電阻率、液相溫度、析晶溫度的影響，團隊也開展了相關研究并獲得影響數據。針對易揮發元素Cs(銫)，研究團隊從熔制溫度、熔制時間、熔體組成等方面進行了研究，成功獲得影響其揮發行為的數據。基于上述實驗的開展和數據的獲取，原子能院初步建成玻璃固化配方設計及性能計算模型。
玻璃熔制反應樣品對比圖
在原子能院長期基礎研究專項的支持下，放射化學研究所建立了玻璃固化關鍵元素行為研究方法，推進了院核廢料玻璃固化關鍵元素行為基礎平臺建設，并培養了一批青年科研人才，進一步完善了放射性廢物處理處置學科布局，健全了專業體系。未來，研究團隊將繼續開展對玻璃固化過程中關鍵元素揮發、析晶等行為的理論研究，進一步完善玻璃固化配方設計及性能計算軟件功能，切實為高放廢液玻璃固化工程“排憂解難”。
