把核废料变成玻璃外文翻译资料

 2022-07-06 21:06:34

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把核废料变成玻璃

玻璃化的出现为处理危险的放射性废料提供了可选择的方法。但要处理冷战时期遗留的核废料，需要最新的设备和最先进的玻璃配方。

1939年，Leo Szilard说服他的朋友爱因斯坦署名一封给富兰克林总统的信件，警告总统德国可能在研究原子弹了。随后，这封信件开启了历史上最非凡且快速发展的科学和工程项目之一。起初，Niels Bohr争辩说，“造一个原子弹是不可能的，除非你把整个美国变成一个巨大的工厂”，从许多方面来说，这的确发生了。在世界大战期间，大量的基础设施被建造用来将最前沿的概念和理论转化为实际应用。

核武器的生产并没有随着二战的结束而停止。实际上，在冷战期间，核武器的生产规模急剧扩张。美国继续制造了大约70000个核弹头，多于苏联制造的55000个，比其他所有国家制造的数目总和还要多。为核武器制造材料的工厂设施是秘密运行的，既可以最小化环境监管，也有非常好的战略紧急意识。冷战时期的军备竞赛遗留了许多化学废料和放射性废料，目前还有大量的废料待处理。玻璃化，即转变成稳定的玻璃基质，成为了国际上一致认同的，用来处理危险放射性废料的方法。

为什么是玻璃？

玻璃化技术的起源要追溯到上个世纪50年代，美国、加拿大、英国和法国的大量工作都致力于把各种矿物和釉质的熔融物与核废料组分结合在一起。从铀和钚的提取和燃烧等后处理过程产生的核废料一般包含几十种元素。这些元素产生于铀核燃料的裂变，以及随后的衰变过程，再加上溶解和提取废弃核燃料棒过程中添加的其它元素。用玻璃来固定化放射性废料看起来可能是一个奇怪的选择，但是它的一些特质让它非常合适这个角色。玻璃是一种无定形材料，其可以包含的元素范围很广。玻璃无定形的天然特性也让其对辐射和放射性衰变不敏感，因而可以在其结构中产生大量的原子取代。此外，玻璃生产过程相对简单，所以非常适合用来处理放射性的环境问题。

在核废料的加工过程中产生的核废料为高放射性核废料（HLW）。在许多可能的玻璃形成系统中，高放废料玻璃化大部分都专门用硅酸盐玻璃，因为其在自然界中的大量存在证明了其优异的抗溶解腐蚀性。更详细的来说，用硼硅酸盐玻璃是因为加入硼元素降低了玻璃的熔点，提高了其化学耐久性。低的熔点减少了腐蚀以及增加了玻璃化物的寿命。

地质记录中存在的天然硅酸盐玻璃提供了关于与寿命最长的放射性核素相关的时间尺度下潜在的降解模式的有用的见解，其中有些具有几百万年的半衰期。这些天然类似物包括火山和流星玻璃，年龄从最近的到数亿年不等。

美国国防废料

在1944年，芝加哥大学的Enrico Fermi 和Szilard领导的团队第一次成功实现可控自发核裂变链式反应（十年前被Szilard提出并获取专利）不到两年，世界上第一个全规模的核反应堆发电站在华盛顿州东南部的Hanford启动了。1940年，加利福尼亚大学伯克利分校Cavendish实验室的研究者们就提出238U中子的吸收将会导致两个连续的Beta衰变，首先产生239Np，随后产生239Pu。 Hanford的石墨减速的B型反应堆用天然的金属铀燃料去生产239Pu。Trinity和长崎的原子弹就是用这种方法生产出来的。在二战结束之前，另两个核反应堆在Hanford被建立。冷战期间又添加了5个，使核废料库存增加。

在Hanford使用大部分铝包铀燃料块（生产了两千万个），都是长23cm，直径3.5cm的圆柱。后处理过程包括用氢氧化钠将铝层剥离出来，再用酸去溶解消耗殆尽的燃料棒，接着通过化学方法提取Pu。这些步骤会在一个300长，50米宽，30米高，被称为峡谷的巨大混凝土建筑里发生。T和B Plants，两座峡谷最终在Hanford被建立。他们采用的是共沉淀的方法，即在磷酸铋沉淀的同时将Pu从酸溶液中带出来。而后后处理过程使用氧化还原反应，或Purex装置恢复得到U和Pu。这两种方法都是液相-液相提取技术，利用在互不相容的水溶液和有机溶液中的溶解度差异。氧化还原的方法是用甲基异丁基酮作为有机溶剂，purex方法用的是磷酸三丁脂。磷酸铋的沉淀过程会产生30立方米/吨燃料的废物，相比之下，氧化还原过程会产生2-15立方米/吨，purex过程会产生不到1-5立方米/吨。

在Hanford——美国130个核燃料生产链中最大的一个，为此美国能源局要承担清理责任——大约一百六十亿立方米的废液，包含两百万居里的放射性物质，通过井，下水道，池塘，沟壑排放到土壤和地下水中。从1943年到1964年，设计为20年寿命的149个碳钢单壳箱子被建造。容量4400立方米，寿命50年的28个双壳箱子的建造在1968年开始。放射性最高的废料装入这些地下储存箱子。然而，箱子的容量并不能满足废料的生产率，大约47万立方米的废料被有意地排放到土壤中。这些箱子目前装了21万立方米的废料和1亿9千500万居里的放射性物质。大概5700立方米废料从68个出现了裂缝的箱子里逃逸了出来。今天，Hanford的储罐容纳了整个美国核废料的60%。大部分剩余的废料被储存在Savannah River Site，一个上世纪五十年代在南卡罗莱纳州建立的一个武器设施。

前苏联

冷战促使苏联生产Pu的运动达到和美国相似的规模。但是安全监测和废物管理，与美国相比确实更加松懈，造成了更大的环境影响。头五个在Chelyabinsk附近的Mayak建造的石墨核反应堆产生的Pu制造出了苏联的第一个原子弹。在Mayak，核废料的后处理过程首先是基于乙酸铀酰钠和乙酸钚酰钠的共沉淀过程。乙酸盐共沉淀在1971年被purex过程取代。

废料处理包括储存在当地的天然湖泊或池塘，或排放到土壤和Techa河中去。这一措施导致了沿河地带的严重污染，以及河岸村庄的疏散撤离。大量的危机事件和爆炸事件在Mayak发生。比如在1957年，一个高放射性废液箱由于缺少冷却导致的化学性爆炸释放了两千万居里的放射性物质。这次事故被称为克什特姆核灾难，事故的严重程度仅仅屈于福岛和切尔诺贝利核电站事故。前苏联其它的主要生产钚的地方包括Krasnoyark，Tomsk-7，都是在五十年代建造的。Tomsk-7产生的废料是直接注入地下水层的。

商业化后处理

因为从商业核反应堆产生的核废料包含了95%原始的铀元素，几个国家——包括法国，英国，俄罗斯和日本——已经采用了用生产武器来循环利用铀元素的后处理工艺。第一个商业化的生产设备在美国的纽约州的西谷运行，从1966年到1972年。但后来被认为不经济所以被停止了。在Morris，Illinois建造的第二座，由于设计上的缺陷，在1974年被宣告终止运行。在南卡罗莱纳州的Barnwell建造的第三座设备的运行测试在1977年被中止。Jimmy Cater总统结束了所有联邦政府对该项目的支持，原因是对扩散和安全问题的担心。

从那时起，美国为应对商业乏燃料实行了一个政策。乏燃料棒储存在33个州的75个反应基地。他们会在Nevada的Yucca山进行深埋。但是由于该项目缺少地方上和州政府的支持，奥巴马政府在2009年即刻取消了该项目。其它选择，比如暂时储藏，正在被进行可行性评估。

回收利用乏燃料棒虽然听起来很有吸引力，但核废料后处理的技术问题和经济效益目前还有争论。一旦核燃料棒被溶解了，一些放射性元素就会被释放出来，有些甚至是气体。大部分的元素可以被保留下来，但是其它的，如氚、氪-85、氙-133会释放到环境中去。经济效益依赖于市场上主流铀元素的价格的影响，也决定于可选择措施，如直接处理的成本。支持和反对后处理工艺的争论依然不休。核燃料后处理工艺价值也与将来可能会实现的许多燃料循环工艺过程有关。

玻璃固化过程

总的来说，高放废物中含有很少的硅。因此为获得具有预期性能的硅酸盐玻璃，故需要加入二氧化硅和其它多种成分。这些无放射性的成分叫做玻璃料。基本的玻璃化物合成系统的组成主要包括原料合成运输系统、高温熔炉、废弃或尾气处理装置和产品处理系统。

在美国，玻璃固化工艺设备是基于1970年发展起来的Joule加热陶瓷熔炉（Joule heated ceramic melter,JHCM）技术。JHCM系统由陶瓷耐火腔组成。包括一池熔融的玻璃，以及安装在相对的墙上被浸没的电极。由于熔融玻璃中有碱性元素，故其为离子导体。当交替电压施加在电极上时，在熔融玻璃中产生电流。这时产生了电阻热，这个能量在整个窑炉中耗散。这样的系统，理论上来说，规模是可以无限大的。超大规模的 US HLW的应用就是一个非常关键的例子。

由放射性废料和化学添加剂或玻璃料混合而成的泥浆原料被注入熔融玻璃的表面，在这里形成一个反应层，叫做冷顶。冷顶在温度和组成上是高度分层的。在温度上，几十厘米的厚度，温度分布跨度高达1000多摄氏度。在组成上，有大量的由原料转化为玻璃的反应过程。冷顶层逐渐深入的过程中，水和其它可挥发组分蒸发，无机盐降解熔融，各种临时相生成并分解，最终形成新的玻璃。

这些反应通过冷顶区的大量热量和物质流动决定，这可以决定玻璃的形成速度。熔炉依赖自然对流，在粘稠的玻璃池中产生混合。在鼓泡技术中（发明于20世纪90年代初，在华盛顿的美国天主教大学玻璃态实验室(VSL)），有组织的出口阵列中升起的气泡将动量传递给熔融的玻璃。鼓泡器使其充分混合，并将热量和质量输送到冷盖中的再作用进料。结果是极大地增大了玻璃的产率，提升了5个因子。

第一次生产规模部署的鼓泡技术是在SRS的M区熔炉。这是有史以来美国运行的最大的放射性废物熔炉。这项技术还被纳入所有汉福德熔炼厂，并于2010成功地改造成SRS国防废物处理设施熔炉，使熔炉处理量增加一倍。

因为给料到玻璃的转换反应发生在一个界面上，所以最大的玻璃生产速率与玻璃的表面积大致相同，其他条件是相等的。首次将浆料给料JHCM技术用于HLW玻璃化的生产应用是德国-比利时Pamela联合装置，于1985至1991年间在比利时摩尔市运行。该工厂使用了一个表面面积为0.72平方米的熔炉。

在美国，JHCM已在纽约西谷的前后处理场址使用，有一个2.2平方米的熔炉，另一个用于SRS的两个设施--一个是2.6平方米的熔炉，另一个是5平方米的熔炉。日本和印度也使用了JHCM，自20世纪90年代初以来，中国一直在开发基于德国JHCM的国防-HLW玻璃化系统。

俄罗斯Mayak的玻璃化装置采用了截然不同的JHCM设计，更类似于商用玻璃制造中的JHCM设计，用于从国防高放废液生产磷酸铝钠玻璃。迈亚克熔炉很大，约10平方米，但由于稀薄的进料、玻璃成分和熔炼设计，生产效率很低；他们经历了几次失败。

在法国和英国，绝大部分商业废燃料都是经过再加工的，产生的高放废物是用由椭圆形金属容器组成的热壁感应熔炉进行玻璃化的。玻璃是通过将冻结的玻璃熔化在底部排水沟而排出的。底部与侧面相比，排出改善了含有某些裂变产物如钌、铑和钯的致密不溶粒子的去除，这些裂变产物在商业中更为普遍。感应加热是一种感应加热方式，感应电流在熔炉壁内流动。因此，壁是系统中最热的部分，由于金属腐蚀和蠕变，使熔炼寿命限制在几千小时；相比之下，JHCM可以持续五年或更长时间。

为了降低功率需求，热壁熔炉用玻璃熔料和在回转煅烧炉中首先焙烧的废料来蒸发水并分解硝酸盐。由于能量是通过表面--熔炉壁--来加热体积的，热传输方面的考虑限制了熔炉的实际尺寸。因此，通过并行操作多个熔炉，可以获得更高的产量。法国的La Hague工厂安装了6条线路，英国的Sellafield玻璃化设施安装了3条线路。

在2010，海牙的六条生产线中有一条用0.65米直径的冷坩埚感应熔炉开始工作。不是简单的金属容器，墙壁是分段的，垂直的，水冷的金属条夹在电介质之间，以防止电流绕圆周流动。这种设置导致感应耦合到熔融玻璃上而不是壁面上。冷壁冻结了一层玻璃，保护墙壁免受腐蚀，延长使用寿命，并允许更高的工作温度。墙的功率剖面呈指数衰减，穿透深度与电源工作频率和电气系数的乘积的平方根与玻璃的电导率成反比变化。在几百千赫的频率下，穿透深度的典型值是几厘米。其结果是，大部分功率被耗散在靠近墙的地方，并且再次限制最大直径约1.4米。

Hanford废物处理

储存在汉福德储罐中的废物反映了后处理技术的发展历史和约67吨钚的开采遗留下来的历史。化学复杂性和组成多样性远大于现代、商用燃料后处理厂的废物。商业废物是在一个一致和良好控制的过程中产生的，而且从设计上看，化学变化相对较小。这种化学复杂性的差异，以及数量和所需处理率的巨大差异，使得国防废物和商业废物的问题截然不同。

与商业后处理废物不同，汉福德的酸性废物被氢氧化钠中和，以防止用于储存的碳钢储罐的腐蚀。大约5万公吨 所添加的钠构成废物中固体的大多数。为了说明两种废物处理挑战的程度差异，一种热壁感应熔炼机 在拉黑格或塞拉菲尔德使用的那种，需要3000多年的时间才能将汉福德的所有废物都用上一遍。显然，需要一种完全不同的方法。

因为大部分Hanford废料中的原子是非放射性的。因此问题的关键是如何把大部分非放射性废料分离出来，只包含少部分放射性废料，更少部分的包含绝大多数放射性物质的高放废液。

在西谷和萨凡纳河，低放废液被稳定在水泥基质中而高放废液被玻璃固化。在Hanford正在建造的废液固化处理容器设备（WTP）可以同时固化低放和高放费用。因为低放废液就地处理，股东们，包括当地社会组织和土著印第安部落，都坚持用抗滤过性更好的玻璃而不是水泥基材料。

WTP拥有着2个10平方米的低放废液熔炉和两个3.75平方米的高放废液熔炉，是目前世界上最大的核废料玻璃固化处理装置。如图3所示，WTP由一个用于分离的前处理装置、LAW和HLW玻璃固化装置、一个实验室和其它20多个支撑建筑组成。

尽管用来固化商业HLW的设备可以使用固定的玻璃配方，但由于废液组成的多样性，需要大范围上不同的玻璃配方。发展这么多种不同的玻璃配方，在方案的优化上是一个问题。在一

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