放射性廢物玻璃固化

玻璃固化是將高放廢液與玻璃基材按一定比例混合後，在高温900-1200度下煅燒、熔融、澆注，經退火後轉化為穩定玻璃固化體。以磷酸、磷酸鹽或其他含磷物質作玻璃形成劑的稱為磷酸鹽玻璃固化，以二氧化硅和三氧化二硼作玻璃形成劑的稱為硼硅酸鹽玻璃固化。

從化學和物理的角度看，高放廢液的玻璃固化是一個溶解過程。其中，玻璃基材的熔融體構成溶劑以溶解高放廢液氧化物。氧化物因此轉化為玻璃結構的組成部分，如《硅酸鹽玻璃體系包容放射性核素示意圖》所示 ^[1]  。

玻璃固化的研究開始於20世紀50年代末，早期對磷酸鹽玻璃固化研究較多，隨後發現磷酸鹽玻璃固化體貯存一段時間後形成晶體，失去透明性，使放射性核素的浸出率顯著增加，而且磷酸腐蝕性強，熔融器和固化尾氣管道需用鉑作材料。於是研究工作的重點轉向硼硅酸鹽玻璃固化。研究結果證明，硼硅酸鹽玻璃是較理想的高放廢液固化基材。

按操作方式可分為兩種：①一步法，高放廢液和玻璃形成劑在玻璃熔制容器內蒸發、煅燒而熔製成玻璃；②兩步法，高放廢液先在煅燒器內轉化為煅燒物，然後進入熔融器，和玻璃形成劑熔製成玻璃。由於焦耳陶瓷熔融爐具有生產能力大、使用壽命長和玻璃質量好等優點，從70年代中期開始研究將高放廢液直接加入這種熔融爐的連續玻璃化流程。

玻璃固化時，大部分放射性核素在高温下以氧化物形式和玻璃形成劑熔製成均勻的玻璃體，從而使放射性核素有效地固定。固化體具有較高的抗化學介質侵蝕的能力和良好的輻照穩定性、熱穩定性和機械穩定性。不足之處是玻璃是一種自由能較高的亞穩態物質，它有通過析出晶體，釋放能量而到達穩定態的自發傾向。析出晶體的玻璃體在抗水浸出等性能上有所下降，這是安全上所不希望的。

玻璃種類繁多，化學成分複雜，不同體系玻璃的熔點、黏度、可達到減容比、浸出率、熱穩定性、機械穩定性和輻照穩定性均不同。應針對廢液的化學組成，選擇合適的玻璃配方和固化工藝，以降低玻璃的熔制温度，減少設備的腐蝕。

高放廢液玻璃固化工藝不斷改進，現已經歷了四代：感應加熱金屬熔爐——一步法工藝、迴轉爐煅燒+感應加熱金屬熔爐——兩步法工藝、焦耳加熱陶瓷熔爐工藝、冷坩堝感應爐工藝。此外，等離子體熔爐和電弧熔爐工藝等還在開發中。