玻璃固化配方设计及性能计算模型初步建成

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滚烫的玻璃熔融体从熔炉中缓缓浇注进容器

冷却凝固后的玻璃体整齐地放入库房……

莫非我们正身处某个玻璃生产厂之中吗？

这些玻璃怎么不像平时见到的那样晶莹透亮呢？

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图源 国家原子能机构

这些暗色的“玻璃块”可不是质量不佳的玻璃，而是包裹了放射性物质的玻璃固化产品，是一种安全稳定处置高放核废料的方式。近日，原子能院的一项科研成果为这些“玻璃块”的工艺优化提供了思路。

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玻璃固化配方设计及性能计算模型界面

这是原子能院放射化学研究所 “核废料玻璃固化中关键元素行为”研究项目自主研发设计的玻璃固化配方设计及性能计算模型，为玻璃固化熔制工艺控制和配方设计提供了有力的理论和模型计算支持。

玻璃固化是将高放废液中放射性废物进行包容处理的重要手段。将放射性废液和基础玻璃料以一定的比例加入高温熔炉，经过澄清和熔融后，废液中的放射性核素进入玻璃料的网格结构，和熔融的玻璃料形成统一的玻璃熔体；将玻璃熔体浇注进产品容器后冷却固化，就可以获得一个完整的实心“玻璃块”，放射性核素也被包裹其中，实现了放射性核素的安全处置。由于废液中含有不同的放射性核素，在加入熔炉时需要配合不同配方的基础玻璃料，以保证包容成型的玻璃固化体能够满足长期处置的安全评价要求。

过程中由于放射性废液里过渡金属含量较高，导致玻璃熔体极易形成析晶或熔体粘度增加，从而影响出料工艺；同时，随着燃耗升高，高放废液中镧系元素、过渡金属以及裂片元素的含量也会随之增加，从而影响玻璃固化熔制工艺进程。这些问题对于玻璃固化配方设计提出了挑战，是实现玻璃固化工程设施长期稳定运行所必须解决的重要问题。

为此，放射化学研究所研究团队针对高放废液中的Fe（铁）、Ni（镍）、Cr（铬）、Al（铝）等主要组分进行了配方设计和玻璃固化样品性能测试，成功获得相应的硼硅酸盐玻璃固化配方及性能分析数据。围绕Nd（钕）、Ce（铈）、Zr（锆）、Mo（钼）等元素不同添加量对玻璃固化熔体熔融反应速率、高温粘度、高温电阻率、液相温度、析晶温度的影响，团队也开展了相关研究并获得影响数据。针对易挥发元素Cs（铯），研究团队从熔制温度、熔制时间、熔体组成等方面进行了研究，成功获得影响其挥发行为的数据。基于上述实验的开展和数据的获取，原子能院初步建成玻璃固化配方设计及性能计算模型。

玻璃熔制反应样品对比图

在原子能院长期基础研究专项的支持下，放射化学研究所建立了玻璃固化关键元素行为研究方法，推进了院核废料玻璃固化关键元素行为基础平台建设，并培养了一批青年科研人才，进一步完善了放射性废物处理处置学科布局，健全了专业体系。未来，研究团队将继续开展对玻璃固化过程中关键元素挥发、析晶等行为的理论研究，进一步完善玻璃固化配方设计及性能计算软件功能，切实为高放废液玻璃固化工程“排忧解难”。