放射性廢物冷坩堝玻璃固化技術(shù)發(fā)展分析

劉麗君，張生棟

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413）

放射性廢物冷坩堝玻璃固化技術(shù)發(fā)展分析

劉麗君，張生棟＊

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413）

冷坩堝技術(shù)作為第四代玻璃固化工藝，已成為最有應(yīng)用前景的玻璃固化技術(shù)。本文闡述了冷坩堝技術(shù)的原理及應(yīng)用特點(diǎn)，概述了國(guó)際冷坩堝玻璃固化技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀，并對(duì)其涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了我國(guó)發(fā)展冷坩堝技術(shù)的設(shè)想。

冷坩堝感應(yīng)熔爐；放射性廢物；玻璃固化

在核能利用過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的放射性廢物。這些放射性廢物必須進(jìn)行妥善處理處置，以使其對(duì)環(huán)境造成的影響減小到最低程度。其中，高放廢液由于具有放射性水平高、成分復(fù)雜（含有很多生物毒性大、半衰期長(zhǎng)的核素）、發(fā)熱率高、酸性強(qiáng)、腐蝕性大等特點(diǎn)，其處理處置備受關(guān)注［1］。國(guó)際上對(duì)高放廢液的處理方法研究較多，可概括為兩類：一是直接固化處理后深地質(zhì)處置；二是先通過化學(xué)分離將高放廢液中的次錒系元素和長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物分離出來，然后將其嬗變成短壽命核素后再進(jìn)行地質(zhì)處置。目前直接固化處理后深地質(zhì)處置是相對(duì)成熟及具應(yīng)用前景的技術(shù)。固化技術(shù)經(jīng)過幾十年的研究現(xiàn)已可制備多種形式的固化體，如煅燒物、玻璃體、陶瓷體（包括人造巖石）、玻璃陶瓷體等，固化技術(shù)中，玻璃固化技術(shù)是核工業(yè)中固化高放廢物的成熟技術(shù)［2］。

幾十年來，法國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、日本、印度、中國(guó)等針對(duì)放射性廢物的玻璃固化材質(zhì)、玻璃固化工藝和設(shè)備開展了大量研究［2］。迄今為止，高放廢液玻璃固化工藝已發(fā)展了四代：感應(yīng)加熱金屬熔爐一步法罐式工藝（罐式法）、回轉(zhuǎn)煅燒爐＋感應(yīng)加熱金屬熔爐工藝（兩步法）、焦耳加熱陶瓷熔爐工藝（電熔爐法）、冷坩堝感應(yīng)熔爐（CCIM）工藝（冷坩堝法）。其中罐式法是一種工業(yè)化時(shí)間最早的批式固化技術(shù)，其熔爐壽命短、處理量低，目前已基本淘汰；兩步法和電熔爐法是當(dāng)前應(yīng)用最多、相對(duì)成熟的玻璃固化技術(shù)，但兩者存在以下不足：1）加熱熔體的溫度受限，一般熔爐運(yùn)行溫度控制在1 150℃或更低；2）高溫熔體對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，對(duì)電熔爐來說，由于高溫熔體對(duì)熔爐及電極的腐蝕，每5年左右就需更換1次，而金屬熔爐則需每年更換1次。為解決上述缺點(diǎn)，20世紀(jì)80年代中期研發(fā)了冷坩堝玻璃固化技術(shù)。法國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、韓國(guó)等均對(duì)其進(jìn)行了多年研究，其中俄羅斯和法國(guó)率先實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)在處理放射性廢液方面的工程應(yīng)用。目前冷坩堝技術(shù)已成為最有應(yīng)用前景的玻璃固化技術(shù)。

本文在闡述冷坩堝技術(shù)的原理及應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜述國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀，提出冷坩堝技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題及我國(guó)自主研發(fā)冷坩堝技術(shù)的設(shè)想。

1 冷坩堝玻璃固化技術(shù)的原理及特點(diǎn)

冷坩堝技術(shù)是一種從工業(yè)高溫冶金行業(yè)移植過來的玻璃熔制技術(shù)，它是利用電源產(chǎn)生高頻（105～106Hz）電流，再通過感應(yīng)線圈轉(zhuǎn)換成電磁流透入待加熱物料內(nèi)部形成渦流產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)待處理物料的直接加熱熔融［3－4］，其加熱原理如圖1所示。冷坩堝主要由高頻感應(yīng)電源、冷坩堝爐體和其他輔助裝置組成，其中冷坩堝爐體是由通冷卻水的金屬弧形塊或管組成的容器（容器形狀主要有圓形或橢圓形），工作時(shí)金屬管內(nèi)連續(xù)通冷卻水，坩堝內(nèi)熔融物的溫度可高達(dá)2 000℃以上，但坩堝壁仍保持較低溫度（一般小于200℃），使其在運(yùn)行過程中爐體近套管低溫度區(qū)域形成一層2～3cm厚的固態(tài)玻璃殼（冷壁），因此稱為“冷”坩堝。冷坩堝不需耐火材料，不用電極加熱，由于熔融的玻璃包容在冷壁之內(nèi)，大幅減少了對(duì)熔爐的腐蝕作用，使冷坩堝的使用壽命可大于20年。

圖1 冷坩堝感應(yīng)熔爐加熱原理Fig.1 Fundamental diagram of CCIM

目前國(guó)際上所建立的冷坩堝玻璃固化工藝根據(jù)進(jìn)料方式的不同分為一步法和兩步法。一步法是指待處理廢物和玻璃基料直接加入冷坩堝內(nèi)進(jìn)行處理，無需做任何預(yù)先處理。兩步法指的是待處理廢物先經(jīng)過預(yù)處理（如蒸發(fā)或煅燒），由液態(tài)轉(zhuǎn)化為泥漿或固體粉末狀態(tài)再加入冷坩堝內(nèi)與玻璃基料一起熔融成玻璃。目前法國(guó)和俄羅斯工程應(yīng)用的冷坩堝均為兩步法，韓國(guó)和美國(guó)研究的為一步法。一步法設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，適宜處理固體或含水量較低的廢物；而兩步法適宜處理含水量較高的廢液，其特點(diǎn)是待處理廢物先通過預(yù)處理，可大幅減輕冷坩堝對(duì)廢液蒸發(fā)、干燥、煅燒的壓力，彌補(bǔ)冷坩堝能耗高的缺點(diǎn)，提高其處理效率和生產(chǎn)能力。表1［5－6］對(duì)一步法和兩步法冷坩堝處理廢液能力進(jìn)行了比較，并將其與電熔爐進(jìn)行了對(duì)比。由表1可見，無論一步法還是兩步法，冷坩堝的單位面積玻璃產(chǎn)率均高于電熔爐的。

表1 電熔爐和冷坩堝玻璃固化處理參數(shù)［5－6］Table 1 Physical and process parameters for LFCM and CCIM［5－6］

冷坩堝既具有普通感應(yīng)加熱金屬熔爐（熱坩堝）的特點(diǎn)，又具有自身的優(yōu)勢(shì)［3］：

1）熔制溫度高，可達(dá)1 600～3 000℃，遠(yuǎn)大于熱坩堝和電熔爐所能承受的溫度。

2）熔融玻璃不直接與金屬接觸，腐蝕性小，維修少，爐體壽命長(zhǎng)。

3）可處理廢物范圍廣，尤其適用于腐蝕性較高的廢液和熔制溫度較高的廢液。

4）退役廢物量少。

冷坩堝技術(shù)在應(yīng)用過程中的主要不足在于能耗較高（約10%能量消耗在感應(yīng)線圈上，約20%能量消耗在冷坩堝上），普通熔爐熔制玻璃耗能1kW·h／kg玻璃，冷坩堝熔爐熔制玻璃耗能1.5kW·h／kg玻璃。

2 國(guó)外冷坩堝玻璃固化技術(shù)研究發(fā)展概況分析

冷坩堝玻璃固化技術(shù)從20世紀(jì)80年代研發(fā)至今，對(duì)各類高、中低放廢物，包括可燃和不可燃廢物，固體和液體廢物等處理的適應(yīng)性進(jìn)行了研究和臺(tái)架驗(yàn)證，研究結(jié)果表明，冷坩堝玻璃固化技術(shù)適用范圍非常廣，適合各種高、中低放廢液及有機(jī)廢物的處理。目前俄羅斯、法國(guó)、韓國(guó)均已實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，其他國(guó)家正處于計(jì)劃實(shí)施中。

2.1 法國(guó)

1）總體發(fā)展概況

法國(guó)是世界上冷坩堝玻璃固化技術(shù)研究較早的國(guó)家之一，從20世紀(jì)80年代開始冷坩堝玻璃固化技術(shù)的研發(fā)，已實(shí)現(xiàn)了從簡(jiǎn)單原理裝置到工程化的應(yīng)用［7－10］。表2列出了法國(guó)冷坩堝技術(shù)的主要發(fā)展歷程、特點(diǎn)和應(yīng)用，圖2為代表性裝置。

表2 法國(guó)冷坩堝技術(shù)的主要發(fā)展歷程［7－10］Table 2 Development history of CCIM technology in France［7－10］

圖2 法國(guó)研發(fā)過程中有代表性的冷坩堝裝置Fig.2 Representative CCIM developed in France

2）技術(shù)發(fā)展分析

法國(guó)冷坩堝技術(shù)從研發(fā)到實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，所進(jìn)行的研究主要集中在冷坩堝的規(guī)模、處理對(duì)象的適用性、性能改進(jìn)等方面，主要結(jié)果如下：

（1）法國(guó)所開發(fā)的冷坩堝爐體形狀為圓柱形，針對(duì)不同的處理對(duì)象及處理能力需求，冷坩堝直徑最小300mm，最大可達(dá)1 100mm。盡管試驗(yàn)了不同尺寸冷坩堝處理廢物的可行性，但最終R7工程應(yīng)用所用冷坩堝的直徑為650mm。

（2）針對(duì)固體可燃廢物、退役廢液、模擬高放廢液、模擬高放泥漿等不同的處理對(duì)象，進(jìn)行了工程驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果均表明冷坩堝適合處理這些廢物。

（3）在冷坩堝性能方面不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，主要包括：①為保證玻璃料的熱力學(xué)和化學(xué)均勻性，冷坩堝增加了冷卻攪拌裝置，并通過水力學(xué)臺(tái)架試驗(yàn)，優(yōu)化了攪拌槳槳葉的輪廓和旋轉(zhuǎn)速率，攪拌槳設(shè)計(jì)為可伸縮式；②出料系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩個(gè)水冷閘板閥控制，上層閘板閥對(duì)產(chǎn)品玻璃出料速率進(jìn)行控制，下層閘板閥是上層閘板閥的備品，確保出料的安全；③在研究過程中不斷優(yōu)化感應(yīng)線圈的高度和尺寸，使冷坩堝能量損失率降低了30%。

（4）冷坩堝在處理放射性廢物時(shí)，既可液體進(jìn)料，也可固體進(jìn)料。在處理液體廢物時(shí)，采用先煅燒再固化的方法處理能力更高。法國(guó)在開發(fā)過程中著重于旋轉(zhuǎn)煅燒爐＋冷坩堝的兩步法技術(shù)。目前兩步法的冷坩堝技術(shù)成熟度可達(dá)9級(jí)（冷坩堝技術(shù)的成熟度分級(jí)情況如圖3所示），而采用液體直接進(jìn)料或更大尺寸的冷坩堝，技術(shù)成熟度較低，為4～6級(jí)。

3）工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

法國(guó)在2005年開始啟動(dòng)了一項(xiàng)“冷坩堝2010玻璃固化項(xiàng)目”，計(jì)劃利用5年的時(shí)間，將冷坩堝技術(shù)應(yīng)用在R7玻璃固化線上，替代現(xiàn)有的一條熱坩堝金屬熔爐。冷坩堝固化線為兩步法，與原有熱坩堝固化線使用同一個(gè)煅燒爐。2009年開始拆除舊的熱坩堝，共用了10個(gè)月的時(shí)間完成了“拆舊換新”的工作。2010年4月，開始啟動(dòng)冷坩堝玻璃固化生產(chǎn)。

2010—2011年，法國(guó)在R7冷坩堝固化線上對(duì)UP2-400后處理廠產(chǎn)生的退役廢液進(jìn)行了處理。退役廢液不同于一般的中低放廢液，在退役過程中，有時(shí)為了達(dá)到很好的去污效果，需加入一些非常規(guī)去污劑（如F－），這些物質(zhì)的腐蝕性極強(qiáng)，用法國(guó)現(xiàn)有的熱金屬熔爐難以直接進(jìn)行處理，必須先用其他廢液稀釋后再進(jìn)行處理，這就造成玻璃固化體對(duì)廢液的包容量降低。為解決退役廢液的腐蝕及包容率低的問題，阿格廠決定采用冷坩堝來處理這些退役廢液。目前這些廢液已處理完畢，共生產(chǎn)了200桶玻璃固化體。

在退役廢液處理結(jié)束后，法國(guó)已確定從2013年10月開始利用冷坩堝技術(shù)處理氣冷堆中U-Mo-Sn-Al乏燃料元件后處理產(chǎn)生的U-Mo廢液，計(jì)劃4～5年將其全部處理完。這將成為冷坩堝處理高放廢液的最早工程應(yīng)用。

2.2 俄羅斯

1）總體發(fā)展概況

俄羅斯從20世紀(jì)80年代中期開始冷坩堝玻璃固化技術(shù)研究，至今已有近30年的發(fā)展歷史［1113］。主要的研發(fā)內(nèi)容和里程碑式的節(jié)點(diǎn)如下：（1）80年代中期，開始冷坩堝玻璃固化技術(shù)研究，設(shè)計(jì)建造了各種尺寸和幾何形狀的冷坩堝以及相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)施；（2）1990年，開始在莫斯科建造冷坩堝玻璃固化工廠，1997年建成；（3）1998年，冷坩堝玻璃固化工廠進(jìn)行非放試驗(yàn)；（4）1999年，冷坩堝玻璃固化工廠開始運(yùn)行，用于固化中低放廢物；（5）2003年，提出井式爐-冷坩堝技術(shù)聯(lián)合系統(tǒng)，用于處理放射性固體廢物和混合廢物。

2）技術(shù)發(fā)展分析

俄羅斯的冷坩堝玻璃固化技術(shù)從研發(fā)到工程應(yīng)用時(shí)間較短，所進(jìn)行的研發(fā)也主要集中在冷坩堝的形狀、尺寸、處理對(duì)象、性能優(yōu)化等方面。主要結(jié)果如下：

圖3 法國(guó)各種規(guī)模及不同進(jìn)料方式的冷坩堝技術(shù)成熟度Fig.3 Technical maturity of CCIM with different scales and feeding manners in France

（1）俄羅斯開發(fā)的冷坩堝從形狀和結(jié)構(gòu)上分類主要有兩種形式［12－13］，一種冷坩堝橫截面為橢圓形，結(jié)構(gòu)與俄羅斯焦耳爐類似，分為熔制和均化（出料）兩個(gè)區(qū)，通過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)有效防止進(jìn)料物質(zhì)進(jìn)入到出料區(qū)，這種類型的冷坩堝適合液體進(jìn)料。第二種類型的冷坩堝橫截面為圓形或橢圓形，安裝有卸料單元，可連續(xù)進(jìn)料?，F(xiàn)在玻璃固化工廠采用的是第二種冷坩堝設(shè)計(jì)。

（2）冷坩堝的尺寸從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到中試再到1∶1工程臺(tái)架是逐步放大的。最初的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模冷坩堝容量?jī)H為1～3L，在玻璃固化工廠中應(yīng)用的冷坩堝尺寸則為590mm×300mm× 655mm。

（3）處理放射性液體廢物時(shí)需進(jìn)行預(yù)處理。無論是中低放廢液還是模擬高放廢液的處理，均不是采用液體直接進(jìn)料，而是在進(jìn)入冷坩堝前進(jìn)行煅燒或蒸發(fā)處理。如正在運(yùn)行的冷坩堝玻璃固化工廠中，在廢液進(jìn)入冷坩堝前，先使用旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器進(jìn)行廢液的濃縮，而VNIINM所建立的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模冷坩堝則配備了旋轉(zhuǎn)煅燒爐。

（4）盡管冷坩堝技術(shù)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，仍在不斷地優(yōu)化、改進(jìn)，如：為能實(shí)現(xiàn)高黏度玻璃的熔制增加了攪拌系統(tǒng)；為能有效處理固體放射性廢物和混合廢物，并提高冷坩堝的處理能力，將井式爐與冷坩堝感應(yīng)熔爐技術(shù)結(jié)合起來，在穿過井式爐過程中實(shí)現(xiàn)物料的加熱、干燥、分解等。圖4為俄羅斯開發(fā)研究的冷坩堝。

3）工業(yè)應(yīng)用情況

俄羅斯是冷坩堝玻璃固化技術(shù)工程應(yīng)用最早的國(guó)家。早在1997年俄羅斯就在莫斯科拉同聯(lián)合體建成了一個(gè)冷坩堝處理中放廢液的玻璃固化廠，1999年初開始固化中放廢液。中放廢液先在旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器中進(jìn)行濃縮，鹽含量可濃縮至約1 000kg／m3，然后與玻璃基料一起混合形成泥漿形式，泥漿含水率為20%～25%，泥漿在蠕動(dòng)泵作用下進(jìn)入到冷坩堝內(nèi)進(jìn)行熔制。處理溫度為1 150～1 200℃，廢物包容量為30%～35%。此固化廠共有3條冷坩堝生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線生產(chǎn)能力可達(dá)25～30kg／h［12］。

對(duì)于冷坩堝技術(shù)處理高放廢液，俄羅斯已在建于馬雅克核設(shè)施內(nèi)的兩步法冷坩堝臺(tái)架上進(jìn)行了可行性驗(yàn)證試驗(yàn)研究［11］。模擬高放廢液預(yù)處理利用了逆流蒸發(fā)器，采用磷酸鹽玻璃固化模擬高放廢液，熔制溫度為1 200℃，玻璃生產(chǎn)能力可達(dá)18kg／h。

2.3 韓國(guó)

圖4 俄羅斯研發(fā)過程中有代表性的冷坩堝Fig.4 Several representative CCIMs developed in Russia

韓國(guó)核環(huán)境技術(shù)研究所（NETEC）在20世紀(jì)90年代初就考慮利用固化技術(shù)來處理中低放廢物。法國(guó)與韓國(guó)從1997年開始實(shí)施了一項(xiàng)國(guó)際合作項(xiàng)目，以開發(fā)對(duì)韓國(guó)核電廠廢物進(jìn)行固化處理的冷坩堝工業(yè)應(yīng)用技術(shù)。1999年10月在NETEC設(shè)計(jì)和建造了一座中試廠，用于各種核電站廢物處理的研究［14］。利用冷坩堝對(duì)模擬可燃干放射性廢物（DAW）、廢離子交換樹脂、硼濃縮物進(jìn)行了玻璃固化試驗(yàn)。結(jié)果表明，對(duì)于所有廢物均能產(chǎn)生穩(wěn)定的玻璃固化體，排氣管中被控氣體遠(yuǎn)低于環(huán)保規(guī)定限值，并獲得了很高的廢物減容比（表3）。在中試廠冷臺(tái)架成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，2002年6月，NETEC決定在蔚珍建設(shè)一座商業(yè)規(guī)模的固化廠——蔚珍固化廠［15］。法國(guó)通用新技術(shù)公司（SGN）與現(xiàn)代工程公司（HEC，現(xiàn)代集團(tuán)的子公司）從2003年12月起參與了蔚珍固化廠的建設(shè)項(xiàng)目。該廠的基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)于2005年4月完成［16］。

表3 模擬核電站廢物玻璃固化體的減容比Table 3 Volume reduction factor（VRF）of vitrificating simulated radioactive waste from Korean nuclear power plant

2.4 美國(guó)

近期，美國(guó)已將冷坩堝技術(shù)作為下一代放射性廢物玻璃固化工廠備選技術(shù)之一［17］。為評(píng)價(jià)該技術(shù)對(duì)本國(guó)廢物處理的適用性，美國(guó)與俄羅斯、法國(guó)、韓國(guó)等都進(jìn)行過合作，利用這些國(guó)家的冷坩堝裝置對(duì)本國(guó)的放射性廢液／泥漿等進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)［18－20］，結(jié)果表明，此技術(shù)能滿足美國(guó)放射性廢物處理的要求。

在評(píng)價(jià)冷坩堝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、安全性方面，美國(guó)也發(fā)現(xiàn)僅通過與國(guó)外合作是不夠的，還需自主建造冷坩堝。因此，愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（INEEL）與俄羅斯合作，建立了一套冷坩堝實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。該冷坩堝爐體內(nèi)徑為267mm，既可液體進(jìn)料，也可固體進(jìn)料［21］。在此樣機(jī)的基礎(chǔ)上，擬設(shè)計(jì)建造下一代冷坩堝系統(tǒng)［22］。

2.5 印度

印度在巴巴原子研究中心完成了直徑200mm、配有底部出料的冷坩堝設(shè)計(jì)與測(cè)試，并自主設(shè)計(jì)研發(fā)了工程規(guī)模冷坩堝臺(tái)架，冷坩堝內(nèi)徑為500mm、玻璃熔融量為65L。印度所開發(fā)的冷坩堝出料方式與法國(guó)和俄羅斯等的有所不同，為水冷提塞式出料，熔池內(nèi)的玻璃液位到達(dá)指定高度后，將水冷提塞提起，即可實(shí)現(xiàn)出料。Sugilal等［23］在此臺(tái)架上進(jìn)行了玻璃熔制過程的電學(xué)、熱學(xué)等測(cè)試，測(cè)試過程中為基礎(chǔ)玻璃珠進(jìn)料。

3 冷坩堝玻璃固化過程中的關(guān)鍵技術(shù)分析

冷坩堝玻璃固化與電熔爐和熱金屬熔爐的加熱原理不同，因此其涉及的關(guān)鍵技術(shù)與其他熔爐技術(shù)有所區(qū)別。從國(guó)外冷坩堝的技術(shù)發(fā)展歷程可得出冷坩堝玻璃固化技術(shù)需重點(diǎn)關(guān)注如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和問題。

1）進(jìn)料

冷坩堝既可液體進(jìn)料，也可固體進(jìn)料，兩種進(jìn)料方式在技術(shù)上均是可行的。但考慮到冷坩堝的電能利用率較低，在處理放射性廢液時(shí)，如果將廢液直接加入冷坩堝進(jìn)行處理將大幅降低處理能力。因此，國(guó)際上一般采用兩步法對(duì)其進(jìn)行處理，將放射性廢液先進(jìn)行煅燒或蒸發(fā)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w或泥漿形式再進(jìn)料。

2）攪拌

冷坩堝熔爐體積小，玻璃物料在其內(nèi)停留時(shí)間較短，如何實(shí)現(xiàn)玻璃的澄清、均化，確保玻璃固化體的質(zhì)量至關(guān)重要。對(duì)于直徑較大的冷坩堝，一般需對(duì)其進(jìn)行攪拌和／或鼓泡處理。如法國(guó)和俄羅斯均采用機(jī)械攪拌措施，韓國(guó)中試廠的冷坩堝在底部配備了12根鼓泡管。在高溫、高頻條件下，所使用攪拌槳的材質(zhì)和設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)。

3）出料

熔制過程中出料量的控制非常重要。為避免出料過多、玻璃從產(chǎn)品容器內(nèi)溢出的風(fēng)險(xiǎn)，需采取一定的保證措施：一是出料系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全、嚴(yán)格受控；二是出量料的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前玻璃熔爐的出料控制方式主要有兩種：凍融閥和閘板閥。由于冷坩堝底部與側(cè)壁同樣存在“冷壁”，因此無論哪一種出料方式，其設(shè)計(jì)與控制均與常規(guī)的熱熔爐出料不同。對(duì)于出料量的監(jiān)測(cè)方法主要有：實(shí)際測(cè)量澆注在容器內(nèi)的玻璃質(zhì)量和測(cè)定冷坩堝體內(nèi)的玻璃液位。

4）重金屬沉積

鉑族金屬在1 100～1 200℃的硼硅酸鹽玻璃中無法與氧配位，并且由于密度大而逐漸沉降在熔池底部。玻璃熔制過程中發(fā)生的重金屬沉積將導(dǎo)致玻璃熔體導(dǎo)電性能和黏度發(fā)生變化，影響熔爐的正常運(yùn)行和玻璃的澆注，無論哪種熔爐都需關(guān)注該問題。

要解決重金屬沉積可采取如下幾項(xiàng)措施：（1）熔制過程中進(jìn)行攪拌或鼓泡，減少重金屬的沉積；（2）采用熔爐底部出料，與溢流出料相比，底部出料更有利于將沉積的重金屬?gòu)牡撞颗懦?；?）限制熔體在熔爐內(nèi)的停留時(shí)間，重金屬的沉積需要一定時(shí)間，應(yīng)盡可能在發(fā)生沉積前將熔體從熔爐內(nèi)卸出。對(duì)于冷坩堝，熔爐體積小，熔體在熔爐內(nèi)停留時(shí)間短。以法國(guó)R7上的冷坩堝為例，熔體在冷坩堝內(nèi)停留約十多小時(shí)，遠(yuǎn)低于電熔爐中熔體的停留時(shí)間（以我國(guó)冷臺(tái)架為例，約為50h），且在過程中有機(jī)械攪拌和／或空氣鼓泡，限制了重金屬的沉積。因此，冷坩堝技術(shù)相對(duì)于電熔爐來說不易發(fā)生重金屬沉積。

5）冷卻系統(tǒng)

冷坩堝運(yùn)行過程中冷坩堝堝體、高頻電源、感應(yīng)線圈等均需冷卻，且每部分的冷卻水溫度控制均不同。一旦冷卻系統(tǒng)失靈，高頻電源會(huì)因過熱元件損壞，冷坩堝內(nèi)的冷壁也會(huì)熔化，造成熔體泄漏的危險(xiǎn)。因此冷卻系統(tǒng)的控制至關(guān)重要，一般為保證安全，冷卻需有備用、應(yīng)急措施。

6）尾氣處理

由于冷坩堝的處理溫度較通常電熔爐和熱金屬熔爐高，因此揮發(fā)的核素相對(duì)較多。如何在過程中進(jìn)行核素?fù)]發(fā)控制是簡(jiǎn)化尾氣處理系統(tǒng)的重要問題之一。一般可采取兩種措施進(jìn)行核素?fù)]發(fā)控制：一是在熔制過程中控制熔體表面存在一定的冷帽，冷帽大小可由進(jìn)料速率和電源加熱功率來控制，一般為盡可能減少核素?fù)]發(fā)，冷帽控制在60%～85%；二是在尾氣處理系統(tǒng)中增設(shè)除塵單元，可以是濕法除塵，也可以是干法除塵，截留下大部分顆粒，然后再定期返回冷坩堝內(nèi)進(jìn)行處理。

4 冷坩堝玻璃固化技術(shù)國(guó)內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀及設(shè)想

中國(guó)原子能科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱原子能院）從“九五”期間開始跟蹤冷坩堝玻璃固化技術(shù)，2006年開始開展冷坩堝玻璃固化技術(shù)研究，目前已建立起我國(guó)第一套冷坩堝實(shí)驗(yàn)室原理實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括冷坩堝堝體、高頻電源、進(jìn)料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、尾氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。研制的冷坩堝爐體直徑300mm、高頻電源功率100kW、頻率300～700kHz。當(dāng)前研究所采用的進(jìn)料方式為化學(xué)試劑直接進(jìn)料。

通過研究，成功研制了高頻大功率感應(yīng)加熱電源，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)用于玻璃固化的工業(yè)規(guī)模高頻感應(yīng)加熱電源的空白。確定了冷坩堝的主體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了與高頻電源感應(yīng)系統(tǒng)的高效耦合。建立了簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、高效的冷坩堝玻璃固化“啟動(dòng)”工藝，保證了冷坩堝玻璃固化裝置的成功運(yùn)行。并初步開展了模擬玻璃固化體的連續(xù)運(yùn)行工藝研究，成功進(jìn)行了冷坩堝啟動(dòng)、擴(kuò)熔、周期熔融，獲得了一批冷坩堝玻璃固化工藝參數(shù)。

在原理實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，今后將逐步開展冷坩堝玻璃固化關(guān)鍵技術(shù)研究、工程試驗(yàn)冷臺(tái)架研究及工程化應(yīng)用研究。通過幾個(gè)階段的研究，解決冷坩堝玻璃固化過程中涉及的攪拌系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)、自動(dòng)控制、高放廢液預(yù)處理技術(shù)、遠(yuǎn)距離維修、輻射防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持和保證。

預(yù)計(jì)在2025年左右我國(guó)能建成2～3個(gè)冷坩堝玻璃固化工業(yè)規(guī)模臺(tái)架，作為今后科研平臺(tái)，如配方研發(fā)和驗(yàn)證、疑難廢物處理等。同時(shí)冷坩堝技術(shù)具備可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的條件，應(yīng)用于我國(guó)的后處理廠中。

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Analysis of Technical Development of Vitrificating Radioactive Waste in Cold Crucible Induction Melter

LIU Li-jun，ZHANG Sheng-dong＊
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box275-93，Beijing102413，China）

Cold crucible induction melter（CCIM）technology，as the fourth generation vitrification technology，is the most promising application technology.In this paper，the principal，application characteristics and the research and development status of this technology were reviewed.Several key technics and problems about CCIM technology were analyzed.On that basis，some suggestions on developing CCIM technology in China were proposed.

cold crucible induction melter；radioactive waste；vitrification

TL941.113

：A

：1000-6931（2015）04-0589-08

10.7538／yzk.2015.49.04.0589

2013-12-23；

2014-03-17

劉麗君（1979—），女，河北唐山人，副研究員，博士，核燃料循環(huán)與材料專業(yè)

＊通信作者：張生棟，E-mail：zhangsd＠ciae.ac.cn