日本高放廢液玻璃固化技術(shù)

盧嘉煒，郭子方，吳志豪，陳 耿，翁漢欽，林銘章，陳曉麗，周 強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽 合肥 230027； 2.中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000)

日本自20世紀(jì)50年代中期開(kāi)始發(fā)展核電，并于1966年正式運(yùn)行第一個(gè)商業(yè)核反應(yīng)堆。由于缺乏足夠的自然資源，日本決定采取閉式的核燃料循環(huán)政策。日本的放射性廢物管理分為幾個(gè)主要類別：高水平放射性廢物(HLW)、低水平放射性廢物(LLW)、核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物、極低水平放射性廢物(VLLW)、鈾生產(chǎn)廢物和超鈾(TRU)廢物。目前，對(duì)于高放廢物，玻璃固化已成為被人們普遍接受的滿足安全處置的形式。玻璃固化技術(shù)自20世紀(jì)50年代以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展了四代，分別是罐式法、煅燒+感應(yīng)熔爐法、焦耳加熱陶瓷熔爐法和冷坩鍋法，其中最常用的是焦耳加熱陶瓷熔爐法。然而一些國(guó)家的焦耳加熱陶瓷熔爐在運(yùn)行期間，曾出現(xiàn)貴金屬底部沉積、運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)黃相、熔爐冷卻水管泄露、加熱/冷卻線圈失靈和電極燒壞等問(wèn)題。目前這些問(wèn)題還有待尋找更佳的解決辦法[1-4]。

日本于1976年開(kāi)展高水平放射性廢物研發(fā)計(jì)劃，并于20世紀(jì)70年代初期，動(dòng)燃團(tuán)(現(xiàn)日本原子力研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)，JAEA)進(jìn)行模擬高放廢液玻璃固化技術(shù)的研究。過(guò)去，日本主要依靠英國(guó)BNFL(現(xiàn)為政府核退役管理局)和法國(guó)公司COGEMA(現(xiàn)為ORANO)處理其生產(chǎn)的大部分乏燃料。1992年，日本核燃料有限公司(JNFL)在茨城縣東海村(Tokai)后處理廠建成用于處理高放廢液的玻璃固化設(shè)施，并于1993年在青森縣六所村(Rokkasho)建造了日本第一家商業(yè)核燃料后處理廠[5-8]。

日本在相關(guān)玻璃固化研發(fā)和測(cè)試過(guò)程中，不斷出現(xiàn)熔爐底部出料口堵塞、乏燃料儲(chǔ)存池泄露等問(wèn)題，致使六所村后處理廠玻璃固化設(shè)施投入運(yùn)行的時(shí)間一再推遲，同時(shí)東海后處理廠固化設(shè)施也由于各種問(wèn)題被暫停運(yùn)行多年。自1982年以來(lái)，日本利用液體進(jìn)料焦耳加熱陶瓷熔爐技術(shù)(LFCM)在工程規(guī)模和模擬規(guī)模的熔爐中開(kāi)展了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，已有20多年經(jīng)驗(yàn)。雖然期間日本發(fā)生多起玻璃固化事故，但日本在玻璃固化技術(shù)研發(fā)方面一直處于領(lǐng)先地位，因此也積累了很多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。基于經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及現(xiàn)行設(shè)施，日本還開(kāi)展了先進(jìn)玻璃固化技術(shù)的研究和下一代技術(shù)的基礎(chǔ)研究。因此，本文旨在一方面回顧日本玻璃固化的歷史，理清日本玻璃固化的發(fā)展脈絡(luò)；另一方面，分析其發(fā)展歷程及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為我國(guó)的玻璃固化發(fā)展提供相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 東海村后處理廠玻璃固化設(shè)施(TVF)

1.1 工藝及設(shè)備

1992年，為了解決茨城縣東海村后處理廠產(chǎn)生的高水平放射性廢物，日本在東海后處理工廠建成了用于處理高放廢液的陶瓷熔爐玻璃固化設(shè)施(TVF)，于1995年開(kāi)始正式運(yùn)行。TVF采用液體進(jìn)料焦耳加熱陶瓷熔爐(LFCM)方式，即將高放廢液與玻璃形成劑(纖維狀)同時(shí)投入玻璃熔爐，直接通電加熱熔融后，將其注入固化體容器從而制得玻璃固化體。TVF的裝置圖如圖1所示[9-11]。

圖1 東海村后處理廠陶瓷熔爐玻璃固化的設(shè)施示意圖[12]Fig.1 Schematic diagram of facilities for vitrification at Tokai[12]

TVF對(duì)HLW處理能力為0.35 m3/d，玻璃固化體生產(chǎn)能力為0.7 t/d。TVF液體進(jìn)料焦耳加熱陶瓷熔爐技術(shù)(LFCM)工藝流程主要為：首先通過(guò)地溝中的管道把高放廢液從東海村后處理廠運(yùn)入玻璃固化設(shè)施的接收槽內(nèi)，完成高放廢液的接收；其次對(duì)高放廢液進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)添加化學(xué)藥品或者在蒸發(fā)器內(nèi)濃縮的方法把廢液濃縮到原始濃度的兩倍左右，把預(yù)處理后的高放廢液用蒸汽噴射方法轉(zhuǎn)移到進(jìn)料槽。用兩級(jí)空氣提升器把高放廢液從進(jìn)料槽連續(xù)地供給熔爐；熔爐內(nèi)采用硅碳電阻加熱法進(jìn)行啟動(dòng)或重新啟動(dòng)，隨后用焦耳法加熱。玻璃固化過(guò)程中，由于高放廢液與玻璃形成劑同時(shí)投入玻璃熔爐，可使進(jìn)入熔爐的高放廢液吸入硼硅玻璃纖維濾筒內(nèi)熔化，以減少熔爐廢氣系統(tǒng)中的微粒霧沫，爐內(nèi)溫度控制在1 100～1 250 ℃，熔融速度為9 kg/h；之后將熔融玻璃定期從熔爐底部排入熔爐底下的不銹鋼容器罐[13-15]。在熔爐底部設(shè)有用感應(yīng)加熱法控制的凝結(jié)閥，以進(jìn)行熔融玻璃的排放，其平均排放速度為150 kg/h。在熔爐底部?jī)?nèi)表面設(shè)有45°的傾斜角，以防正極短路和貴金屬聚集。熔爐的設(shè)計(jì)壽命不少于5年。

圓柱型不銹鋼容器罐高104 cm，外徑43 cm，1個(gè)容器可裝約300 kg(約110 L)玻璃固化物。當(dāng)熔融玻璃排入容器罐時(shí)，連續(xù)測(cè)量實(shí)際進(jìn)入該罐的玻璃重量。罐裝滿后，運(yùn)到焊接室，用鎢電極惰性氣體焊機(jī)封閉頂蓋。用高壓水噴射法和鋼絲刷洗法對(duì)容器罐進(jìn)行表面去污，然后用擦拭法檢查。最后，再檢查容器罐的尺寸和外觀，確保沒(méi)有問(wèn)題后運(yùn)往貯存室。

玻璃固化體廢物罐(以下簡(jiǎn)稱玻璃固化罐)需在地下貯存30～50年后再搬運(yùn)出來(lái)進(jìn)行最終地質(zhì)處置。此外，還要對(duì)二次廢物與固化過(guò)程產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行處理[16-18]。熔爐廢氣處理系統(tǒng)由下列部分組成：粉塵洗滌器、文丘里管洗滌器、多孔板水洗滌器、高效煙霧消除器、釕吸收器(石英凝膠)和高效微?？諝膺^(guò)濾器，這些裝置主要用于去除亞微粒、煙霧和揮發(fā)性釕。

LFCM工藝的特征是可以連續(xù)運(yùn)行和規(guī)模大型化。另外，因?yàn)閷U液直接供入爐內(nèi)，爐內(nèi)部表面的溫度可保持較低狀態(tài)，所以銫等放射性核素的揮發(fā)較少[19-20]。TVF固化體的組成成分管理值中，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt.)表示，全廢棄物氧化物目標(biāo)值為25%，實(shí)際含有率≤30%，Na2O含有率目標(biāo)值為10%，實(shí)際含有率為8～12%，其標(biāo)準(zhǔn)組成列于表1。

1.2 存在問(wèn)題

TVF熔爐的運(yùn)行始于1992年，一直持續(xù)到2001年，期間曾發(fā)生兩次重要的故障。之后由于1997年發(fā)生在德海后處理廠瀝青固化設(shè)施的爆炸事故，使得TVF熔爐的操作也在2001年被迫暫停三年半。第一次事故是將熔融的玻璃從液體進(jìn)料焦耳加熱陶瓷熔爐注入不銹鋼容器中時(shí)，由于出料口溫度控制不當(dāng)，導(dǎo)致熔融的玻璃沉積在與容器相連接的設(shè)備中，造成底部出料口堵塞。之后JNFL安裝了改進(jìn)設(shè)備，新的連接設(shè)備采用了改進(jìn)的取樣容器并設(shè)置了一個(gè)更大的觀察窗。出料口采用振動(dòng)粉磨機(jī)和抽氣器排出在連接設(shè)備內(nèi)的玻璃沉積物。同時(shí)對(duì)手冊(cè)中有關(guān)監(jiān)測(cè)底部溫度和熔融玻璃流動(dòng)狀態(tài)的程序進(jìn)行了修改。第二次事故是由于貴金屬的積累，造成其中一個(gè)主電極損壞。日本JNFL對(duì)熔爐設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，增強(qiáng)了對(duì)貴金屬的排出能力，改進(jìn)后的第二臺(tái)熔爐于2004年10月正式投入運(yùn)行，到2007年生產(chǎn)了35 t玻璃固化體[21-22]。

表1 TVF玻璃固化體的標(biāo)準(zhǔn)組成Tab.1 Standard composition of TVF vitrification

從1994年到2007年，JAEA在東海運(yùn)行了相關(guān)的HLW玻璃固化試驗(yàn)設(shè)施，生產(chǎn)了247罐玻璃固化廢物。2007年之后，由于核電站進(jìn)行抗地震重新評(píng)估和受福島第一核電站事故的影響，TVF的熱運(yùn)行被暫停多年。2016年1月，TVF重新啟動(dòng)運(yùn)行，對(duì)400 m3的高放廢液進(jìn)行了玻璃固化處理，又生產(chǎn)59個(gè)玻璃固化罐[23]。

2 六所村后處理廠玻璃固化設(shè)施(JVF)

2.1 工藝及主要設(shè)備

1993年，為處理日本國(guó)內(nèi)輕水堆產(chǎn)生的乏燃料，JNFL在青森縣六所村建立了日本第一家商業(yè)核燃料后處理廠(RRP)。該后處理廠設(shè)有五個(gè)設(shè)施：1)后處理廠；2)MOX燃料制造設(shè)施；3)鈾濃縮設(shè)施；4)高放射性廢物儲(chǔ)存和管理中心；5)低放射性處置中心。RRP的最大處理能力為800 tU/a，其玻璃固化設(shè)施(JVF)擁有2條生產(chǎn)線，分別是A系列和B系列玻璃固化生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線的日處理能力為1.68 m3 [24]。

六所村后處理廠的玻璃固化設(shè)施(JVF)，其工藝采用與東海村后處理設(shè)施相同的液態(tài)進(jìn)料陶瓷熔爐(LFCM)技術(shù)。首先采用“焦耳加熱”(電流直接通過(guò)材料進(jìn)行加熱)的方法在陶瓷熔爐中熔化硼硅酸鹽玻璃；然后，將高放廢液加入爐中；最后將熔融的液態(tài)混合物灌入密封容器中。待容器裝滿且混合物固化后，對(duì)容器進(jìn)行焊接密封，然后將經(jīng)檢查合格的容器送入玻璃固化廢物貯存中心。玻璃固化熔爐外觀圖如圖2所示，該裝置橫向、縱向(不含支架高度)均為3 m[25]。

圖2 六所村后處理廠陶瓷熔爐玻璃固化的設(shè)施示意圖[12]Fig.2 Schematic diagram of facilities for vitrification at Rokkasho[12]

在玻璃熔爐的運(yùn)行過(guò)程中，有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，其一是爐內(nèi)溫度控制。JVF熔爐采用主電極間電力(焦耳加熱)和間接加熱電力進(jìn)行調(diào)控，從而將玻璃溫度和氣相溫度維持在目標(biāo)范圍內(nèi)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，溫度控制與冷帽層的控制密切相關(guān)。因?yàn)槔涿睂拥男纬蔂顟B(tài)隨高放廢液的性狀(廢液濃度、廢液成分等)或電力平衡(主電極間電力和間接加熱電力)等的變化而變化，因此需根據(jù)高放廢液的性狀設(shè)定電力平衡。熔爐爐內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)及調(diào)控主要分為爐上部和爐底部。監(jiān)測(cè)及調(diào)控爐上

部的目的是為了保證爐內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行，主要監(jiān)視點(diǎn)分為氣相溫度和液相溫度。氣相溫度通過(guò)間接加熱電力進(jìn)行調(diào)控，液相溫度即玻璃溫度主要通過(guò)主電極電力進(jìn)行調(diào)控。監(jiān)測(cè)和調(diào)控爐底部的目的是為了防止鉑族金屬在底部出料口的沉積，主要監(jiān)視爐內(nèi)的溫度，通過(guò)底部輔助電極冷卻流量進(jìn)行調(diào)控。其示意圖如圖3所示。

圖3 熔爐爐內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)及調(diào)控示意圖[12]Fig.3 Temperature monitoring and control diagram in melting furnace[12]

第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是防止鉑族金屬的沉降。高放廢液中含有Na、Zn、Mo、Cs、Ba、Ru、Rh、Pd、錒系元素以及鑭系元素等。其中Ru、Rh、Pd等鉑族金屬元素與玻璃的熔融性差，密度大，容易沉積。隨著鉑族金屬濃度的增加(沉降、堆積)，會(huì)導(dǎo)致玻璃的粘性上升，同時(shí)鉑族金屬濃度的增加會(huì)使導(dǎo)電率上升(電阻下降)，導(dǎo)致玻璃的加熱性能變差。針對(duì)該問(wèn)題，日本采用熔爐內(nèi)爐底低溫運(yùn)行的方法進(jìn)行控制。第一步是低溫運(yùn)行階段，高放廢液和玻璃固化體原料顆粒通過(guò)連續(xù)供給的方式送入到熔爐內(nèi)，此時(shí)爐底溫度保持在較低狀態(tài)；第二步爐底加熱，通過(guò)主電極間通電，使?fàn)t內(nèi)溫度上升；第三步流出，利用流出噴嘴進(jìn)行高頻加熱，使熔爐內(nèi)的物質(zhì)流出；第四步爐底冷卻，待熔融物流出后，通過(guò)外界空氣使熔爐內(nèi)溫度逐漸降低。與東海村的玻璃固化設(shè)施TVF相比，JVF在熔爐底部構(gòu)造上進(jìn)行了第一代(KMOC#1)和第二代(KMOC#2)的改良，使其具備防止異物阻塞功能，無(wú)鉑族金屬容易堆積的部位，以提高鉑族金屬排出性能。同時(shí)在供給時(shí)廢料不經(jīng)過(guò)濃縮，因此高放廢液中的氧化物濃度會(huì)隨燃耗等變動(dòng)[26-27]。東海后處理廠和六所村后處理廠玻璃固化工藝對(duì)比列于表2。

2.2 存在問(wèn)題

六所村后處理廠于2006年11月生產(chǎn)出第一臺(tái)MOX粉末產(chǎn)品，并于2007年11月使用A系列固化生產(chǎn)線對(duì)玻璃固化設(shè)施進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)的前兩個(gè)月，玻璃固化設(shè)施生產(chǎn)了60個(gè)玻璃固化罐，但之后由于蓋子被焊接到玻璃固化廢物罐上造成了焊接機(jī)器的損壞，導(dǎo)致測(cè)試實(shí)驗(yàn)暫停。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)的后半部分，由于熔爐的溫度不能維持在1 200 ℃，致使鉑族金屬堆積在底部導(dǎo)致出料口堵塞，無(wú)法達(dá)到玻璃固化實(shí)驗(yàn)所要求的爐底每小時(shí)70 L的流出速度，熔融的玻璃流出所需時(shí)間比正常時(shí)間長(zhǎng)三倍，因此測(cè)試實(shí)驗(yàn)被迫停止[28]。

2008年7月2日，在引入處理鉑族元素的新措施后，玻璃固化設(shè)施的測(cè)試實(shí)驗(yàn)重新開(kāi)始。然而，由于出料口的噴嘴無(wú)法加熱導(dǎo)致熔融玻璃不能流動(dòng)，因此測(cè)試僅在32 min后暫停，沒(méi)有生產(chǎn)單個(gè)玻璃固化罐。據(jù)推測(cè)，該問(wèn)題是由于所謂的“低粘度流體”引起，即比熔融玻璃粘度低的物質(zhì)會(huì)比玻璃更快地流下并粘附到噴嘴上，這些物質(zhì)包括放射性物質(zhì)，如鉬等，從而導(dǎo)致噴嘴堵塞。同年10月10日，在除去附著在噴嘴上的物質(zhì)后恢復(fù)實(shí)驗(yàn)。10月30日，再次出現(xiàn)鉑族元素的沉積，六所村后處理廠通過(guò)插入直的攪拌棒進(jìn)行攪拌來(lái)解決該問(wèn)題[29]。

2008年12月，六所村后處理廠工作人員發(fā)現(xiàn)熔爐內(nèi)的攪拌棒攪拌速率變慢，當(dāng)用照相機(jī)檢查熔爐內(nèi)部時(shí)發(fā)現(xiàn)攪拌棒發(fā)生彎曲，同時(shí)一些熔爐內(nèi)的天花板磚被損壞。從2009年1月9日開(kāi)始，玻璃固化室中的警報(bào)器顯示凸緣下方的托盤(pán)和地板上的集水盤(pán)中的液體水位升高，之后警報(bào)反復(fù)響起。操作員使用攝像機(jī)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)托盤(pán)中的液體水位低于警報(bào)水平，因此忽略了警報(bào)。直到1月21日，當(dāng)?shù)谝淮畏治鐾斜P(pán)中的液體并且發(fā)現(xiàn)放射性非常高時(shí)，JNFL才意識(shí)到存在HLW的泄漏。JNFL表示從HLW進(jìn)料罐泄漏了大約150 L的液體，泄漏液體中銫-137的含量為1.6×1010Bq/mL，而銫-137進(jìn)料罐A僅為3.6×109Bq/mL，表明泄漏液體中的濃度是進(jìn)料罐中濃度的4.4倍。2009年2月，當(dāng)通過(guò)ITV攝像機(jī)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)時(shí)，再次發(fā)生高放廢液的滴落。2012年1月，熔爐內(nèi)玻璃的排出流速下降，流動(dòng)性降低。工作人員通過(guò)樣品采集分析了事發(fā)的原因。通過(guò)從放電噴嘴收集的樣品分析發(fā)現(xiàn)，排出的物質(zhì)中除了含有玻璃成分外，樣品中還存在與爐內(nèi)玻璃接觸的磚(濕表面磚)的主要成分，但未發(fā)現(xiàn)天花板磚和微晶玻璃的主要成分。其次，對(duì)熔爐內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)有一些裂紋和碎片，但并未影響到整個(gè)熔爐的運(yùn)行。另外研究了玻璃熔爐在啟動(dòng)/關(guān)閉時(shí)爐底溫度的變化趨勢(shì)，通過(guò)應(yīng)力分析考察了爐底溫度變化對(duì)磚的影響。該研究結(jié)果表明，造成裂紋產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：

表2 東海后處理廠和六所村后處理廠玻璃固化工藝對(duì)比[12]Tab.2 Comparison of vitrification between Tokai and Rokkasho[12]

1)濕表面磚表面拉伸應(yīng)力引起的開(kāi)裂：在熔融的玻璃排放過(guò)程中，由于表面冷卻，磚表面出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。另一方面，由于爐內(nèi)氣流的存在，內(nèi)部冷卻速度比關(guān)機(jī)時(shí)快，磚內(nèi)部的冷卻速率和表面冷卻速率存在差異，導(dǎo)致兩者間存在溫度差，因此磚的應(yīng)力要大得多，容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

2)由于磚坯膨脹引起的壓縮應(yīng)力導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)發(fā)生碎裂：當(dāng)熔爐啟動(dòng)時(shí)，磚與玻璃接觸的表面開(kāi)始膨脹；相鄰磚的接觸面由于膨脹而相互推擠(產(chǎn)生壓應(yīng)力)，從而產(chǎn)生錯(cuò)位；當(dāng)熔爐內(nèi)產(chǎn)生開(kāi)裂和碎裂后，磚與磚之間的應(yīng)力減輕，在后續(xù)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)新的裂紋和錯(cuò)位。由于在時(shí)長(zhǎng)為3.5個(gè)月的長(zhǎng)期待機(jī)中，兩次停機(jī)和啟動(dòng)時(shí)僅進(jìn)行了一次放電，因此導(dǎo)致了磚顆粒積聚。

針對(duì)以上問(wèn)題，六所村后處理廠采取的應(yīng)對(duì)策略如下：①減少磚顆粒的產(chǎn)生：在執(zhí)行熔爐的啟動(dòng)和關(guān)閉操作時(shí)逐步改變溫度。在操作過(guò)程中，首先將熔爐排空，以避免在有高碎裂概率的情況下啟動(dòng)；②抑制磚顆粒堆積：當(dāng)作為故障預(yù)防措施進(jìn)行停機(jī)時(shí)，或當(dāng)由于頂部電源故障發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)時(shí)，應(yīng)及時(shí)清除爐內(nèi)的磚粒；③排空流量減慢對(duì)策：使用改進(jìn)的混合棒進(jìn)行排空的操作；④監(jiān)視熔爐內(nèi)磚的情況：進(jìn)行排空操作時(shí)，及時(shí)觀察爐內(nèi)情況，并檢查濕表面磚的開(kāi)裂和碎裂的進(jìn)展，在啟動(dòng)后檢查第一批和第二批的放電狀態(tài)，以便了解碎片的產(chǎn)生。在采取相應(yīng)措施后，及時(shí)確認(rèn)熔爐內(nèi)流動(dòng)性已恢復(fù)正常。其熔爐內(nèi)部示意圖如圖4所示。

圖4 熔爐內(nèi)示意圖[30]Fig.4 Schematic diagram of melting furnace[30]

其中，濕表面磚：具有優(yōu)異的防止熔融玻璃腐蝕性能的防火磚；備用磚：具有適當(dāng)保溫性能和防腐性能的防火磚；保溫澆注料：熔爐內(nèi)用耐火材料作為保溫材料，耐火材料澆注在水泥中；絕緣板：隔熱材料，增強(qiáng)熔爐的保溫隔熱性能，同時(shí)吸收磚的熱膨脹；套管：用于支撐上述熔爐結(jié)構(gòu)的材料[30]。

自1993年以來(lái)，在經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)13年的建設(shè)以及28個(gè)月的試運(yùn)行之后，六所村后處理廠原計(jì)劃于2008年11月投入運(yùn)行。但是，由于其設(shè)計(jì)的高放廢液熔爐在試運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題，該廠迄今未能投入運(yùn)行。日本六所村后處理廠分別于2013年1月和5月完成了B系列和A系列玻璃固化實(shí)驗(yàn)，并于2013年10月完成了熱試驗(yàn)，進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行前的最后階段。2014年1月，JNFL向核管理局提交了一份請(qǐng)求，要求對(duì)六所村后處理廠進(jìn)行審查，以確保其符合新引入的燃料循環(huán)設(shè)施的安全標(biāo)準(zhǔn)，因此其運(yùn)行推遲到2017年。JNFL在2018年12月表示，為了繼續(xù)加強(qiáng)六所村后處理廠的安全措施，例如內(nèi)部防洪，管道的抗震性，改善冷卻水塔對(duì)龍卷風(fēng)的抵抗力以及改進(jìn)內(nèi)部火災(zāi)措施，如有必要還將對(duì)高壓和高溫蒸汽泄漏對(duì)控制裝置和設(shè)備的影響進(jìn)行評(píng)估，并制定相關(guān)對(duì)策等，其運(yùn)行時(shí)間將再推遲三年。JNFL預(yù)計(jì)該工廠將在2021年上半年完工。該工廠的設(shè)計(jì)目標(biāo)是每年處理多達(dá)800 t的乏燃料，提取約8 t钚，用于生產(chǎn)MOX燃料[31]。

3 技術(shù)改進(jìn)及研發(fā)計(jì)劃

目前，基于此前玻璃固化設(shè)施的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，日本在之后開(kāi)展了改進(jìn)玻璃固化技術(shù)的研究[32-34]，同時(shí)準(zhǔn)備開(kāi)展關(guān)于低放廢物玻璃固化的基礎(chǔ)研究。

3.1 改進(jìn)玻璃固化技術(shù)

改進(jìn)玻璃固化技術(shù)主要旨在開(kāi)發(fā)可溶解更多含有鉑族等金屬的高放廢液的新特性玻璃的同時(shí)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的新型玻璃熔爐，以提高日本乏燃料后處理技術(shù)水平。該研究以現(xiàn)行的液態(tài)進(jìn)料陶瓷熔爐(LFCM)為基本，在現(xiàn)行高放廢液玻璃固化車間的空間、附帶設(shè)備的前提下更換熔爐(2座)，每座的處理能力(熔融表面積)與現(xiàn)行爐相同，熔爐的壽命將從原來(lái)的5年延長(zhǎng)為7年。該開(kāi)發(fā)課題主要包括：

(1)新型爐的開(kāi)發(fā)：為了抑制鉑族金屬的沉淀和堆積，對(duì)玻璃熔爐的構(gòu)造、爐底部加熱方法以及可更換的過(guò)濾網(wǎng)等進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，目前進(jìn)行了如下改進(jìn)：①在新型熔爐中將原來(lái)的四邊形爐底改為60°傾斜圓錐形，以防止鉑族金屬的沉積；②增加爐底部的加熱裝置(下段輔助電極、爐底部高頻加熱裝置)以防止玻璃流出時(shí)造成噴嘴堵塞；③攪拌裝置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行負(fù)荷限制以解決攪拌棒彎曲的問(wèn)題；④頂部耐火磚采用拱形構(gòu)造以防止其掉落和損傷；⑤底部電極濾網(wǎng)變更為不易阻塞構(gòu)造(丙烯酸纖維模型)以防止底部耐火磚引起的流出噴嘴堵塞?，F(xiàn)行爐與新型熔爐底部電極構(gòu)造對(duì)比示意圖如圖5所示。

(2)核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)：針對(duì)提高和改良爐性能的個(gè)別核心技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，并進(jìn)行驗(yàn)證。目前進(jìn)行了如下改進(jìn)：①增加吹氣式液位計(jì)，用從熔融玻璃內(nèi)部送氣產(chǎn)生的壓力測(cè)量液位的方法對(duì)液位進(jìn)行一致而準(zhǔn)確的測(cè)量；②在熔爐內(nèi)部增加改進(jìn)型助推器，提高從異常狀態(tài)恢復(fù)的性能，具有更有效的排空能力；③采用鼓泡裝置，增強(qiáng)熔融玻璃的流動(dòng)性，從而抑制黃相的產(chǎn)生。改進(jìn)方案如圖6所示。

圖5 現(xiàn)行熔爐與新型熔爐電極構(gòu)造對(duì)比示意圖[34]Fig.5 Schematic comparison of the current furnace electrode structure with the modified furnace electrode structure[34]

圖6 核心技術(shù)開(kāi)發(fā)裝置示意圖[34]Fig.6 Schematic diagram of core technology development device[34]

(3)新型玻璃介質(zhì)的開(kāi)發(fā)：開(kāi)發(fā)可以抑制黃相產(chǎn)生的新型玻璃介質(zhì)和可以充填更多高放廢液(高充填)的玻璃介質(zhì)，以便可以包容更多鉑族金屬元素以及其它放射性元素。目前進(jìn)行了如下改進(jìn)：①開(kāi)發(fā)抑制黃相發(fā)生的玻璃介質(zhì)：現(xiàn)行進(jìn)料方法為玻璃組分與廢液分別同時(shí)進(jìn)行混合，后續(xù)改為將改良后的玻璃組分的一部分(如Al，Si等)分配到廢液側(cè)后，再將玻璃組分與廢液進(jìn)行混合從而抑制黃相的產(chǎn)生；②開(kāi)發(fā)高減容玻璃介質(zhì)：將改良后的玻璃組成中的Al、B實(shí)施再分配，再向廢液中添加添加物，從而達(dá)到廢棄物的高充填化。

(4)解析評(píng)價(jià)工具的開(kāi)發(fā)：高可靠性的設(shè)計(jì)/運(yùn)行支持工具——熔爐解析代碼的開(kāi)發(fā)，目前采用通用CFD code的熔爐解析軟件，作為運(yùn)行評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)工具，實(shí)施了高精度解析及高速化和通用化，同時(shí)建立了各種相關(guān)模型：利用冷帽層模型評(píng)估冷帽層的成長(zhǎng)和熔融過(guò)程；爐底加熱模型利用電流控制實(shí)現(xiàn)焦耳加熱；鉑族金屬粒子沉降模型評(píng)估粒子沉降速度；流動(dòng)模型評(píng)估鉑族金屬形成的非牛頓性流體；流出模型評(píng)估玻璃的重力流出情況。

(5)基礎(chǔ)研究：進(jìn)行解析代碼所需要的物性數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)備，各種機(jī)理的闡述，玻璃技術(shù)的基礎(chǔ)準(zhǔn)備，目前主要通過(guò)基礎(chǔ)試驗(yàn)、熔爐解析軟件中所反映的信息(冷帽層的構(gòu)造，熔融玻璃的物性等)以及熔爐運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，對(duì)冷帽層的形成機(jī)理、爐內(nèi)鉑族金屬的行為進(jìn)行研究，并對(duì)熔融玻璃的物性進(jìn)行測(cè)定[32-34]。

針對(duì)目前設(shè)施在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，日本在現(xiàn)行爐和新型爐方面采取的改進(jìn)措施情況列于表3。

3.2 低放廢物玻璃固化技術(shù)

低放廢物玻璃固化技術(shù)是指對(duì)于核電廠及乏燃料再處理設(shè)施在去污等相關(guān)操作過(guò)程中所產(chǎn)生的低放廢物，為了建立其玻璃固化技術(shù)，開(kāi)展關(guān)于“玻璃組成”及“玻璃熔爐的運(yùn)行控制技術(shù)”方面的調(diào)查和基礎(chǔ)試驗(yàn)。日本計(jì)劃將玻璃固化技術(shù)應(yīng)用于低放廢物的處理與處置，實(shí)現(xiàn)廢物減容和穩(wěn)定儲(chǔ)存的目的。同時(shí)在利用玻璃固化技術(shù)進(jìn)行高放廢物處置時(shí)通過(guò)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的玻璃固化技術(shù)實(shí)現(xiàn)玻璃固化體減容20%～30%。表4和表5分別給出了低放廢物玻璃固化組分以及玻璃固化改進(jìn)組分。

表3 現(xiàn)行熔爐與新型熔爐改進(jìn)措施對(duì)比Tab.3 Comparison of improvement measures for current furnace and new furnace

表4 低放廢物玻璃固化組分Tab.4 Vitrification components of low-level radioactive waste

表5 玻璃固化改進(jìn)組分Tab.5 Improvement of vitrification composition

在低放廢物熔融玻璃固化的成分開(kāi)發(fā)研究中，對(duì)于高硝酸鈉廢液，固化過(guò)程采用高溫脫硝處理；對(duì)于燃燒灰，其主要成分可作為玻璃的形成成分；對(duì)于高硝酸鈉廢液、磷酸廢液、沉淀物等廢物，玻璃固化比水泥固化(包容率約12%)具有更好的包容率；對(duì)于HEPA過(guò)濾器，可通過(guò)金屬Al酸化和玻璃固化從而抑制氫氣的產(chǎn)生；對(duì)于含有高濃度硫的離子交換樹(shù)脂洗提液，采用玻璃陶瓷等進(jìn)行固化，可以提高廢棄物充填率。以上方法均可實(shí)現(xiàn)良好的減容。

在玻璃固化組分改進(jìn)的研究中，向硼硅酸鹽玻璃中添加V，可以形成容易吸納多原子離子的區(qū)域，從而提高相分離抑制效果；由于MoO3對(duì)P2O5的溶解度非常高，在其中添加P也可提高相分離抑制效果；鐵磷酸玻璃與硼硅酸鹽玻璃相比，密度約增加10%～20%。因此，即使充填率相同，每塊玻璃固化體的充填量也大得多；結(jié)晶化玻璃由于可以使難溶于玻璃的物質(zhì)成為非水溶性結(jié)晶相(玻璃陶瓷)而分散于玻璃中，因此對(duì)處理難溶于玻璃的物質(zhì)具有較好的效果[34]。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)玻璃固化熔爐中出現(xiàn)的問(wèn)題，日本大力研發(fā)新型玻璃熔爐，其研發(fā)的關(guān)鍵任務(wù)是減少鉑族金屬的沉積，從而改善玻璃流動(dòng)性。除了探索改進(jìn)熔爐的結(jié)構(gòu)和設(shè)施之外，JNFL還致力于開(kāi)發(fā)新的玻璃材料，從而減少玻璃固化體的體積并提高熔爐的可操作性，以進(jìn)一步提高玻璃固化體的性能。根據(jù)前期研究結(jié)果，新的玻璃熔爐在熔融玻璃的流動(dòng)性方面有著顯著的改善，并且擁有更高的廢液處理能力和更強(qiáng)的穩(wěn)定性，之后JNFL將考慮將新的玻璃熔爐投入實(shí)際使用。

目前我國(guó)高放廢液玻璃固化技術(shù)已是核工業(yè)短板，雖然我國(guó)在玻璃固化技術(shù)研究上已做了大量研究工作，但我國(guó)高放廢液處理仍處于技術(shù)研究階段，尚未完全掌握高放廢液玻璃固化工藝的核心技術(shù)。因此，我國(guó)應(yīng)該特別加強(qiáng)對(duì)高放廢液玻璃固化技術(shù)在廢液源項(xiàng)分析，玻璃配方研制，熔爐設(shè)計(jì)、尾氣處理系統(tǒng)等具有特殊性及復(fù)雜性內(nèi)容的研究。

針對(duì)日本主要采用的LFCM法，該方法主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：處理量大，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單；無(wú)需向爐膛內(nèi)通入氣體，并能運(yùn)行“冷帽”，減少揮發(fā)性核素向尾氣中的揮發(fā)以及顆粒物的夾帶；被處理廢物的熔融體在熔爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，可確保產(chǎn)物玻璃體的均勻。然而，LFCM法依然存在不少缺點(diǎn)，如運(yùn)行過(guò)程容易出現(xiàn)黃相、出料口容易發(fā)生鉑族金屬堵塞以及爐體耐火磚損傷等問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，并借鑒日本的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，我國(guó)在相應(yīng)技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中可采取如下解決方法：(1)出現(xiàn)黃相：設(shè)置鼓泡裝置；采用分配式進(jìn)料法；開(kāi)發(fā)抑制黃相的玻璃配方等。(2)出料口堵塞：改進(jìn)熔爐結(jié)構(gòu)(包括爐底形狀及傾斜度、濾網(wǎng)構(gòu)造等)；改進(jìn)熔爐加熱方法(包括電極設(shè)置、溫度運(yùn)行方式、溫度調(diào)控設(shè)置等)；增設(shè)爐底加熱裝置、攪拌裝置、吹氣式液位計(jì)和改進(jìn)型助推器；開(kāi)發(fā)高充填的玻璃介質(zhì)等。(3)爐體耐火磚損傷：改進(jìn)熔爐運(yùn)行方式；設(shè)置爐內(nèi)監(jiān)視器；改進(jìn)爐體內(nèi)部磚塊設(shè)置；耐火磚采用拱形結(jié)構(gòu)等。另外，熔爐的壽命只有5年，與后處理廠的壽命不同期，而其中影響熔爐使用壽命的主要原因是熔爐耐火材料和電極腐蝕。因此，我國(guó)未來(lái)在對(duì)焦耳加熱陶瓷熔爐法進(jìn)行研究時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)熔爐耐火材料和電極材料的研發(fā)，以增強(qiáng)熔爐的壽命。同時(shí)，應(yīng)完善玻璃固化操作過(guò)程的規(guī)章和制度并加強(qiáng)熔爐運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)管，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，從而確保熔爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)應(yīng)盡快進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和核心工藝的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，從而完成高放廢液玻璃固化技術(shù)工程化和國(guó)產(chǎn)化可行性和經(jīng)濟(jì)性的論證及路線選擇，形成一套完整的玻璃固化工程化解決方案，為國(guó)內(nèi)乏燃料后處理做基礎(chǔ)和準(zhǔn)備。