第七章-高放废液的固化与分离一嬗变和分离一整备_精品文档.ppt

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放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置李全伟西南科技大学国防科技学院西南科技大学国防科技学院核废物与环境安全国防重点学科实验室核废物与环境安全国防重点学科实验室目录一目录一n课程安排：

48/36学时8/6周n第一章放射性废物管理内容和原则n第二章放射性废物的分类n第三章放射性废物的产生和废物最小化n第四章气载和液体低中放废物的处理n第五章废物的减容处理焚烧和压实n第六章低中放废物固化技术n第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离目录二目录二n课程安排：

48/36学时8/6周n第八章放射性污染的去污n第九章核设施的退役n第十章低、中放和极低放废物的处置n第十一章高放废物处置n第十二章核电站废物的处理n第十三章核技术利用废物和废旧放射源的管理放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置内容提要内容提要n7、高放废液的固化与分离、高放废液的固化与分离（p127158）n7.1高放废液的特性n7.2高放废液的贮存n7.3高放废液的玻璃固化n7.4玻璃固化配方和特性鉴定n7.5人造岩石固化n7.6分离一嬗变和分离一整备放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n7.17.1高放废液的特性高放废液的特性

（1）放射性强n生产堆：

-10111013，10101011Bq/Ln动力堆：

-10131015，10121013Bq/L

（2）毒性大，半衰期长。

成分：

裂变产物，活化产物，腐蚀产物，萃余铀钚，超铀元素Np、Am、Cm，包壳材料Al、Mg、Fe、Mo、Zr，中子毒物Gd、Cd、B，后处理化学试剂NO3-、SO42-、PO43-、F-、Na+等和有机物杂质。

n含有30多种元素的200多种同位素，见表7-1。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离（3）发热率高。

n90Sr和137Cs，10年释热率降低到约80%，100年降到约60%。

300年降到约10%。

（4）酸性强，腐蚀性大。

n硝酸，酸度达到26mol/L。

n水辐解产生H2、CO、CH4、C2H6、C2H4等燃爆性气体。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n7.27.2高放废液的贮存高放废液的贮存n有严格和苛刻的要求：

设计寿命1520an材料：

特殊耐蚀的不锈钢n场址：

抗震计算和试验n质量：

严格的探伤检查n防护：

足够的屏蔽厚度n结构：

混凝土地下室n防漏：

双壁或者托盘放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n槽内冷却系统保持废液温度60以下；n空气搅拌装置防止沉淀和产生热点；n通风稀释辐解H2等燃爆性气体浓度；n空气净化防止气溶胶超标；n设置防临界措施（如装硼球）；n监测液面、温度、负压、比重与泄漏；n监测罐体腐蚀的挂片；n备用贮槽和可靠的倒槽措施；n罐区实体保卫；放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n国外贮存情况n美国3个军工核基地38万m3：

萨凡那河12万m349个碳钢贮槽，12个泄露；汉福特24万m3149个碳钢单壁贮槽，67个泄露；爱达河1万m3。

n1957年前苏联南乌拉尔高放废液贮罐爆炸事故：

冷却系统失控，温度升高，水蒸干后沉淀物温度达330350，引起爆炸，威力相当于70100tTNT，污染面积1.50002.3万km2，撤走2.7万人，仅次于切尔诺贝利核电站事故，属于6级重大事故。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n7.37.3高放废液的玻璃固化高放废液的玻璃固化n玻璃是化学性质不活泼的物质，在高温状态有液态性质，能溶解很多氧化物，使得高放废液的核素能包容固定在玻璃网络结构中，范围为1530%（质量百分比）。

n硼硅酸盐玻璃：

主要成分二氧化硅及氧化硼，熔铸温度一般为11001200。

n50年开发的玻璃固化工艺：

罐式法、煅烧-熔融两步法、焦耳加热陶瓷熔炉法、冷坩埚法。

硼酸盐玻璃固化流程硼酸盐玻璃固化流程放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n罐式法液体加料，批式生产工艺（图7-3）n工艺原理：

高放废液和玻璃形成剂（又称基础玻璃）加入到因科镍合金制的金属熔炉中，由中频加热器分段加热和控制温度，废液在熔炉中蒸发、干燥、煅烧、熔融和澄清，最后由底部出料。

n优缺点：

工艺简单。

生产量小，熔炉寿命短，30批料换罐。

n1968年法国PIVER处理25m3HLW，生产12t玻璃。

n中国70年代研究罐式法玻璃固化配方，钌行为，硫走向等，80年代中转入电熔炉玻璃固化研究。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n煅烧-感应熔融两步法（图7-4）n工艺原理：

第一步将高放废液加入回转煅烧炉中，在那里蒸发、干燥和煅烧；第二步将获得的煅烧物与基础玻璃分别加入中频加热的金属熔炉中，在那里熔融和澄清，最后由底部出料。

n该工艺为连续加料和批式出料。

n优缺点：

连续生产，处理能力大；工艺复杂，熔炉寿命比较短（16千小时）。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n国外应用情况n1978年法国马库尔AVM：

处理能力40L/h，为UP-1处理2074m3高放废液，产生11400罐玻璃固化体，4500t玻璃。

n1989年拉阿格AVH-R7：

处理能力100L/h，为UP-2，三条生产线，一条备用；n1989年拉阿格AVH-T7：

处理能力100L/h，为UP-3，三条生产线，一条备用；放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n焦耳加热陶瓷熔炉法（图7-5）n简称电熔炉，熔炉内装若干对电极，采用电极加热，炉体内衬耐火陶瓷材料。

n工艺原理：

高放废液与基础玻璃分别（或同时）加入熔炉中，完成蒸发、干燥、煅烧、熔融和澄清，熔池温度达11501200，熔池表面大部分为煅烧物所覆盖，以降低排气温度、减少夹带和蒸发损失，熔制好的玻璃由底部出料。

n该工艺为连续加料和批式出料。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n发展应用情况n西德首先在比利时Mol建成PAMELA，处理能力30L/h，1985年10月1991年7月处理了958m3高放废液，生产2200罐493t玻璃固化体。

n前苏联1986年在马雅克建成电熔炉EP-500。

n日本工程试验装置ETF，全规模冷试装置MTF，热室中试验固化装置CPF，1994年建成东海村玻璃固化工厂TVF，处理能力40L/h；现正在北海道6个所村建设规模更大的电熔炉玻璃固化工厂。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n美国1996年建成萨凡那河玻璃固化厂，处理能力225L/h；西谷厂，处理能力150L/h，1999年已处理2300m3高放废液，产生500t玻璃固化体。

n德国卡尔斯鲁厄VEK处理能力10L/h；WAK高放废液70m3。

n中国引进德国技术在821厂建立了1:

1冷试台架电熔炉装置，2000年和2003年进行了两轮冷试验。

n优缺点：

处理量大，熔炉寿命长；熔炉体积大。

n电熔炉寿命：

熔炉耐火材料腐蚀和电极腐蚀放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n冷坩埚法（图7-6、图7-7）n工艺原理：

采用高频（105106Hz）感应加热。

炉体外壁为水冷套管和感应圈，由于水冷套管中连续流过冷却水，在近套管的低温区域（200）就形成一层34cm厚的固态玻璃壳（冷壁），称为冷坩埚。

不用耐火材料和电极加热。

n优点：

腐蚀性小，熔炉寿命长；炉温高达1600，可处理多种废物；退役废物少。

n缺点：

热效率低，熔铸仅占30%；以煅烧物进料。

n没有工业运行记录（表7-3）放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n玻璃固化熔制过程：

n进料熔化澄清均化浇注n玻璃固化熔制工艺：

n供料、熔炉、浇注、产品贮存、尾气处理和检测控制系统。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n供料系统n高放废液和基础玻璃（玻璃珠或玻璃粉）或分别加入，或以玻璃粉加悬浮剂配成浆料加入。

n严格控制供料；防止泄露、堵塞和外喷事故。

n供料在玻璃池表面形成一层相对冷的壳层（“冷帽”），水分在冷帽的表面被蒸发、煅烧成氧化物，然后进入熔池中熔融，形成废物玻璃，经过一定时间澄清后，进行浇注。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n熔炉系统n炉体上设进料管和排气管，炉体内装24对电极，提供熔融玻璃所需的电功率，电极通电后产生的焦耳热使高放废液在炉中蒸发、煅烧，与基础玻璃一起熔融、澄清，获得均匀玻璃产品。

n碳化硅辅助加热电极（启动加热）。

n炉体下设中频感应加热冷冻阀卸料口。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n浇注系统n熔铸好的玻璃浇注到不锈钢贮罐内，每次只有部分熔融玻璃从熔炉内排出，运行结束时，需将熔炉排空。

n贵金属沉积：

Ru-Rh-Pd造成高黏度和高电导，导致短路降低生产能力，改平底为75锥底。

n完成浇注后，冷却贮罐表面温度100再焊接封盖，对贮罐外表面进行去污和检测。

陶瓷熔炉陶瓷熔炉玻璃固化玻璃固化生产生产浇注浇注放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n产品贮存系统n自释热每罐达几千瓦，固化体中心温度要维持在析晶温度之下（低于450），需要冷却3050年后才能地质处置。

n空气冷却：

进气温度20，排气温度70；前期强制通风，几年后自然通风。

焦耳加热液体进料陶瓷熔炉玻璃固化产品贮存放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n尾气处理系统n熔炉尾气：

颗粒物、挥发物、放射性气溶胶、NOx，SOx，137Cs、90Sr和放射性。

n庞大和复杂的多级净化系统：

湿法除尘器、冷凝器、喷淋洗涤器、NOx吸收塔、玻璃纤维过滤器、烧结金属过滤器、HEPA过滤器等组成。

n总去污因子要达到10121014。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n监测和控制系统n辐射水平高，高温操作，安全风险大n严格监测运行参数；保障动力供给；加强安全保卫。

n遥控操作和自动维修，大大增加了技术复杂性，提高了建造投资和运行费用。

n重屏蔽增加了退役难度和退役费用。

n产生二次废物（表7-5）玻璃固化的特点玻璃固化的特点n由于玻璃并不是废物的包壳，裂变元素也并非和玻璃形成混合体，而是成为玻璃的组成部分，因此其放射性浸出率很低，还具有较高的抗化学腐蚀能力和良好的耐辐照性与热稳定性。

n但是，由于玻璃固化工作温度高，放射性核素挥发量大，设备腐蚀极为严重，需要特殊的耐高温、耐腐蚀材料和高效的尾气净化系统。

n高放玻璃固化是在极高的辐射条件下工作，必须进行高度自动化控制和维修，技术难度大，处理成本很高。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n7.47.4玻璃固化配方和特性鉴定玻璃固化配方和特性鉴定n玻璃n硅氧四面体的三维网络结构物（图7-11），排列是无序的，缺乏对称性和周期性，表现短程有序和长程无序，玻璃固化是将放射性核素包容固定在玻璃的三维网络结构中。

n玻璃固化是一种化学包容、核素浸出率相当低。

放射性废物处理与处置放射性废物处理与处置第七章第七章高放废液的固化与分离高放废液的固化与分离n基础玻璃氧化物n网络生成体氧化物：

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