打造“煉丹爐” 阻斷核輻射

提起玻璃，人們印象中往往是無色透明的。而中國原子能科學(xué)研究院（以下簡稱“原子能院”）研制的玻璃卻與眾不同——它通體黑色，在陽光照射下會發(fā)出幽藍(lán)色的光。

最近，原子能院自主研發(fā)的兩步法650毫米直徑冷坩堝玻璃固化工程樣機，完成90天連續(xù)運行試驗，收獲約52噸玻璃固化體，高放射性廢物（以下簡稱“高放廢物”）可被“封印”其中。

“冷坩堝玻璃固化技術(shù)是目前世界公認(rèn)最先進(jìn)的高放廢物處理手段?！敝袊茖W(xué)院院士、中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司首席科學(xué)家葉國安告訴科技日報記者，“從零起步，研發(fā)團(tuán)隊為此奮斗了近20年?！?/p>

突破高溫?zé)板伆汀?/p>

核電站核能利用后產(chǎn)生的高放廢物，放射周期長、輻射強度高、生物毒性大，堪稱核廢料中的“極品”。

“一定要將高放廢物核輻射牢牢禁錮，確保生物圈安全！”這是研發(fā)團(tuán)隊的初衷，也是他們的執(zhí)念。

此前研究發(fā)現(xiàn)，玻璃是固定放射性核素、隔絕核輻射的優(yōu)良載體。而要實現(xiàn)高放廢物的玻璃固化，就必須突破冷坩堝技術(shù)。

“上世紀(jì)80年代，國外就開始發(fā)展冷坩堝技術(shù)。但這些技術(shù)，我們要不來也買不來。”在葉國安看來，要想掌握核心技術(shù)，只能靠自己摸索。

冷坩堝是典型的外冷內(nèi)熱“性格”。堝壁由一根根冷卻水管圍成，溫度在100℃以下，堝內(nèi)盛放的液態(tài)玻璃溫度卻高達(dá)1700℃。

“冷坩堝運行時，熔化的玻璃碰到堝壁，會形成一層類似‘鍋巴’的冷殼。”葉國安說，這層冷殼可以有效避免液態(tài)玻璃高溫對堝體材料的損害。

但要燒好這層“鍋巴”大有學(xué)問——太厚，加熱效率低；太薄，無法對堝體形成有效保護(hù)。

精準(zhǔn)控制電磁加熱的磁場分布，是團(tuán)隊必須攻克的一大難點。

原子能院冷坩堝團(tuán)隊工藝負(fù)責(zé)人龍浩騎解釋：“冷坩堝靠電磁場加熱玻璃，磁場不能直接透過金屬堝壁，只能從狹窄的堝壁縫隙透過?？p隙太多，堝體強度不夠；縫隙太少，磁場強度又不夠。”

科研過程中，各種制約條件總是環(huán)環(huán)相扣。堝體直徑、玻璃重量、開縫數(shù)量、縫隙寬度……都需要統(tǒng)籌兼顧，一著不慎，滿盤皆輸。

從2006年到2014年，研發(fā)團(tuán)隊開足馬力、全力攻關(guān)，邊學(xué)邊干、邊干邊學(xué)，先后闖過了多個技術(shù)卡點?！皩嶒灣晒r，真有一種‘九死一生’的感覺?！饼埡乞T感慨道。

如今，經(jīng)過上百次實驗驗證、迭代改進(jìn)的冷坩堝，燒出來的“鍋巴”薄厚適中、均勻剔透，堪稱完美。

開發(fā)配方促“消化”

2016年，冷坩堝放大規(guī)?？蒲袠訖C研發(fā)成功。就在大家倍感振奮之時，新的挑戰(zhàn)卻不期而遇。

“我國核燃料燃耗越來越高，裂變產(chǎn)生的鉬、鋯、鑭系元素以及貴金屬也隨之增多。”原子能院冷坩堝研發(fā)項目負(fù)責(zé)人鮮亮告訴記者，這些元素較難熔融于玻璃液中，會以單質(zhì)或化合物的形式存在，使玻璃液出現(xiàn)析晶、黃相等問題，從而堵塞出料口，導(dǎo)致冷坩堝運行受阻或中斷。同樣的問題，國外同行也經(jīng)常遇到。

必須讓冷坩堝不“挑食”！

但這并非易事。團(tuán)隊配方研發(fā)負(fù)責(zé)人譚盛恒形象地比喻：“燃耗越高，放射性核素越‘狡猾’，越容易‘逃脫’玻璃固化體牢籠?！?/p>

要想將放射性核素囚得多、關(guān)得牢，玻璃的配方至關(guān)重要。

高放廢物中含有30余種化學(xué)元素，開發(fā)玻璃配方不僅要考慮玻璃基體對這些元素的包容性，還需要考慮這些元素之間的相互作用及其對玻璃固化體產(chǎn)品性能的影響。

以高放廢物中大量存在的鉬為例，設(shè)計出對鉬包容能力更強的玻璃配方，一直是團(tuán)隊研究的重點和難點。

團(tuán)隊從鉬在玻璃中的包容機理和熔解機理著手研究，全力探求玻璃配方的最優(yōu)解?！拔覀儶q如把脈問診的‘老中醫(yī)’，反復(fù)推敲化解‘病癥’的‘藥方’?！弊T盛恒打比方說，有時候解決問題的奧妙就在于一味“藥引子”。

大家研究發(fā)現(xiàn)，鉬元素在玻璃固化體中的結(jié)合度和穩(wěn)定性，與固化體網(wǎng)絡(luò)中陽離子場強和電負(fù)性有直接關(guān)系。有了這味“藥引子”，依托原子能院多年積累的“藥方”數(shù)據(jù)庫，鉬元素囚禁難的問題迎刃而解。新配方不僅對鉬“吃得多、消化得好”，對其他核素也有很強的包容性。

又經(jīng)過兩年多努力，研發(fā)團(tuán)隊成功開發(fā)出高包容率的玻璃配方。

打散重構(gòu)再優(yōu)化

隨著冷坩堝玻璃固化技術(shù)研發(fā)從科研樣機邁向工程樣機，工程難題接踵而至。

這臺被大家喻為高放廢物“煉丹爐”的樣機，由回轉(zhuǎn)煅燒爐和冷坩堝兩部分組成。實際運行時，先由前者將高放廢物煅燒轉(zhuǎn)型，再經(jīng)后者將煅燒產(chǎn)物與玻璃基料熔融、固化。由于工作環(huán)境的高放射性，兩者之間的關(guān)聯(lián)操作需通過遠(yuǎn)程控制機械手來實現(xiàn)。

“機械手遠(yuǎn)不如人手靈活，為了方便機械手操作，就得對‘煉丹爐’重新進(jìn)行模塊化設(shè)計?！滨r亮介紹，在科研階段，回轉(zhuǎn)煅燒爐和冷坩堝是兩個獨立個體，分別由上千個零部件組成。步入工程設(shè)計階段，需要將它們的零部件全部打散，然后再分類重新組合形成數(shù)十個不同的模塊。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊開展了大量的設(shè)備外協(xié)加工工作?！霸陧椖客七M(jìn)過程中，大家克服種種困難，堅持全員高頻次、長時間出差。”龍浩騎回憶，有的同志“上有老、下有小”，孩子才一歲多，從未請過一天假；有的同志剛?cè)肼毐阋活^扎進(jìn)項目中，白天在外場調(diào)試設(shè)備，晚上在宿舍鉆研資料……

進(jìn)料控制、旋轉(zhuǎn)煅燒、密閉轉(zhuǎn)接、玻璃添加、熔融固化……一個個環(huán)節(jié)琢磨，一個個模塊優(yōu)化。在團(tuán)隊與外協(xié)單位的共同努力下，“煉丹爐”終于完成重構(gòu)?！艾F(xiàn)在從外觀上看沒什么變化，實際上樣機內(nèi)部已經(jīng)‘脫胎換骨’?！滨r亮說。

90天連續(xù)運行試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的工程樣機狀態(tài)良好，各項性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

根據(jù)中核智庫的最新數(shù)據(jù)，截至2024年12月31日，我國內(nèi)地并網(wǎng)運行核電機組58臺，總裝機容量6088.094萬千瓦；在運、在建和核準(zhǔn)待建核電機組共102臺，總裝機容量1.13億千瓦，連續(xù)兩年位居全球首位。隨著高放廢物安全高效處理技術(shù)的突破，我國核能發(fā)展?jié)撃軐⑦M(jìn)一步得到釋放。

黨的二十屆三中全會提出，“統(tǒng)籌強化關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)”“推動科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合發(fā)展”。展望未來，葉國安信心滿懷：“只要堅定創(chuàng)新自信，我們就一定能將核能發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)牢牢攥在自己手里！”