提起玻璃,，人們印象中往往是無色透明的。而中國(guó)原子能科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)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(huì)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(jī),，完成90天連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn),，收獲約52噸玻璃固化體,，高放射性廢物(以下簡(jiǎn)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?guó)科學(xué)院院士,、中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司首席科學(xué)家葉國(guó)安告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“從零起步,，研發(fā)團(tuán)隊(duì)為此奮斗了近20年,。”
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(zhǎng),、輻射強(qiáng)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(duì)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(shí)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(guó)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,?！痹谌~國(guó)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(yùn)行時(shí)，熔化的玻璃碰到堝壁,，會(huì)形成一層類似‘鍋巴’的冷殼,?！比~國(guó)安說，這層冷殼可以有效避免液態(tài)玻璃高溫對(duì)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(duì)堝體形成有效保護(hù),。
精準(zhǔn)控制電磁加熱的磁場(chǎng)分布,，是團(tuán)隊(duì)必須攻克的一大難點(diǎn),。
原子能院冷坩堝團(tuán)隊(duì)工藝負(fù)責(zé)人龍浩騎解釋：“冷坩堝靠電磁場(chǎng)加熱玻璃,，磁場(chǎng)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(qiáng)度不夠;縫隙太少,，磁場(chǎng)強(qiáng)度又不夠?！?/p>
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(duì)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(gè)技術(shù)卡點(diǎn),。“實(shí)驗(yàn)成功時(shí),，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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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)模科研樣機(jī)研發(fā)成功,。就在大家倍感振奮之時(shí),，新的挑戰(zhàn)卻不期而遇。
“我國(guó)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,?！痹幽茉豪溘釄逖邪l(fā)項(xiàng)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(huì)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(yùn)行受阻或中斷,。同樣的問題,，國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)出對(duì)鉬包容能力更強(qiáng)的玻璃配方,，一直是團(tuán)隊(duì)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn),。
團(tuán)隊(duì)從鉬在玻璃中的包容機(jī)理和熔解機(jī)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(shí)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(chǎng)強(qiáng)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(duì)鉬“吃得多,、消化得好”,，對(duì)其他核素也有很強(qiáng)的包容性。
又經(jīng)過兩年多努力,，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(jī)邁向工程樣機(jī)，工程難題接踵而至,。
這臺(tái)被大家喻為高放廢物“煉丹爐”的樣機(jī),，由回轉(zhuǎn)煅燒爐和冷坩堝兩部分組成。實(shí)際運(yùn)行時(shí),，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(jī)械手來實(shí)現(xiàn)。
“機(jī)械手遠(yuǎn)不如人手靈活,，為了方便機(jī)械手操作,，就得對(duì)‘煉丹爐’重新進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)?！滨r亮介紹,，在科研階段，回轉(zhuǎn)煅燒爐和冷坩堝是兩個(gè)獨(dú)立個(gè)體,，分別由上千個(gè)零部件組成,。步入工程設(shè)計(jì)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(gè)不同的模塊,。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，團(tuán)隊(duì)開展了大量的設(shè)備外協(xié)加工工作?！霸陧?xiàng)目推進(jìn)過程中,，大家克服種種困難，堅(jiān)持全員高頻次,、長(zhǎng)時(shí)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(qǐng)過一天假;有的同志剛?cè)肼毐阋活^扎進(jìn)項(xiàng)目中,，白天在外場(chǎng)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(gè)個(gè)環(huán)節(jié)琢磨,，一個(gè)個(gè)模塊優(yōu)化。在團(tuán)隊(duì)與外協(xié)單位的共同努力下,，“煉丹爐”終于完成重構(gòu),。“現(xiàn)在從外觀上看沒什么變化,，實(shí)際上樣機(jī)內(nèi)部已經(jīng)‘脫胎換骨’,。”鮮亮說,。
90天連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果顯示,，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程樣機(jī)狀態(tài)良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)地并網(wǎng)運(yùn)行核電機(jī)組58臺(tái),，總裝機(jī)容量6088.094萬千瓦;在運(yùn),、在建和核準(zhǔn)待建核電機(jī)組共102臺(tái)，總裝機(jī)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(guó)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(huì)提出,，“統(tǒng)籌強(qiáng)化關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)”“推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合發(fā)展”,。展望未來,，葉國(guó)安信心滿懷：“只要堅(jiān)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!”（記者 陳 瑜 都 芃）
編輯：周大為
