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国外高放废液玻璃固化技术概览
时间:2021年10月25日 来源:高端装备产业研究中心 点击量:532 分享:


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导读:玻璃固化是将物质转化为玻璃形态的过程,长期以来一直被国际核监管机构视为高放废液的理想处理方法,因为它具有数十万年的耐用性。日本、法国、美国等核工业强国都在高放废液的玻璃固化技术方面有深入研究和长期应用实践。

高放废液的玻璃固化是将废液加热、蒸发浓缩、煅烧,使内含的盐份熔融,与玻璃基材一起形成玻璃固化体。由于这种固化体具有良好的化学、机械稳定性和抗辐照性能,被认为是当前最具实用价值的方法。经过多年的研究和改进,高放废液玻璃固化技术得到不断更新和发展。目前已开发了四代熔炉工艺:第一代是感应加热金属熔炉,即一步法罐式工艺;第二代是回转炉煅烧/感应加热金属熔炉两步法工艺;第三代是焦耳加热陶瓷熔炉(JHCM)工艺;第四代是冷坩埚感应熔炉(CCIM)工艺。

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高放废液的玻璃固化技术

目前,第一代即罐式工艺已经淘汰,得到工业应用的是第二代和第三代,即主要为回转炉煅烧/感应加热金属熔炉和焦耳加热陶瓷熔炉两大类。而第四代冷坩埚玻璃固化是一种先进的熔融技术,具有熔制温度高、处理废物的范围广、使用寿命长、退役容易等优点,总体成本也比较经济,是一项很有发展前景的高放废液固化处理技术。

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焦耳加热陶瓷熔炉结构(左),冷坩埚感应熔炉结构(右)

1.日本

东海村后处理厂玻璃固化设施(TVF)

1992年,为了解决茨城县东海村后处理厂产生的高水平放射性废物,日本在东海后处理工厂建成了用于处理高放废液的陶瓷熔炉玻璃固化设施(TVF),于1995年开始正式运行。TVF采用液体进料焦耳加热陶瓷熔炉(LFCM)方式,即将高放废液与玻璃形成剂(纤维状)同时投入玻璃熔炉,直接通电加热熔融后,将其注入固化体容器从而制得玻璃固化体。TVF的装置图如下图所示,其对高放废液的处理能力为0.35m3/d,玻璃固化体生产能力为0.7t/d。

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东海村焦耳加热陶瓷熔炉结构

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日本东海村TVF设施

六所村后处理厂玻璃固化设施(JVF)

1993年,为处理日本国内轻水堆产生的乏燃料,日本核燃料公司JNFL在青森县六所村建立了日本第一家商业核燃料后处理厂(RRP)。该后处理厂设有五个设施:

1)后处理厂;

2)MOX燃料制造设施;

3)铀浓缩设施;

4)高放射性废物储存和管理中心;

5)低放射性处置中心。

RRP的最大处理能力为800tU/a,其玻璃固化设施(JVF)拥有2条生产线,分别是A系列和B系列玻璃固化生产线,每条生产线的日处理能力为1.68m3。两条生产线均于2013年完成了试运行。

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六所村后处理厂JVF陶瓷熔炉玻璃固化的设施示意图

JVF工艺采用与东海村后处理设施相同的液态进料陶瓷熔炉(LFCM)技术。首先采用“焦耳加热”(电流直接通过材料进行加热)的方法在陶瓷熔炉中熔化硼硅酸盐玻璃;然后,将高放废液加入炉中;最后将熔融的液态混合物灌入密封容器中。待容器装满且混合物固化后,对容器进行焊接密封,然后将经检查合格的容器送入玻璃固化废物贮存中心。玻璃固化熔炉外观图如上图所示,该装置横向、纵向(不含支架高度)均为3m。

六所村后处理厂由于技术问题,进行了长达30年的建设,投资1300亿美元,至今仍未投产。其投产日期已经被数次推迟,最新的一次投产日期预计为2022年底。

2.法国

回转煅烧炉/感应加热金属熔炉

法国是世界上率先实现玻璃固化工业化的国家。经过20年的开发研究,世界上第一座玻璃固化设施即AVM(回转煅烧炉/感应加热金属熔炉)于1978年在马尔库尔投入运行。

该设施的处理能力(进料率)为40L/h,玻璃固化体生产能力为15kg/h。在处理了2074.5m3高放废液(16×106TBq)之后,该设施于1999年进入退役阶段。基于AVM的运行经验,法国在阿格后处理厂先后建成2座更大规模的玻璃固化设施———AVH-R7和T7。

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阿格后处理厂流程

AVH-R7有3条生产线(2条运行,1条备用),最初每条线的处理能力为60L/h,生产能力为30kg/h。1994-1995年间进行了一次改造,能力达到100L/h。T7也有3条生产线,每条线的最大处理能力为100L/h。为了对含钼高放废液进行玻璃固化,法国计划将R7改建为冷坩埚玻璃固化工艺,并于2010年完成一条生产线的改造。

冷坩埚

20世纪80年代,法国建成了第一个550mm的冷坩埚,在其十几年的实验时间里,共计运行了5000h,产生了约50t的模拟高放废液玻璃产品。20世纪90年代,在马库尔厂建成EREBUS平台(650mm),模拟固化美国汉福特的高放废液,该平台可采用液体直接进料或粉末进料。模拟结果显示冷坩埚技术适应性强,可处理多种不同类型的高放废物。

2010年,法国将R7的一条旋转煅烧炉+热熔炉生产线改造成旋转煅烧炉+冷坩埚生产线,并开始处理UP2-400后处理厂产生的退役废液,至今共生产了200罐UP2-400退役废液玻璃产品;2013年对富含U-Mo核素的高放废物进行实验性处理,共产生了约10罐的高放废物产品,同时采用冷坩埚技术处理轻水堆高放废液的申请已得到法国安全部门的批准。

“罐内”固化工艺

2018年,法国替代能源和原子能委员会(CEA)开发了一种“罐内”固化工艺。CEA、法国欧安诺集团(Orano)和ANADEC一直在评估使用这种“罐内”玻璃化工艺处理福岛第一核电站废水中放射性废物的可能性。这些废物包括受污染的污泥和矿物吸附剂。

该工艺由CEA的马尔库尔(Marcoule)实验室开发,在新工艺中熔炉是一次性的,并作为固化玻璃的主要容器。工艺实验室规模(100g)测试、部分实验规模(1kg)测试和近工业规模(100kg)测试都已完成。目前正在进行工业可行性研究。

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CEA Marcoule开发的“罐内”固化原型

3.美国

焦耳加热陶瓷熔炉

法国一样,美国早期研发了第一代玻璃固化设施。上世纪70年代初期,美国首次选择了焦耳加热陶瓷玻璃熔炉。

萨凡纳河、西谷、爱达荷和汉福特的玻璃固化设施均基于焦耳加热陶瓷熔炉技术。萨凡纳河玻璃固化设施称为国防废物处理设施(DWPF),是美国第一座生产规模的玻璃固化设施,1996年开始运行,运行期间不断进行工艺改进,研究了玻璃泵和鼓泡技术,并使用甘醇酸-硝酸流程代替硝酸-甲酸流程,针对不同批次的废物采用特定的玻璃配方,处理能力不断提高。

汉福特废物处理厂已完成设计,由预处理厂房、高放玻璃固化厂房和低放玻璃固化厂房三个主要建筑物组成,2016年完成建设,2019年进行了热运行。汉福特贮存的废液首先被送至预处理厂房进行分离,其中分离出的高放成分被送入高放玻璃固化厂房(两台熔炉)进行玻璃固化,处理工艺与萨凡纳河厂工艺类似,产生的废物玻璃产品罐将暂存在暂存库的贮存井中,而剩下的大量废液被定为低放,送入低放玻璃固化厂房进行玻璃固化。产生的废物玻璃容器将在厂区内最终处置。

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建设中的汉福特废物处理厂

美国ES公司为汉福特设计了高放熔炉:熔池表面积3.75m2,重100t,大小4267mm×4023mm×3719mm,更新的鼓泡系统。设计生产能力3t/d,最大生产能力7.5t/d。

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汉福特JHCM熔炉截面图,展示了鼓泡系统、贵金属和尖晶石沉积物

美国借鉴以往熔炉的运行经验,对汉福特高放熔炉做了一些改进。该熔炉是浆体进料JHCM。熔炉炉体由3层耐火砖组成,以抵御高温腐蚀。炉体外壳配有冷却板用来移出熔炉产生巨大热量以保护耐火砖层。电极的位置是精心布置的,可使电流分布不受沉积在炉体底部贵金属的影响。通过大量的研究工作,设计人员还改进了鼓泡器来提高熔融玻璃的热对流,可加强对废液中硫和贵金属的包容,同时显著提高了玻璃产生率(在能源部的加速处理计划的要求下,改进后的鼓泡器可将玻璃产生速率提高至125kg/h)。

冷坩埚

美国将冷坩埚技术作为下一代放射性废物玻璃固化设施备选技术之一。为评价该技术对废物处理的适用性,美国与俄罗斯、法国、韩国等进行合作,利用这些国家的冷坩埚设施对美国的放射性废液/泥浆等进行了验证试验。结果表明,此技术能满足美国放射性废物处理的要求。在评价冷坩埚技术的经济性、安全性方面,美国发现仅通过国际合作是不够的,还需自主建造冷坩埚。

爱达荷国家实验室与俄罗斯相关机构合作,建设了一台内径为267mm的冷坩埚实验样机,既可液体进料,也可固体进料。在此样机的基础上,拟设计建造下一代冷坩埚系统。另外,西北太平洋国家实验室及爱达荷国家实验室分别建立了内径分别为56、236、418和650mm的冷坩埚试验台架。

总结

高放废液的玻璃固化技术已经发展到第三代和第四代,著名的法国阿格后处理厂和日本在建的六所村后处理厂以焦耳加热陶瓷熔炉(JHCM)工艺为主。法国和美国还在积极布局冷坩埚玻璃固化技术的发展,法国已经建成工业化生产线,美国爱达荷国家实验室和西北太平洋国家实验室都已有原理样机。


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