放射性废物固化处理的研究及应用现状

放射性废物固化处理的研究及应用现状
摘要：放射性废物安全有效的处置是世界各国关注的重要课题，也是核工业健康、可持续发展的重要保证。

对放射性废物进行固化处理后埋入地下已经成为放射性废物处置的发展趋势。

对水泥固化、沥青固化、塑料固化、人造岩石固化等4种固化处理方法的固化机理、研究现状、应用情况、适用领域及优缺点进行了较系统的分析探讨。

水泥固化、沥青固化、塑料固化适用于中低放废物的固化处理，玻璃固化和人造岩石固化适用于高放废物的固化处理。

关键词：放射性废物；固化处理；研究；应用现状；
引言
核能的开发和利用给人类带来巨大的经济效益和社会效益，同时也产生了大量的放射性废物，给人类的生存环境带来了较大的威胁。

因此，如何安全有效地处置放射性废物，使其最大限度地与生物圈隔离，已成为核工业、核科学面临的日益迫切的重要课题，是影响核能持续健康发展的关键因素。

对放射性废物的处置，人们认为最合理的措施是首先将放射性废物进行固化处理，然后将得到的放射性废物固化体进行最终的地质处置。

对放射性废物进行有效的固化处理可以达到3个目的∶一是使液态的放射性物质转变成便于安全运输、贮存和处置操作的固化体；二是将放射性核素固结，阻挡放射性核素进入人类生物圈；三是减少废物的体积。

已经发展起来的放射性废物固化处理方法有很多，对于中低放射性废物（ILLW），主要有水泥固化、沥青固化和塑料固化；对于高放射性废物（HLW），主要有玻璃固化以及现在极具发展潜力的人造岩石固化。

当今世界，核科学技术发展已进入新阶段，同位素和核技术的应用更加广泛深入，核能发电已成为解决当前世界能源危机的重要途径之一，很多国家已将其列为重点发展的能源。

核电及其他核技术的发展必将产生越来越多的放射性废物，世界各国高度重视放射性废物固化处理技术的发展和应用。

1.水泥固化
水泥法以硅酸盐水泥基材作为核废料的固化体材料，它通过机械固化、吸附
固化和化学固化对核废料中核素离子起到固化作用。

机械固化就是靠水泥固化的
高致密度阻止核离子的扩散渗出。

为了达到这一目的，必须降低固化体的孔隙率，改善孔结构，尤其要减少大孔和连通孔的比例，增加离子扩散阻力，降低核素离
子的扩散渗出率。

吸附固化主要是通过水泥的水化产物或外加的吸附剂，对核素
离子产生吸附作用力，将其持留在水化产物中而固定。

化学固化是指核素离子在
水泥水化硬化过程中，与水泥水化产物反应生成新的矿物。

与前两种固化方式比较，化学固化是最牢固的。

水泥固化设备简单，生产能力大，投资和运行费用低，无废气净化问题，原料易得，固化生产过程二次污染少，是一种经济有效的固化
方法，迄今为止仍是核电站应用最广泛的一种固化工艺。

水泥固化体的化学稳定性直接关系到固化体组织放射性的释出能力。

硬化水
泥浆体的毛细孔隙率和孔结构是物质传递速率控制的因素。

但是水泥成型水灰比
和成型条件决定了固化体的孔结构，而孔结构又决定了固化体的几乎所有物理化
学性能，如：密度、力学强度、热性能、耐久性等。

因此，多孔性是水泥固化材
料的致命弱点。

另外由于高效废液的放射性强且释放热量高影响固化体的稳定性，因而增加了水泥固化的难度。

2.人造岩石固化
人造岩石是通过高温固相反应制备的一种热力学稳定的多相矿物体。

作为第
二代核废物固化体，它可使大部分废物元素直接进入矿相的晶格位置，一部分废
物元素被还原成金属单质，包容于合金相中。

澳大利亚核科学和技术组织（ANSTO）于1987年率先在世界上建成第一套人造岩石冷试工厂，生产能力为
10kg／h。

近年来，美国、俄罗斯、日本、法国、英国、意大利、德国、加拿大
和中国都在开发研究人造岩石固化高放废物。

澳大利亚ANSTO和美国劳伦斯－利
弗莫尔实验室合作研究人造岩石固化武器级钚（PuO2）1993年中国原子能科学
研究院建成了人造岩石固化实验室，并研究了包括高钠高放废物和锕系元素的人
造岩石。

人造岩石固化体的特点是：稳定性好、抗浸出性、辐照稳定性和热稳定
性高，其Cs、Sr的浸出率比硼硅酸盐玻璃低2~3个数量级；废物包容量大、密
度大（4.25~4.30g/cm3）、体积小，孤立隔离放射性核素的能力较强。

但人造岩
石固化不仅要把放射性核素包容进人造岩石矿物的晶格结构中，还要进行致密化
固结。

而致密化固结相当困难，只能采取热压、热等静压等强化致密化技术，这
些技术设备复杂，实施环境受限制。

3.塑料固化
七十年代我国就开展脲醛固化研究，后来中国辐射防护研究院研究聚氯乙烯
固化，中国原子能科学研究院研究苯乙烯固化处理废树脂和废溶剂。

现已建成
处理能力为 5 01 /批的全规模冷试装置。

水力输送来的废树脂经过预处理脱水
加入到固化桶中，经过养护获得均匀固化产品，废物包容量高达60-70%, 此设
备可装置在一台平板车上，发展成为流动固化装置。

除苯乙烯固化外，近年来聚
醋固化的研究工作也在进行。

4.沥青固化
1960年，比利时首先提出放射性废物的沥青固化技术，法国、西德、美国、
前苏联等相继开展了这方面的研究工作。

我国从60年代末期开始进行硝酸钠体
系废液的沥青固化技术研究，1984年，在国营八二一厂建成了沥青固化试生产厂
房及其配套设施。

早期的ILLW固化处理中，沥青固化工艺得到了广泛的应用，
但是，由于其固化工艺过程中存在很大的安全隐患和沥青固化体本身的缺陷，其
发展受到很大的限制。

沥青固化的原理：沥青固化是利用沥青与放射性废物在一
定温度下均匀混合，产生皂化反应，使放射性废物包容在沥青中形成固化体。

沥
青固化一般被用来处理放射性蒸发残液、放射性废水化学处理产生的污泥、放射
性焚烧灰产生的灰分等。

沥青固化的工艺主要包括 3个部分，即固体废物的预处理、废物与沥青的热混合以及二次蒸气的净化处理，其中，关键的部分是热混合。

干燥的放射性废物可以直接与加热的沥青搅拌混合，对于含有较多水分的废物，需要先脱去水分，再进行热混合。

混合的温度应该控制在沥青的熔点和闪点之间，温度过高时容易产生火灾。

5.结束语
目前，HLW固化处理的研究比较深入，技术成熟，工程化应用广泛。

比较而言，水泥固化具有工艺相对简单、固化处理成本较低等优点，其固化体具有较
好的机械稳定性、耐热性、耐久性，因此，水泥固化广泛应用于HLW的固化处理。

玻璃固化和人造岩石固化是固化处理 HLW 最现实可行的途径，但要实现HLW安
全有效的固化处理，仍有许多工艺技术问题需要解决。

玻璃固化工艺技术已经比
较成熟，并实现了工程化应用，但由于其固化介质材料是介稳相———玻璃相，玻璃固化体要达到几十至几千万年安全的地质处置，其长期安全性是令人担忧的。

人造岩石固化H LW的研究工作起步较晚，尚处于研究阶段，但由于人造岩石固
化体的化学稳定性、热稳定性、抗辐照性、抗浸出性等性能优异，工艺简单容易
控制，人造岩石固化被认为是固化处理H LW最理想的途径，受到世界各国的高
度重视。

因此，广泛而深入地研究、开发人造岩石固化HLW的工艺技术，对解决HLW安全有效的固化处理、促进核工业健康发展具有重要意义。

参考文献
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