美核廢料玻璃固化成功：200億美元收穫首塊9公斤玻璃

據科技日報29日報道，這是一個等待了20餘年的喜訊。近日，美國太平洋西北國家實驗室的科學家成功完成低放廢液玻璃固化的首次熱試。

科學家們將核廢料固化成玻璃。（圖源：美國太平洋西北國家實驗室）

“此次試驗產生的9公斤玻璃，是美國能源部自1997年給漢福特廠核廢料處理項目投資200多億美元產生的第一塊核廢料玻璃。”6月28日，武漢理工大學硅酸鹽建築材料國家重點實驗室教授徐凱在接受科技日報記者專訪時介紹。他曾在美國太平洋西北國家實驗室工作多年。

徐凱解釋，這次熱試完全模擬漢福特廠將要採取的低放廢液處理工藝，對真實低放廢液進行固化處理。值得一提的是，該工藝為連續進料模式而非傳統的批次進料。

“這對深入研究漢福特玻璃固化工藝，以及未來擴大處理規模具有極其重要的指導意義。”徐凱評價。

作為曼哈頓計劃的一部分，漢福特廠建於1943年，人類首次核彈引爆試驗及投放到日本長崎的原子彈所使用的高純鈈都產自這裏。在提取高純鈈過程中，該廠產生了大量放射性廢液。目前，約20萬立方米的軍工遺留廢液暫存於此，貯存量為全球之最，其中90％以上為低放廢液。

美國漢福特廠（圖源：華爾街日報）

隨着時間的推移，簡單液態貯存方式的弊端日益暴露。1987年，漢福特廠成為核廢料處理場，1989年美國聯邦政府着手處理此處核廢料。但因處理工藝複雜、技術難度大，雖然投資費用一直呈直線式攀升，但項目進展十分緩慢。

核廢料是人類面臨的主要環境問題之一。比如，乏燃料後處理中產生的高水平放射性廢液，含有輻照核燃料中總裂變產物的97％以上，由於具有放射性元素濃度高、釋熱率大和腐蝕性強等特點，如果不加以嚴格管理、妥善處理，一旦進入生物圈，必將造成極其嚴重的環境災難。

過去40多年，科研人員一直在探索一種技術路徑，其中第一步是先將廢液轉化為固態消除其流動性，降低廢液內含有的放射性元素進入環境的可能性，繼而將廢液固化體放置於深地質層中，實現對廢料的最終處置，利用地質介質為屏障將廢物中的放射性元素和人類生活的環境相隔絕。

所謂玻璃固化，是指將核廢料與玻璃添加劑混合，經高温熔融，澆鑄成玻璃固化體的工藝，放射性元素在原子尺度內固化於玻璃體內，保證了其地質存貯的安全，被認為是完成最終處置的第一道重要工序。

目前玻璃固化有兩條技術路徑：熱鍋法、冷鍋法。

通俗地講，熱鍋法是將廢液濃縮、煅燒後轉化成的粉狀氧化物，撒向高達1200攝氏度的硼硅酸鹽玻璃液裏，讓氧化物與液態玻璃融合。冷鍋法的核心是在鍋外纏繞感應線圈，對鍋內玻璃液實現感應加熱，與此同時，在鍋外圍注入冷水，高温玻璃液在鍋內壁形成起保護作用的“鍋巴”，避免了對鍋的腐蝕，延長了使用壽命。

過程聽起來並不是太複雜，但不能忽略的是，玻璃固化裝置運行條件和要求極為特殊，工作環境不但具有放射性，而且温度高達上千攝氏度。所有操作特別是維護，必須能通過遠距離完成。

紅色材料是來自漢福特地下的放射性廢料，這是它首次在持續過程中被固化成玻璃。（圖源：美國太平洋西北國家實驗室）

“好比送到月球的月球車壞了，只能遠距離遙控修復。有些難度大的修復，維修風險與成本甚至比建造成本還高。”徐凱説。

他同時表示，玻璃固化是一項高精尖的複雜技術。目前世界上掌握玻璃固化技術的國家並不多，有限的玻璃固化技術國際合作也無法實現真正的核心技術交流。即使有外國公司的技術援助，如英國核燃料公司曾是漢福特核廢料處理項目的主要承包商，美國太平洋西北國家實驗室也並未中斷玻璃固化技術研究，四十年如一日，在玻璃固化領域產生了大量原創性成果，對未來的工程化應用有着至關重要的指導作用，“可見堅持自主創新十分必要”。

（科技日報記者 陳瑜）