本文阐述了为什么玻璃是固定储存核废料的关键材料。

核(放射性）废料是指含有放射性物质或受其污染的废物，其活性浓度大于监管组织确定的放射性水平。自然而然地，活动浓度低于这些水平的放射性废料被视为非放射性废物或免处理废物。

对人类和环境危害最大的是含有高含量、有毒放射性核元素的废物，即所谓的高放射性废物。

控制和处理核废料，是可以解决的问题。因为放射性废物管理是一个成熟并且受国际管制的工业，能够安全地处理核废料的方方面面。

有许多在科学和技术上健全的领域与这一行业有关，这引起了专家的注意。利用玻璃作为最终的废物形态和玻璃化技术是核废料安全储存、运输和最终安全处置的最佳解决方案之一。【1-3】

法国、印度、日本、俄罗斯、斯洛伐克、韩国、英国和美国使用玻璃技术设施来固定处置高放射性废物，德国最近完成了高放射性废物玻璃化处理的方案（表1）。【3】

除俄罗斯使用的碱-铝磷酸盐玻璃外，硼硅酸盐玻璃已被普遍选择为固定处理高放射性废物的玻璃（表2）(如位于美国萨凡纳河附近的国防废物处理设施；美国萨凡纳河国家实验室；英国核废料玻璃化工厂)。然而，一些核废料，如在完成各种核发展方案期间积累的遗留低、中核废料，最好利用硅酸盐或磷酸盐系统固定，这些网络系统更适合于固定处理特定的废料成分。

核废料的毒性

在1千兆瓦(GW)核电厂，一年内使用的核燃料所产生的高放射性废物的毒性是巨大的，潜在污染水量超过。玻璃作为首选，除了它的高耐久性，玻璃还可以将一系列元素融入其结构中。迈克尔·法拉第将玻璃描述为“一种物质在另一种不同物质中的溶液”。

玻璃对成分变化具有很强的耐受性，玻璃的特性随成分的变化而不断变化。基于这种玻璃化作用对大多数废物流的组成变化不太敏感，玻璃是最佳的固定储存材料，因为它具有物理和化学耐久性，加上它们具有将大多数元素纳入其结构的高能力，以确保安全的长期储存、运输和处置核废料。废物玻璃化处理具有吸引力，原因如下：

a.玻璃可以可靠地固定一系列元素；

b.玻璃有一种简单的生产技术，适应于玻璃制造；

c.玻璃废料体积小；

d. 玻璃与天然水接触时非常耐用；

e. 玻璃对辐射损伤的耐受性很强。

有一种趋势，是使用含有晶相和非晶相的玻璃复合材料(GCM)，而不是均匀的玻璃相。玻璃状物质的稳定性是至关重要的，因为处置时间跨度（高放射性废物）超过一百万年。

虽然，与相同成分的晶体材料相比，玻璃是亚稳态材料，但它们阻碍了晶格弛豫运动，因此在很长时间内几乎不会发生结晶等相变(普通硅酸盐玻璃是1098年），这大大超过约150亿年的宇宙寿命。【3】

玻璃的性态

天然玻璃一直存在于地球上，由火山爆发、雷击或陨石撞击而迅速冷却的熔体形成。玻璃以一种稳定和耐用的物质形式，在腐蚀性环境中存活了几千年。

硅酸盐玻璃的高耐腐蚀性使它们在腐蚀性环境中稳定存在数千年甚至数百万年。在自然界中发现了几种玻璃，如黑曜石（火山玻璃)、黄岩(闪电雷击形成）、在澳大利亚陆地上发现的玻璃陨石和来自印度洋底部的相关微型、来自中欧的和来自埃及西部的利比亚沙漠玻璃。其中一些玻璃在自然环境中已经存在了大约3亿年，蚀变率低，每百万年不到1毫米。

在俄罗斯火山口，发现的高硅质块状火山玻璃(U-Glass)中，含有浓度超过60ppm的放射性铀，其年龄约为2亿年。【4】

玻璃是具有拓扑无序内部原子结构的固态材料。

玻璃可以被认为是真正的固体溶液。溶液被冻结到固态，没有相分离。在加热时，玻璃持续不断地将固态变为液体，而不是像晶体那样，在固定温度（熔点)下突然发生这种变化。

非晶体材料在低温下的固化与在高温下的液化，通过玻璃相转变温度(T)分离。玻璃有着由相互连接的结构块组成的三维网络内部结构，它是液体还是固体，取决于其基本结构块之间的连通性。

固体（玻璃)的特点是具有高度的连通性，而流体(熔体）中的结构块具有较低的连通性。

随着温度的上升，玻璃结构块（分子)之间的一些键被打破，被打破的键(称为构型）开始形成团簇，而且温度越高，这样的团簇越大。

非晶体材料的熔化，发生在断裂的键形成渗滤团簇时，渗透到无序网络的整个体积 【5】。实验和计算机模拟结果，都证明了玻璃化转变温度下渗滤团簇的形成过程。

玻璃化处理技术

玻璃化处理技术，是用玻璃作添加剂熔化核废物，将废物污染物纳入最终玻璃产品的宏观和微观结构中。危险废物的成分被固定，或者直接渗入玻璃分子结构，或者在废物成分被玻璃基质包围时被封装。

玻璃化处理过程通常包括蒸发液体的高放射性废物、分解挥发性阴离子（例如硝酸盐），如果不通过煅烧去除，将废物与玻璃添加剂熔化，将玻璃液倒入罐中，冷却形成含有废物的固体玻璃。

处理含有120克盐、1升典型商业高放射性废物，所需热能约为1.2千瓦时。这种能量的主要部分（约67%）是蒸发所必需的，分解硝酸盐和聚变所需的能量分别占总能量的20%和13%。

使用两种基本类型的玻璃化技术：一种是在熔融前煅烧废物的两阶段过程，另一种是在熔融过程中同时发生废物煅烧和熔化的一阶段过程。

主要的熔剂类型包括陶瓷、金属和冷坩埚熔剂。

耐火材料内衬（下图）具有效率高、熔炼寿命长的优点，但由于热冲击，耐火材料的尺寸和重量大，冷却和再加热困难。

一级玻璃化EP-500混合机原理图：

1-排水（浇注单元），2-钼电极， 3-溢出窗口， 4-喂料口， 5-拱顶，6-断气管道，7-水

冷电源，8-Bakor耐火砖，9-耐火砖。

金属熔剂具有导热系数高、抗热冲击、体积小等优点。它们的缺点：操作温度较低、高温下的微结构变化造成失效模式、焊接缺陷以及在感应加热的情况下，存在潜在的热点。

冷坩埚熔炼器提供冷冻玻璃接触材料，通过主动保持冷却，将熔体与坩埚壁分离。他们的优势是可以在非常高温的情况下加工、相对较低的体积和耐腐蚀熔体。

目前有一个明显的趋势，使用锅（罐内）玻璃化工艺，来固定遗留和退役的放射性废物。

盆栽玻璃化是将放射性废物固定在玻璃中的最简单的工艺。

在这种方法中，核废料与玻璃添加剂混合，并以恒定的流量直接送入发生水分蒸发、煅烧和玻璃化的容器(坩埚、耐火罐容器），以确保在处理、储存、运输和处置过程中，对放射性废物形成安全保护壳。【6】

在罐内玻璃熔化过程中，熔炉是一次性的，是金属和玻璃废料的主要容器。

结论

核废料玻璃化处理是有吸引力的，因为技术和成分的灵活性，大量的元素可以被安全地固定，具有高耐腐蚀性、高机械强度和长久耐辐射性，同时能减少废物体积。

利用硼硅酸盐玻璃和少量磷酸盐玻璃，来固定处理核燃料燃烧后产生的高放射性废物和低、中放射性废物（如核电站运行和遗留废物），在世界范围内是一种压倒性的选择。

玻璃化是一种成熟的技术，已在工业规模上应用了五十多年。玻璃废料和核废料玻璃化技术的不断进步将是实现核能广泛部署的关键。

参考资料

1．C.M. . ： HLW放射性废物玻璃化的开发。In：：高级放射性废物调理技术手册。出版社，230-292页（2011）。

2．S. Gin, P. , M. , S. , S. ：核玻璃中的放射性核素安全壳概述。放射免疫学报，105（11），927-959页（2017）。

3．M.I. , W.E. Lee, S.N. ：关于核废料固定的介绍。, 第三版，497页，（2019年）。

4．V.A. ：不同成分火山玻璃转变过程中U行为的性质。ICTP-IAEA核废料玻璃化联合国际学校，国际理论物理中心（1CTP）。于意大利里雅斯特，2019年9月23日至27日。

5．M. ： 玻璃形成。. ：玻璃科学、技术、历史和文化百科全书。新泽西州霍博肯威利出版社，2020年出版。

6．D. , M. ： 用于核遗留废物-20453的罐内熔化和玻璃化的耐火坩埚。2020年3月8日至12日，在美国, AZ召开的 Proc.会议上。

*英国伦敦帝国理工学院，俄罗斯科学院矿床地质学、岩石学、矿物学和地球化学研究所。

作者： I. 翻译：傅多娜