提起玻璃，人們印象中往往是無(wú)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(yáng)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。”中國(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)?ldquo;鍋巴”
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(kāi)始發(fā)展冷坩堝技術(shù)。但這些技術(shù)，我們要不來(lái)也買不來(lái)。”在葉國(guó)安看來(lái)，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。”葉國(guó)安說(shuō)，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(wèn)——太厚，加熱效率低；太薄，無(wú)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(guò)金屬堝壁，只能從狹窄的堝壁縫隙透過(guò)。縫隙太多，堝體強(qiáng)度不夠；縫隙太少，磁場(chǎng)強(qiáng)度又不夠。”
科研過(guò)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(kāi)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(kāi)足馬力、全力攻關(guān)，邊學(xué)邊干、邊干邊學(xué)，先后闖過(guò)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(jué)。”龍浩騎感慨道。
如今，經(jīng)過(guò)上百次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、迭代改進(jìn)的冷坩堝，燒出來(lái)的“鍋巴”薄厚適中、均勻剔透，堪稱完美。
開(kāi)發(fā)配方促“消化”
2016年，冷坩堝放大規(guī)?？蒲袠訖C(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(lái)越高，裂變產(chǎn)生的鉬、鋯、鑭系元素以及貴金屬也隨之增多。”原子能院冷坩堝研發(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(wèn)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(wèn)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。”
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(kāi)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。“我們猶如把脈問(wèn)診的‘老中醫(yī)’，反復(fù)推敲化解‘病癥’的‘藥方’。”譚盛恒打比方說(shuō)，有時(shí)候解決問(wèn)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(yáng)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(kù)，鉬元素囚禁難的問(wèn)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(guò)兩年多努力，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)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(guò)遠(yuǎn)程控制機(jī)械手來(lái)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)。”鮮亮介紹，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(kāi)展了大量的設(shè)備外協(xié)加工工作。“在項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)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(guò)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(méi)什么變化，實(shí)際上樣機(jī)內(nèi)部已經(jīng)‘脫胎換骨’。”鮮亮說(shuō)。
90天連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)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(kù)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(wàn)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(lái)，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！”
提起玻璃，人們印象中往往是無(wú)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(yáng)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。”中國(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)?ldquo;鍋巴”
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(kāi)始發(fā)展冷坩堝技術(shù)。但這些技術(shù)，我們要不來(lái)也買不來(lái)。”在葉國(guó)安看來(lái)，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。”葉國(guó)安說(shuō)，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(wèn)——太厚，加熱效率低；太薄，無(wú)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(guò)金屬堝壁，只能從狹窄的堝壁縫隙透過(guò)?？p隙太多，堝體強(qiáng)度不夠；縫隙太少，磁場(chǎng)強(qiáng)度又不夠。”
科研過(guò)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(kāi)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(kāi)足馬力、全力攻關(guān)，邊學(xué)邊干、邊干邊學(xué)，先后闖過(guò)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(jué)。”龍浩騎感慨道。
如今，經(jīng)過(guò)上百次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、迭代改進(jìn)的冷坩堝，燒出來(lái)的“鍋巴”薄厚適中、均勻剔透，堪稱完美。
開(kāi)發(fā)配方促“消化”
2016年，冷坩堝放大規(guī)?？蒲袠訖C(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(lái)越高，裂變產(chǎn)生的鉬、鋯、鑭系元素以及貴金屬也隨之增多。”原子能院冷坩堝研發(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(wèn)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(wèn)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。”
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(kāi)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。“我們猶如把脈問(wèn)診的‘老中醫(yī)’，反復(fù)推敲化解‘病癥’的‘藥方’。”譚盛恒打比方說(shuō)，有時(shí)候解決問(wèn)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(yáng)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(kù)，鉬元素囚禁難的問(wèn)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(guò)兩年多努力，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)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(guò)遠(yuǎn)程控制機(jī)械手來(lái)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)。”鮮亮介紹，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(kāi)展了大量的設(shè)備外協(xié)加工工作。“在項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)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(guò)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(méi)什么變化，實(shí)際上樣機(jī)內(nèi)部已經(jīng)‘脫胎換骨’。”鮮亮說(shuō)。
90天連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)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(kù)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(wàn)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(lái)，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！”
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