值得关注的特种玻璃在当今世界核废料处置中的研发应用市场前景看好
前言
当今世界上核装置的反应堆产生的废料（高放废液），在反应堆运行期间，这类放射性物质的放射性对人的危害极大。高放废液固化研究在美国、西欧等地起步较早。20世纪70年代末到80年代，对高放废液固化的研究重点是固化体的种类选择开展了国际间合作研究与交流。可供选择的有多种固化体材料，如玻璃、水泥、玻璃、陶瓷等，而玻璃因其特有的特性被认为是将放射性核素长期在废物固化体中并保持稳定的理想材料，它具有最终贮存所需的化学稳定性和抗辐射性，有很强的包容能力，可将核素固定在玻璃结构内。
自20世纪60年代开发了用玻璃固化核废物技术以来，所有原子能利用的先进国家均以玻璃固化处理方法作为高放射性废液处理技术的首选。在玻璃固化技术不断发展的过程中，形成了两种比较成熟的玻璃固化技术：一种是法国开发的回转煅烧炉加热金属熔融罐技术；另一种是由美国和德国开发的焦耳加热陶瓷熔炉技术。该两种玻璃固化技术在世界上已广泛得到应用。
1、低熔硼硅酸盐玻璃
伴随着原子能开发的进展，有效处置放射性污染的废弃物也随之向玻璃行业提出一门新的课题已迫在眉睫。中国上海玻璃协会陶国琴秘书长和中国建材国家工程集团公司玻璃院彭寿十分关注特种玻璃的研发及应用，并引导玻璃及加工玻璃和特种玻璃研发走在创新之路前列，为中国国防、航天、核能等高端领域助力，获得可喜的成功。
低熔硼硅酸盐玻璃固化是将高能级放射性废物或其煅烧体与玻璃原料混合，混合料熔融后，经冷却固化，转换成为玻璃态物质。该玻璃的混入量低于10%~20%时，高放射性的核裂变生成物及锕系元素几乎完全为氧化物，被玻璃的三维网络结构所固定。其中一部分形成玻璃网络结构体，另一部分被封闭到网络结构中。这样玻璃可比较自由地将各原子核收入网络结构内。
2、玻璃固化处理方法
将高能级放射性核废液进行玻璃化处理的技术有金属熔融法和陶瓷熔融法。二者使用的玻璃都是低熔硼硅酸玻璃。
① 金属坩埚熔融法
此法为法国通称的AVM方法，1978年以来开始以工业规模运转。其处理工艺是用回转炉将放射性废物煅烧形成粉状体，向粉状体中混入玻璃熔块，装入金属制坩埚（铬镍铁合金601）中，在1050℃下进行玻璃的高频熔融，再转入不锈钢容器，之后放入贮存坑内。
② 陶瓷炉熔融法
用有熔槽的电加热陶瓷炉处理玻璃的方法，是在比用金属坩埚熔融法高出100~200℃的高温中熔化，因此可以得到化学耐久性好的玻璃。美国、德国及日本都以开发这种陶瓷炉为重点。该工艺是将废液与玻璃熔块混合，以料浆状直接供给熔炉，利用铬镍铁合金690等合金电极通电供给玻璃焦耳热，熔融玻璃以溢流方式浇铸充填。炉材采用含有氧化铬的Monofrax K-3类材料。
③ 其它技术
在日本开发的利用高频感应加热玻璃的方式，此时频率为3MHz或400MHz可以进行高温加热，得到化学稳定性良好的玻璃。
另外还开发了将熔融的玻璃滴到旋转的圆盘或模型上，制成玻璃球（ф5~10mm）装入装运箱。也有用熔融铅充填的方法和等离子在玻璃球表面上镀金属薄膜的方法（德国、比利时、美国）。还有将多孔质高硅氧玻璃浸入废液烧结的方法（美国）及利用多孔质高硅氧玻璃的反应，将这种玻璃粉和废液锻烧体、铜粉混合体在比较低的温度（600~700℃）中进行热压的方法（日本）等。现在正在开发利用溶凝法将废液凝胶化，再用微波照射凝胶化配合料，以此使其玻璃化的技术等。
3、中国高放废液玻璃固化研发状况
中国对高放废液玻璃固化的研究工作始于20世纪70年代，经过四十多年的发展取得了长足的进步。中国主要围绕罐式玻璃固化工艺开展研究，并且进行了连续工艺的冷运行。1986年中国决定采用较大产量的液体加料陶瓷电熔炉法，在20世纪90年代初进行了冷试验。
液体加料陶瓷电熔炉法，即将废液在回转炉中煅烧为粉体，玉玻璃熟料混合后装入金属制坩埚中，在高钢贮罐中，用钛、铅等金属包在容器外，将容器埋入膨润土或石英粉并置于安全地层中。
4、核废物固化玻璃的潜在市场
①中国增加核电拉动核废物固化玻璃的潜在市场
世界核电行业协会的统计数据显示，到2030年，全球将新增160台核电机组。其产生的核废物急需处理，核废物固化玻璃具有良好的潜在市场。
据报道，目前，俄罗斯在外的核电项目数量世界领先，与中国核电同时起步的韩国也在核电市场中击退了美国等几个老牌核电出口国。国家能源局表示，对于煤炭占一次能源67%的中国来说，增加核电是一个现实的选择，它没有温室气体排放，同时，沿海建设的核电站都用海水冷却，大大节约了淡水资源。
根据该机构预测值，2030年全球核电装机容量将达到727GW，比目前增长1倍。中国将核电建设作为经济领域的主要政策之一，中国政府已决定在2016年开始的第十三个五年计划中，以每年6-8座的速度新建核电站，并将为自主开发的新型核电站投入共5000亿元资金。
据报道，国家核电技术公司称，未来10年中国将建60台核电机组。国务院发布的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》早就提出：到2020年，在运核电规模将达到5800万千瓦，在建规模达3000万千瓦。国家核电技术公司专家委员会解释，要完成国家规划，按目前在运28台、装机容量2614.8万千瓦，在建26台、装机容量2912万千瓦计算，到“十三五”末，可以达到5800万千瓦，但少了3000万千瓦在建规模；所以“十三五”内需再建28-30台机组。按同样速度，到2025年，还有30台左右需建。
按我国能源绿色低碳发展目标：到2020年，非化石能源占一次能源消费总量比重达到15%，单位GDP碳排放量比2005下降40%-45%；到2030年，更分别达到20%左右和60%-65%，且2030年前后碳排放达到峰值，并力争尽早达峰。“要兑现我们队国际社会做出的庄严承诺，各门类绿色低碳能源就必须按类分解这一发展目标”。核电到2020年在运5800万千瓦、在建3000万千瓦，“是一个最起码的量”。
中核集团院士的研究表明，在环境影响方面，不同能源链的温室气体排放系数比较，褐煤、煤、石油、太阳能、水力、生物质、风能、核能中，核能依次排在最低；对人员健康的影响方面，核能的辐射照射也远远低于煤。
目前，世界在建核电机组总共65台，其中中国26台、俄罗斯9台、印度6台、美国5台、韩国4台。
中国核电的优势是在“工程造价相对较低”。对此，有关核电方面专家指出，中国需要在提高技术含量、管理精细度上继续努力，尤其在产生的核废料的安全处置问题上采用玻璃防护核废物，固化核废物的特种玻璃的开发研究和应用已迫在眉睫。
②日本对安全提出更高要求
日本环保部表示：为了体现核电的安全性，核电有“两个千分之一”的定量安全目标：第一，反应堆事故堆核电厂附近的个人或居民群体可能产生的癌症死亡风险，不应超过由于其他事故而普遍受到的急性死亡风险的0.1%；第二，反应堆事故对核电厂附近的个人或居民群体可能产生的癌症死亡风险，不应超过由于原因导致癌症风险的0.1%。为此，除了确保反应堆安全运行外，日本对产生的核废物处置非常重视。采用玻璃固化核废物已发表了诸多专利，以助力推动采用玻璃固化核废物处置。
④ 韩国求处置核废物对策
韩国世界第五大核能使用国，现有23座核反应堆，全国三分之一能源来自于核电。韩国由于每年新增750万吨核废料，存储池会很快填满。韩国正面临安放核废料的危机。韩国2024年前将新建11座新核电站，一些核废料届时将何处置，开发利用“玻璃固化核废物”已成为新的重要课题。其采用玻璃固化核废物具有良好潜在市场。