第6部分：高放廢物處理

1、放射性廢物處理與處置放射性廢物處理與處置 20201111年年4 4月月 哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) 矯彩山矯彩山 第第6章高放廢物處理章高放廢物處理 高放廢物特點及其處理概述高放廢物特點及其處理概述 高放廢物（高放廢物（High Level Waste，HLW）的體積僅占各類廢物總）的體積僅占各類廢物總 體積的體積的3%，而高放廢物的放射性活度卻占各類廢物總活度的，而高放廢物的放射性活度卻占各類廢物總活度的 95%。其特點是放射性比活度高。其特點是放射性比活度高, 釋熱率高釋熱率高, 含有一些半衰期長含有一些半衰期長 、生物毒性高的核素。、生物毒性高的核素。 因此，它們的處理與處置技術(shù)復(fù)雜

2、、難度大、費用高因此，它們的處理與處置技術(shù)復(fù)雜、難度大、費用高, 成為成為 當(dāng)今放射性廢物治理的重點研究開發(fā)課題。當(dāng)今放射性廢物治理的重點研究開發(fā)課題。 第第6章高放廢物處理章高放廢物處理 高放廢物特點及其處理概述高放廢物特點及其處理概述 乏燃料比放射性與其離堆時間之間的關(guān)系乏燃料比放射性與其離堆時間之間的關(guān)系 乏燃料衰變熱功率與其離堆時間之間關(guān)系乏燃料衰變熱功率與其離堆時間之間關(guān)系 后處理工藝工藝中，每處理后處理工藝工藝中，每處理1t乏燃料元件，產(chǎn)生將近乏燃料元件，產(chǎn)生將近5 m3 的的 高放廢液，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后，體積減少到高放廢液，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后，體積減少到0.4 m3 左右。乏燃料中左右。乏

3、燃料中 99.9以上的裂變產(chǎn)物都進入高放廢液。以上的裂變產(chǎn)物都進入高放廢液。 第第6章高放廢物處理章高放廢物處理 高放廢物特點及其處理概述高放廢物特點及其處理概述 （1）放射性）放射性 核燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液核燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液1AW，放射性極強，經(jīng)過，放射性極強，經(jīng)過4a的的 冷卻，短半衰期核素雖已基本衰變掉了，其放射性活度依然冷卻，短半衰期核素雖已基本衰變掉了，其放射性活度依然 很強：很強： u生產(chǎn)堆高放廢液：生產(chǎn)堆高放廢液：-放射性放射性10111013Bq/L，放射性放射性 10101011Bq/L u動力堆高放廢液：動力堆高放廢液：-放射性放射性10131015Bq/L，放

4、射性放射性 10121013Bq/L 第第6章高放廢物處理章高放廢物處理 高放廢物特點及其處理概述高放廢物特點及其處理概述 （2）毒性）毒性 高放廢液的化學(xué)組成十分復(fù)雜，且與乏燃料冷卻時間有關(guān)。高放廢液的化學(xué)組成十分復(fù)雜，且與乏燃料冷卻時間有關(guān)。 主要包括主要包括: 裂變產(chǎn)物裂變產(chǎn)物 總錒系元素，包括萃余的鈾、钚和中子俘獲而生成的次錒總錒系元素，包括萃余的鈾、钚和中子俘獲而生成的次錒 系元素等系元素等 設(shè)備材料的腐蝕產(chǎn)物及其活化產(chǎn)物設(shè)備材料的腐蝕產(chǎn)物及其活化產(chǎn)物 包殼材料，包殼材料，Ai、Mg、Fe、Zr等等 中子毒物，主要是中子毒物，主要是Gd、Cd及及B等等 化學(xué)試劑，如化學(xué)試劑，如NO3

5、-、SO42-、PO43-、Na+等及有機物。等及有機物。 核素核素半衰期半衰期毒性毒性放射體放射體 核素核素半衰期半衰期毒性毒性放射體放射體 238U 4.47109a低毒低毒 131I 8.04d中毒中毒- 235U 7.0108a低毒低毒 3H 12.3a低毒低毒- 234U 2.46105a極毒極毒 95Nb 34.991d中毒中毒- 233U 1.6105a極毒極毒 95Zr 64d中毒中毒- 237Np 2.14106a高毒高毒 144Ce 284d高毒高毒- 239Pu 2.4104a極毒極毒 106Ru 373.59d高毒高毒- 240Pu 6.56103a極毒極毒 85Kr

6、10.7a低毒低毒- 241Pu 14.29a高毒高毒- 147Pm 26.2a中毒中毒- 241Am 4.33102a極毒極毒 90Sr 28.79a高毒高毒- 243Am 7.37103a極毒極毒 137Cs 30a中毒中毒- 242Cm 162.8a極毒極毒 14C 5.7103a低毒低毒- 99Tc 2.11105a低毒低毒- 126Sn 2.48105a高毒高毒- 36Cl 3.0105a中毒中毒- 79Se 1.13106a低毒低毒- 93Zr 1.53106a低毒低毒- 135Cs 2.3106a低毒低毒- 129I 1.61107a低毒低毒- 高放廢液中主要的放射性核素高放廢液

7、中主要的放射性核素 第第6章高放廢物處理章高放廢物處理 高放廢物特點及其處理概述高放廢物特點及其處理概述 （3）放熱率）放熱率 高放廢液中許多核素有高釋熱率，這使得高放廢液早期的放高放廢液中許多核素有高釋熱率，這使得高放廢液早期的放 熱率可達(dá)熱率可達(dá)20W/L。主要鈾。主要鈾90Sr和和137Cs所貢獻(xiàn)，經(jīng)過所貢獻(xiàn)，經(jīng)過10年衰變后年衰變后 釋熱率可降低到釋熱率可降低到80%，經(jīng)過，經(jīng)過100年降低到年降低到60%，經(jīng)過，經(jīng)過300年降年降 低到低到10%。 （4）酸及鹽等化學(xué)品）酸及鹽等化學(xué)品 高放廢液中酸度達(dá)到高放廢液中酸度達(dá)到26mol/L，具有較強的腐蝕性。此外，具有較強的腐蝕性。此外

8、， 廢液中還含有一定的鹽分，有生產(chǎn)沉淀的可能。廢液中還含有一定的鹽分，有生產(chǎn)沉淀的可能。 （5）爆炸性氣體）爆炸性氣體 由水及有機物輻照分解產(chǎn)生的由水及有機物輻照分解產(chǎn)生的H2、CO、CH4、C2H6及及C2H4等等 氣體產(chǎn)物，有引發(fā)爆炸的可能。氣體產(chǎn)物，有引發(fā)爆炸的可能。 高放廢液固化處理流程方塊圖高放廢液固化處理流程方塊圖 高放廢液的預(yù)處理高放廢液的預(yù)處理 高放廢液的蒸發(fā)濃縮高放廢液的蒸發(fā)濃縮 蒸發(fā)法濃縮高放廢液流程示意圖蒸發(fā)法濃縮高放廢液流程示意圖 主要目的是減少廢液體積；主要目的是減少廢液體積； 凈化系數(shù)可達(dá)凈化系數(shù)可達(dá)105106； 隨著硝酸濃度的增加，沸點隨著硝酸濃度的增加，沸點

9、升高，碘、釕揮發(fā)嚴(yán)重，設(shè)升高，碘、釕揮發(fā)嚴(yán)重，設(shè) 備腐蝕加劇，必須進行破壞備腐蝕加劇，必須進行破壞 硝酸。硝酸。 澄清分離夾澄清分離夾 帶有機溶劑帶有機溶劑 高放廢液的預(yù)處理高放廢液的預(yù)處理 高放廢液的蒸發(fā)濃縮高放廢液的蒸發(fā)濃縮 當(dāng)硝酸濃度為當(dāng)硝酸濃度為8mol/L時：時： 4HNO3 + HCHO 4NO2 + CO2+ 3H2O 當(dāng)硝酸濃度為當(dāng)硝酸濃度為28mol/L時：時： 4HNO3 + 3HCHO 4NO+3CO2 + 5H2O 當(dāng)硝酸濃度小于當(dāng)硝酸濃度小于2mol/L時：時： 2HNO3+HCHO HCOOH+2NO2+ H2O 2HNO3+HCOOH 2NO+ 3CO2 + 4H

10、2O 甲醛脫硝的最終產(chǎn)物都是揮發(fā)性氣體和水，因而不會增加蒸甲醛脫硝的最終產(chǎn)物都是揮發(fā)性氣體和水，因而不會增加蒸 殘液的含鹽量和其它雜質(zhì)。殘液的含鹽量和其它雜質(zhì)。 高放廢液的預(yù)處理高放廢液的預(yù)處理 高放廢液的儲存高放廢液的儲存 目的：目的： 降低廢液的比活度（短壽命核素）；降低衰變熱。降低廢液的比活度（短壽命核素）；降低衰變熱。 時間：時間：20 30 a 容器：容器：不銹鋼儲罐不銹鋼儲罐 條件：條件： 裝在不銹鋼襯里的混凝土（裝在不銹鋼襯里的混凝土（1m厚）地下室里；厚）地下室里； 每個儲罐與一個等容積空罐相連，應(yīng)急預(yù)案；每個儲罐與一個等容積空罐相連，應(yīng)急預(yù)案； 設(shè)置冷凝器，冷凝崩沸產(chǎn)生的蒸汽

11、，使之回流到罐內(nèi)；設(shè)置冷凝器，冷凝崩沸產(chǎn)生的蒸汽，使之回流到罐內(nèi)； 配有壓縮空氣攪拌裝置，攜帶輻解產(chǎn)生的氫氣，避免顆粒物配有壓縮空氣攪拌裝置，攜帶輻解產(chǎn)生的氫氣，避免顆粒物 沉積底部引發(fā)崩沸。沉積底部引發(fā)崩沸。 高放廢液的儲存高放廢液的儲存 貯罐材質(zhì)貯罐材質(zhì) 在早期，美國曾用堿中和酸性廢液，然后采用碳鋼槽貯存堿在早期，美國曾用堿中和酸性廢液，然后采用碳鋼槽貯存堿 性和中性高放廢液。漢福特和薩凡那河廠的性和中性高放廢液。漢福特和薩凡那河廠的183個碳鋼貯槽，個碳鋼貯槽， 發(fā)現(xiàn)有發(fā)現(xiàn)有20多個發(fā)生了泄漏。多個發(fā)生了泄漏。 美國、英國等國家貯存高放濃縮廢液的運行經(jīng)驗表明，不銹美國、英國等國家貯存高放

12、濃縮廢液的運行經(jīng)驗表明，不銹 鋼槽貯存酸性高放廢液是目前唯一獲得大規(guī)模應(yīng)用的中間貯鋼槽貯存酸性高放廢液是目前唯一獲得大規(guī)模應(yīng)用的中間貯 存技術(shù)。存技術(shù)。 所以，目前認(rèn)為在不銹鋼灌中貯存酸性廢液比較安全。所以，目前認(rèn)為在不銹鋼灌中貯存酸性廢液比較安全。 高放廢液的儲存高放廢液的儲存 廢液廢液pH值值 中性廢液由于金屬離子的水解作用而會產(chǎn)生泥漿沉淀，這些中性廢液由于金屬離子的水解作用而會產(chǎn)生泥漿沉淀，這些 泥漿載帶有大部分的放射性核素。泥漿載帶有大部分的放射性核素。 在漢福特廠用碳鋼襯里的貯罐，直徑為在漢福特廠用碳鋼襯里的貯罐，直徑為23 m，深度為，深度為6 12 m ，容量為，容量為1800

13、3700 m3。如果固體物質(zhì)沉降到罐底，會使無。如果固體物質(zhì)沉降到罐底，會使無 內(nèi)部冷卻裝置的貯罐產(chǎn)生崩沸。崩沸時的蒸發(fā)速度為正常值內(nèi)部冷卻裝置的貯罐產(chǎn)生崩沸。崩沸時的蒸發(fā)速度為正常值 的的50倍。罐底放射性沉淀物的溫度曾高達(dá)倍。罐底放射性沉淀物的溫度曾高達(dá)177 ，觀察到罐內(nèi)，觀察到罐內(nèi) 最大壓力達(dá)最大壓力達(dá)1.38104 Pa。 高放廢液的儲存高放廢液的儲存 空氣攪拌空氣攪拌 為解決崩沸的問題，漢福特廠采用內(nèi)部空氣提升進行攪拌的為解決崩沸的問題，漢福特廠采用內(nèi)部空氣提升進行攪拌的 方法，來緩和廢液滿罐以后的崩沸。使用壓縮空氣攪拌，一方法，來緩和廢液滿罐以后的崩沸。使用壓縮空氣攪拌，一 方面

14、可以使廢液中的沉淀物呈懸浮狀態(tài)，避免沉淀；另一方方面可以使廢液中的沉淀物呈懸浮狀態(tài)，避免沉淀；另一方 面可以保持輻解生成的氫氣得到充分的稀釋，使氫濃度保持面可以保持輻解生成的氫氣得到充分的稀釋，使氫濃度保持 在允許濃度以下；此外，空氣攪拌還有利于廢液的自蒸發(fā)作在允許濃度以下；此外，空氣攪拌還有利于廢液的自蒸發(fā)作 用。用。 朗朗JT.核燃料后處理工程核燃料后處理工程M.楊云鴻，譯楊云鴻，譯.北京：原子能出版社北京：原子能出版社 ，1980. 高放廢液的儲存高放廢液的儲存 冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng) 為防止高放濃縮廢液沸騰并維持其溫度在為防止高放濃縮廢液沸騰并維持其溫度在60 以下，貯存裝以下，貯存裝 置必

15、須配備有足夠余量的冷卻系統(tǒng)。通常罐內(nèi)要設(shè)置兩到三置必須配備有足夠余量的冷卻系統(tǒng)。通常罐內(nèi)要設(shè)置兩到三 個獨立的密閉冷卻回路，保證在一個冷卻回路失效時，溫度個獨立的密閉冷卻回路，保證在一個冷卻回路失效時，溫度 仍可維持在仍可維持在85 以下。為防止溶液暴沸事故，每個貯罐都帶以下。為防止溶液暴沸事故，每個貯罐都帶 有冷凝器，由空氣冷卻，冷凝液流回貯罐。有冷凝器，由空氣冷卻，冷凝液流回貯罐。 高放廢液的儲存高放廢液的儲存 其它安全措施其它安全措施 為防止可能發(fā)生的泄漏事故，必須采取兩種安全措施：一是為防止可能發(fā)生的泄漏事故，必須采取兩種安全措施：一是 貯罐必須安放在能夠容納整個貯罐的不銹鋼覆面的地下

16、設(shè)備貯罐必須安放在能夠容納整個貯罐的不銹鋼覆面的地下設(shè)備 室里；二是正在使用的貯罐要與一個空罐相連接，以備發(fā)生室里；二是正在使用的貯罐要與一個空罐相連接，以備發(fā)生 泄漏時轉(zhuǎn)移出廢液。泄漏時轉(zhuǎn)移出廢液。 高放廢液固化處理高放廢液固化處理 技術(shù)發(fā)展歷史技術(shù)發(fā)展歷史 定義：定義：把廢液中的放射性核素牢固地結(jié)合到穩(wěn)定的基材結(jié)把廢液中的放射性核素牢固地結(jié)合到穩(wěn)定的基材結(jié) 構(gòu)中。構(gòu)中。 時時 間：間：近幾十年近幾十年 固化體：固化體： 玻璃固化體：非晶質(zhì)（玻璃）固化體玻璃固化體：非晶質(zhì)（玻璃）固化體 玻璃陶瓷固化體：玻璃相玻璃陶瓷固化體：玻璃相-晶質(zhì)相混合的固化體晶質(zhì)相混合的固化體 陶瓷固化體：穩(wěn)定的晶相

17、陶瓷固化體陶瓷固化體：穩(wěn)定的晶相陶瓷固化體 加熱技術(shù)：加熱技術(shù)：回轉(zhuǎn)鍛燒爐感應(yīng)加熱金屬熔爐技術(shù)回轉(zhuǎn)鍛燒爐感應(yīng)加熱金屬熔爐技術(shù) 、焦耳加、焦耳加 熱陶瓷熔融技術(shù)熱陶瓷熔融技術(shù) 、冷坩堝技術(shù)、冷坩堝技術(shù) 困難：困難： l高放廢液中核素種類和形態(tài)很多，還有大量常量非放物質(zhì)；高放廢液中核素種類和形態(tài)很多，還有大量常量非放物質(zhì)； l具有較強的衰變熱及放射性；具有較強的衰變熱及放射性； l含有易揮發(fā)組分；含有易揮發(fā)組分； l放射性核素衰變能可能導(dǎo)致固化體結(jié)構(gòu)的改變；放射性核素衰變能可能導(dǎo)致固化體結(jié)構(gòu)的改變； l工業(yè)生產(chǎn)的可行性、安全與經(jīng)濟性。工業(yè)生產(chǎn)的可行性、安全與經(jīng)濟性。 感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱 加熱線圈加熱

18、線圈 旋轉(zhuǎn)電流旋轉(zhuǎn)電流 被加熱物件被加熱物件 磁束磁束 感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱 感應(yīng)器源于金屬零件的表面淬火，主要是輸入中頻或感應(yīng)器源于金屬零件的表面淬火，主要是輸入中頻或 高頻交流電高頻交流電 (1000-300000Hz或更高或更高)的空心銅管。產(chǎn)生交的空心銅管。產(chǎn)生交 變磁場在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流變磁場在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流 在工件的分布是不均勻的，在表面強，而在內(nèi)部很弱，到在工件的分布是不均勻的，在表面強，而在內(nèi)部很弱，到 心部接近于心部接近于0，可使工件表面在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到，可使工件表面在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到 800-1000 高放廢液

19、固化體高放廢液固化體 非晶態(tài)固體，非晶態(tài)固體， 透明玻璃狀透明玻璃狀 軟化態(tài)，外力下軟化態(tài)，外力下 形變增加形變增加 粘性流體，外粘性流體，外 力下形變更大力下形變更大 非晶聚物非晶聚物 升溫升溫 玻璃態(tài)玻璃態(tài)高彈態(tài)高彈態(tài) 粘流態(tài)粘流態(tài) Tg 玻璃固化體玻璃固化體 玻璃化溫度玻璃化溫度Tg 高放廢液固化體高放廢液固化體 玻璃固化體玻璃固化體 反玻璃化反玻璃化 降溫降溫 玻璃態(tài)玻璃態(tài) 高彈態(tài)高彈態(tài) 粘流態(tài)粘流態(tài) 晶態(tài)：晶態(tài)： 降溫降溫 即反玻璃化，或析晶即反玻璃化，或析晶 即玻璃化即玻璃化 一定條件下可以一定條件下可以 相互轉(zhuǎn)化，如在晶相互轉(zhuǎn)化，如在晶 核作用下玻璃可轉(zhuǎn)核作用下玻璃可轉(zhuǎn) 變?yōu)槲⒕?/p>

20、玻璃變?yōu)槲⒕РＡ?高放廢液固化體高放廢液固化體 玻璃固化體玻璃固化體 常用玻璃常用玻璃 固化體化固化體化 磷酸鹽玻璃：磷酸鹽玻璃：磷對設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重，很少采用磷對設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重，很少采用 硼硅酸鹽玻璃：硼硅酸鹽玻璃：主要成分為主要成分為Na2O-B2O3-SiO2，是國際上普遍采，是國際上普遍采 用的玻璃固化基材，其固化體被稱作用的玻璃固化基材，其固化體被稱作標(biāo)準(zhǔn)固化體標(biāo)準(zhǔn)固化體，作為與其它種，作為與其它種 類固化體對比的參照物。類固化體對比的參照物。 但熱力學(xué)穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)反玻璃但熱力學(xué)穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)反玻璃 化或析晶（化或析晶（Devitrification）。）。 鋁硅酸鹽玻璃

21、：鋁硅酸鹽玻璃：主要化學(xué)成分為主要化學(xué)成分為Na2O、CaO、Al2O3、SiO2 ，鋁，鋁 硅酸鹽玻璃固化體的抗浸出性能較好，適合于固化高鋁廢液，但硅酸鹽玻璃固化體的抗浸出性能較好，適合于固化高鋁廢液，但 對其它廢液的適應(yīng)性較差。對其它廢液的適應(yīng)性較差。 高硅玻璃：高硅玻璃：SiO2含量高于硼硅酸鹽玻璃，其長期化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于含量高于硼硅酸鹽玻璃，其長期化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于 后者，但高硅玻璃固化工藝復(fù)雜。后者，但高硅玻璃固化工藝復(fù)雜。 高放廢液固化體高放廢液固化體 玻璃陶瓷固化體玻璃陶瓷固化體 放射性核素或呈放射性核素或呈類質(zhì)同象類質(zhì)同象形式被固定在晶質(zhì)相中，或呈形式被固定在晶質(zhì)相中，或呈固固 溶體

22、溶體形式分散于玻璃相中。形式分散于玻璃相中。 玻璃固化體玻璃固化體 陶瓷固化體陶瓷固化體 過渡型固化體過渡型固化體 玻璃陶瓷玻璃陶瓷 非晶非晶 晶體晶體 玻璃與晶體玻璃與晶體 各半各半 又稱又稱微晶玻璃微晶玻璃，是經(jīng)過高溫融化、成型、，是經(jīng)過高溫融化、成型、 熱處理而制成的一類的復(fù)合材料。熱處理而制成的一類的復(fù)合材料。 高放廢液固化體高放廢液固化體 玻璃陶瓷固化體玻璃陶瓷固化體 是玻璃在催化劑或晶核形成劑作用下結(jié)晶而成的多晶的新是玻璃在催化劑或晶核形成劑作用下結(jié)晶而成的多晶的新 型硅酸鹽材料，為晶相和殘余玻璃相組成的質(zhì)地致密、無孔、型硅酸鹽材料，為晶相和殘余玻璃相組成的質(zhì)地致密、無孔、 均勻的

23、混合體。晶體的大小可自納米至微米級，晶體數(shù)量可均勻的混合體。晶體的大小可自納米至微米級，晶體數(shù)量可 達(dá)達(dá)5090。 優(yōu)點：優(yōu)點：高機械強度高、熱膨脹性能可調(diào)、電導(dǎo)率低，介電高機械強度高、熱膨脹性能可調(diào)、電導(dǎo)率低，介電 常數(shù)高，以及良好的機械加工性能，耐化學(xué)腐蝕性、耐熱穩(wěn)常數(shù)高，以及良好的機械加工性能，耐化學(xué)腐蝕性、耐熱穩(wěn) 定性等優(yōu)越性能。定性等優(yōu)越性能。是較有應(yīng)用前景的高放廢液固化體之一。是較有應(yīng)用前景的高放廢液固化體之一。 缺點：缺點：制造工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高，與國外有差距。制造工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高，與國外有差距。 澳大利亞正在研究的澳大利亞正在研究的 人造巖石人造巖石-玻璃復(fù)合玻璃復(fù)合 固

24、化體廢物包容量可固化體廢物包容量可 高達(dá)高達(dá)5070wt 高放廢液固化體高放廢液固化體 玻璃陶瓷固化體玻璃陶瓷固化體 玻璃陶瓷中結(jié)晶相和玻璃相的化學(xué)穩(wěn)定性相當(dāng)，如果長壽玻璃陶瓷中結(jié)晶相和玻璃相的化學(xué)穩(wěn)定性相當(dāng)，如果長壽 命核素主要被包容在玻璃陶瓷的結(jié)晶相，則這些核素將被雙命核素主要被包容在玻璃陶瓷的結(jié)晶相，則這些核素將被雙 重屏障所包容，固化體重屏障所包容，固化體具有更長的壽命具有更長的壽命。 與陶瓷固化體相比，其與陶瓷固化體相比，其制作工藝簡單制作工藝簡單，且由于陶瓷晶體周圍，且由于陶瓷晶體周圍 的玻璃相能包容一部分廢物（主要是裂變產(chǎn)物的玻璃相能包容一部分廢物（主要是裂變產(chǎn)物Sr、Cs等），

25、防等），防 止雜質(zhì)進入晶相而生產(chǎn)不穩(wěn)定的次級相止雜質(zhì)進入晶相而生產(chǎn)不穩(wěn)定的次級相 ，故玻璃陶瓷可，故玻璃陶瓷可允許允許 高放廢液組分的波動高放廢液組分的波動。 高放廢液固化體高放廢液固化體 陶瓷固化體陶瓷固化體 按照陶瓷固化體中基體礦相的結(jié)構(gòu)，可分為硅酸鹽、鋁酸按照陶瓷固化體中基體礦相的結(jié)構(gòu)，可分為硅酸鹽、鋁酸 鹽、磷酸鹽、鋯酸鹽和鈦酸鹽等鹽、磷酸鹽、鋯酸鹽和鈦酸鹽等五類陶瓷固化體五類陶瓷固化體。 與玻璃固化體相比，陶瓷固化體具有熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定與玻璃固化體相比，陶瓷固化體具有熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定 性好、機械性能好等優(yōu)點，但陶瓷固化的研究尚不充分，工性好、機械性能好等優(yōu)點，但陶瓷固化的研究

26、尚不充分，工 藝不夠成熟，成本較高。藝不夠成熟，成本較高。 高放廢液固化體高放廢液固化體 人造巖石固化體人造巖石固化體 人造巖石是一種人造巖石是一種鈦酸鹽陶瓷鈦酸鹽陶瓷 ，具有優(yōu)良的地質(zhì)穩(wěn)定性、化，具有優(yōu)良的地質(zhì)穩(wěn)定性、化 學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性，被認(rèn)為是繼玻璃固化體學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性，被認(rèn)為是繼玻璃固化體 之后的之后的第二代第二代高放廢物固化體。高放廢物固化體。 在人造巖石固化過程中，大部分廢物元素直接進入礦相的在人造巖石固化過程中，大部分廢物元素直接進入礦相的晶晶 格格位置，一部分廢物元素被還原成金屬單質(zhì)而包容于合金相位置，一部分廢物元素被還原成金屬單質(zhì)而包容于合金相

27、中，晶粒直徑為中，晶粒直徑為2050nm。 高放廢液固化體高放廢液固化體 人造巖石固化體與玻璃固化體性能比較人造巖石固化體與玻璃固化體性能比較 包容方式：包容方式： 玻璃固化體廢物元素被包容于硼、硅、鈉等形成的三維網(wǎng)絡(luò)玻璃固化體廢物元素被包容于硼、硅、鈉等形成的三維網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)的空隙中結(jié)構(gòu)的空隙中 人造巖石固化體廢物元素以固溶體形式固定于固化體主要礦人造巖石固化體廢物元素以固溶體形式固定于固化體主要礦 相的晶格結(jié)構(gòu)中相的晶格結(jié)構(gòu)中 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性： 玻璃固化體屬熱力學(xué)亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在一定條件下玻璃固化體屬熱力學(xué)亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在一定條件下(400)會會 發(fā)生反玻璃化作用，析出晶體，降低玻璃固化體性能。

28、發(fā)生反玻璃化作用，析出晶體，降低玻璃固化體性能。 人造巖石固化體是人造巖石固化體是熱力學(xué)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)熱力學(xué)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 高放廢液固化體高放廢液固化體 人造巖石固化體人造巖石固化體 抗浸出性能抗浸出性能 95 、200 及及300800各溫度下的浸泡實驗表明人造各溫度下的浸泡實驗表明人造 巖石的抗浸出性能都明顯優(yōu)于硼硅酸玻璃，更適于在地質(zhì)處巖石的抗浸出性能都明顯優(yōu)于硼硅酸玻璃，更適于在地質(zhì)處 置庫中處置置庫中處置 。 抗輻照性能抗輻照性能 對于固化體來說，對于固化體來說，衰變自輻照損傷對其性能的影響主要表衰變自輻照損傷對其性能的影響主要表 現(xiàn)為抗浸出性能下降，現(xiàn)為抗浸出性能下降，研究及天然存在研究

29、及天然存在著包容有放射性核素著包容有放射性核素 (U、Th等等)的類似礦物等表明，的類似礦物等表明，人造巖石固化體人造巖石固化體更適于高放射更適于高放射 性、高釋熱、長壽命的特定高放廢物的固化。性、高釋熱、長壽命的特定高放廢物的固化。 高放廢液固化體高放廢液固化體 人造巖石固化體與玻璃固化體性能比較人造巖石固化體與玻璃固化體性能比較 物理性能物理性能硼硅酸鹽玻璃固化體硼硅酸鹽玻璃固化體人造巖石固化體人造巖石固化體 體積密度，體積密度，g/cm3 抗壓強度，抗壓強度，MPa 熔點熔點, oC 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù),oC-1 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù),W/mK 抗熱沖擊性能抗熱沖擊性能 2.8 260 1

30、100 910-6 1.00.2 較差較差 4.5 810 1370 910-6 3.00.2 較好較好 硼硅酸鹽玻璃固化體和人造巖石固化體的主要物理性能硼硅酸鹽玻璃固化體和人造巖石固化體的主要物理性能 玻璃固化工藝玻璃固化工藝 高放廢液罐式玻璃固化工藝示意圖高放廢液罐式玻璃固化工藝示意圖 印度玻璃固化工廠（印度玻璃固化工廠（WIP）的工藝流程示意圖）的工藝流程示意圖 高放廢液的蒸發(fā)、高放廢液的蒸發(fā)、 干燥、煅燒和玻璃干燥、煅燒和玻璃 熔制在同一金屬罐熔制在同一金屬罐 中進行中進行 1)熱坩堝玻璃固化工藝熱坩堝玻璃固化工藝 （感應(yīng)加熱）（感應(yīng)加熱） 高放廢液的固化工藝高放廢液的固化工藝 優(yōu)點優(yōu)

31、點: 連續(xù)生產(chǎn)，處理連續(xù)生產(chǎn)，處理 能力較大，每天能力較大，每天 能生產(chǎn)能生產(chǎn)150 L玻璃玻璃 固化體。固化體。 缺點缺點: 工藝比較復(fù)雜，工藝比較復(fù)雜， 熔爐壽命不夠長熔爐壽命不夠長 (感應(yīng)熔爐壽命約感應(yīng)熔爐壽命約 2000h，可熔制，可熔制 100罐玻璃體罐玻璃體 )。 高放廢液的固化工藝高放廢液的固化工藝 玻璃固化工藝玻璃固化工藝 1)熱坩堝玻璃固化工藝熱坩堝玻璃固化工藝 （感應(yīng)加熱）（感應(yīng)加熱） 法國高放廢液回轉(zhuǎn)煅燒玻璃熔制工藝示意圖法國高放廢液回轉(zhuǎn)煅燒玻璃熔制工藝示意圖 玻璃固化工藝玻璃固化工藝 德國卡爾斯魯厄開發(fā)的高放廢液玻璃固化裝置流程示意圖德國卡爾斯魯厄開發(fā)的高放廢液玻璃固化

32、裝置流程示意圖 1)熱坩堝玻璃固化工藝熱坩堝玻璃固化工藝 （焦耳加熱）（焦耳加熱） 高放廢液與玻璃形成劑高放廢液與玻璃形成劑 分別連續(xù)加入熔爐中分別連續(xù)加入熔爐中, 高高 放廢液在熔爐中進行蒸放廢液在熔爐中進行蒸 發(fā)，蒸干粉末與玻璃形發(fā)，蒸干粉末與玻璃形 成劑一起熔制成玻璃。成劑一起熔制成玻璃。 高放廢液的固化工藝高放廢液的固化工藝 日本東海村陶瓷熔融器日本東海村陶瓷熔融器(TVF) 1)熱坩堝玻璃固化工藝熱坩堝玻璃固化工藝 （焦耳加熱）（焦耳加熱） 美國漢福特陶瓷熔融器美國漢福特陶瓷熔融器 高放廢液的固化工藝高放廢液的固化工藝 玻璃固化工藝玻璃固化工藝 玻璃固化工藝玻璃固化工藝 2）冷熱坩堝

33、玻璃固化工藝）冷熱坩堝玻璃固化工藝 （感應(yīng)加熱）（感應(yīng)加熱） 冷坩堝感應(yīng)加熱熔爐示意圖冷坩堝感應(yīng)加熱熔爐示意圖 冷坩堝感應(yīng)加熱熔爐結(jié)構(gòu)圖冷坩堝感應(yīng)加熱熔爐結(jié)構(gòu)圖 高放廢液的固化工藝高放廢液的固化工藝 冷坩堝優(yōu)點冷坩堝優(yōu)點: 熔制溫度高，熔制溫度高， 可達(dá)可達(dá)16003000，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了熱坩堝所能承，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了熱坩堝所能承 受的溫度（受的溫度（10501150），可處理對象多；），可處理對象多； 熔融玻璃不直接與金屬爐壁接觸熔融玻璃不直接與金屬爐壁接觸, 腐蝕性小腐蝕性小, 維修少維修少, 爐體使?fàn)t體使 用壽命長；用壽命長； 尾氣處理比較簡單；尾氣處理比較簡單； 生產(chǎn)能力大。生產(chǎn)能力大。 冷坩堝

34、缺點：冷坩堝缺點： 能耗高能耗高(約約10% 能量消耗在感應(yīng)線圈上能量消耗在感應(yīng)線圈上, 約約20%能量消耗在能量消耗在 冷坩堝上冷坩堝上)。普通熔爐熔制玻璃耗能。普通熔爐熔制玻璃耗能1kWh/kg玻璃玻璃, 冷坩堝熔爐冷坩堝熔爐 熔制玻璃耗能熔制玻璃耗能1.5kWh/kg玻璃。玻璃。 高放廢液的固化工藝高放廢液的固化工藝 玻璃陶瓷固化工藝玻璃陶瓷固化工藝 首先將高放廢液與玻璃基材加入高溫熔爐，在首先將高放廢液與玻璃基材加入高溫熔爐，在11001400 條件下熔融，熔融體快速冷卻，實現(xiàn)玻璃化。再加熱至條件下熔融，熔融體快速冷卻，實現(xiàn)玻璃化。再加熱至630 960后緩慢冷卻，實現(xiàn)晶質(zhì)化，形成玻璃

35、和晶質(zhì)相各半的固后緩慢冷卻，實現(xiàn)晶質(zhì)化，形成玻璃和晶質(zhì)相各半的固 化體?；w。 陶瓷固化工藝陶瓷固化工藝 高放廢液各種陶瓷固化的工藝過程相似，廢液與陶瓷基料混高放廢液各種陶瓷固化的工藝過程相似，廢液與陶瓷基料混 合后均都要在合后均都要在400 800 下進行煅燒，再在下進行煅燒，再在1000 1400 高高 溫下進行熱壓，制成陶瓷體，放射性核素呈固溶體或獨立礦溫下進行熱壓，制成陶瓷體，放射性核素呈固溶體或獨立礦 相包容在陶瓷體中。相包容在陶瓷體中。 高放廢液的固化工藝高放廢液的固化工藝 高放廢物燒結(jié)陶瓷固化工藝示意圖高放廢物燒結(jié)陶瓷固化工藝示意圖 高放廢物固化工藝高放廢物固化工藝 人造巖石固化

36、工藝人造巖石固化工藝 人造巖石固化工藝示意圖人造巖石固化工藝示意圖 氫氧化物法、溶氫氧化物法、溶 膠凝膠法等制備膠凝膠法等制備 的高活性的高活性TiO2、 ZrO2、CaO、 Al2O3和和BaO。 在在 3.5%H2/N2氣氛中氣氛中 還原煅燒，使錒系元還原煅燒，使錒系元 素以難溶的低價形式素以難溶的低價形式 存在于人造巖石中。存在于人造巖石中。 人造巖石固化工藝人造巖石固化工藝 美國武器級钚陶瓷固化美國武器級钚陶瓷固化“大罐套小罐大罐套小罐”工藝流程示意圖工藝流程示意圖 高放廢物固化工藝高放廢物固化工藝 人造巖石固化工藝人造巖石固化工藝 武器級钚陶瓷固化體及其武器級钚陶瓷固化體及其“大罐套

37、小罐大罐套小罐”圖示圖示 高放廢物固化工藝高放廢物固化工藝 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 分離嬗變（分離嬗變（PartitioningTransmutation，P-T）與廢物最少化）與廢物最少化 不同核燃料循環(huán)方式下核廢物放射性風(fēng)險曲線圖不同核燃料循環(huán)方式下核廢物放射性風(fēng)險曲線圖 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 “先進燃料循環(huán)先進燃料循環(huán)”體系體系 是對現(xiàn)有核能生產(chǎn)及其燃料循環(huán)體系的進一步發(fā)展，它是是對現(xiàn)有核能生產(chǎn)及其燃料循環(huán)體系的進一步發(fā)展，它是 現(xiàn)有的熱堆燃料循環(huán)與將來的快堆或加速器驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)有的熱堆燃料循環(huán)與將來的快堆或加速器驅(qū)動系統(tǒng) （Accelerator-Driven

38、System, ADS）燃料循環(huán)的結(jié)合。）燃料循環(huán)的結(jié)合。 隨著快堆和隨著快堆和ADS燃料循環(huán)的逐步引入，今后的先進后處理燃料循環(huán)的逐步引入，今后的先進后處理 技術(shù)將同時處理熱堆和快堆技術(shù)將同時處理熱堆和快堆-ADS乏燃料，乏燃料，實現(xiàn)實現(xiàn)U、Pu 和和MA 的閉式循環(huán)。的閉式循環(huán)。 先進燃料循環(huán)既是先進燃料循環(huán)既是充分利用核能資源充分利用核能資源的重要途徑，又是實的重要途徑，又是實 現(xiàn)現(xiàn)廢物最少化廢物最少化的最佳方案。的最佳方案。 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 “后處理后處理-分離分離”（Reprocessing-Partitioning）方案）方案 即改進型后處理流程加高放廢液分離的

39、核素全分離概念。即改進型后處理流程加高放廢液分離的核素全分離概念。 優(yōu)點優(yōu)點是只需對成熟的是只需對成熟的PUREX工藝稍加調(diào)整即可實現(xiàn)，再在現(xiàn)工藝稍加調(diào)整即可實現(xiàn)，再在現(xiàn) 有商用后處理廠附近，建設(shè)從高放廢液分離有商用后處理廠附近，建設(shè)從高放廢液分離MA的工廠，就能的工廠，就能 實現(xiàn)核素的全分離。實現(xiàn)核素的全分離。 所以，該方案投資費用較低，目前各國大都沿著這一思路開所以，該方案投資費用較低，目前各國大都沿著這一思路開 展研究。展研究。 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 基于基于“后處理后處理-分離分離”方案的核素全分離概念流程方案的核素全分離概念流程 （An 錒系元素；錒系元素；Ln 鑭系元

40、素；鑭系元素；FP 裂變產(chǎn)物（包括裂變產(chǎn)物（包括Ln） 主流程改主流程改 進方案進方案 高放廢液分離，高放廢液分離， 研究熱點研究熱點 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 PUREX流程改進流程改進 u美國美國 美國在先進燃料循環(huán)倡議（美國在先進燃料循環(huán)倡議（Advanced Fuel Cycle Initiative，AFCI）的研究計劃中，開展了新的后處）的研究計劃中，開展了新的后處 理流程（理流程（UREX，URanium Extraction） 研究及其相研究及其相 應(yīng)的高放廢液處理（應(yīng)的高放廢液處理（UREX+）流程研究。）流程研究。 UREX流程示意圖流程示意圖 還原還原Pu、Np

41、將其將其 趕入水相趕入水相 Tc+U 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 PUREX流程改進流程改進 u其它國家其它國家 日本、英國、法國等國家也都針對日本、英國、法國等國家也都針對PUREX流程進流程進 行了改進研究，目的是在從溶解液中提取行了改進研究，目的是在從溶解液中提取U、Pu的同的同 時，也將時，也將Np、Tc等一并進行提取，有利于高放廢液等一并進行提取，有利于高放廢液 的分離。的分離。 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 高放廢液分離高放廢液分離 l目的：目的： 從高放廢液中分離除去從高放廢液中分離除去Sr/Cs； 從高放廢液中分離除去從高放廢液中分離除去MA( An3+, 以以A

42、m和和Cm為主為主)。 l困難困難 在高放廢液中，在高放廢液中，Ln3+的含量比的含量比An 3+ 高一個數(shù)量級；高一個數(shù)量級； Ln3+與與An 3+ 的化學(xué)行為極為相似。的化學(xué)行為極為相似。 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 高放廢液分離高放廢液分離 l主要流程：主要流程： 美國美國TRUEX 流程流程 ； 日本日本DIDPA-TALSPEAK流程流程 ； 法國法國CEA DIAMEX-BTP流程及流程及401酰胺莢醚流程酰胺莢醚流程（ 萃萃 取劑只含取劑只含C、H、O、N ）；）； 瑞典的瑞典的CTH雙溶劑流程；雙溶劑流程； 清華清華TRPO-CYANEX 301流程。流程。 嬗變嬗變

43、 嬗變是核素在中子照射下發(fā)生的核轉(zhuǎn)換過程，目的是使長壽嬗變是核素在中子照射下發(fā)生的核轉(zhuǎn)換過程，目的是使長壽 命核素轉(zhuǎn)變成短壽命或穩(wěn)定核素，從而消除長壽命核素的長命核素轉(zhuǎn)變成短壽命或穩(wěn)定核素，從而消除長壽命核素的長 期放射性危害，并利用嬗變所釋放的能量。期放射性危害，并利用嬗變所釋放的能量。 嬗變反應(yīng)可以是裂變反應(yīng)，也可以是中子俘獲反應(yīng)。可提供嬗變反應(yīng)可以是裂變反應(yīng)，也可以是中子俘獲反應(yīng)?？商峁?中子源的嬗變設(shè)施包括熱中子堆、快中子堆和加速器驅(qū)動的中子源的嬗變設(shè)施包括熱中子堆、快中子堆和加速器驅(qū)動的 次臨界裝置（次臨界裝置（ADS）。）。 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 嬗變嬗變 1.熱堆嬗

44、變熱堆嬗變 由于在由于在LWR中的嬗變以熱中子俘獲為主，中的嬗變以熱中子俘獲為主，MA在嬗變過程中在嬗變過程中 產(chǎn)生新的原子序數(shù)更高的產(chǎn)生新的原子序數(shù)更高的MA，這些新生，這些新生MA（如（如Cm-244）的）的 高毒性使得多級循環(huán)幾乎無法操作；對于高毒性使得多級循環(huán)幾乎無法操作；對于LLFP，由于其中子，由于其中子 俘獲截面太低，且熱堆中子通量較低，嬗變所需時間很長，俘獲截面太低，且熱堆中子通量較低，嬗變所需時間很長， 如如I和和Tc的中子俘獲截面很小，所以嬗變過程十分緩慢，半嬗的中子俘獲截面很小，所以嬗變過程十分緩慢，半嬗 期在幾十年以上。期在幾十年以上。 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗

45、變 嬗變嬗變 2.利用快堆進行嬗變利用快堆進行嬗變 快堆的中子譜較硬，中子平均能量為快堆的中子譜較硬，中子平均能量為300keV，對，對MA的嬗變的嬗變 效率較高；快堆的中子通量高，在快堆增殖層嬗變效率較高；快堆的中子通量高，在快堆增殖層嬗變LLFPs（99Tc 和和129I）比熱堆更加有效。）比熱堆更加有效。 用用Pu做燃料的快中子堆在嬗變做燃料的快中子堆在嬗變MA的同時，一部分的同時，一部分Pu將通過中將通過中 子俘獲產(chǎn)生新的子俘獲產(chǎn)生新的MA，所以，在快堆中在相當(dāng)長時間內(nèi)，存在，所以，在快堆中在相當(dāng)長時間內(nèi)，存在 MA的消長平衡。的消長平衡。 考慮到堆芯反應(yīng)性的提高，快堆中加入考慮到堆芯

46、反應(yīng)性的提高，快堆中加入MA的量一般不的量一般不 能超過燃料總量的能超過燃料總量的2.5%。在此條件下快堆的嬗變支持。在此條件下快堆的嬗變支持 比為比為1/2.5，即一座快堆只能消耗，即一座快堆只能消耗2.5座同等功率的熱堆座同等功率的熱堆 產(chǎn)生的產(chǎn)生的MA。 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 嬗變嬗變 3.利用利用ADS進行嬗變進行嬗變 ADS是帶有散裂（是帶有散裂（spallation）靶的高能質(zhì)子加速器與次臨）靶的高能質(zhì)子加速器與次臨 界堆芯的結(jié)合，能量為界堆芯的結(jié)合，能量為1GeV左右、電流為幾十左右、電流為幾十mA的高強度的高強度 連續(xù)波（或脈沖）質(zhì)子束流注入到一個重金屬靶（如連續(xù)

47、波（或脈沖）質(zhì)子束流注入到一個重金屬靶（如Pb/Bi共共 熔體），導(dǎo)致散裂反應(yīng)，一個入射質(zhì)子能轟擊出熔體），導(dǎo)致散裂反應(yīng)，一個入射質(zhì)子能轟擊出20多個中子多個中子 ，中子進入次臨界裝置，誘發(fā)進一步的核反應(yīng)。，中子進入次臨界裝置，誘發(fā)進一步的核反應(yīng)。 在在ADS中嬗變中嬗變MA，由加速器所驅(qū)動的次臨界裝置確保了，由加速器所驅(qū)動的次臨界裝置確保了 良好的安全性。所以良好的安全性。所以ADS燃料中對燃料中對MA的含量沒有嚴(yán)格限制，的含量沒有嚴(yán)格限制， 使得使得ADS的嬗變支持比可達(dá)到的嬗變支持比可達(dá)到12左右。左右。ADS產(chǎn)生的中子譜更產(chǎn)生的中子譜更 硬，中子平均能量達(dá)到硬，中子平均能量達(dá)到500k

48、eV，在，在ADS嬗變嬗變MAs時因裂變份時因裂變份 額極高而幾乎不產(chǎn)生新的更重的額極高而幾乎不產(chǎn)生新的更重的MA。 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 嬗變嬗變 3.利用利用ADS進行嬗變進行嬗變 盡管盡管ADS在安全方面明顯優(yōu)于快堆，但因冷卻失誤導(dǎo)致的嚴(yán)在安全方面明顯優(yōu)于快堆，但因冷卻失誤導(dǎo)致的嚴(yán) 重事故與臨界堆類似。所以，重事故與臨界堆類似。所以，ADS必須有一套可靠的束流關(guān)必須有一套可靠的束流關(guān) 閉系統(tǒng)，如同臨界堆的停堆系統(tǒng)。閉系統(tǒng)，如同臨界堆的停堆系統(tǒng)。 入射質(zhì)子能量高達(dá)入射質(zhì)子能量高達(dá)11.5GeV的加速器，目前只能用作物理研的加速器，目前只能用作物理研 究，作為嬗變用的工業(yè)裝置，

49、究，作為嬗變用的工業(yè)裝置，ADS必須解決的問題是長期穩(wěn)必須解決的問題是長期穩(wěn) 定可靠運行及其可維護性。定可靠運行及其可維護性。 不論是快堆還是不論是快堆還是ADS, 都不能消滅而只能減少都不能消滅而只能減少MA和和LLFP。 所以，地質(zhì)處置庫仍然是不可避免的，只是待處置所以，地質(zhì)處置庫仍然是不可避免的，只是待處置HLW 的量的量 將大大減少。將大大減少。 高放廢液分離高放廢液分離-嬗變嬗變 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.1 分離嬗變與廢物最少化分離嬗變與廢物最少化 不同核燃料循環(huán)方式下核廢物放射性風(fēng)險曲線圖不同核燃料循環(huán)方式下核廢物

50、放射性風(fēng)險曲線圖 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 29 10.4.1 分離嬗變與廢物最少化分離嬗變與廢物最少化 “先進燃料循環(huán)先進燃料循環(huán)”體系體系 是對現(xiàn)有核能生產(chǎn)及其燃料循環(huán)體系的進一步發(fā)展，它是現(xiàn)是對現(xiàn)有核能生產(chǎn)及其燃料循環(huán)體系的進一步發(fā)展，它是現(xiàn) 有的熱堆燃料循環(huán)與將來的快堆或加速器驅(qū)動系統(tǒng)（有的熱堆燃料循環(huán)與將來的快堆或加速器驅(qū)動系統(tǒng)（ Accelerator-Driven System, ADS）燃料循環(huán)的結(jié)合。）燃料循環(huán)的結(jié)合。 隨著快堆和隨著快堆和ADS燃料循環(huán)的逐步引入，今后的先進后處理技燃料循環(huán)的逐步引入，今后的先進后處理技

51、 術(shù)將同時處理熱堆和快堆術(shù)將同時處理熱堆和快堆-ADS乏燃料，乏燃料，實現(xiàn)實現(xiàn)U、Pu 和和MA的閉的閉 式循環(huán)。式循環(huán)。 先進燃料循環(huán)既是先進燃料循環(huán)既是充分利用核能資源充分利用核能資源的重要途徑，又是實現(xiàn)的重要途徑，又是實現(xiàn) 廢物最少化廢物最少化的最佳方案。的最佳方案。 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.2 分離分離 “后處理后處理-分離分離”（Reprocessing-Partitioning）方案）方案 即改進型的后處理流程加上高放廢液分離的核素全分離概即改進型的后處理流程加上高放廢液分離的核素全分離概 念。念。 優(yōu)點是只需對成

52、熟的優(yōu)點是只需對成熟的PUREX工藝稍加調(diào)整即可實現(xiàn)，再在現(xiàn)工藝稍加調(diào)整即可實現(xiàn)，再在現(xiàn) 有商用后處理廠附近，建設(shè)從高放廢液分離有商用后處理廠附近，建設(shè)從高放廢液分離MA的工廠，就能的工廠，就能 實現(xiàn)核素的全分離。所以，該方案投資費用較低，目前各國實現(xiàn)核素的全分離。所以，該方案投資費用較低，目前各國 大都沿著這一思路開展研究。大都沿著這一思路開展研究。 基于基于“后處理后處理-分離分離”方案的核素全分離概念流程方案的核素全分離概念流程 （An 錒系元素；錒系元素；Ln 鑭系元素；鑭系元素；FP 裂變產(chǎn)物（包括裂變產(chǎn)物（包括Ln） 主流程改主流程改 進方案進方案 高放廢液分離高放廢液分離 ，研究

53、熱點，研究熱點 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.2 分離分離 在美國的先進燃料循環(huán)倡議（在美國的先進燃料循環(huán)倡議（Advanced Fuel Cycle Initiative， AFCI）的研究計劃中，開展了新的后處理流程）的研究計劃中，開展了新的后處理流程 （UREX，（，（URanium Extraction） 研究及其相應(yīng)的高放廢液研究及其相應(yīng)的高放廢液 處理（處理（UREX+）流程研究。）流程研究。 UREX流程示意圖流程示意圖 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.2 分

54、離分離 1. 水法后處理流程改進研究水法后處理流程改進研究 日本核燃料循環(huán)開發(fā)研究所日本核燃料循環(huán)開發(fā)研究所(JNC) 的無鹽試劑從的無鹽試劑從PUREX流流 程中提取程中提取Np流程；流程； 日本原子能研究所日本原子能研究所(JAER)的用的用NOx控制控制Np價態(tài)的價態(tài)的PARC（ Partitioning Conundrum Key）流程；）流程； 英國核燃料公司英國核燃料公司 (BNFL) 與俄羅斯鐳研究所合作在與俄羅斯鐳研究所合作在THORP 后處理廠運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上開發(fā)的后處理廠運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上開發(fā)的 “一循環(huán)一循環(huán)”PUREX流程流程: 采用采用U(IV）作為還原劑方案）作為還原

55、劑方案 采用無鹽試劑（羥胺）作為還原劑方案采用無鹽試劑（羥胺）作為還原劑方案 法國法國CEA研究的硝酸羥胺同時還原研究的硝酸羥胺同時還原Pu和和Np“一循環(huán)一循環(huán)”流程流程 。 關(guān)鍵在于將關(guān)鍵在于將Tc、Np的分離解決的分離解決 在主工藝中，而難分離的在主工藝中，而難分離的MA (An3+, 以以Am和和Cm為主為主) 則留到則留到 高放廢液中去處理高放廢液中去處理 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.2 分離分離 2. 從高放廢液中分離次錒系元素從高放廢液中分離次錒系元素 （1） 美國美國TRUEX 流程流程 TRUEX流程示意圖流程示

56、意圖 AFCI計劃的一部分，計劃的一部分， ANL開發(fā)的開發(fā)的UREX+流程流程 ，目的是對除去，目的是對除去Sr-Cs和和 Np-Pu之后高放廢液的全之后高放廢液的全 分離。分離。 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.2 分離分離 2. 從高放廢液中分離次錒系元素從高放廢液中分離次錒系元素 （2）日本）日本DIDPA-TALSPEAK流程流程 TRUEX流程示意圖流程示意圖 缺點是，缺點是，DIDPA的的 萃取酸度為萃取酸度為0.5M， 高酸高放廢液在脫高酸高放廢液在脫 硝過程導(dǎo)致不溶錒硝過程導(dǎo)致不溶錒 系元素的損失，降系元素的損失，降

57、 低分離效果。低分離效果。 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.2 分離分離 2. 從高放廢液中分離次錒系元素從高放廢液中分離次錒系元素 （2）日本）日本DIDPA-TALSPEAK流程流程 已于上世紀(jì)末進行了溫試，高放廢液中已于上世紀(jì)末進行了溫試，高放廢液中Am-Cm的提取率高于的提取率高于 99.998%，反萃率高于，反萃率高于99.98%；在脫硝沉淀段，高于；在脫硝沉淀段，高于90%的的Rh 和高于和高于97%的的Pd進入沉淀；進入沉淀；50%左右的左右的Ru留在脫硝液中，其余留在脫硝液中，其余 的的Ru在脫硝液中和過程中沉淀下來；

58、在吸附段，在脫硝液中和過程中沉淀下來；在吸附段，Sr-Cs被有效被有效 吸附，去污因子分別高于吸附，去污因子分別高于106和和104。 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.2 分離分離 2. 從高放廢液中分離次錒系元素從高放廢液中分離次錒系元素 （3）TRPO-CYANEX 301流程流程 由清華大學(xué)于上世紀(jì)由清華大學(xué)于上世紀(jì)80年代提出，采用一種混合三烷基（年代提出，采用一種混合三烷基（ C6-C8）氧化膦（）氧化膦（TRPO）作萃取劑，以煤油作稀釋劑，從）作萃取劑，以煤油作稀釋劑，從1.5M 的硝酸溶液中，可有效地萃取的硝酸溶液中，可

59、有效地萃取An 3+和和Ln3+。 CYANEX 301是一種二硫代次膦酸，選擇性的萃取是一種二硫代次膦酸，選擇性的萃取An3+，An 3+/Ln3+ 分離因子達(dá)到 分離因子達(dá)到4000以上，該試劑的主要問題是穩(wěn)定性差以上，該試劑的主要問題是穩(wěn)定性差 。 該流程在德國卡爾斯路厄的超鈾所，用稀釋過的高放廢液進該流程在德國卡爾斯路厄的超鈾所，用稀釋過的高放廢液進 行了熱驗證行了熱驗證 。 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.2 分離分離 2. 從高放廢液中分離次錒系元素從高放廢液中分離次錒系元素 （3）TRPO-CYANEX 301流程流程

60、模擬高放廢液的模擬高放廢液的TRPO流程示意圖流程示意圖 Am、Ln、Pu、U的提的提 取率均達(dá)到取率均達(dá)到99.9%，但萃，但萃 取前高放廢液必須稀釋，取前高放廢液必須稀釋， 以滿足以滿足TRPO需低酸進料需低酸進料 的要求。的要求。 Sr、Cs？ 與主工藝的銜接？與主工藝的銜接？ 第第10章高放廢物處理章高放廢物處理 10.4 高放廢液分離嬗變高放廢液分離嬗變 10.4.2 分離分離 2. 從高放廢液中分離次錒系元素從高放廢液中分離次錒系元素 （3）TRPO-CYANEX 301流程流程 CYANEX 301 流程分離流程分離Am 3+/Ln3+示意圖示意圖 第第10章高放廢物處理章高放廢