一种用于低中放废物玻璃固化处理的固化体及方法

摘要

本发明提供一种用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法，该方法以组份SiO2、H3BO3、Na2CO3、CaO为原料，经配料及混合，在1250℃的温度下熔融2.5~3小时后，浇注到已预热至500℃的模具中成型，并置于500℃的温度下保温0.5~1小时，然后以0.5~1℃/min的降温速率降至室温，即制得产品。本发明制备的固化体能够用于与低中放废物进行玻璃固化处理，实现废物固化体的减容最大化，更加契合放射性废物处理中“废物最小化”的价值追求，并实现废物固化体的无机化、安定化。

说明书

技术领域

本发明涉及核电站低中水平放射性废物处理技术领域，尤其涉及一种用于低中放射性废物玻璃固化处理的固化体及方法。

背景技术

核能的开发和利用给人类带来巨大的经济效益和社会效益，同时也产生了大量的放射性废物，给人类的生存环境带来了较大的威胁。因此，如何安全有效地处置放射性废物，使其最大限度的与生物圈隔离已成为核工业、核科学面临的日益迫切的重要课题，是影响核能持续健康发展的关键因素。

对放射性废物的处置，人们认为最合理的措施是首先将放射性废物进行固化处理，然后将得到的放射性废物固化体进行最终的地质处置。对放射性废物进行有效的固化处理可以达到三个目的：一、使液态的放射性物质转变成便于安全运输、储存和处置操作的固化体；二、将放射性核素固结，阻挡放射性核素进入人类生物圈；三、减少废物的体积。

目前的固化技术有陶瓷固化、玻璃陶瓷固化、人造岩石固化和玻璃固化等。其中，陶瓷固化对低中放废物中放射性元素包容量大，晶体相对于玻璃体的热稳定性强，但陶瓷固化对放射元素的选择性强，废物中的大部分无放射性废料对陶瓷固化效果影响很大；玻璃陶瓷固化可有效解决陶瓷固化存在的问题，放射元素大部分被固化在晶格中，无放射性的废物和少量未固化在晶格中的元素则被固化在外层玻璃基体中，但这种固化方式热处理过程较为复杂，尚处于研究阶段；人造岩石固化处理虽固化体的地质稳定性、化学稳定性、热稳定性及抗辐照性都较好，但其固化工艺复杂，与含高浓度钠盐等废物的相容性较差，对低中放废物中元素的选择性很强，其技术要求甚高，目前尚处于实验室理论研究阶段，且使用的设备复杂、造价高，处理过程中材料和能源的消耗量都很大；玻璃固化为将核废液浓缩蒸干后与具有适当组成的矿物粉体材料混合，经高温烧结成玻璃固体后在专用的贮存场内密闭贮存，这种方法具有固化体强度高、密实性好、结构稳定，被固化的放射性核素经水浸泡时浸出率很低，因而安全性高，在欧美日等国家己成为一种较为成熟的技术应用，然而制成的废物固化体要么体积及重量过大且成本过高，要么契合度低，无法改变废物固化体中化学形态的不足，辐照稳定性和热稳定性较差。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种用于低中放射性废物玻璃固化处理的固化体及方法，能够用于与低中放废物进行玻璃固化处理，实现废物固化体的减容最大化，更加契合放射性废物处理中“废物最小化”的价值追求，并提高废物固化体的性能水平，实现废物固化体的无机化、安定化。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法，所述方法包括：

a、配料：主要以组份SiO₂、H₃BO₃、Na₂CO₃、CaO为原料，并按SiO₂ 55~65重量份、H₃BO₃ 14~21重量份、Na₂CO₃ 14~21重量份、CaO 8~12重量份的比例称取各原料；

b、混合：将各原料放入混合设备中混合均匀，制成混合物料；

c、熔融：将所述混合物料在1250℃恒温熔制2.5~3小时，制得熔融体；

d、成型：将所述熔融体浇注到已预热至500℃的模具中成型，制得成型物；

e、退火：将所述成型物置于500℃的温度下保温0.5~1小时，然后以0.5~1℃/min的降温速率降至室温，即制得产品。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有Al₂O₃，其添加比例不超过6重量份。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有Fe₂O₃，其添加比例不超过2重量份。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有SO₃，其添加比例不超过4重量份。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有MgO，其添加比例不超过3重量份。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有ZnO，其添加比例不超过3重量份。

其中，所述步骤b中所述混合设备是球磨混合设备。

其中，所述步骤c中所述加热在搅拌均匀的条件下进行。

其中，所述步骤d中所述熔体浇注在澄清均化的条件下进行。

本发明实施例还提供了一种用于低中放废物玻璃固化处理的固化体，所述固化体采用前述的制备方法制备而成。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

（1）本发明所选的硼硅酸盐玻璃体系具有化学稳定性、辐照稳定性、耐久性好的特点，所制备的固化体在90℃去离子水中静态浸泡，Si、B、Na、Ca的浸出率远小于1g/(m²·d)、失重率小于15g/m²；

（2）本发明所选择的目标玻璃可广泛适用于核电站产生的多种技术废物，并充分利用各种废物自有的化学成分，有利于废物最小化的最大化实现，具有显著的减容、减重效果；

（3）本发明所得配方具有熔制温度低的特点，经济性好、易于工程化应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例一提供的用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例一提供的一种用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法，所述方法包括：

a、配料：主要以组份SiO₂、H₃BO₃、Na₂CO₃、CaO为原料，并按SiO₂ 55~65重量份、H₃BO₃ 14~21重量份、Na₂CO₃ 14~21重量份、CaO 8~12重量份的比例称取各原料；

b、混合：将各原料放入混合设备（研钵或球磨设备）中混合均匀，制成混合物料；

c、熔融：将混合物料在1250℃恒温熔制2.5~3小时，制得熔融体；

d、成型：将熔融体浇注到已预热至500℃的模具中成型，制得成型物；

e、退火：将成型物置于500℃的温度下保温0.5~1小时，然后以0.5~1℃/min的降温速率降至室温，即制得产品—固化体（目标玻璃）。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有Al₂O₃，其添加比例不超过6重量份。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有Fe₂O₃，其添加比例不超过2重量份。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有SO₃，其添加比例不超过4重量份。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有MgO，其添加比例不超过3重量份。

其中，所述步骤a配料中还可以添加有ZnO，其添加比例不超过3重量份。

其中，所述步骤b中混合设备是球磨混合设备。

其中，所述步骤c中加热在搅拌均匀的条件下进行为最佳。

其中，所述步骤d中熔体浇注在澄清均化的条件下进行为最佳。

应当说明的是，步骤a配料中的组分原料可以添加Al₂O₃、Fe₂O₃、SO₃、MgO和ZnO中的一种或多种组合，还可以是在熔融温度下能分解为SiO₂、B₂O₃、Na₂O和/或CaO且不引入杂质的其它原材料。步骤b中混合设备也可以是现有技术中的其它混合设备。

作为例子1，用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法，所述方法包括：

a、配料：主要以组份SiO₂、H₃BO₃、Na₂CO₃、CaO为原料，并按SiO₂ 58g、H₃BO₃ 17g、Na₂CO₃ 14g、CaO 11g的比例称取各原料；

b、混合：将各原料放入混合设备（研钵或球磨设备）中混合均匀，制成混合物料；

c、熔融：将混合物料装入100mL刚玉坩埚中，送入预热至1250℃的箱式电阻炉内，在1250℃下熔制2.5小时，制得熔融体；

d、成型：将熔融体浇注到已预热至500℃的石墨管中成型，制得成型物；

e、退火：将上述装有成型物的石墨管置于预热至500℃的退火炉内保温0.5小时，然后以1℃/min的降温速率降至室温，即制得产品—固化体（目标玻璃）。

作为例子2，用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法，所述方法包括：

a、配料：主要以组份SiO₂、H₃BO₃、Na₂CO₃、CaO、Al₂O₃为原料，并按SiO₂ 58g、H₃BO₃ 15g、Na₂CO₃ 14g、CaO 9g、Al₂O₃ 4g的比例称取各原料；

b、混合：将各原料放入混合设备（研钵或球磨设备）中混合均匀，制成混合物料；

c、熔融：将混合物料装入100mL刚玉坩埚中，送入预热至1250℃的箱式电阻炉内，在1250℃下熔制2.5小时，制得熔融体；

d、成型：将熔融体浇注到已预热至500℃的石墨管中成型，制得成型物；

e、退火：将上述装有成型物的石墨管置于预热至500℃的退火炉内保温0.5小时，然后以1℃/min的降温速率降至室温，即制得产品—固化体（目标玻璃）。

作为例子3，用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法，所述方法包括：

a、配料：主要以组份SiO₂、H₃BO₃、Na₂CO₃、CaO、Al₂O₃为原料，并按SiO₂ 56g、H₃BO₃ 15g、Na₂CO₃ 14g、CaO 9g、Al₂O₃ 4g、MgO 2g的比例称取各原料；

b、混合：将各原料放入混合设备（研钵或球磨设备）中混合均匀，制成混合物料；

c、熔融：将混合物料装入100mL刚玉坩埚中，送入预热至1250℃的箱式电阻炉内，在1250℃下熔制2.5小时，制得熔融体；

d、成型：将熔融体浇注到已预热至500℃的石墨管中成型，制得成型物；

e、退火：将上述装有成型物的石墨管置于预热至500℃的退火炉内保温0.5小时，然后以1℃/min的降温速率降至室温，即制得产品—固化体（目标玻璃）。

作为例子4，用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法，所述方法包括：

a、配料：主要以组份SiO₂、H₃BO₃、Na₂CO₃、CaO、Al₂O₃为原料，并按SiO₂ 56g、H₃BO₃ 15g、Na₂CO₃ 14g、CaO 9g、Al₂O₃ 2g、MgO 2g、ZnO 2g的比例称取各原料；

b、混合：将各原料放入混合设备（研钵或球磨设备）中混合均匀，制成混合物料；

c、熔融：将混合物料装入100mL刚玉坩埚中，送入预热至1250℃的箱式电阻炉内，在1250℃下熔制2.5小时，制得熔融体；

d、成型：将熔融体浇注到已预热至500℃的石墨管中成型，制得成型物；

e、退火：将上述装有成型物的石墨管置于预热至500℃的退火炉内保温0.5小时，然后以1℃/min的降温速率降至室温，即制得产品—固化体（目标玻璃）。

作为例子5，用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法，所述方法包括：

a、配料：主要以组份SiO₂、H₃BO₃、Na₂CO₃、CaO、Fe₂O₃为原料，并按SiO₂ 58g、H₃BO₃ 15g、Na₂CO₃ 16g、CaO 9g、Fe₂O₃ 2g的比例称取各原料；

b、混合：将各原料放入混合设备（研钵或球磨设备）中混合均匀，制成混合物料；

c、熔融：将混合物料装入100mL刚玉坩埚中，送入预热至1250℃的箱式电阻炉内，在1250℃下熔制2.5小时，制得熔融体；

d、成型：将熔融体浇注到已预热至500℃的石墨管中成型，制得成型物；

e、退火：将上述装有成型物的石墨管置于预热至500℃的退火炉内保温0.5小时，然后以1℃/min的降温速率降至室温，即制得产品—固化体（目标玻璃）。

相对于本发明实施例一的用于低中放废物玻璃固化处理的固化体的制备方法，本发明实施例二提供了一种用于低中放废物玻璃固化处理的固化体，该固化体采用本发明实施例一的制备方法制备而成，制备方法的具体细节请参见本发明实施例一，在此不再一一赘述。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

（1）本发明所选的硼硅酸盐玻璃体系具有化学稳定性、辐照稳定性、耐久性好的特点，所制备的固化体在90℃去离子水中静态浸泡，Si、B、Na、Ca的浸出率远小于1g/(m²·d)、失重率小于15g/m²；

（2）本发明所选择的目标玻璃可广泛适用于核电站产生的多种技术废物，并充分利用各种废物自有的化学成分，有利于废物最小化的最大化实现，具有显著的减容、减重效果；

（3）本发明所得配方具有熔制温度低的特点，经济性好、易于工程化应用。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。