点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:打造“炼丹炉” 阻断核辐射
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

打造“炼丹炉” 阻断核辐射

来源:科技日报2025-02-11 09:43

  【创新故事】

  ◎科技日报记者 陈 瑜 都 芃

  提起玻璃,人们印象中往往是无色透明的。而中国原子能科学研究院(以下简称“原子能院”)研制的玻璃却与众不同——它通体黑色,在阳光照射下会发出幽蓝色的光。

  最近,原子能院自主研发的两步法650毫米直径冷坩埚玻璃固化工程样机,完成90天连续运行试验,收获约52吨玻璃固化体,高放射性废物(以下简称“高放废物”)可被“封印”其中。

  “冷坩埚玻璃固化技术是目前世界公认最先进的高放废物处理手段。”中国科学院院士、中国核工业集团有限公司首席科学家叶国安告诉科技日报记者,“从零起步,研发团队为此奋斗了近20年。”

  突破高温烧“锅巴”

  核电站核能利用后产生的高放废物,放射周期长、辐射强度高、生物毒性大,堪称核废料中的“极品”。

  “一定要将高放废物核辐射牢牢禁锢,确保生物圈安全!”这是研发团队的初衷,也是他们的执念。

  此前研究发现,玻璃是固定放射性核素、隔绝核辐射的优良载体。而要实现高放废物的玻璃固化,就必须突破冷坩埚技术。

  “上世纪80年代,国外就开始发展冷坩埚技术。但这些技术,我们要不来也买不来。”在叶国安看来,要想掌握核心技术,只能靠自己摸索。

  冷坩埚是典型的外冷内热“性格”。埚壁由一根根冷却水管围成,温度在100℃以下,埚内盛放的液态玻璃温度却高达1700℃。

  “冷坩埚运行时,熔化的玻璃碰到埚壁,会形成一层类似‘锅巴’的冷壳。”叶国安说,这层冷壳可以有效避免液态玻璃高温对埚体材料的损害。

  但要烧好这层“锅巴”大有学问——太厚,加热效率低;太薄,无法对埚体形成有效保护。

  精准控制电磁加热的磁场分布,是团队必须攻克的一大难点。

  原子能院冷坩埚团队工艺负责人龙浩骑解释:“冷坩埚靠电磁场加热玻璃,磁场不能直接透过金属埚壁,只能从狭窄的埚壁缝隙透过。缝隙太多,埚体强度不够;缝隙太少,磁场强度又不够。”

  科研过程中,各种制约条件总是环环相扣。埚体直径、玻璃重量、开缝数量、缝隙宽度……都需要统筹兼顾,一着不慎,满盘皆输。

  从2006年到2014年,研发团队开足马力、全力攻关,边学边干、边干边学,先后闯过了多个技术卡点。“实验成功时,真有一种‘九死一生’的感觉。”龙浩骑感慨道。

  如今,经过上百次实验验证、迭代改进的冷坩埚,烧出来的“锅巴”薄厚适中、均匀剔透,堪称完美。

  开发配方促“消化”

  2016年,冷坩埚放大规模科研样机研发成功。就在大家倍感振奋之时,新的挑战却不期而遇。

  “我国核燃料燃耗越来越高,裂变产生的钼、锆、镧系元素以及贵金属也随之增多。”原子能院冷坩埚研发项目负责人鲜亮告诉记者,这些元素较难熔融于玻璃液中,会以单质或化合物的形式存在,使玻璃液出现析晶、黄相等问题,从而堵塞出料口,导致冷坩埚运行受阻或中断。同样的问题,国外同行也经常遇到。

  必须让冷坩埚不“挑食”!

  但这并非易事。团队配方研发负责人谭盛恒形象地比喻:“燃耗越高,放射性核素越‘狡猾’,越容易‘逃脱’玻璃固化体牢笼。”

  要想将放射性核素囚得多、关得牢,玻璃的配方至关重要。

  高放废物中含有30余种化学元素,开发玻璃配方不仅要考虑玻璃基体对这些元素的包容性,还需要考虑这些元素之间的相互作用及其对玻璃固化体产品性能的影响。

  以高放废物中大量存在的钼为例,设计出对钼包容能力更强的玻璃配方,一直是团队研究的重点和难点。

  团队从钼在玻璃中的包容机理和熔解机理着手研究,全力探求玻璃配方的最优解。“我们犹如把脉问诊的‘老中医’,反复推敲化解‘病症’的‘药方’。”谭盛恒打比方说,有时候解决问题的奥妙就在于一味“药引子”。

  大家研究发现,钼元素在玻璃固化体中的结合度和稳定性,与固化体网络中阳离子场强和电负性有直接关系。有了这味“药引子”,依托原子能院多年积累的“药方”数据库,钼元素囚禁难的问题迎刃而解。新配方不仅对钼“吃得多、消化得好”,对其他核素也有很强的包容性。

  又经过两年多努力,研发团队成功开发出高包容率的玻璃配方。

  打散重构再优化

  随着冷坩埚玻璃固化技术研发从科研样机迈向工程样机,工程难题接踵而至。

  这台被大家喻为高放废物“炼丹炉”的样机,由回转煅烧炉和冷坩埚两部分组成。实际运行时,先由前者将高放废物煅烧转型,再经后者将煅烧产物与玻璃基料熔融、固化。由于工作环境的高放射性,两者之间的关联操作需通过远程控制机械手来实现。

  “机械手远不如人手灵活,为了方便机械手操作,就得对‘炼丹炉’重新进行模块化设计。”鲜亮介绍,在科研阶段,回转煅烧炉和冷坩埚是两个独立个体,分别由上千个零部件组成。步入工程设计阶段,需要将它们的零部件全部打散,然后再分类重新组合形成数十个不同的模块。

  为了实现这一目标,团队开展了大量的设备外协加工工作。“在项目推进过程中,大家克服种种困难,坚持全员高频次、长时间出差。”龙浩骑回忆,有的同志“上有老、下有小”,孩子才一岁多,从未请过一天假;有的同志刚入职便一头扎进项目中,白天在外场调试设备,晚上在宿舍钻研资料……

  进料控制、旋转煅烧、密闭转接、玻璃添加、熔融固化……一个个环节琢磨,一个个模块优化。在团队与外协单位的共同努力下,“炼丹炉”终于完成重构。“现在从外观上看没什么变化,实际上样机内部已经‘脱胎换骨’。”鲜亮说。

  90天连续运行试验结果显示,经过优化设计的工程样机状态良好,各项性能指标均满足设计要求。

  根据中核智库的最新数据,截至2024年12月31日,我国内地并网运行核电机组58台,总装机容量6088.094万千瓦;在运、在建和核准待建核电机组共102台,总装机容量1.13亿千瓦,连续两年位居全球首位。随着高放废物安全高效处理技术的突破,我国核能发展潜能将进一步得到释放。

  党的二十届三中全会提出,“统筹强化关键核心技术攻关”“推动科技创新和产业创新融合发展”。展望未来,叶国安信心满怀:“只要坚定创新自信,我们就一定能将核能发展的关键核心技术牢牢攥在自己手里!”

[ 责编:田新宇 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 江苏:系统布局 机器人产业“加速跑”

  • 湖南长沙:校园民俗活动迎接“二月二”

独家策划

推荐阅读
“遥感是人们在距离和感官上的延伸,是认知地球、探查资源、监测环境的重要技术手段。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、湖南省科学技术协会、中南大学、光明网联合承办。
2026-03-20 09:42
每年春季,花粉过敏会给不少人带来困扰。该检测试剂盒采用微量血清特异性洋白蜡花粉过敏原IgE定量检测,用以辅助诊断,成为目前用于花粉症精准诊断的主要方法。
2026-03-20 09:39
3月18日,记者从新疆电力交易中心有限公司获悉,自2010年启动“疆电外送”以来,新疆累计外送新能源电量已达3043.6亿千瓦时,约占总外送电量的三成。
2026-03-20 09:39
吕小康:从现实语义上看,情感AI既指能够识别、理解、模拟和响应人类情感的人工智能技术,也指基于这类技术设计和开发的情感智能体。吕小康:为引导青年群体健康使用情感AI,还需要进一步加强协同治理,培育积极有益的陪伴型人工智能应用环境。
2026-03-20 09:36
据3月17日农情调度,全国早稻育秧已三成半,同比略快。据介绍,北方冬小麦当前的田管重点是继续促进弱苗转化升级,抓好病虫防控,防范春旱、倒春寒、干热风等灾害。“近日国家启动投放1000余万吨氮磷及复合肥储备,作为国家化肥储备重要承储主体,全国供销合作社系统农资企业积极按要求将储备化肥及时集中投放市场,稳定市场价格。
2026-03-20 09:36
小时候我们背过一句话:万物由原子组成。这一路走来,从质子的异常,到夸克模型的提出,再到量子色动力学和标准模型的建立,人类把物质拆解到了17种基本粒子的层级。曾获国家六部委回国人员成就奖、德国洪堡研究奖、吴有训物理奖、中国科学院优秀研究生导师奖。
2026-03-20 09:35
吴晓民(右一)团队在野外工作。藏羚羊曾广泛分布于高原全境,其漫长的演化史与复杂的种群波动,始终是全球动物保护与演化生物学领域关注的焦点。研究团队还通过生态位模拟,锁定了藏羚羊的生命庇护所——青藏高原北部的可可西里、羌塘高原等区域。
2026-03-19 10:11
通知明确,各城市群应优先选择具备条件的燃料电池汽车、绿色氨醇、氢基化工原料替代、氢冶金以及掺氢燃烧等应用场景开展试点,积极探索氢能创新应用场景,形成“1个燃料电池汽车通用场景+N个工业领域应用场景+X个创新应用场景”的氢能综合应用生态。通知要求,氢能综合应用试点以城市群为主体开展申报,城市群应立足自身资源条件,因地制宜、宜氢则氢,避免各场景一拥而上、低水平重复建设。
2026-03-19 10:10
2026中关村论坛年会将于3月25日至29日在北京举办。
2026-03-19 10:04
日前发布的《中国地热产业发展报告2025》显示,我国地热产业多元化利用格局正在形成。在地热供暖发展带动下,我国地热产业规模长期稳居世界第一。
2026-03-19 10:00
由于土豆块茎外形粗陋、埋于地下,又不见于《圣经》,一度被殖民者视为“魔鬼之根”或带毒之物。另一方面,随着城市扩张与人口增长,粮食压力加剧,土豆因高产、耐寒、适宜在小块土地种植而被人们重视。
2026-03-19 10:00
作者:刘琦 仇焕广(分别系中国人民大学助理教授,辽宁大学党委常委、副校长)  今年《政府工作报告》提出,“推进先进适用农机装备研发应用,打通农业科技推广‘最后一公里’”。
2026-03-19 09:59
为此,生态环境法典针对重点流域、重要生态单元设置专门规范,明确长江、黄河等重点区域一体化保护要求,建立协同机制。生态环境法典第三编第六章“生态退化的预防和治理”,整合水土保持法、防沙治沙法的有关规定,分为水土保持、防沙治沙两节。
2026-03-18 09:38
“‘两弹一星’不是孤立的科技突破,而是面向国家需求‘从0到1’的科技创新。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、安徽省科学技术协会、安徽农业大学、光明网联合承办。
2026-03-18 09:27
对于1型糖尿病患者而言,胰腺中那些负责分泌胰岛素、调节血糖的胰岛β细胞,被自身免疫系统错误地当成了“入侵者”,日复一日地遭受攻击,直至彻底损毁。这3个病例,分别代表中国乃至全球再生医学领域的3个“首次”——世界首例自体、中国首例异体、世界首例青少年再生胰岛移植治疗1型糖尿病。
2026-03-18 09:27
记者3月17日从国家能源局获悉,2026年1至2月,全社会用电量累计16546亿千瓦时,同比增长6.1%。从分产业用电看,第一产业用电量223亿千瓦时,同比增长7.4%;第二产业用电量10279亿千瓦时,同比增长6.3%,其中,工业用电量同比增长6.4%,高技术及装备制造业用电量同比增长10.6%;第三产业用电量3231亿千瓦时,同比增长8.3%,其中,充换电服务业、互联网数据服务业用电量增速分别达到55.1%、46.2%。
2026-03-18 09:26
当前,以家庭农场、农民合作社、龙头企业为代表的新型农业经营主体已成为“强农兴村”的中坚力量,发展成效显著。夯实联农带农长效机制,还需构建多层次、可落地的政策环境,让农业经营主体有动力、有能力、有底气带动小农户共同增收。
2026-03-18 09:26
在成都温江区,骑行爱好者李先生沿着北林绿道前行,穿梭在虫鸣鸟叫、淡淡花香之中。”  一幅幅充满生机的新春图景,正是成都加快建设践行新发展理念的公园城市示范区的生动注脚。
2026-03-18 09:26
分享几个故事,一起走进地球科学的世界。
2026-03-16 18:39
工业和信息化部、财政部、国家发展改革委日前印发《关于开展氢能综合应用试点工作的通知》。通知提出,通过城市群试点,将氢能应用场景由燃料电池汽车向交通、工业等具备条件的多元领域拓展。
2026-03-17 09:35
加载更多