打造“炼丹炉” 阻断核辐射

　　【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！”