刘丽君;张生栋
【摘 要】Cold crucible induction melter (CCIM ) technology ,as the fourth generation vitrification technology ,is the most promising application technology .In this paper ,the principal ,application characteristics and the research and development status of this technology were reviewed .Several key technics and problems about CCIM technology w ere analyzed . On that basis , some suggestions on developing CCIM technology in China were proposed .%冷坩埚技术作为第四代玻璃固化工艺，已成为最有应用前景的玻璃固化技术。本文阐述了冷坩埚技术的原理及应用特点，概述了国际冷坩埚玻璃固化技术研发现状，并对其涉及的关键技术进行了分析，在此基础上提出了我国发展冷坩埚技术的设想。
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】8页(P589-596)
【关键词】冷坩埚感应熔炉;放射性废物;玻璃固化
【作 者】刘丽君;张生栋
【作者单位】中国原子能科学研究院放射化学研究所，北京 102413;中国原子能科学研究院放射化学研究所，北京 102413
【正文语种】中 文
【中图分类】TL941.113
在核能利用过程中，不可避免地会产生大量的放射性废物。这些放射性废物必须进行妥善处理处置，以使其对环境造成的影响减小到最低程度。其中，高放废液由于具有放射性水平高、成分复杂（含有很多生物毒性大、半衰期长的核素）、发热率高、酸性强、腐蚀性大等特点，其处理处置备受关注［1］。国际上对高放废液的处理方法研究较多，可概括为两类：一是直接固化处理后深地质处置；二是先通过化学分离将高放废液中的次锕系元素 和长寿命裂变产物分离出来，然后将其嬗变成短寿命核素后再进行地质处置。目前直接固化处理后深地质处置是相对成熟及具应用前景的技术。固化技术经过几十年的研究现已可制备多种形式的固化体，如煅烧物、玻璃体、陶瓷体（包括人造岩石）、玻璃陶瓷体等，固化技术中，玻璃固化技术是核工业中固化高放废物的成熟技术［2］。
几十年来，法国、美国、德国、俄罗斯、日本、印度、中国等针对放射性废物的玻璃固化材质、玻璃固化工艺和设备开展了大量研究［2］。迄今为止，高放废液玻璃固化工艺已发展了四代：感应加热金属熔炉一步法罐式工艺（罐式法）、回转煅烧炉＋感应加热金属熔炉工艺（两步法）、焦耳加热陶瓷熔炉工艺（电熔炉法）、冷坩埚感应熔炉（CCIM）工艺（冷坩埚法）。其中罐式法是一种工业化时间最早的批式固化技术，其熔炉寿命短、处理量低，目前已基本淘汰；两步法和电熔炉法是当前应用最多、相对成熟的玻璃固化技术，但两者存在以下不足：1）加热熔体的温度受限，一般熔炉运行温度控制在1 150℃或更低；2）高温熔体对设备腐蚀严重，对电熔炉来说，由于高温熔体对熔炉及电极的腐蚀，每5年左右就需更换1次，而金属熔炉则需每年更换1次。为解决上述缺点，20世纪80年代中期研发了冷坩埚玻璃固化技术。法国、俄罗斯、美国、韩国等均对其进行了多年研究，其中俄罗斯和法国率先实现了该技术在处理放射性废液方面的工程应用。目前冷坩埚技术已
成为最有应用前景的玻璃固化技术。
本文在阐述冷坩埚技术的原理及应用特点的基础上，综述国际发展现状，提出冷坩埚技术发展的关键问题及我国自主研发冷坩埚技术的设想。
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冷坩埚技术是一种从工业高温冶金行业移植过来的玻璃熔制技术，它是利用电源产生高频（105～106Hz）电流，再通过感应线圈转换成电磁流透入待加热物料内部形成涡流产生热量，实现待处理物料的直接加热熔融［3－4］，其加热原理如图1所示。冷坩埚主要由高频感应电源、冷坩埚炉体和其他辅助装置组成，其中冷坩埚炉体是由通冷却水的金属弧形块或管组成的容器（容器形状主要有圆形或椭圆形），工作时金属管内连续通冷却水，坩埚内熔融物的温度可高达2 000℃以上，但坩埚壁仍保持较低温度（一般小于200℃），使其在运行过程中炉体近套管低温度区域形成一层2～3cm厚的固态玻璃壳（冷壁），因此称为“冷”坩埚。冷坩埚不需耐火材料，不用电极加热，由于熔融的玻璃包容在冷壁之内，大幅减少了对熔炉的腐蚀作用，使冷坩埚的使用寿命可大于20年。
目前国际上所建立的冷坩埚玻璃固化工艺根据进料方式的不同分为一步法和两步法。一步法是指待处理废物和玻璃基料直接加入冷坩埚内进行处理，无需做任何预先处理。两步法
蒲公英化妆品指的是待处理废物先经过预处理（如蒸发或煅烧），由液态转化为泥浆或固体粉末状态再加入冷坩埚内与玻璃基料一起熔融成玻璃。目前法国和俄罗斯工程应用的冷坩埚均为两步法，韩国和美国研究的为一步法。一步法设备相对简单，适宜处理固体或含水量较低的废物；而两步法适宜处理含水量较高的废液，其特点是待处理废物先通过预处理，可大幅减轻冷坩埚对废液蒸发、干燥、煅烧的压力，弥补冷坩埚能耗高的缺点，提高其处理效率和生产能力。表1［5－6］对一步法和两步法冷坩埚处理废液能力进行了比较，并将其与电熔炉进行了对比。由表1可见，无论一步法还是两步法，冷坩埚的单位面积玻璃产率均高于电熔炉的。
冷坩埚既具有普通感应加热金属熔炉（热坩埚）的特点，又具有自身的优势［3］：
1）熔制温度高，可达1 600～3 000℃，远大于热坩埚和电熔炉所能承受的温度。
2）熔融玻璃不直接与金属接触，腐蚀性小，维修少，炉体寿命长。
3）可处理废物范围广，尤其适用于腐蚀性较高的废液和熔制温度较高的废液。
4）退役废物量少。
冷坩埚技术在应用过程中的主要不足在于能耗较高（约10%能量消耗在感应线圈上，约20%能量消耗在冷坩埚上），普通熔炉熔制玻璃耗能1kW·h／kg玻璃，冷坩埚熔炉熔制玻璃耗能1.5kW·h／kg玻璃。
冷坩埚玻璃固化技术从20世纪80年代研发至今，对各类高、中低放废物，包括可燃和不可燃废物，固体和液体废物等处理的适应性进行了研究和台架验证，研究结果表明，冷坩埚玻璃固化技术适用范围非常广，适合各种高、中低放废液及有机废物的处理。目前俄罗斯、法国、韩国均已实现了工程应用，其他国家正处于计划实施中。
2.1 法国
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1）总体发展概况
法国是世界上冷坩埚玻璃固化技术研究较早的国家之一，从20世纪80年代开始冷坩埚玻璃固化技术的研发，已实现了从简单原理装置到工程化的应用［7－10］。表2列出了法国冷坩埚技术的主要发展历程、特点和应用，图2为代表性装置。
2）技术发展分析
法国冷坩埚技术从研发到实现工程应用，所进行的研究主要集中在冷坩埚的规模、处理对象的适用性、性能改进等方面，主要结果如下：
（1）法国所开发的冷坩埚炉体形状为圆柱形，针对不同的处理对象及处理能力需求，冷坩埚直径最小300mm，最大可达1 100mm。尽管试验了不同尺寸冷坩埚处理废物的可行性，但最终R7工程应用所用冷坩埚的直径为650mm。
（2）针对固体可燃废物、退役废液、模拟高放废液、模拟高放泥浆等不同的处理对象，进行了工程验证。验证结果均表明冷坩埚适合处理这些废物。
（3）在冷坩埚性能方面不断进行优化和改进，主要包括：①为保证玻璃料的热力学和化学均匀性，冷坩埚增加了冷却搅拌装置，并通过水力学台架试验，优化了搅拌桨桨叶的轮廓和旋转速率，搅拌桨设计为可伸缩式；②出料系统设计为两个水冷闸板阀控制，上层闸板阀对产品玻璃出料速率进行控制，下层闸板阀是上层闸板阀的备品，确保出料的安全；③在研究过程中不断优化感应线圈的高度和尺寸，使冷坩埚能量损失率降低了30%。
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（4）冷坩埚在处理放射性废物时，既可液体进料，也可固体进料。在处理液体废物时，采
用先煅烧再固化的方法处理能力更高。法国在开发过程中着重于旋转煅烧炉＋冷坩埚的两步法技术。目前两步法的冷坩埚技术成熟度可达9级（冷坩埚技术的成熟度分级情况如图3所示），而采用液体直接进料或更大尺寸的冷坩埚，技术成熟度较低，为4～6级。
3）工业应用现状
法国在2005年开始启动了一项“冷坩埚2010玻璃固化项目”，计划利用5年的时间，将冷坩埚技术应用在R7玻璃固化线上，替代现有的一条热坩埚金属熔炉。冷坩埚固化线为两步法，与原有热坩埚固化线使用同一个煅烧炉。2009年开始拆除旧的热坩埚，共用了10个月的时间完成了“拆旧换新”的工作。2010年4月，开始启动冷坩埚玻璃固化生产。
2010—2011年，法国在R7冷坩埚固化线上对UP2-400后处理厂产生的退役废液进行了处理。退役废液不同于一般的中低放废液，在退役过程中，有时为了达到很好的去污效果，需加入一些非常规去污剂（如F－），这些物质的腐蚀性极强，用法国现有的热金属熔炉难以直接进行处理，必须先用其他废液稀释后再进行处理，这就造成玻璃固化体对废液的包容量降低。为解决退役废液的腐蚀及包容率低的问题，阿格厂决定采用冷坩埚来处理这些退役废液。目前这些废液已处理完毕，共生产了200桶玻璃固化体。
在退役废液处理结束后，法国已确定从2013年10月开始利用冷坩埚技术处理气冷堆中U-Mo-Sn-Al乏燃料元件后处理产生的U-Mo废液，计划4～5年将其全部处理完。这将成为冷坩埚处理高放废液的最早工程应用。
古马隆树脂2.2 俄罗斯
1）总体发展概况
俄罗斯从20世纪80年代中期开始冷坩埚玻璃固化技术研究，至今已有近30年的发展历史［1113］。主要的研发内容和里程碑式的节点如下：（1）80年代中期，开始冷坩埚玻璃固化技术研究，设计建造了各种尺寸和几何形状的冷坩埚以及相应的试验设施；（2）1990年，开始在莫斯科建造冷坩埚玻璃固化工厂，1997年建成；（3）1998年，冷坩埚玻璃固化工厂进行非放试验；（4）1999年，冷坩埚玻璃固化工厂开始运行，用于固化中低放废物；（5）2003年，提出井式炉-冷坩埚技术联合系统，用于处理放射性固体废物和混合废物。
2）技术发展分析
玻璃退火窑
俄罗斯的冷坩埚玻璃固化技术从研发到工程应用时间较短，所进行的研发也主要集中在冷坩埚的形状、尺寸、处理对象、性能优化等方面。主要结果如下：
（1）俄罗斯开发的冷坩埚从形状和结构上分类主要有两种形式［12－13］，一种冷坩埚横截面为椭圆形，结构与俄罗斯焦耳炉类似，分为熔制和均化（出料）两个区，通过结构上的设计有效防止进料物质进入到出料区，这种类型的冷坩埚适合液体进料。第二种类型的冷坩埚横截面为圆形或椭圆形，安装有卸料单元，可连续进料。现在玻璃固化工厂采用的是第二种冷坩埚设计。
（2）冷坩埚的尺寸从实验室规模到中试再到1∶1工程台架是逐步放大的。最初的实验室规模冷坩埚容量仅为1～3L，在玻璃固化工厂中应用的冷坩埚尺寸则为590mm×300mm× 655mm。
（3）处理放射性液体废物时需进行预处理。无论是中低放废液还是模拟高放废液的处理，均不是采用液体直接进料，而是在进入冷坩埚前进行煅烧或蒸发处理。如正在运行的冷坩埚玻璃固化工厂中，在废液进入冷坩埚前，先使用旋转薄膜蒸发器进行废液的浓缩，而VNIINM所建立的实验室规模冷坩埚则配备了旋转煅烧炉。
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