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1、冷坩埚技术在放射性废物处理中的应用 杨祖辉 核工业第二研究设计院 1 简介 冷坩埚的原型与专利出现在 70 年前。 冷坩埚的原理是坩埚壁外的高频感应线圈使分段的冷坩埚不致形成法拉第笼因而可在冷坩埚内产生感应电流，由于感应电流进入冷坩埚内，通过感应涡流的焦耳热效应加热物料。冷坩埚壁采用水冷，壁温不超过 200，所以称之冷坩埚，冷坩埚启动采用环状的金属管加热。 冷坩埚的研究开发主要集中在冶金工业部门及核工业系统；俄、法、美、日等国研究较多，并取得了相应成果；我国在冶金行业也开展了相关研究；80 年代以来冷坩埚的研究报道较多。 冷坩埚在核领域的研究应用范围 废金属的熔融：废包壳及退役的废金属 废物的
2、焚烧固化：废石墨及废树脂 氧化物或废液的固化： 含硼废液煅烧的氧化物及裂变产物废液煅烧的氧化物或废液、泥浆直接加入固化。 2 冷坩埚的主要技术特点 构成：高频发生器及高频感应线圈（螺带） 、分段平板组成的圆柱体及锥底的冷坩埚容器（壁温200） 、埚壁、搅拌器等冷却水系统、滑动出料闸板阀等。 特点： 适用范围广：对液、固废物，对可燃、不可燃废物，对高、中、低放废物，对非、废物都有望用冷坩埚进行处理，适用的温度范围大，耐蚀性能好，对废物的限制小。 装置使用寿命长：有资料推断冷坩埚的使用寿命大于 15 年或可达到10000 小时以上甚至更长时间。这是由于冷坩埚壁的温度较低，高温熔融物不与冷壁直接接触
3、，因而不会对冷坩埚造成较为明显的腐蚀。 NCES04 总体尺寸小，占用空间少，有利于降低工程造价。 退役简单方便。由于包容放射性核素的高温熔融物不与冷坩埚壁接触，因此不会造成冷坩埚壁的严重污染；此外冷坩埚体积小、重量轻、拆卸方便，所以也不会给退役带来很大的困难。直径 1m 的冷坩埚退役熔化后只留下 500kg 约合 0.062m3体积的钢锭。 运行能耗高：高频线圈的电损失为 10%，冷坩埚的电损失为 20%，玻璃体自身的电耗为 70%，其中 3040%用于玻璃熔化，6070%为热损失。据报导冷坩埚熔化 1 公斤玻璃，需耗电 1.5 度。 3 冷坩埚的研究与工程应用 3.1 冷坩埚研究 法国是研
4、究冷坩埚用于核领域最为活跃的国家，自八十年代以来，CEA 广泛开展了冷坩埚的基础研究和工程应用研究。 1985 年最早建成的 FID 平台模拟 R7、T7 废液进行了液体和固体进料的冷坩埚玻璃固化研究，冷坩埚直径 0.55m，高频功率 300kW，固体进料的玻璃产率为 25kg/h，液体进料为 10L/h； EREBUS 平台为 1995 年建成，开展了多种废物处理探索性的工艺试验，配置有不同直径（0.3m、0.5m、0.65m）的冷坩埚，用来发展第一代小规模高容量的冷坩埚熔炉，采用液体直接进料。 U-Mo 项目平台，2000 年 1 月建成，为 R7 一生产线金属熔融罐更换为冷坩埚处理 U-
5、Mo 元件高放废液开展试验工作，冷试验规模与生产装置相同，坩埚直径 0.65m，高频功率 300kW，废液进入煅烧炉，氧化物进入冷坩埚。 CFEI 平台用来验证汉福特高放废液固化处理采用直径 1.4m 冷坩埚及其电气设备的可行性，高频输出功率 800kW，固体进料，1999 年 1 月建成。 冷坩埚综合平台，2001 年 4 月建成，是液体或固体进料大处理量的冷坩埚平台，液体进料还包括泥浆进料，冷坩埚直径 1.1m，高频输出功率 600kW，固体进料量可达 200kg/h，液体进料量可达 80L/h（氧化物浓度为 500g/L） 。 小规模焚烧固化平台，1999 年建成运行，冷坩埚直径 0.3
6、m，高频输出功率 240kW，为建设 NETEC 冷坩埚平台服务。 NETEC 平台，1999 年 9 月在韩国建成，用于研究处理核电站所产生的废NCES04物（固体废物，离子交换树脂，废硼酸浓缩液、泥浆） ，进料量 530kg/h，冷坩埚直径 0.55m，高频输出功率 300kW。 水力学模拟平台用来评价冷坩埚内熔融体的流动状况， 并优化搅拌条件 （吹气与机械搅拌） ，冷坩埚直径为 0.6m 和 1.5m。 3.2 冷坩埚的工程应用 目前还未见有冷坩埚投入工程应用的实例，只有拟建工程项目正处于计划实施过程中。 U-Mo 项目：在阿格厂 UP2 的 R7 一条玻璃固化生产线上用冷坩埚代替二步法
7、的金属熔融罐，玻璃固化处理 U-Mo 元件后处理所产生的较强腐蚀性的高放废液，冷坩埚为氧化物进料，预计此装置 2008 年投入热运行。 意大利 ENEA（Sallugia）项目：采用液体进料的冷坩埚，玻璃固化处理材料试验堆所产生的废液（约 200m3） ，处理能力 1012L/h，冷坩埚直径 0.55m，计划 2006 年投入运行。 韩国蔚珍（Ujchin）核电站废物处理项目：建有直径 0.3m 和 0.55m 的试验平台开展试验研究，主要用于处理核电站所产生的废树脂，属焚烧固化工艺，现正筹备热厂建设。计划 2005 年年底热厂建成并进行热调试。 4 法国冷坩埚技术参与中国高放废液玻璃固化处理
8、的技术交流情况 4.1 推荐方案 根据中方提出的 “关于中国高放废液玻璃固化处理的技术要求” ， 特别是针对较小的处理量的有关要求（205L/h） ，法国推荐了液体直接进料的冷坩埚方案，推荐方案的情况如下： 冷坩埚参数： 处理能力：20L/h； 外形尺寸：1m2m，内径650mm，高度 700mm； 用电负荷：600kW(总功率、含高频、搅拌、出料等)； 材料：304L； 加热方式：高频感应加热、频率300KHz； 冷却：埚壁、搅拌器、出料阀等为高于 100的带压水，高频部分为小于30冷却水。 NCES04主要工艺参数 氧化物包容量：16% 熔融温度：1250 操作压力：-300Pa 玻璃产率
9、：12.9kg/h（一个产品容器分四次浇注） 净化系数：1012（冷坩埚 10、湿法尾气处理系统 105、干法尾气处理系统 106） 主要组成部分 废液接收部分 废液进料与玻璃进料部分（废液采用计量轮计量，玻璃采用称重计量） 冷坩埚玻璃熔融部分 产品玻璃出料部分（水冷滑动闸板阀，停冷却水，打开滑动阀即可出料） 尾气处理系统：包括湿法尾气处理系统（湿法除尘器、冷凝器、NOx 吸收塔、洗涤塔）和干法尾气处理系统（三个高效过滤器） 二次废液蒸发浓缩：两级蒸发，一级蒸残液返玻璃固化，一级二次蒸汽冷凝液作为二级蒸发器的进料；二级蒸残液返一级继续蒸发浓缩，二级的二次蒸汽冷凝液作为低放废液排出处理。 4.2
10、 冷坩埚模拟料液的演示试验 由于法国有关废液直接加入冷坩埚进行玻璃固化处理的研究报导较少，目前又尚无工程运行实例， 采用冷坩埚一步法方案能否适应中国高放废液的处理要求，人们存在疑虑，为此法方提出按中方所给出高放废液的化学组成配制模拟料液，并使用中方研制的玻璃珠开展了冷坩埚液体进料的玻璃固化验证试验。演示试验在 MARCOULE 原委会的冷坩埚台架试验装置（CFA2001）上进行，该试验装置配套齐全，配有供电系统、高频发生器与感应加热系统、冷却水供应系统等。 演示试验从 2003.7.15 开始，历时 62 小时，处理模拟料 1189 升，生产产品玻璃 767.3kg，整个试验工作由 CEA 核
11、能部 VALRHO 研究中心 DIEC 研究室完成。 4.2.1 主要参数 冷坩埚及相关系统 直径 650mm， 由间隙 1mm 的若干通水的金属弧板构成， 内可盛玻璃 300NCES04400kg（40cm 高） ，上部空间 30cm 高，熔池表面形成冷帽。 玻璃熔池温度 1250 搅拌速度：40rpm 高频感应频率 100500kHz（250kHz） 浇注滑动阀：2 个（其中一个为备用安全阀） ，每阀的开启由 1kW（0.30.5kW 即可）电机带动，调节阀门开度，使出料速率可达 3001000kg/h。 进料速率：模拟料进料为 20L/h，湿法除尘器返回为 2.5L/h，玻璃珠进料为 1
12、0.84kg/h。 出料速率：打开滑动阀 1 分钟后即可出料，平均出料速率可达 500600kg/h，每浇注一次（100kg）只需 10 分钟左右。 启动：先在冷坩埚内加入法国碾碎的启动玻璃 210kg，后又加入 48kg，并加入适量的氧化物使之成分与中方玻璃一致，在启动坩埚内200mmTi 圈，使玻璃熔融导电，同时在冷坩埚底部及四周形成一层玻璃壳。 监测仪表：吹气测液位，热电偶测温，摄像头监测熔池。 冷却：冷坩埚壁、搅拌桨、出料阀、高频感应线圈、摄像头、进料管都需通水冷却。特别是冷坩埚壁通水冷却可使埚壁形成一层 1cm 厚的不熔玻璃壳体，并使熔池温度由 1200 多度降至壁温 150左右。
13、尾气处理系统 湿法尾气处理系统同其他玻璃固化装置，主要有湿法除尘器、冷凝器和洗涤柱。洗涤柱是用碱吸收尾气中的 NOx。 干法尾气处理系统有电加热的预热器及二级高效粒子过滤器。 4.2.2 试验结果 本次演示试验使用的基础玻璃为中方提供的玻璃珠，所处理的模拟料是根据中方所提出的高放废液的化学组成配制的。演示试验符合中方模拟料液冷试验的技术要求。 整个演示试验期间，冷坩埚及进料、浇注、尾气系统等，运行正常，未出现异常故障，有关参数测量、记录及控制均能较好进行，特别是滑动闸板阀出料灵活快速。 产品玻璃外观质量尚好， 要进一步判断产品玻璃的质量， 需对其样品进行NCES04性能测试，如测试产品玻璃样品
14、的化学组成、密度、高温下的粘度与电阻率，浸出率及内部的质量情况。 演示试验的净化效果目前缺乏数据，法方已取样待分析。 本次演示试验处理的模拟料液量少、 运行时间短， 很难考验设备长期运转的可靠性，尾气系统是否会出现堵塞问题，本次试验也不能得出明确结论。 5 冷坩埚在我国放射性废物处理中的应用前景 冷坩埚技术有其突出的特点，因此它的应用前景看好。结合我国三废处理及退役工作的需要，开展冷坩埚的工程应用研究很有必要，它将使我们的三废处理技术得以发展和扩充。 开展冷坩埚试验研究具有较强的工程针对性和较好的现实意义，期望能在解决两厂废物处理的热点、难点问题上取得成效： 解决两厂高、中放射性泥浆的处理，特别是泥浆的处理； 解决821厂S-119废有机相的处理， 即能否考虑就近建一个冷坩埚装置，实现对其进行焚烧固化处理； 探索 404 厂高放废液的处理问题， 假设中试厂在试验验证完成后要转变成中间规模生产厂，为了使之配套，能否设想未来中试厂加设一个高放废液分离车间，将不断产生的动力堆高放废液与原生产堆高放废液分离出来的铀、钚等返回中试厂主流程，余下的 Am、Cm、Sr 和 Cs 等待建一套冷坩埚装置进行玻璃固化或陶瓷固化。 解决两厂污染严重的有机物、塑料、衣服等废物的焚烧固化处理。 NCES04附图 法国冷坩埚结构示意图 NCES04
