提起玻璃，人們印象中往往是無色透明的。而中國原子能科學研究院（以下簡稱“原子能院”）研制的玻璃卻與眾不同——它通體黑色，在陽光照射下會發出幽藍色的光。
最近，原子能院自主研發的兩步法650毫米直徑冷坩堝玻璃固化工程樣機，完成90天連續運行試驗，收獲約52噸玻璃固化體，高放射性廢物（以下簡稱“高放廢物”）可被“封印”其中。
“冷坩堝玻璃固化技術是目前世界公認最先進的高放廢物處理手段。”中國科學院院士、中國核工業集團有限公司首席科學家葉國安告訴科技日報記者，“從零起步，研發團隊為此奮斗了近20年。”
突破高溫燒“鍋巴”
核電站核能利用后產生的高放廢物，放射周期長、輻射強度高、生物毒性大，堪稱核廢料中的“極品”。
“一定要將高放廢物核輻射牢牢禁錮，確保生物圈安全！”這是研發團隊的初衷，也是他們的執念。
此前研究發現，玻璃是固定放射性核素、隔絕核輻射的優良載體。而要實現高放廢物的玻璃固化，就必須突破冷坩堝技術。
“上世紀80年代，國外就開始發展冷坩堝技術。但這些技術，我們要不來也買不來。”在葉國安看來，要想掌握核心技術，只能靠自己摸索。
冷坩堝是典型的外冷內熱“性格”。堝壁由一根根冷卻水管圍成，溫度在100℃以下，堝內盛放的液態玻璃溫度卻高達1700℃。
“冷坩堝運行時，熔化的玻璃碰到堝壁，會形成一層類似‘鍋巴’的冷殼。”葉國安說，這層冷殼可以有效避免液態玻璃高溫對堝體材料的損害。
但要燒好這層“鍋巴”大有學問——太厚，加熱效率低；太薄，無法對堝體形成有效保護。
精準控制電磁加熱的磁場分布，是團隊必須攻克的一大難點。
原子能院冷坩堝團隊工藝負責人龍浩騎解釋：“冷坩堝靠電磁場加熱玻璃，磁場不能直接透過金屬堝壁，只能從狹窄的堝壁縫隙透過。縫隙太多，堝體強度不夠；縫隙太少，磁場強度又不夠。”
科研過程中，各種制約條件總是環環相扣。堝體直徑、玻璃重量、開縫數量、縫隙寬度……都需要統籌兼顧，一著不慎，滿盤皆輸。
從2006年到2014年，研發團隊開足馬力、全力攻關，邊學邊干、邊干邊學，先后闖過了多個技術卡點。“實驗成功時，真有一種‘九死一生’的感覺。”龍浩騎感慨道。
如今，經過上百次實驗驗證、迭代改進的冷坩堝，燒出來的“鍋巴”薄厚適中、均勻剔透，堪稱完美。
開發配方促“消化”
2016年，冷坩堝放大規模科研樣機研發成功。就在大家倍感振奮之時，新的挑戰卻不期而遇。
“我國核燃料燃耗越來越高，裂變產生的鉬、鋯、鑭系元素以及貴金屬也隨之增多。”原子能院冷坩堝研發項目負責人鮮亮告訴記者，這些元素較難熔融于玻璃液中，會以單質或化合物的形式存在，使玻璃液出現析晶、黃相等問題，從而堵塞出料口，導致冷坩堝運行受阻或中斷。同樣的問題，國外同行也經常遇到。
必須讓冷坩堝不“挑食”！
但這并非易事。團隊配方研發負責人譚盛恒形象地比喻：“燃耗越高，放射性核素越‘狡猾’，越容易‘逃脫’玻璃固化體牢籠。”
要想將放射性核素囚得多、關得牢，玻璃的配方至關重要。
高放廢物中含有30余種化學元素，開發玻璃配方不僅要考慮玻璃基體對這些元素的包容性，還需要考慮這些元素之間的相互作用及其對玻璃固化體產品性能的影響。
以高放廢物中大量存在的鉬為例，設計出對鉬包容能力更強的玻璃配方，一直是團隊研究的重點和難點。
團隊從鉬在玻璃中的包容機理和熔解機理著手研究，全力探求玻璃配方的最優解。“我們猶如把脈問診的‘老中醫’，反復推敲化解‘病癥’的‘藥方’。”譚盛恒打比方說，有時候解決問題的奧妙就在于一味“藥引子”。
大家研究發現，鉬元素在玻璃固化體中的結合度和穩定性，與固化體網絡中陽離子場強和電負性有直接關系。有了這味“藥引子”，依托原子能院多年積累的“藥方”數據庫，鉬元素囚禁難的問題迎刃而解。新配方不僅對鉬“吃得多、消化得好”，對其他核素也有很強的包容性。
又經過兩年多努力，研發團隊成功開發出高包容率的玻璃配方。
打散重構再優化
隨著冷坩堝玻璃固化技術研發從科研樣機邁向工程樣機，工程難題接踵而至。
這臺被大家喻為高放廢物“煉丹爐”的樣機，由回轉煅燒爐和冷坩堝兩部分組成。實際運行時，先由前者將高放廢物煅燒轉型，再經后者將煅燒產物與玻璃基料熔融、固化。由于工作環境的高放射性，兩者之間的關聯操作需通過遠程控制機械手來實現。
“機械手遠不如人手靈活，為了方便機械手操作，就得對‘煉丹爐’重新進行模塊化設計。”鮮亮介紹，在科研階段，回轉煅燒爐和冷坩堝是兩個獨立個體，分別由上千個零部件組成。步入工程設計階段，需要將它們的零部件全部打散，然后再分類重新組合形成數十個不同的模塊。
為了實現這一目標，團隊開展了大量的設備外協加工工作。“在項目推進過程中，大家克服種種困難，堅持全員高頻次、長時間出差。”龍浩騎回憶，有的同志“上有老、下有小”，孩子才一歲多，從未請過一天假；有的同志剛入職便一頭扎進項目中，白天在外場調試設備，晚上在宿舍鉆研資料……
進料控制、旋轉煅燒、密閉轉接、玻璃添加、熔融固化……一個個環節琢磨，一個個模塊優化。在團隊與外協單位的共同努力下，“煉丹爐”終于完成重構。“現在從外觀上看沒什么變化，實際上樣機內部已經‘脫胎換骨’。”鮮亮說。
90天連續運行試驗結果顯示，經過優化設計的工程樣機狀態良好，各項性能指標均滿足設計要求。
根據中核智庫的最新數據，截至2024年12月31日，我國內地并網運行核電機組58臺，總裝機容量6088.094萬千瓦；在運、在建和核準待建核電機組共102臺，總裝機容量1.13億千瓦，連續兩年位居全球首位。隨著高放廢物安全高效處理技術的突破，我國核能發展潛能將進一步得到釋放。
黨的二十屆三中全會提出，“統籌強化關鍵核心技術攻關”“推動科技創新和產業創新融合發展”。展望未來，葉國安信心滿懷：“只要堅定創新自信，我們就一定能將核能發展的關鍵核心技術牢牢攥在自己手里！”
提起玻璃，人們印象中往往是無色透明的。而中國原子能科學研究院（以下簡稱“原子能院”）研制的玻璃卻與眾不同——它通體黑色，在陽光照射下會發出幽藍色的光。
最近，原子能院自主研發的兩步法650毫米直徑冷坩堝玻璃固化工程樣機，完成90天連續運行試驗，收獲約52噸玻璃固化體，高放射性廢物（以下簡稱“高放廢物”）可被“封印”其中。
“冷坩堝玻璃固化技術是目前世界公認最先進的高放廢物處理手段。”中國科學院院士、中國核工業集團有限公司首席科學家葉國安告訴科技日報記者，“從零起步，研發團隊為此奮斗了近20年。”
突破高溫燒“鍋巴”
核電站核能利用后產生的高放廢物，放射周期長、輻射強度高、生物毒性大，堪稱核廢料中的“極品”。
“一定要將高放廢物核輻射牢牢禁錮，確保生物圈安全！”這是研發團隊的初衷，也是他們的執念。
此前研究發現，玻璃是固定放射性核素、隔絕核輻射的優良載體。而要實現高放廢物的玻璃固化，就必須突破冷坩堝技術。
“上世紀80年代，國外就開始發展冷坩堝技術。但這些技術，我們要不來也買不來。”在葉國安看來，要想掌握核心技術，只能靠自己摸索。
冷坩堝是典型的外冷內熱“性格”。堝壁由一根根冷卻水管圍成，溫度在100℃以下，堝內盛放的液態玻璃溫度卻高達1700℃。
“冷坩堝運行時，熔化的玻璃碰到堝壁，會形成一層類似‘鍋巴’的冷殼。”葉國安說，這層冷殼可以有效避免液態玻璃高溫對堝體材料的損害。
但要燒好這層“鍋巴”大有學問——太厚，加熱效率低；太薄，無法對堝體形成有效保護。
精準控制電磁加熱的磁場分布，是團隊必須攻克的一大難點。
原子能院冷坩堝團隊工藝負責人龍浩騎解釋：“冷坩堝靠電磁場加熱玻璃，磁場不能直接透過金屬堝壁，只能從狹窄的堝壁縫隙透過。縫隙太多，堝體強度不夠；縫隙太少，磁場強度又不夠。”
科研過程中，各種制約條件總是環環相扣。堝體直徑、玻璃重量、開縫數量、縫隙寬度……都需要統籌兼顧，一著不慎，滿盤皆輸。
從2006年到2014年，研發團隊開足馬力、全力攻關，邊學邊干、邊干邊學，先后闖過了多個技術卡點。“實驗成功時，真有一種‘九死一生’的感覺。”龍浩騎感慨道。
如今，經過上百次實驗驗證、迭代改進的冷坩堝，燒出來的“鍋巴”薄厚適中、均勻剔透，堪稱完美。
開發配方促“消化”
2016年，冷坩堝放大規模科研樣機研發成功。就在大家倍感振奮之時，新的挑戰卻不期而遇。
“我國核燃料燃耗越來越高，裂變產生的鉬、鋯、鑭系元素以及貴金屬也隨之增多。”原子能院冷坩堝研發項目負責人鮮亮告訴記者，這些元素較難熔融于玻璃液中，會以單質或化合物的形式存在，使玻璃液出現析晶、黃相等問題，從而堵塞出料口，導致冷坩堝運行受阻或中斷。同樣的問題，國外同行也經常遇到。
必須讓冷坩堝不“挑食”！
但這并非易事。團隊配方研發負責人譚盛恒形象地比喻：“燃耗越高，放射性核素越‘狡猾’，越容易‘逃脫’玻璃固化體牢籠。”
要想將放射性核素囚得多、關得牢，玻璃的配方至關重要。
高放廢物中含有30余種化學元素，開發玻璃配方不僅要考慮玻璃基體對這些元素的包容性，還需要考慮這些元素之間的相互作用及其對玻璃固化體產品性能的影響。
以高放廢物中大量存在的鉬為例，設計出對鉬包容能力更強的玻璃配方，一直是團隊研究的重點和難點。
團隊從鉬在玻璃中的包容機理和熔解機理著手研究，全力探求玻璃配方的最優解。“我們猶如把脈問診的‘老中醫’，反復推敲化解‘病癥’的‘藥方’。”譚盛恒打比方說，有時候解決問題的奧妙就在于一味“藥引子”。
大家研究發現，鉬元素在玻璃固化體中的結合度和穩定性，與固化體網絡中陽離子場強和電負性有直接關系。有了這味“藥引子”，依托原子能院多年積累的“藥方”數據庫，鉬元素囚禁難的問題迎刃而解。新配方不僅對鉬“吃得多、消化得好”，對其他核素也有很強的包容性。
又經過兩年多努力，研發團隊成功開發出高包容率的玻璃配方。
打散重構再優化
隨著冷坩堝玻璃固化技術研發從科研樣機邁向工程樣機，工程難題接踵而至。
這臺被大家喻為高放廢物“煉丹爐”的樣機，由回轉煅燒爐和冷坩堝兩部分組成。實際運行時，先由前者將高放廢物煅燒轉型，再經后者將煅燒產物與玻璃基料熔融、固化。由于工作環境的高放射性，兩者之間的關聯操作需通過遠程控制機械手來實現。
“機械手遠不如人手靈活，為了方便機械手操作，就得對‘煉丹爐’重新進行模塊化設計。”鮮亮介紹，在科研階段，回轉煅燒爐和冷坩堝是兩個獨立個體，分別由上千個零部件組成。步入工程設計階段，需要將它們的零部件全部打散，然后再分類重新組合形成數十個不同的模塊。
為了實現這一目標，團隊開展了大量的設備外協加工工作。“在項目推進過程中，大家克服種種困難，堅持全員高頻次、長時間出差。”龍浩騎回憶，有的同志“上有老、下有小”，孩子才一歲多，從未請過一天假；有的同志剛入職便一頭扎進項目中，白天在外場調試設備，晚上在宿舍鉆研資料……
進料控制、旋轉煅燒、密閉轉接、玻璃添加、熔融固化……一個個環節琢磨，一個個模塊優化。在團隊與外協單位的共同努力下，“煉丹爐”終于完成重構。“現在從外觀上看沒什么變化，實際上樣機內部已經‘脫胎換骨’。”鮮亮說。
90天連續運行試驗結果顯示，經過優化設計的工程樣機狀態良好，各項性能指標均滿足設計要求。
根據中核智庫的最新數據，截至2024年12月31日，我國內地并網運行核電機組58臺，總裝機容量6088.094萬千瓦；在運、在建和核準待建核電機組共102臺，總裝機容量1.13億千瓦，連續兩年位居全球首位。隨著高放廢物安全高效處理技術的突破，我國核能發展潛能將進一步得到釋放。
黨的二十屆三中全會提出，“統籌強化關鍵核心技術攻關”“推動科技創新和產業創新融合發展”。展望未來，葉國安信心滿懷：“只要堅定創新自信，我們就一定能將核能發展的關鍵核心技術牢牢攥在自己手里！”
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