放射性过滤芯固化处理方法和系统与流程

1.本发明涉及化工处理技术领域，特别是涉及一种放射性过滤芯固化处理方法和系统。


背景技术：

2.随着核工业的迅速发展，如何对核工业中产生的大量放射性废物进行处理是亟待解决的问题，固化处理是一种能够较为安全和高效的对放射性废物进行处理的方法。
3.固化是指选择稳定性较高的固化基质长时间包容这些核素，常用的固化方法有玻璃固化、陶瓷固化、玻璃陶瓷固化、人造岩石固化以及各种水泥固化等等。其中，玻璃固化技术比较成熟，并且，玻璃固化体具有浸出率低、辐照稳定等优点，使得玻璃固化技术成为固化技术研究的热点。
4.玻璃固化是将高放废液与玻璃基材按一定比例混合后，在高温900
‑
1200度下煅烧、熔融、浇注，经退火后转化为稳定玻璃固化体。以磷酸、磷酸盐或其他含磷物质作玻璃形成剂的称为磷酸盐玻璃固化，以二氧化硅和三氧化二硼作玻璃形成剂的称为硼硅酸盐玻璃固化。
5.玻璃固化的研究开始于20世纪50年代末，早期对磷酸盐玻璃固化研究较多，随后发现磷酸盐玻璃固化体贮存一段时间后形成晶体，失去透明性，使放射性核素的浸出率显著增加，而且磷酸腐蚀性强，熔融器和固化尾气管道需用铂作材料。于是研究工作的重点转向硼硅酸盐玻璃固化。研究结果证明，硼硅酸盐玻璃是较理想的高放废液固化基材。
6.迄今为止，玻璃固化已经发展了4代，第1代熔制工艺是感应加热金属熔炉，一步法罐式工艺。罐式工艺是将高放废液的蒸发浓缩液和玻璃形成剂同时分别加入金属罐中，金属罐用中频感应加热，分为若干区，废液在罐中蒸发，与玻璃形成剂一起熔融、澄清，最后从下端冻融阀排出熔制好的玻璃。
7.第2代熔制工艺是回转煅烧路 感应加热金属熔炉两步法工艺，这是在罐式工艺上发展起来的工艺，第1步骤中高放废液先在回转煅烧炉中煅烧成固态煅烧物，第2步把煅烧物与玻璃形成剂分别加入中频感应加热金属熔炉中，在那里熔铸呈玻璃，最后通过冻融阀注入玻璃储罐中。这种工艺的优点是能够进行连续生成，处理量较大，缺点是工艺比较复杂，熔炉寿命不够长。
8.第3代熔制工艺是焦耳加热陶瓷熔炉工艺，焦耳加热陶瓷熔炉(简称电熔炉)工艺最早是由美国太平洋西北实验室所开发，焦耳加热陶瓷熔炉采用电极加热，炉体由耐火陶瓷材料构成。高放废液与玻璃形成剂分别加入熔炉中，高放废液在熔炉中进行蒸发与玻璃形成剂一起熔铸成玻璃。熔制的玻璃由底部冻融阀或溢流口以批式或连续方式出料。焦耳加热陶瓷熔炉工艺处理量大，熔炉寿命比较长(约5年)，缺点是熔炉体积大，给退役带来困难，熔炉底部的贵金属可能会沉积，从而影响出料。
9.第4代熔制工艺是冷坩埚感应熔炉工艺。冷坩埚是采用高频感应进行加热，炉体外壁为水冷套管和高频感应圈，不使用耐火材料，也无需电极加热。高频(300
‑
13000khz)感应
加热使玻璃熔融，由于水冷套管中连续通过冷却水，因此炉内近套管处形成一层固态玻璃壳体，熔融的玻璃责备包容在自冷固态玻璃层内，顶上通常还有一个冷罩，以限制易挥发物的释放。冷坩埚除了可以熔铸玻璃外，还可以用来熔融废金属、处理乏燃料包壳、焚烧高氯高硫的废塑料和废树脂等。
10.冷坩埚熔炉的优点是熔制温度高(可达1600
‑
3000℃)，可处理对象多，熔融的玻璃不直接与金属接触，腐蚀性小，炉体寿命较长，尾气处理也比较简单。基于此，冷坩埚技术是我国乃至全世界着力研究的热点技术。
11.放射性过滤芯是核电厂中较为常见的放射性废物之一，过滤芯通常由金属框架和固定在金属框架上的玻璃纤维组成，其中主要需要处理的是放射性的玻璃纤维。
12.玻璃纤维同样也可以使用玻璃进行固化，但是由于玻璃纤维以及固化处理中所使用的玻璃珠均含有硅元素，常常会导致固化产物的质量难以满足需求。


技术实现要素：

13.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的放射性过滤芯固化处理方法和系统。
14.根据本发明实施例的一个方面，提供一种放射性过滤芯固化处理方法，用于对所述放射性过滤芯进行固化处理以获得固化产物，所述放射性过滤芯包括金属框架以及固定于所述金属框架的放射性玻璃纤维，所述方法包括如下步骤：将所述放射性过滤芯的所述金属框架拆除以获取所述放射性玻璃纤维；获取所述放射性玻璃纤维中硅元素的含量；制备固化剂，其中，所述固化剂中包括硅元素，根据所述放射性玻璃纤维中的硅元素含量以及所述固化产物中硅元素含量的期望范围，确定所述固化剂中硅元素含量的期望范围，并基于所述固化剂中硅元素含量的期望范围确定所述固化剂的配方，以根据所述配方制备所述固化剂；将所述放射性玻璃纤维与所述固化剂混合加热形成熔融态物质；对所述熔融态物质进行降温，以获得所述固化产物。
15.可选地，所述固化产物中硅元素含量的期望范围为50％
‑
55％。
16.可选地，所述固化剂包括硼硅酸盐玻璃。
17.可选地，所述方法还包括：获取所述放射性玻璃纤维中硼元素的含量；在制备所述固化剂时，根据所述放射性玻璃纤维中的硼元素含量，以及所述固化产物中硼元素含量的期望范围，确定所述固化剂中硼元素含量的期望范围，并基于所述固化剂中硅元素含量的期望范围和硼元素含量的期望范围共同确定所述固化剂的配方。
18.可选地，所述固化产物中硼元素含量的期望范围为10％
‑
20％。
19.可选地，所述方法还包括：将所述放射性玻璃纤维与所述固化剂混合加热形成熔融态物质前，对所述放射性玻璃纤维进行粉碎处理，以增加所述放射性玻璃纤维的比表面积。
20.可选地，所述将所述放射性玻璃纤维与所述固化剂混合加热形成熔融态物质包括：
21.向所述放射性玻璃纤维和所述固化剂施加磁场，使所述放射性玻璃纤维和所述固化剂发生电磁反应产生感应电动势，并形成电流，以利用所述电流产生的热量将所述放射性玻璃纤维和所述固化剂加热形成熔融态物质。
22.根据本发明实施例的另一个方面，提供一种放射性过滤芯处理系统，用于对放射性过滤芯进行固化处理以获得固化产物，所述放射性过滤芯包括金属框架以及固定于所述金属框架的放射性玻璃纤维，所述放射性过滤芯处理系统包括：提取装置，用于拆除所述放射性过滤芯的所述金属框架，以提取所述放射性玻璃纤维；测量装置，用于获取所述放射性玻璃纤维中的硅元素含量；配方确定模块，根据所述测量装置获取的所述放射性玻璃纤维中的硅元素含量，以及所述固化产物中硅元素含量的期望范围，确定所述固化剂中硅元素含量的期望范围，并基于所述固化剂中硅元素含量的期望范围确定所述固化剂的配方；熔炼装置，用于根据所述配方制备所述固化剂；反应容器，为所述放射性玻璃纤维和所述固化剂提供反应空间；加热装置，用于将所述反应容器中的所述放射性玻璃纤维和所述固化剂加热形成熔融态物质；以及冷却装置，与所述反应容器连通，用于冷却所述熔融态物质以获得固化产物。
23.可选地，所述放射性过滤芯处理系统还包括：粉碎装置，与所述反应容器连通，所述粉碎装置用于粉碎所述放射性玻璃纤维，以增加所述放射性玻璃纤维的比表面积。
24.可选地，所述反应容器包括金属材料制成的侧壁；所述加热装置包括缠绕于所述侧壁的线圈，所述加热装置工作时向所述线圈内通入电流，使所述线圈与所述侧壁发生电磁感应，在所述反应容器内部形成磁场环境，以加热所述放射性玻璃纤维和所述固化剂。
25.可选地，所述侧壁包括多个彼此绝缘的金属管，所述金属管内设置有冷却剂，以冷却所述侧壁，使部分所述熔融态物质凝结于所述侧壁靠近所述反应容器内部一侧的表面，以避免所述熔融态物质腐蚀所述侧壁。
26.根据本发明实施例的放射性过滤芯处理方法和系统能够提高固化产物的质量，获得较为理想的处理效果。
附图说明
27.图1为根据本发明一个实施例的放射性过滤芯处理方法示意图；
28.图2为根据本发明另一实施例的放射性过滤芯处理方法示意图；
29.图3为根据本发明实施例的放射性过滤芯处理系统示意图；
30.图4为根据本发明另一实施例的放射性过滤芯处理系统示意图；
31.图5为根据本发明实施例的反应容器和加热装置示意图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
34.根据本发明的实施例首先提供一种放射性过滤芯处理方法，用于对放射性过滤芯进行固化处理以获得固化产物，放射性过滤芯包括金属框架以及固定于金属框架的放射性玻璃纤维，参照图1，所述方法包括如下步骤：
35.步骤s102：将放射性过滤芯的金属框架拆除以获取放射性玻璃纤维；
36.步骤s104：获取放射性玻璃纤维中硅元素的含量；
37.步骤s106：制备固化剂，其中，固化剂中包括硅元素，根据放射性玻璃纤维中的硅元素含量以及固化产物中硅元素含量的期望范围，确定固化剂中硅元素含量的期望范围，并基于固化剂中硅元素含量的期望范围确定固化剂的配方，以根据配方制备固化剂；
38.步骤s108：将放射性玻璃纤维与固化剂混合加热形成熔融态物质；
39.步骤s110：对熔融态物质进行降温，以获得固化产物。
40.在步骤s106中，需要制备合适的固化剂以对放射性玻璃纤维进行固化处理。固化剂中包括硅元素，例如，固化剂可以包括硼硅酸盐玻璃，以对放射性玻璃纤维进行玻璃固化处理。可以理解地，常规的硼硅酸盐玻璃用于其他放射性物质的固化处理时，只需要控制固化剂与放射性物质的用量比例，就能够保证固化产物中硅元素的含量在期望范围内。然而，当对放射性玻璃纤维进行处理时，由于玻璃纤维本身的主要成分为二氧化硅，使用常规的含有硼硅酸盐玻璃的固化剂进行固化处理可能会使得固化产物中的硅元素含量超标，导致固化产物的质量难以符合预期。
41.为了使得固化产物中硅元素的含量能够在期望范围内，本实施例中获取了放射性玻璃纤维中的硅元素含量，而后根据放射性玻璃纤维的硅元素含量以及固化产物中的硅元素含量的期望范围，确定固化剂中的硅元素含量的期望范围，进一步，基于固化剂中硅元素含量的期望范围确定固化剂的配方。
42.可以理解地，固化剂中除了含有硅元素外，还含有其他的多种元素，为了使固化剂中的硅元素含量在期望的范围内，不仅需要在常规的固化剂基础上调整硅元素含量，还需要相应地调整其他多种元素的含量，以保证固化剂自身结构的稳定性。仍以硼硅酸盐玻璃为例，硼硅酸盐玻璃中通常含有一定比例的氧化硼、二氧化硅、氧化钠和氧化铝等物质，确定配方实际上就是确定硼硅酸盐玻璃中这些物质占比，当控制二氧化硅的含量在预定范围内时，也需要相应地确定氧化硼、氧化钠、氧化铝等物质的含量，使得这些物质之间的比例能够保证硼硅酸盐玻璃的稳定性。
43.在确定了固化剂的配方后，就可以根据该配方来制备固化剂，在一些实施方式中，可以按照配方中的配比将各原料进行熔炼获得固化剂，在一些实施方式中，也可以在现有的固化剂基础上进行二次加工获得固化剂，本领域技术人员可以选择合适的方式来制备固化剂，在此不做具体的限定。
44.完成了固化剂的制备后，将放射性玻璃纤维与固化剂混合加热至熔融态，而后对熔融态物质进行冷却，即可获得固化产物。
45.根据本发明实施例的放射性过来重新固化处理方法能够确保固化产物中的硅元素含量在期望范围内，避免了由于放射性玻璃纤维自身含有硅元素导致固化产物中的硅元素含量超标，获得了更好的固化处理效果。
46.在一些实施方式中，固化产物中硅元素含量的期望范围为50％
‑
55％。
47.在一些实施方式中，固化剂包括硼硅酸盐玻璃。
48.可以理解地，一些放射性玻璃纤维中也可能含有硼元素，而硼硅酸盐玻璃种同样也含有硼元素，从而，固化产物中的硼元素也可能会超过期望的范围，为此在一些实施方式中，提供了另一种放射性过滤芯处理方法，参照图2，包括：
49.步骤s202：将放射性过滤芯的金属框架拆除以获取放射性玻璃纤维；
50.步骤s204：获取放射性玻璃纤维中硅元素的含量和硼元素含量；
51.步骤s206：制备固化剂，其中，固化剂中包括硼硅酸盐玻璃，根据放射性玻璃纤维中的硅元素含量和硼元素含量以及固化产物中硅元素含量和硼元素含量的期望范围，确定固化剂中硅元素含量和硼元素含量的期望范围，并基于固化剂中硅元素含量和硼元素含量的期望范围确定固化剂的配方，以根据配方制备固化剂；
52.步骤s208：将放射性玻璃纤维与固化剂混合加热形成熔融态物质；
53.步骤s210：对熔融态物质进行降温，以获得固化产物。
54.在本实施例中，同时考虑了放射性玻璃纤维中的硅元素和硼元素的影响，确定固化剂中硼元素含量和硅元素含量的期望范围，并基于硼元素含量和硅元素含量的期望范围共同确定固化剂的配方，从而保证了固化产物中的硼元素和硅元素含量均在期望的范围内，提高了固化产物的质量。
55.根据硼元素含量和硅元素含量的期望范围共同确定固化剂的配方的实现方式可以参照上述根据硅元素含量的期望范围确定固化剂配方的实现方式，在此不再赘述。
56.在一些实施方式后中，固化产物中的硼元素含量期望范围为10％
‑
20％。
57.在一些实施方式中，方法还包括：将放射性玻璃纤维与固化剂混合加热形成熔融态物质前，对放射性玻璃纤维进行粉碎处理，以增加放射性玻璃纤维的比表面积。这样的预处理能够进一步增加固化处理的效率。
58.在一些实施方式中，将放射性玻璃纤维与固化剂混合加热形成熔融态物质包括：向放射性玻璃纤维和固化剂施加磁场，使放射性玻璃纤维和固化剂发生电磁反应产生感应电动势，并形成电流，以利用电流产生的热量将放射性玻璃纤维和固化剂加热形成熔融态物质。具体而言，这样的实施方式中，反应容器可以是具有电磁加热功能的反应容器，例如电磁熔炉、冷坩埚等装置，使用电磁感应的方法对进行加热更加环保，有助于节省能源。
59.根据本发明的实施例还提供一种放射性过滤芯处理系统，用于对放射性过滤芯进行固化处理以获得固化产物，放射性过滤芯包括金属框架以及固定于金属框架的放射性玻璃纤维，参照图3
‑
图5，放射性过滤芯处理系统包括：提取装置10，用于拆除放射性过滤芯的金属框架，以提取放射性玻璃纤维；测量装置20，用于获取放射性玻璃纤维中的硅元素含量；配方确定模块30，根据测量装置20获取的放射性玻璃纤维中的硅元素含量，以及固化产物中硅元素含量的期望范围，确定固化剂中硅元素含量的期望范围，并基于固化剂中硅元素含量的期望范围确定固化剂的配方；熔炼装置40，用于根据配方制备固化剂；反应容器50，为放射性玻璃纤维和固化剂提供反应空间；加热装置60，用于将反应容器50中的放射性玻璃纤维和固化剂加热形成熔融态物质；以及冷却装置70，与反应容器50连通，用于冷却熔融态物质以获得固化产物。
60.根据本发明实施例的放射性玻璃纤维处理系统配置了测量装置20以获取放射性玻璃纤维的硅元素含量，而后使用配方确定模块30，根据放射性玻璃纤维的硅元素含量，以及固化产物中硅元素含量的期望范围，确定固化剂中硅元素含量的期望范围，并基于固化剂中硅元素含量的期望范围确定固化剂的配方，接下来使用熔炼装置40根据该配方制备固化剂，从而能够保证最终获得的固化产物中硅元素的含量在期望范围内，提高了固化产物的质量。
61.在一些实施方式中，固化剂包括硼硅酸盐玻璃，测量装置20还用于获取放射性玻璃纤维中的硼元素含量，配方确定模块30还用于确定固化剂中硼元素含量的期望范围，并基于硅元素含量的期望范围和硼元素含量的期望范围共同确定固化剂的配方。
62.配方确定模块30的具体实现方式可以参照前述内容，在此不再赘述。
63.在一些实施方式中，参照图4，放射性过滤芯处理系统还包括：粉碎装置80，与反应容器50连通，粉碎装置80用于粉碎放射性玻璃纤维，以增加放射性玻璃纤维的比表面积，从而提高固化处理的效率。
64.在一些实施方式中，参照图5，反应容器50包括金属材料制成的侧壁51；加热装置60包括缠绕于侧壁的线圈61，加热装置60工作时向线圈61内通入电流，使线圈61与侧壁51发生电磁感应，在反应容器50内部形成磁场环境，以加热放射性玻璃纤维和固化剂。
65.可以理解地，由于线圈61缠绕在金属侧壁51外侧，从而当线圈61内通入电流时，线圈61与侧壁51将会发生电磁感应，在反应容器50内部产生磁场，该磁场具体的强度可以通过线圈61的缠绕方式、线圈61内的电流强度和频率来进行调整，本领域技术人员可以根据实际反应时的温度需求等来进行设置，在一些其他的实施方式中，还可以选择将线圈61缠绕在反应容器50的其他部位来实现类似的效果，在此不再赘述。
66.使用磁场对放射性玻璃纤维和固化剂进行加热的具体效果可以参照前述相关内容，在此不再赘述。
67.在一些实施方式中，仍然参照图5，侧壁51包括多个彼此绝缘的金属管411，金属管411内设置有冷却剂，以冷却侧壁51，使部分熔融态物质凝结于侧壁51靠近反应容器50内部一侧的表面，以避免熔融态物质腐蚀侧壁51。
68.可以理解地，在这样的实施方式中，反应容器内产生磁场以放射性玻璃纤维和固化剂进行加热，即，反应容器内部将会产生高温，而反应容器的侧壁51在冷却剂的作用下将会保持相对较低的温度，能够有效地延长反应容器50的使用寿命。同时，放射性树脂和固化剂生成的熔融态物质将会具有较强的腐蚀性，而侧壁51的温度较低，熔融态物质将会部分凝结在侧壁51上，凝结后的熔融态物质腐蚀性将会大大降低，形成保护层，避免侧壁51被熔融态物质腐蚀，增加了反应容器50的使用寿命。
69.进一步的，在这样的实施方式中，由于多个金属管411彼此绝缘，从而当线圈61缠绕在侧壁51外侧时，相当于缠绕在了多个金属管411的外侧，并且将会在相邻的两个金属管411中产生方向相反的电流，进一步形成磁场增强效应，使得反应容器50内部的磁场被增强，从而提高了加热的效率。
70.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
71.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。