第1章 高放废物固化处理概述

人类在对核技术的开发和利用过程中，不可避免地要产生一定的放射性废物，如果这些放射性废物得不到安全而有效的处理和处置，不仅会影响和制约整个核工业的健康发展，甚至会对人类的生存环境和生命健康构成潜在威胁。尤其在2011年的日本福岛核事故以后，核技术的安全应用与核废物的安全处理处置等已成为全世界高度关注的话题。根据我国《能源发展战略行动计划(2014—2020)》，预计到2020年我国在运行核电机组将达到5800万千瓦，在建3000万千瓦，届时在建规模约占世界总量的40%。因此，对于核废物的安全处理处置成为我们当前和今后面临的一项艰巨任务。

高放废物是现存核废物中难处理的废物形式之一，它主要以废液(废水)的形式存在。虽然高放废物的体积不足核燃料循环所产生放射性废物总体积的1%，但其所含放射性超过核燃料循环放射性总量的99%。放射性强、半衰期长、生物毒性大和释热率高的锕系核素是高放废液的主要成分，而多数锕系核素本身不稳定，可衰变释放出高能粒子生成次锕系核素。虽然生成的次锕系核素种类相对较少，但由于其具有很长的半衰期，并且大多数次锕系核素又是α辐射体，对人类与生态环境构成了较大的威胁，因此而成为核废物处理与处置中需要重点考虑的关键核素。同时，高放废物存在核素种类多、核素组分波动大等特点，这些对高放废物玻璃固化或人造矿物(岩石、陶瓷)固化候选基材的包容性(固溶度高)、适应性(多核素、多组分)与长期安全稳定性(机械与化学、辐照稳定)提出了较高的要求。

在过去几十年中，硼硅酸盐等玻璃固化高放废物虽然在工程上取得了较大的成功，但由于玻璃自身的缺陷(亚稳相)以及玻璃固化体在自然界中尚未发现包容放射性核素的类似矿物，无法对其稳定性进行天然类比研究，缺乏其长期辐照稳定性等佐证，因此对其长期稳定性产生了质疑。人造矿物被认为是第二代固化高放废物的理想介质材料，是锕系核素固化处理较理想的介质材料。因此，寻找机械与化学长期稳定性好、抗辐照能力强、固溶量大、适应多核素的固化介质材料，成为近年来高放废物处理处置研究的前沿和热点之一。

本章对放射性废物的特点、分类及来源，放射性废物的管理原则及内容，高放废物的处理策略及方法，高放废物矿物固化基材的研究概况进行了简要介绍。

1.1 放射性废物简介

1.1.1 放射性废物的特点

放射性废物为含有放射性核素或被放射性核素所污染，其放射性核素的浓度或活度大于审管机构确定的清洁解控水平，并且预期不再使用的物质。放射性废物与其他有害物质或一般废物不同，它的危害作用不能通过化学、物理或生物的方法消除，而只能通过自身衰变或核反应嬗变等方法来降低其放射性水平，后实现无害化。尽管放射性废物有多种存在形式，但却拥有一些共同的特点，如：

(1)含有放射性物质：它们的放射性不能用一般的物理、化学和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰变而减少。

(2)射线危害：放射性核素释放出的射线通过物质时将会发生电离和激发作用，进而对生物体造成辐射损伤。

(3)热能释放：放射性核素通过衰变释放出能量，当废物中放射性核素含量较高时，这种能量的释放会导致废物的温度不断上升。

放射性废物除拥有放射性、放射毒性和化学毒性等主要特点外，部分放射性废物还具有发热性、易燃性、易爆性和释放有害气体等特点。

1.放射性废物中核素的组成

根据反应堆中放射性核素的生成方式，可将放射性废物中的核素分为裂变产物、活化产物和锕系核素三类：裂变产物：是核燃料中的元素原子核受中子轰击后而产生的裂变碎片。活化产物：由堆内的结构材料、冷却剂或燃料包壳俘获中子而产生。锕系核素：由铀俘获中子而产生。

2.放射性废物的放射性

放射性废物的放射性主要来自以下两类核素：

(1)由反应堆中的裂变、俘获、活化等反应生成的裂变产物、超铀核素和放射性同位素而产生的放射性。该类核素的放射性活度约占核废物总放射性活度的99％。

(2)铀及其衰变子体的天然放射性。其活度相对较小，尤其当铀经过纯化、精制后，已将所含的钍、镭(γ放射体)大量去除，核废物的放射性活度将随时间的推移而逐渐减小。

3.放射性废物的放射毒性

当放射性物质进入人或动物体内，由于辐射生物效应而产生的毒害特性称为放射毒性。它主要取决于放射性活度和射线辐射种类。根据我国国家标准《辐射防护规定》(GB8703—1988)的辐射防护规定，按照各种放射性核素的辐射种类和能量、物理化学性质、沉积的器官和部位、半衰期及在器官内停留的时间等因素，把它们分为：极高放射毒性核素、高放射毒性核素、中等放射毒性核素和低放射毒性核素四组，详细分组信息见表1-1所示。

表1-1放射性核素毒性分组

放射性废物与其他废物及其他有毒、有害物质主要有两大不同：一是放射性废物中放射性的危害作用不能通过化学、物理或生物的方法来消除，而只能通过其自身固有的衰变规律降低其放射性水平，后达到无害化。通常，大约经过10个半衰期以后，其放射毒性水平可降至原有的1/1000；经过20个半衰期后，可降至原有的1/106。二是放射性废物中的核素不断地发出各种放射线，可通过各种灵敏的仪器对其进行探测，所以容易发现它的存在和判断其危害程度，即可探测性。

1.1.2 放射性废物的分类

为了对放射性废物进行安全、经济、科学的管理，以实现废物的小化，必须对放射性废物进行合理的分类。一个理想的放射性废物分类体系应该符合以下几个基本条件：

(1)满足安全管理放射性废物的要求，保护当代和后代健康，保护环境。

(2)符合国家法律和法规要求。

(3)不对废物产生者和国家增加不适当的负担。

(4)具有现实可行的技术基础。

(5)适合有关部门的实施，具有可操作性。

(6)为公众所接受。

(7)与国际放射性废物分类体系相接轨。

目前，根据放射性废物性质的不同，如物理和化学形态、放射性水平、半衰期、放射性废物来源、辐射类型、处置方式、毒性、释热性等，都可以作为对放射性废物进行分类的依据，部分分类情况如下所述。

1.按物理形态分类

根据物理状态的不同，可将放射性废物划分为放射性固体废物、放射性液体废物和放射性气载废物三类，如表1-2所示。

表1-2按物理形态对放射性废物的分类

根据废物中的放射性浓度(或比活度)首先来确定是否属于放射性废物后，放射性固体废物、放射性液体废物和放射性气载废物可按放射性的浓度和水平划分成不同的等级，具体如下：

(1)放射性固体废物：对于放射性固体废物首先按废物中半衰期长的核素来进行划分，然后再按照废物的放射性比活度来区分等级。对于比活度小于或等于7.4104Bq/kg的废物划分为非放射性固体废物，而大于7.4104Bq/kg时则划分为放射性固体废物(不包括放射性尾矿和污染废物)，在放射性固体废物这个分类体系下，按其所含寿命长的放射性核素的半衰期进行分级分类，详见表1-3～表1-6所示。

表1-3放射性固体废物的分级(寿命长核素T1/2≤60d)

表1-4放射性固体废物的分级(寿命长核素60d

表1-5放射性固体废物的分级(寿命长核素5a

表1-6放射性固体废物的分级(寿命长核素30a

(2)放射性液体废物：当废液的放射性浓度低于DIC公众的划分为非放射性液体废物，其详细分级如表1-7所示。

表1-7放射性液体废物的分级

(3)放射性气载废物：包括放射性气体、气溶胶等。当放射性浓度小于或等于DAC公众的划分为非放射性气载废物，其详细划分等级如表1-8所示。

表1-8放射性气载废物的分级

2.按放射性水平分类

放射性物质的放射性水平可用比活度(固体废物)和放射性浓度(气载废物、液体废物)来表示，其物理意义为单位质量(固体)或单位体积(液体、气体)物体的放射性活度，度量单位为Bq/kg、Bq/m3或Bq/L。按放射性水平不同，可将放射性废物分为高放废物(HLW)、中放废物(ILW)和低放废物(LLW)三大类。高放废物是放射性核素的含量或浓度高、释热量大、操作和运输过程中需要特殊屏蔽的放射性废物。中放废物是指放射性核素的含量或浓度及释热量虽然低于高放废物，但在正常操作和运输过程中需要采取屏蔽措施的放射性废物。低放废物是指放射性核素的含量或浓度较低，在正常操作和运输过程中通常不需要屏蔽的放射性废物，其详细划分如表1-9所示。

表1-9按放射性水平对放射性废物的分类

3.按处置方式分类

放射性废物按处置方式的不同可将其划分为免管废物、可清洁解控废物、近地表处置废物以及地质处置废物，详细分类见表1-10所示。

表1-10按处置方式对放射性废物的分类

此外，放射性废物按来源可将其划分为核燃料循环废物、核技术利用废物、退役废物、铀(钍)伴生矿废物等；按照半衰期分类可划分为长寿命废物、短寿命废物等；按照辐射类型可分为β/γ放射性废物、α废物等；按照释热性可分为高发热废物、低发热废物、微发热废物等。还有按剂量率、同位素组分分类等诸多分类方法。

1.1.3 放射性废物的来源

放射性废物产生于核工业运行的各个环节(图1-1)，其来源主要有地质勘探、铀矿开采、选矿和矿石加工、铀的精制、转化、同位素分离和燃料元(组)件制造、核电厂和其他核反应堆的运行、核燃料后处理厂的运行、核设施的退役、放射性同位素的生产和应用等方面。若按放射性总活度计算，在核工业运行中所产生的放射性废物，其99%来自核燃料后处理厂。

图1-1核工业主要工艺体系示意图

1.地质勘探、铀矿开采、选矿和矿石加工

铀是基本的核燃料，其化学性质比较活泼，它的氧化价态有+3、+4、+5和+6