一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法

摘要

本发明属于放射性废物处理技术领域，涉及一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法。所述的方法包括如下步骤：(1)在冷坩埚内加入启动玻璃，然后将启动材料钛丝置于启动玻璃上；(2)启动电源，选择适宜的功率启动加热钛丝并逐步增加功率，以使钛丝被逐渐加热至燃烧；(3)向冷坩埚内通入氧气，加速钛丝的燃烧直至其燃尽；(4)停止向冷坩埚内通入氧气，保持电源的功率，使得冷坩埚内的玻璃不断熔融至完全熔融。利用本发明的方法，能够在用于放射性废物冷坩埚固化处理的启动时，启动材料放置方法简单、启动速度高效、无放射性泄露、对固化产品质量无影响，且该方法不仅适用于冷坩埚固化处理的常规启动，也适用于冷坩埚固化处理的应急启动。

说明书

技术领域

本发明属于放射性废物处理技术领域，涉及一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法。

背景技术

冷坩埚玻璃固化技术是从工业高温冶金行业移植过来的玻璃熔制技术，它采用高频感应加热，用普通不锈钢材料制成的炉体外为水冷夹套和高频感应线圈，通过高频(105-106Hz)感应加热使玻璃熔融。由于炉体运行时水冷夹套内连续通过冷却水，所以炉体靠近夹套处形成一薄层固态玻璃壳，保护坩埚壁免受高温熔融体腐蚀，因此熔炉寿命可以很长。同时由于不受炉体材料的限制，炉内熔融体的温度也可以更高，可达2000℃以上。由于冷坩埚具有这些其他固化技术所不能比拟的优点，使得其目前已成为国际公认的一种用于高放废液处理的先进固化技术，具有良好的应用前景(参见：顾忠茂，核废物处理技术[M]，北京：原子能出版社，2009：369-377；刘丽君等，放射性废物冷坩埚玻璃固化技术发展分析，原子能科学技术[J]，2015，49(4)：589-596；胡唐华等，冷坩埚技术在核废物处理中的应用，核技术[J]，2001，24(6)：521-528)。

冷坩埚实现感应加热的前提是要加热的物质必须具有导电性，而玻璃在常温下是不导电的，只有在高温熔融状态才具有导电性。因此，将玻璃从室温加热到熔融状态这一过程就是冷坩埚的“启动”过程。在冷坩埚固化处理技术用来处理放射性废物时，建立一种简单、高效、无放射性泄露、且对固化产品质量无影响的启动技术是非常必要的。

本申请人的申请号为201710177161.1的中国在先专利申请针对冷坩埚启动方法进行研究，公开了石墨环作为冷坩埚启动材料的启动方法。该方法虽然启动效果良好，但更适用于运行时的初始启动，如遇运行过程中的应急处理，则该方法往往有不适用的情况。而在实际生产过程中，可能会发生设备故障，不得不短时间停机的情况，此时如果将熔炉内的玻璃卸出，有可能加入的原料并未完全熔融，玻璃的质量达不到要求；而如果将未熔制完全的玻璃残留在熔炉内，则下次再启动时一旦打开坩埚盖放置石墨环，就会造成放射性泄漏。

因此，研究一种在启动速度高效、无放射性泄露、对固化产品质量无影响的基础上，启动材料放置方法简单、方法整体适用于特殊故障情况的放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，以能够在用于放射性废物冷坩埚固化处理的启动时，启动材料放置方法简单、启动速度高效、无放射性泄露、对固化产品质量无影响，且该方法不仅适用于冷坩埚固化处理的常规启动，也适用于冷坩埚固化处理的应急启动。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，所述的启动方法依次包括如下步骤：

(1)在所述的冷坩埚内加入启动玻璃，然后将启动材料钛丝置于所述的启动玻璃上；

(2)启动电源，选择适宜的功率启动加热钛丝并逐步增加功率，以使钛丝被逐渐加热至燃烧；

(3)向所述的冷坩埚内通入氧气，加速所述的钛丝的燃烧直至其燃尽，在此过程中在所述的冷坩埚内形成了一定的玻璃熔区；

(4)停止向所述的冷坩埚内通入氧气，保持所述的电源的功率，使得所述的冷坩埚内的玻璃不断熔融至完全熔融。

上述步骤(1)中，在常规启动时，在所述的冷坩埚内预先加入启动玻璃，然后将启动材料钛丝置于所述的启动玻璃上；在应急启动时，在所述的冷坩埚内原有一定量玻璃体，为确保启动速度，也需要加入几公斤启动玻璃。

上述步骤(3)中钛丝燃烧后全部转化为TiO₂，由于TiO₂是玻璃成分的组成之一,因此少量TiO₂对玻璃固化产品质量不会造成明显影响。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，其中步骤(1)中，所加入的启动玻璃在1100-1200℃下的高温电阻率在1-10Ω·cm。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，其中步骤(1)中，所述的启动玻璃加入所述的冷坩埚内的高度控制在位于感应线圈高度H的1/3-3/4位置。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，其中步骤(1)中，所述的启动玻璃加入所述的冷坩埚内的高度控制在0.5-0.6H位置。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，其中步骤(1)中，所述的钛丝的直径为2-4mm，长度为2-5cm。由于这样的钛丝的尺寸很小，可以通过进料管加入，无须打开冷坩埚的坩埚盖进料。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，其中步骤(1)中，所述的钛丝的加入量为能够使其在所述的冷坩埚内形成的有效熔区的直径不小于所述的冷坩埚直径的1/2。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，其中步骤(1)中，所述的钛丝的加入量为100-200g。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，其中步骤(2)中，所述的电源的启动功率大于等于30kW，这样可在很短的时间内将启动材料钛丝加热至燃烧状态。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，其中步骤(3)中，控制通入所述的冷坩埚内的氧气流量在5-10m³/h，使该步骤的燃烧时间持续15-30分钟。这样控制氧气通入量的操作可避免钛丝燃烧过快，避免玻璃熔区还未形成而不利于其下一步的扩容。

本发明的有益效果在于，利用本发明的放射性废物冷坩埚固化处理的启动方法，能够在用于放射性废物冷坩埚固化处理的启动时，启动材料放置方法简单、启动速度高效、无放射性泄露、对固化产品质量无影响，且该方法不仅适用于冷坩埚固化处理的常规启动，也适用于冷坩埚固化处理的应急启动。

本发明的有益效果具体体现在：

(1)启动材料为钛丝，其燃烧放出的大量热量能够实现快速启动，从而使启动过程简单、高效，启动所耗时间仅需2-3h。

(2)启动材料燃烧产生的物质为TiO₂，由于TiO₂是玻璃成分的组成之一，因此少量TiO₂对玻璃固化产品质量不会造成明显影响。

(3)启动材料为小尺寸的钛丝，其加工容易，进料也很方便，可从进料管直接加入，不用刻意定位在玻璃表面的某个位置。

(4)启动材料能够完全燃尽，不涉及将剩余启动材料从冷坩埚内取出的问题，大大提高了在热室内操作的安全性。

(5)启动方法不但可用于常规启动，而且可适用于应急启动。

附图说明

图1为实施例1中启动前冷坩埚内的启动玻璃及启动材料放置位置的示意图。

图2为实施例1与实施例2中启动完成后冷坩埚内玻璃已经熔融成为玻璃熔体的示意图。

图3为实施例2中启动前冷坩埚内留存有一定玻璃体的启动玻璃及启动材料放置位置的示意图。

以上图1-3中，感应线圈1位于冷坩埚2侧壁外部，冷坩埚2底部接有卸料管5；图1与图3中，启动玻璃4铺于冷坩埚2底部，钛丝3置于启动玻璃4上表面，其中图3中在启动玻璃4与冷坩埚2底部之间还形成一层留存的玻璃体8；图2中，启动玻璃4熔融后，在冷坩埚2内部形成熔融玻璃7，与冷坩埚2侧壁和底部相邻处形成冷壁6。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1：

将15kg启动玻璃4放入Φ300mm冷坩埚1内后，再放入100g、Φ4×30mm的钛丝3(见图1)。高频电源以25kW的功率启动，然后每十分钟增加5kW，直到50kW。在钛丝3开始燃烧后，以10m³/h的速率通入氧气，钛丝3燃烧放出大量的热将周围玻璃熔化。30min后钛丝3基本燃烧完全，停止通入氧气，继续保持此功率直至加入的启动玻璃4全部熔化(见图2)，共耗时2.5h。

实施例2：

将7kg启动玻璃4放入预先有10kg左右的玻璃体8的Φ300mm冷坩埚1内，再放入100g、Φ4×30mm的钛丝3(见图3)。高频电源以25kW的功率启动，然后每十分钟增加5kW，直到50kW。在钛丝3开始燃烧后，以10m³/h的速率通入氧气，钛丝3燃烧放出大量的热将周围玻璃熔化。30min后钛丝3基本燃烧完全，停止通入氧气，继续保持此功率直至加入的启动玻璃4全部熔化(见图2)，共耗时3h。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。