网络首发||孔令军教授：人造矿石固化核废物进展与展望
文摘
科学
2024-07-10 10:09
浙江
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放射性废物的安全处置对于核能的可持续发展至关重要，目前常用的处理方法是对放射性废物进行固化再深地质掩埋。而人造矿石作为固化核废物的一种方法，具有耐辐照、高稳定性、低增容比等特点，被认为是构建核废物固化首要屏障的理想选择之一。本文对于人造矿石固化核废物的研究进展，包括了核素的固化方法、矿石类型等内容进行了系统阐述。同时，结合人造矿石的结构和理化特征，阐明了人造矿石固化放射性核素的机制，并提出了适合不同放射性核素固化的人造矿石类型和方法。此外，分析了固化放射性核素辐照对人造矿石晶相结构特征和稳定性的影响，为人造矿石固化放射性核素的策略提供了科学支撑，为其实际应用奠定了重要的理论基础。核能产业的发展离不开对核废物的有效处理与处置，而人造矿石固化核废物的研究与应用将在这一进程中发挥重要作用。
孔令军，博士，教授，硕士生导师。广州大学学术委员会委员，广州大学固废资源化与环境材料研究中心副主任，广州市环境污染控制与同位素应用技术重点实验室主任。入选广东省青年珠江学者岗位，香江学者计划。兼任广东省环境科学学会清洁生产专业委员会副秘书长，广东省环境科学学会固废专业委员会委员，广东省青年科学家协会常务理事等。从事固废资源化制备环境材料及对工业废水处理。主持国家自然科学基金青年基金、面上项目、国家重点研发计划子课题、广东省自然科学基金项目多项。在SCI收录国际期刊发表论文100余篇，授权发明专利5项，入选全球前2%顶尖科学家。
1. 广州大学 环境科学与工程学院
2. 青海民族大学 化学化工学院
1. 国家自然科学基金资助项目（22376043）
2. 广州市市校（院）企联合资助项目（SL2022A03J00850）
3. 青海省“昆仑英才高端创新创业”人才计划（2022）
发展核电是实现国家“双碳”目标、推动产业结构转型升级的重要途径。核能资源开采、利用和后处理产生核废物，其半衰期长，对环境造成潜在危害，因此构建多重屏障以安全有效地处置核废物是避免环境风险的重要措施。固化预处理是核废物处置的首要屏障。人造矿石固化核废物因具有耐辐照、高稳定性、低增容比的特点，被认为是构建核废物固化首要屏障的理想方法。综合论述了人造矿石固化核废物的研究进展，系统阐述了人造矿石固化放射性核素的方法和矿石类型，并结合人造矿石形成的结构和理化特征，阐明人造矿石固化放射性核素的机制，提出了适合不同放射性核素固化的人造矿石类型和方法。同时，分析了固化放射性核素辐照对人造矿石晶相结构特征和稳定性的影响，为人造矿石固化放射性核素的策略提供了重要的科学支撑，为实际应用奠定了重要的理论基础。
党的二十大报告提出，积极稳妥推进“碳达峰、碳中和”，推动经济结构转型升级、形成绿色低碳产业竞争优势，是实现高质量发展的内在要求。核能作为一种绿色、清洁、经济、高效的新型能源，不仅产生巨大经济利益，还是助力实现“双碳”战略目标的有效途径，核电迎来前所未有的发展机遇。核能采冶和核电站反应堆运行会产生大量的放射性废物，对环境存在巨大隐患。放射性核废物放射性比活度高、半衰期长、毒性大，环境危害持续时间长，因此急需对放射性废物进行安全有效处理与处置，最大限度地与生物圈隔离，规避环境风险。目前，放射性核废物与生物圈隔离采用构建多重屏障的方式，其中惰性基材对放射性废物固化是构建第一重屏障的有效措施，常用工艺有水泥固化、玻璃固化、陶瓷固化、玻璃陶瓷固化等，主要过程为惰性基材对核废物的包埋及放射性核废物参与固化反应形成稳定矿石固化体。早在1935年，美国学者HATCH等在开采的铀矿中发现含有大量放射性元素的矿石，经过地球长期演变和自然选择依然十分稳定。受此启发，HATCH首次提出核废料矿物岩石固化方法，将核废物转化为人造矿石回归自然，又称人造矿石固化。VANCE博士提出人造矿石的方法固化锕系元素。澳大利亚地质学家RINGWOOD等提出钛酸盐人造岩石固化核废物。人造矿石固化核废物具有耐辐照、高稳定性、低增容比的特点，被认为是固化处理放射性核废物的理想途径，受到全球学者的广泛关注。这种方法主要依据矿物学上“类质同象”和“矿物取代”的原理，通过放射性核素与矿石前驱物反应，形成多晶相陶瓷。![]()
图1 铝硅酸盐聚合物结构示意图
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图2 磷酸盐铀酰热液成矿固化铀酰形成铀云母晶相稳定固化过程图王越, 陈迪云, 孔令军. 人造矿石固化核废物进展与展望[J/OL]. 能源环境保护: 1-11[2024-07-05]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240620.WANG Yue, CHEN Diyun, KONG Lingjun. Progress and prospect of nuclear waste solidification by synroc[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-11[2024-07-05]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240620.
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编辑｜邵方嫄
审核｜金丽丽
