CN116959767A - 基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于铁磷酸盐玻璃包容放射性废液中危害元素的全激光加热固化方法。该方法既可以处理回转煅烧、微波蒸发等方式从放射性废液所获得的固态残留物，也可以直接处理具有各种源项的高、中、低放射性废液。相对于硼硅酸盐玻璃，铁磷酸盐玻璃具有对放射性元素更高的包容率，同时还具有超强的激光吸收效率。因此，基于铁磷玻璃的激光固化，无需超高功率激光，也无需限定连续激光模式。更重要的是，由于激光功率或激光能量可以被设置在合理范围，本方法既可以采用激光波长不透明的坩埚，也可以采用激光波长透明的坩埚，包括采用一次性使用的无出料口坩埚和重复使用的有出料口坩埚。上述特征，拓展了放射性废液玻璃固化中铁磷酸盐玻璃应用和激光应用的范围，特别是提高了激光固化工程长期工作的稳定性和可靠性。

Description

基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法

技术领域

本发明涉及放射性废液处理领域，尤其是放射性废液玻璃固化中的激光应用，主要涉及具有一定铁含量和针对不同源项所选定基质组成的铁磷酸盐玻璃、中低功率连续激光器或低频大能量脉冲激光器、激光波长透明或不透明的激光固化用坩埚，特别是这三者之间的匹配关系和组合方式。

背景技术

随着作为清洁高效能源之一的核能的开发和利用，随之产生的放射性废物也越来越多。放射性废液是放射性废物中体量最大且最为复杂的放射性产物。为了将这些放射性废液与生态圈安全隔离，需要通过固化处理的方式将这些不稳定的放射性废液形成稳定固化体后进入地下进行永久性处置。由于玻璃固化技术形成的玻璃固化体具有长期稳定性好、包容性高的特点，更便于高放废物的管理与存贮，是目前世界上唯一工程化应用的固化方式。

铁磷酸盐玻璃固化基材，具有熔制温度低、粘度小的特点，熔制过程中可以降低能量损耗。另外，制备出的铁磷酸盐玻璃具有抗辐射稳定性好、对核废料所含的重金属氧化物具有较高的包容量而受到广泛关注。

目前，放射性废液玻璃玻璃固化方法为第一代感应加热金属熔炉，即一步法罐式工艺；第二代感应加热金属熔炉两步法工艺；第三代焦耳加热陶瓷炉玻璃固化技术；第四代冷坩埚玻璃固化技术。

一步法罐式工艺是通过中频感应加热的形式在金属罐中完成高放废液和玻璃基材的熔制，经退火后形成核废料玻璃固化体。罐式法工艺产量低、熔炉寿命短等问题。两步法是蒸发加感应金属熔炉法，高放废液经历高温蒸发后转化为氧化物形式的残留物再与玻璃基材在金属熔炉中混合熔融退火形成玻璃固化体。两步法工艺是将放射性废物预处理，降低了金属熔炉的腐蚀，提高了熔炉处理能力，但工艺复杂热量损失严重。焦耳加热炉陶瓷熔炉法是熔炉内部为特制耐火陶瓷材料，下方设有出料阀，可以实现高放废液连续加料。放射性废液和玻璃基材可以同时加入熔炉完成放射废液分解和玻璃熔融，具有工艺简单、处理能力大和延长熔炉寿命的优点。冷坩埚法所用坩埚壁是利用高频电流产生交变磁场直接加热金属管制成，熔体搅动时的涡流保证了熔体的均匀性。坩埚壁内部装有水冷循环套管使靠近水冷管的玻璃固态层可以作为物料熔制的冷坩埚，提高炉体的抗腐蚀性。

中国专利CN 114724738 A公开了一种基于高功率激光的高放废液玻璃固化方法。该发明采用两步法的第一步是传统的微波加热干燥、蒸发高放废液，未使用激光加热。接着，玻璃固化第二步采用超高功率激光加热玻璃熔融炉。该发明激光加热限定了激光器为连续激光模式，且仅适用于高放废液，忽略了中低放废液，激光器选择的灵活性较低。该发明应用高放废液固化玻璃采用硼硅酸盐玻璃固化，且固化用熔融炉为不透明材料。硼硅酸盐玻璃对激光的吸收效率极低，不得不限定使用超高功率连续激光器，进而不得不限定使用不透明坩埚，最终限定激光入射方向只能自上而下。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，通过铁磷酸盐玻璃、激光器、坩埚三者之间的匹配和组合，直接处理具有各种源项的高、中、低放射性废液。该发明采用铁磷酸盐玻璃，相较于硼硅酸盐玻璃具有对放射性元素更高的包容率和更强的激光吸收效率。无需高功率激光，也无需限定连续激光模式。更重要的是，由于激光功率或激光能量可以被设置在合理范围，本方法既可以采用激光波长不透明的坩埚，也可以采用激光波长透明的坩埚。本发明拓展了核废料固化中铁磷酸盐玻璃的应用和激光应用的范围，提高了激光固化工程长期工作的稳定性和可靠性。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特点在于，包括：

步骤1：预处理核废液获取固态残留物；

步骤2：根据放射性废液源项，采用一定比例的铁磷酸盐玻璃，玻璃是由含有一定铁含量且针对源项设计的特定基质组分所制备的；

步骤3：将步骤1得到的固态残留物与步骤2得到铁磷酸盐玻璃分别或混合投入激光固化用坩埚，利用激光辐照加热，使得两者共同升温并熔化，完成高温玻璃熔体的反应、排气、澄清和精炼。

进一步，还包括：

步骤4：重复步骤1-3或重复步骤2-3，再次进行放射性残留物和铁磷酸盐玻璃的投料，直到玻璃体基本充满坩埚；

步骤5：降低激光输出并最终关闭激光器，完成放射性残留物的铁磷酸盐玻璃激光固化；

步骤6：再次进行铁磷酸盐玻璃的投料，然后启动激光器，对坩埚口进行封口处理，然后降温。

步骤7：再次启动激光使冷却后的铁磷酸盐玻璃固化体升温并在特定温度下进行一定时间的高温精密退火；然后逐步降低激光输出，控制铁磷酸盐玻璃固化体冷却至室温；

步骤8：对坩埚表面进行激光清洗和冲击强化，然后移出坩埚，准备将此坩埚整体保存并地质掩埋；

步骤9：移入新的坩埚，重复以上步骤。

优选的，所述步骤1中预处理放射性废液的方法，除回转煅烧法、微波加热法等以外，还包括激光加热法。后者的处理方法是，将放射性废液置入坩埚，再投入一定比例的铁磷酸盐玻璃粉体，在坩埚静止或旋转的状态下进行激光加热并蒸发。当坩埚内无液体时，重复以上步骤若干次，得到放射性废液的固态残留物。再将盛有固态残留物的坩埚移位到激光固化系统，在坩埚内投入铁磷酸盐玻璃，直到玻璃体基本充满坩埚。再进行步骤5-9。

另一方面，本发明还提供一种基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特点在于，包括：

步骤1：根据放射性废液源项，采用一定比例的铁磷酸盐玻璃，玻璃是由含有一定铁含量且针对源项设计的特定基质组分所制备的；

步骤2：将需要固化的放射性废液置入坩埚，再投入一定比例的由步骤1得到的铁磷酸盐玻璃粉体，在坩埚静止或旋转的状态下进行激光加热并蒸发。当坩埚内无液体时，重复以上步骤若干次，得到放射性废液的固态残留物。

进一步，还包括：

步骤3：再次进行铁磷酸盐玻璃的投料，直到玻璃体基本充满坩埚；利用激光辐照加热，使得坩埚内放射性废物核玻璃升温并熔化，完成高温玻璃熔体的反应、排气、澄清和精炼；

步骤4：降低激光输出并最终关闭激光器，完成放射性残留物的铁磷酸盐玻璃激光固化；

步骤5：再次进行铁磷酸盐玻璃的投料，然后启动激光器，对坩埚口进行封口处理，然后降温。

步骤6：再次启动激光使冷却后的铁磷酸盐玻璃固化体升温并在特定温度下进行一定时间的高温精密退火；然后逐步降低激光输出，控制铁磷酸盐玻璃固化体冷却至室温；

步骤7：对坩埚表面进行激光清洗和冲击强化，然后移出坩埚，准备将此坩埚整体保存并地质掩埋；

步骤8：移入新的坩埚，重复以上步骤。

优选的，所述激光固化用坩埚下方有出口，放射性固态残留物与铁磷酸盐玻璃完成升温、熔化、反应、排气、澄清后，打开出料口阀门，将玻璃液漏出到准备掩埋的存储桶中固化。

针对上述两类方案：

所述一定比例为放射性废液与使用玻璃比例范围约在100：0.01到100：10000。所述铁磷酸盐玻璃组成，根据固化用激光器功率或能量，铁含量调节范围是0.25％-75％。

所述坩埚可以采用透明如石英玻璃、硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃等，也可以采用不透明如不锈钢、氧化铝、石墨等材料制作的陶瓷坩埚或复合坩埚。所述坩埚尺寸和形状必须与所采用激光器的输出相匹配。所述坩埚安装在可旋转和上下位移的装置上，所述坩埚底部可以采用半球形设计也可以采用平底设计。所述坩埚可以采用无出料口的设计，也可以采用出料口设计。出料口阀门可以采用冻融阀，可以采用激光加热的方式打开冻融阀。所述坩埚周围采用保护性气氛。

所述的激光器可以是连续激光输出，也可以是脉冲激光输出。激光器本身或其输出端具有功率或能量调节装置，激光器最高输出能力可以在100-10000W区间选定，具有1～100％的功率或能量可调范围，能够根据放射性废液玻璃固化的升温熔化、玻璃熔炼、降温固化，以及退火的升温、恒温、降温等各阶段的要求进行实时调节。所述激光器的激光光束需配有前后左右上下位移和扫描坩埚周围的功能装置。

采用激光光束单光束激光加热坩埚。单光束激光加热坩埚方向可以为正上方、正下方、侧上方、侧下方、侧面正入射、侧面斜入射等方向，所述坩埚配有移动装置，可以使坩埚持续旋转和上下平移，确保坩埚激光扫描的均匀性。

采用激光加热的方式，采用双光束加热坩埚。双光束激光加热坩埚方向可以为正上方同向平行、正下方同向平行、斜上方交叉、斜下方交叉、正上方正下方平行、斜上方斜下方平行、斜上方斜下方交叉、左右正侧方平行或交叉、左右斜侧方平行或交叉等方向。

采用激光加热的方式，采用三光束及以上加热坩埚。三光束激光加热坩埚的方向采用正上方正下方侧面正入射各一个、侧面正入射三个、正上方正下方侧面斜入射各一个、斜上方斜下方侧面斜入射各一个等方向。

所述的坩埚周围及物料上方和激光光束空间采用保护性气氛进行保护，坩埚周围的气氛可以是空气、氧气、氮气、氩气或以上几种混合气体。

本发明的技术效果在于：

1)应用激光器加热方法既可以处理由回转煅烧、微波蒸发等方式从放射性废液所获得的固态残留物，也可以直接处理具有各种源项的高、中、低放射性废液。

2)相对于硼硅酸盐玻璃，铁磷酸盐玻璃具有对放射性元素更高的包容率，同时还具有超强的激光吸收效率。基于铁磷玻璃的激光固化，无需高功率激光，也无需限定连续激光模式。

3)由于激光功率或激光能量可以被设置在合理范围，本方法即可以采用激光波长不透明的坩埚，也可以采用激光波长透明的坩埚，包括采用一次性使用的无出料口坩埚和重复使用的有出料口坩埚。

附图说明

图1为本发明采用两步法技术，承接第一步由回转煅烧或微波加热等方法得到固态残留物后再以铁磷酸盐玻璃进行第二步激光固化实施案例的主要流程图。

图2为本发明采用两步法技术，第一步由激光加热放射性废液得到固态残留物后再以铁磷酸盐玻璃进行第二步激光固化实施案例的主要流程图。

图3为本发明采用一步法一次性坩埚技术，原位实施激光加热蒸发和激光加热固化方法中实施例的主要流程图。

图4为本发明采用一步法重复性坩埚漏料技术，持续进行激光加热蒸发和激光加热固化方法中实施例的主要流程图。

图5为本发明采用一步法使用一次性坩埚处理核废液铁磷酸盐玻璃固化方法中实施例的坩埚结构示意图。

图6为本发明采用两步法使用一次性坩埚处理核废液铁磷酸盐玻璃固化方法中实施例的坩埚结构示意图。

图7为本发明采用一步法持续漏料的方式处理核废液铁磷酸盐玻璃固化方法中实施例的结构示意图。

图8为本发明采用两步法持续漏料的方式处理核废液铁磷酸盐玻璃固化方法中实施例的结构示意图。

图9为单光束激光加热坩埚的结构示意图。

图10为双光束激光加热坩埚的结构示意图。

图11为三光束激光加热坩埚的结构示意图。

具体实施方式

为了使发明的目的、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。

实施例1基于铁磷酸盐玻璃对某种源项放射性废液实施激光固化，具体流程如下：

1)由放射性废液通过微波蒸发炉得到固态残留物。

2)与玻璃固化用铁含量约为25％的铁磷酸盐玻璃，按照放射性固态残留物与玻璃比例约1：3搅拌混合后投入激光固化用坩埚。坩埚周围采用保护性气氛。

3)高放尾气的处理

从残留炉中排出的放射性废气进行集中收集，首先经过一个水洗塔进行逆流洗涤。水洗塔排除的洗涤液重新返回到残留炉之中。经过水洗之后的废气进行再次的冷凝、吸收等净化工序处理，最后排出到大气之中。冷凝、吸收等净化工序处理中产生的剩余低放废液全部返回到后处理厂中。

4)放射性废液的排气、精炼、固化和坩埚封口后准备地下存储

采用功率可调的单光束激光器作为坩埚热源，激光最大输出功率为100W，直接对坩埚内物体进行加热。引入激光光束至坩埚内铁磷酸盐玻璃，采用单光束坩埚壁侧面正入射。铁磷酸盐玻璃吸收激光光束能量，并将部分能量传导给放射性残留物，使得两者共同升温并熔化。增加激光输出，直到坩埚内混合物完全熔化后保持激光输出，完成高温玻璃熔体的反应、排气和精炼。再次进行铁磷酸盐玻璃的投料直到玻璃体基本充满坩埚。降低激光输出并最终关闭激光器，完成放射性残留物的铁磷酸盐玻璃激光固化。再次进行铁磷酸盐玻璃投料，然后启动激光器，对坩埚口进行封口处理，然后降温。

5)放射性固化物退火和移走并准备掩埋存储

再次启动激光使冷却后的铁磷酸盐玻璃固化体升温并在特定温度下进行一定时间的高温精密退火。然后逐步降低激光输出，控制铁磷酸盐玻璃固化体冷却至室温。采用脉冲激光器对坩埚表面进行激光清洗和强化冲击，并移走坩埚，准备将此坩埚整体保存并地质掩埋。进行新坩埚的安装和新一轮的废液固化。

本工艺作为坩埚热源的激光器输出端具有功率或能量调节装置，最大输出功率为1000W，具有1～100％的功率或能量可调范围，能够根据放射性废液玻璃固化的升温熔化、玻璃熔炼、降温固化，以及退火的升温、恒温、降温等各阶段的要求进行实时调节。所述激光器的激光光束需配有前后左右上下位移和扫描坩埚周围的功能装置。

本工艺采用坩埚为透明的石英玻璃坩埚。坩埚周围使用氮气进行保护，以减少坩埚内壁与物料之间的化学反应。坩埚尺寸和形状必须与所采用激光器的输出相匹配。坩埚安装在可旋转和上下位移的装置上，坩埚底部采用采用平底设计。所述坩埚采用无出料口的设计。

实施例2基于铁磷酸盐玻璃对某种源项放射性废液实施全激光固化，具体流程如下：

1)将放射性废液与铁含量为5％的铁磷酸盐玻璃粉按比例约100：1分别投放激光蒸发用坩埚。在坩埚旋转的状态下激光加热坩埚蒸发得到放射性废液的固态残留物。当坩埚内无液体时，重复以上步骤若干次，得到放射性废液的固态残留物。

2)再将盛有固态残留物的坩埚移位到激光固化系统，在坩埚内投入铁磷酸盐玻璃，直到玻璃体基本充满坩埚。

3)高放尾气的处理

从残留炉中排出的放射性废气进行集中收集，首先经过一个水洗塔进行逆流洗涤。水洗塔排除的洗涤液重新返回到残留炉之中。经过水洗之后的废气进行再次的冷凝、吸收等净化工序处理，最后排出到大气之中。冷凝、吸收等净化工序处理中产生的剩余低放废液全部返回到后处理厂中。

4)放射性废液的排气、精炼、固化和坩埚封口后准备地下存储

采用功率可调的双光束激光器作为坩埚热源，直接对坩埚内物体进行加热。引入激光光束至坩埚内铁磷酸盐玻璃，采用双光束坩埚壁侧面斜入射。铁磷酸盐玻璃吸收激光光束能量，并将部分能量传导给放射性残留物，使得两者共同升温并熔化。增加激光输出，直到坩埚内混合物完全熔化后保持激光输出，完成高温玻璃熔体的反应、排气和精炼。再次进行铁磷酸盐玻璃的投料直到玻璃体基本充满坩埚。降低激光输出并最终关闭激光器，完成放射性残留物的铁磷酸盐玻璃激光固化。再次进行铁磷酸盐玻璃投料，然后启动激光器，对坩埚口进行封口处理，然后降温。

5)放射性固化物退火和移走并准备掩埋存储

再次启动激光使冷却后的铁磷酸盐玻璃固化体升温并在特定温度下进行一定时间的高温精密退火。然后逐步降低激光输出，控制铁磷酸盐玻璃固化体冷却至室温。采用脉冲激光器对坩埚表面进行激光清洗和冲击强化，并移走坩埚，准备将此坩埚整体掩埋存储。进行新坩埚的安装和新一轮的废液固化。

本工艺作为坩埚热源的激光器输出端具有功率或能量调节装置，最大输出功率为1000W，具有1～100％的功率或能量可调范围，能够根据放射性废液玻璃固化的升温熔化、玻璃熔炼、降温固化，以及退火的升温、恒温、降温等各阶段的要求进行实时调节。所述激光器的激光光束需配有前后左右上下位移和扫描坩埚周围的功能装置。

本工艺采用坩埚为透明的硅酸盐玻璃坩埚。坩埚周围使用氮气进行保护，以减少坩埚内壁与物料之间的化学反应。坩埚尺寸和形状必须与所采用激光器的输出相匹配。坩埚安装在可旋转和上下位移的装置上，坩埚底部采用平底设计。所述坩埚采用无出料口的设计。

实施例3基于铁磷酸盐玻璃对某种源项放射性废液实施全激光固化，具体流程如下：

1)将放射性废液及与铁含量约30％的铁磷酸盐玻璃粉，按放射性废液和玻璃粉的比例约为100：3分别投入激光固化用坩埚。

2)采用功率可调的双光束激光器作为坩埚热源，直接对坩埚内物体进行加热，坩埚处于旋转状态。铁磷酸盐玻璃吸收激光光束能量，并将部分能量传导给放射性残留物，使得两者共同升温蒸发。

坩埚采用石英坩埚，周围充满氮气作为保护性气体。引入激光光束至坩埚内铁磷酸盐玻璃，采用双光束坩埚壁侧面正入射。

3)保持激光加热，当坩埚内无液体时，重复进行放射性废液和少量铁磷酸盐玻璃的投入和蒸发，直到该坩埚内的放射性固态残留物固体达到一次性坩埚的体积的1/3。再次进行铁磷酸盐玻璃的投料，直到玻璃基本充满坩埚。增加激光输出功率，直到坩埚内混合物完全熔化后保持激光输出，完成高温玻璃熔体的反应、排气和精炼。降低激光输出并最终关闭激光器，完成放射性残留物的铁磷酸盐玻璃激光固化。再次进行铁磷酸盐玻璃投料，然后启动激光器，对坩埚口进行封口处理，然后降温。

4)高放尾气的处理

从残留炉中排出的放射性废气进行集中收集，首先经过一个水洗塔进行逆流洗涤。水洗塔排除的洗涤液重新返回到残留炉之中。经过水洗之后的废气进行再次的冷凝、吸收等净化工序处理，最后排出到大气之中。冷凝、吸收等净化工序处理中产生的剩余低放废液全部返回到后处理厂中。

5)放射性固化物退火和移走并准备掩埋存储

再次启动激光使冷却后的铁磷酸盐玻璃固化体升温并在特定温度下进行一定时间的高温精密退火。然后逐步降低激光输出，控制铁磷酸盐玻璃固化体冷却至室温。采用脉冲激光器对坩埚表面进行激光清洗和冲击强化，并移走坩埚，准备将此坩埚整体掩埋存储。进行新坩埚的安装和新一轮的废液固化。

本工艺作为坩埚热源的激光器输出端具有功率或能量调节装置，最大输出功率为1000W，具有1～100％的功率或能量可调范围，能够根据放射性废液蒸发，放射性废液玻璃固化的升温熔化、玻璃熔炼、降温固化，以及退火的升温、恒温、降温等各阶段的要求进行实时调节。所述激光器的激光光束需配有前后左右上下位移和扫描坩埚周围的功能装置。

本工艺采用坩埚为透明的石英玻璃坩埚。坩埚周围使用氮气进行保护，以减少坩埚内壁与物料之间的化学反应。坩埚尺寸和形状必须与所采用激光器的输出相匹配。坩埚安装在可旋转和上下位移的装置上，坩埚底部采用采用平底设计。所述坩埚采用无出料口的设计。

实施例4基于铁磷酸盐玻璃对某种源项放射性废液实施全激光固化，具体流程如下：

1)将放射性废液及与铁含量约30％的铁磷酸盐玻璃，按放射性废液和玻璃的比例约为100：3分别投入激光固化用坩埚。

2)采用最大功率约1000W的可调三光束激光器作为坩埚热源，光束方向分别是坩埚壁侧面左右对称正入射和上面正入射。铁磷酸盐玻璃吸收激光光束能量，并将部分能量传导给放射性残留物，使得两者共同升温蒸发。坩埚周围采用保护性气氛。坩埚底具有出口。

坩埚采用石英坩埚，周围充满氮气作为保护性气体。引入激光光束至坩埚内铁磷酸盐玻璃，采用双光束坩埚壁侧面正入射。

3)保持激光加热，重复进行放射性废液和少量铁磷酸盐玻璃的投入和蒸发，直到该坩埚内的固体达到一次性坩埚的体积的1/3。再次进行铁磷酸盐玻璃的投料，直到玻璃基本充满坩埚。增加激光输出功率，直到坩埚内混合物完全熔化。

4)高放尾气的处理

从残留炉中排出的放射性废气进行集中收集，首先经过一个水洗塔进行逆流洗涤。水洗塔排除的洗涤液重新返回到残留炉之中。经过水洗之后的废气进行再次的冷凝、吸收等净化工序处理，最后排出到大气之中。冷凝、吸收等净化工序处理中产生的剩余低放废液全部返回到后处理厂中。

5)熔融玻璃固化物漏料、料桶中放射性固化物退火、封口后准备地下存储

熔融玻璃固化物完成升温、熔化、反应、排气、澄清后，打开出料口阀门，将玻璃液漏出到准备掩埋的存储桶中固化。出料口阀门采用冻融阀，采用激光加热的方式打开冻融阀。坩埚内玻璃液漏出后，重复投料到坩埚中并重复升温熔融出料，直到存储桶装满封口。再次启动激光使冷却后的铁磷酸盐玻璃固化体升温并在特定温度下进行一定时间的高温精密退火。然后逐步降低激光输出，控制铁磷酸盐玻璃固化体冷却至室温。移走存储桶，准备将此桶整体掩埋存储。换空桶启动新一轮的核废液固化。

本工艺采用激光器输出端具有功率或能量调节装置，最大输出功率为1000W，具有1～100％的功率或能量可调范围，能够根据放射性废液玻璃固化的升温熔化、玻璃熔炼、降温固化，以及退火的升温、恒温、降温等各阶段的要求进行实时调节。所述激光器的激光光束需配有前后左右上下位移和扫描坩埚周围的功能装置。

本工艺采用刚玉坩埚。坩埚周围使用氮气进行保护，以减少坩埚内壁与物料之间的化学反应。坩埚尺寸和形状必须与所采用激光器的输出相匹配。坩埚安装在可旋转和上下位移的装置上，坩埚底部采用半球形设计。所述坩埚采用下方有出料口的设计。

上述基于铁磷酸盐玻璃对高中低放射性废液实施全激光固化的方法的四个案列分别针对一步法两步法，不同基质和铁含量的铁磷酸盐玻、激光器光束数量和光束方向、坩埚采用一次性坩埚和坩埚下方有出料口三者之间的匹配关系和组合方式。

最后应当说明的是，上述实施例仅为本发明的优选的四种实施方式，不应当用于限制本发明的保护范围。虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (12)

1.基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特征在于，包括：

步骤1：预处理放射性废液获取固态残留物；

步骤2：根据放射性废液源项，采用一定比例的铁磷酸盐玻璃，玻璃是由含有一定铁含量且针对源项设计的特定基质组分所制备的；

步骤3：将步骤1得到的固态残留物与步骤2得到铁磷酸盐玻璃分别或混合投入激光固化用坩埚，利用激光辐照加热，使得两者共同升温并熔化，完成高温玻璃熔体的反应、排气、澄清和精炼。

2.根据权利要求1所述的基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特征在于，还包括：

步骤4：重复步骤1-3或重复步骤2-3，再次进行放射性残留物和铁磷酸盐玻璃的投料，重复若干次后直到玻璃体基本充满坩埚；

步骤5：降低激光输出并最终关闭激光器，完成放射性残留物的铁磷酸盐玻璃激光固化；

步骤6：再次进行铁磷酸盐玻璃的投料，然后启动激光器，对坩埚口进行封口处理，然后降温。

步骤7：再次启动激光使冷却后的铁磷酸盐玻璃固化体升温并在特定温度下进行一定时间的高温精密退火；然后逐步降低激光输出，控制铁磷酸盐玻璃固化体冷却至室温；

步骤8：对坩埚表面进行激光清洗和冲击强化，然后移出坩埚，准备将此坩埚整体保存并地质掩埋；

步骤9：移入新的坩埚，重复以上步骤。

3.根据权利要求1或2所述的基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特征在于，所述步骤1预处理废液的方法，除回转煅烧法、微波加热法等以外，还包括激光加热法。后者的处理方法是，将放射性废液置入坩埚，再投入一定比例的铁磷酸盐玻璃粉体，在坩埚静止或旋转的状态下进行激光加热并蒸发。当坩埚内无液体时，重复以上步骤若干次，得到放射性废液的固态残留物。再将盛有固态残留物的坩埚移位到激光固化系统，在坩埚内投入铁磷酸盐玻璃，直到玻璃体基本充满坩埚。再进行权利2所述步骤5-9。

4.基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据放射性废液源项，采用一定比例的铁磷酸盐玻璃，玻璃是由含有一定铁含量且针对源项设计的特定基质组分所制备的；

步骤2：将需要固化的放射性废液置入坩埚，再投入一定比例的由步骤1得到的铁磷酸盐玻璃粉体，在坩埚静止或旋转的状态下进行激光加热并蒸发。当坩埚内无液体时，重复以上步骤若干次，得到放射性废液的固态残留物。

5.根据权利要求4所述的基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特征在于，还包括：

步骤3：再次进行铁磷酸盐玻璃的投料，直到玻璃体基本充满步骤2所述的坩埚；利用激光辐照加热，使得坩埚内放射性废物和玻璃共同升温并熔化，完成高温玻璃熔体的反应、排气、澄清和精炼。

步骤4：降低激光输出并最终关闭激光器，完成放射性残留物的铁磷酸盐玻璃激光固化；

步骤5：再次进行铁磷酸盐玻璃的投料，然后启动激光器，对坩埚口进行封口处理，然后降温。

步骤6：再次启动激光使冷却后的铁磷酸盐玻璃固化体升温并在特定温度下进行一定时间的高温精密退火；然后逐步降低激光输出，控制铁磷酸盐玻璃固化体冷却至室温；

步骤7：对坩埚表面进行激光清洗和冲击强化，然后移出坩埚，准备将此坩埚整体保存并地质掩埋；

步骤8：移入新的坩埚，重复以上步骤。

6.根据权利要求1-5任一所述的基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特征在于，所述激光固化用坩埚下方有出口，放射性固态残留物与铁磷酸盐玻璃完成升温、熔化、反应、排气、澄清后，打开出料口阀门，将玻璃液漏出到准备掩埋的存储桶中固化。

7.根据权利要求1-6任一所述的采用一定比例的由特定基质组成和不同铁含量制备的铁磷酸盐玻璃，其特征在于，所述一定比例为放射性废液与使用玻璃比例范围在约100：0.01到100：10000。所述铁磷酸盐玻璃组成，根据固化用激光器功率或能量，铁含量调节范围是0.25％-75％。

8.根据权利要求1-6任一所述的基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特征在于，所述坩埚可以采用透明如石英玻璃、硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃等，也可以采用不透明如不锈钢、氧化铝、石墨等材料制作的陶瓷坩埚或复合坩埚。所述坩埚尺寸和形状必须与所采用激光器的输出相匹配。所述坩埚安装在可旋转和上下位移的装置上，所述坩埚底部可以采用半球形设计也可以采用平底设计。所述坩埚可以采用无出料口的设计，也可以采用出料口设计。出料口阀门可以采用冻融阀，可以采用激光加热的方式打开冻融阀。所述坩埚周围采用保护性气氛。

9.根据权利要求1-6任一所述的基于铁磷酸盐玻璃对放射性废液的全激光固化方法，其特征在于，所述的激光器可以是连续激光输出，也可以是脉冲激光输出。激光器最高输出能力可以在100-10000W区间选定，激光器本身或其输出端具有功率或能量调节装置，具有1～100％的功率或能量可调范围，能够根据放射性废液玻璃固化的升温熔化、玻璃熔炼、降温固化，以及退火的升温、恒温、降温等各阶段的要求进行实时调节。所述激光器的激光光束需配有前后左右上下位移和扫描坩埚周围的功能装置。

10.根据权利要求1-6任一所述的所述激光光束，直接投射或通过坩埚壁进入坩埚内，其特征在于，采用激光光束单光束激光加热坩埚。单光束激光加热坩埚方向可以为正上方、正下方、侧上方、侧下方、侧面正入射、侧面斜入射等方向，所述坩埚配有移动装置，可以使坩埚持续旋转和上下平移，确保坩埚激光扫描的均匀性。

11.根据权利要求1-6任一所述的所述激光光束，直接投射或通过坩埚壁进入坩埚内，其特征在于，采用激光加热的方式，采用双光束加热坩埚。双光束激光加热坩埚方向可以为正上方同向平行、正下方同向平行、斜上方交叉、斜下方交叉、正上方正下方平行、斜上方斜下方平行、斜上方斜下方交叉、左右正侧方平行或交叉、左右斜侧方平行或交叉等方向。

12.根据权利要求1-6任一所述的所述激光光束，直接投射或通过坩埚壁进入坩埚内，其特征在于，采用激光加热的方式，采用三光束及以上加热坩埚。三光束激光加热坩埚的方向采用正上方正下方侧面正入射各一个、侧面正入射三个、正上方正下方侧面斜入射各一个、斜上方斜下方侧面斜入射各一个等方向。