萨凡纳河核电站核废料处理中的化学工程应用选例

《Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering》：Selected Chemical Engineering Applications in Nuclear-Waste Processing at the Savannah River Site

核废料处理技术综述：分析萨凡纳河设施（1996-至今）在SWPF（盐废处理厂）和DWPF（国防废物处理厂）的化学分离、氧化还原控制、抗泡剂优化及汞分离挑战，探讨溶剂萃取（如NGS）、离子交换（TCCR）、酸添加（glycolic acid替代formic acid）等技术改进，并与汉福德设施对比，强调多相反应、热力学及动力学在大型核废料处理中的关键作用。

　　在核能发展过程中，核废料的处理始终是科学家和工程师面临的一项重要挑战。美国萨凡纳河（Savannah River Site, SRS）自1996年起便开始处理和固化核废料，至今已有超过25年的运营历史。这一长期的实践不仅积累了丰富的工程经验，也推动了相关领域的科学研究进展。随着科学对化学原理理解的深入以及工程固化技术的改进，对核废料处理系统的现状进行回顾显得尤为重要。这项回顾不仅适用于SRS，还可能对其他正在处理核废料的地点产生影响。例如，汉福德（Hanford）核废料处理设施也正在推进其废物清理工作，这使得SRS的经验和技术成果具有更大的参考价值。

核废料的处理涉及一系列复杂的化学过程，这些过程对人类和生态环境的安全至关重要。在SRS，处理的核废料总量达到了1.36亿升，其中含有208百万居里（MCi）的放射性物质。这些废料不仅包括高放射性的元素，如钚（Pu）和镎（Np），还包含大量的有毒、易反应和挥发性的汞（Hg）。处理这些废料需要精确控制化学反应条件，以确保废物能够被安全地转化为适合长期储存的形式。例如，通过玻璃固化（vitrification）或水泥固化（cementitious matrix）等方式，将废物稳定化，以降低其对环境和人体健康的潜在危害。

在SRS，核废料的处理主要依赖于两个关键设施：国防废物处理设施（Defense Waste Processing Facility, DWPF）和盐废物处理设施（Salt Waste Processing Facility, SWPF）。DWPF负责将污泥废料转化为玻璃形式，而SWPF则专注于从液相废料中分离出放射性元素，如铯（Cs）和钚（Pu）。这两个设施的工作流程涉及多个单元操作，包括酸添加、化学反应、热处理和流体输送等，这些操作需要精细的控制以确保安全和效率。例如，在DWPF中，酸的添加不仅有助于控制废料的化学环境，还能通过促进汞的挥发来减少其对后续处理步骤的影响。此外，为了防止废料在处理过程中产生泡沫，还会添加抗泡剂（antifoam），以确保系统运行的稳定性。

SWPF在处理废料时采用了多种化学分离技术，包括吸附和溶剂萃取。其中，吸附主要用于去除放射性元素，如锶（Sr）和钚（Pu），而溶剂萃取则被用来高效地分离铯（Cs）。吸附过程通常使用单钠钛酸盐（monosodium titanate, MST）材料，这种材料能够有效捕获大量放射性元素。然而，MST的使用仍存在一些挑战，如吸附效率、材料的再生能力以及对其他杂质的干扰。因此，研究者不断探索新的吸附材料和优化现有工艺，以提高分离效率并减少对环境的影响。

在溶剂萃取方面，SRS采用了“碱性侧溶剂萃取”（caustic-side solvent extraction, CSSX）技术，这是一种高度选择性的方法，能够在复杂的废料体系中高效地去除铯。CSSX过程包括四个主要步骤：萃取、洗涤、洗涤和剥离。这些步骤需要在离心接触器中进行，通过高剪切力形成乳状液，并利用不同密度的液体进行分离。研究者还开发了新一代溶剂（Next Generation Solvent, NGS），这种溶剂在某些方面优于传统溶剂，例如其更高的溶解性和更长的使用寿命。NGS的引入提高了铯的提取效率，并减少了对后续处理步骤的干扰，从而改善了整体的处理流程。

除了化学分离，核废料处理还涉及热力学、动力学和传质等物理化学过程的深入研究。例如，在DWPF中，为了确保玻璃熔化的稳定性，需要精确控制废料的pH值和REDOX状态。REDOX状态的调控对于防止金属沉积和泡沫生成至关重要，因为某些金属元素在特定的REDOX条件下会沉积在熔炉中，从而影响玻璃的形成和设备的安全。此外，处理过程中产生的泡沫不仅会干扰操作，还可能导致放射性物质的泄漏，因此需要采取有效的抗泡措施。目前，SRS采用的抗泡剂在广泛pH范围内表现出良好的稳定性，并且不会产生易燃的副产物。

在核废料处理过程中，汞的去除是一个长期存在的难题。由于汞具有较高的挥发性和毒性，处理过程需要在高温条件下将其转化为元素形式，并通过蒸馏和冷凝的方式回收。然而，实际操作中，汞的分离效率较低，这可能与汞在废料中的溶解性、颗粒大小以及与其他物质的相互作用有关。因此，研究者正在探索更高效的汞分离技术，包括优化反应条件、改进溶剂配方以及采用新的处理流程。

核废料处理不仅是一项技术挑战，也是一项复杂的系统工程。它涉及多个环节的协调与优化，从废料的运输、储存到处理、固化和最终处置。随着技术的进步，新的处理方法和材料不断被开发和应用，以提高处理效率、降低环境风险并确保操作安全。例如，SRS的处理流程已经实现了显著的改进，包括更高效的铯分离技术、更安全的酸添加方案以及更稳定的抗泡剂。这些进展不仅提升了SRS的处理能力，也为其他类似设施提供了重要的参考。

未来，核废料处理仍面临诸多挑战，包括如何进一步提高处理效率、减少对环境的影响以及确保长期的安全性。此外，随着更多核废料的处理需求，如何实现更大规模的处理能力也是需要关注的问题。同时，核废料处理技术的发展也需要考虑经济性、可持续性和全球范围内的应用。例如，SRS和汉福德的处理经验可以为其他国家的核废料处理提供借鉴，特别是在如何应对高放射性废料和有毒物质的处理方面。

总之，核废料处理是一个多学科交叉的复杂工程，涉及化学、物理、材料科学和环境工程等多个领域。通过不断的研究和实践，科学家和工程师正在努力解决处理过程中的各种挑战，以确保核废料能够被安全、高效地处理和固化。这一过程不仅对当前的核能行业具有重要意义，也为未来的核废料管理提供了重要的科学基础和技术支持。