核能行业如何利用创新封装技术应对废物挑战

核能行业必须继续展示如何应对遗留核废料问题。(图片来源：Dirk Rabe，来自 Pixabay)

为了确保其作为未来能源结构一部分的地位，核能行业必须继续展示如何应对遗留废物带来的挑战，同时开发安全、创新的技术，以降低废物处理和储存的成本。所有这些都必须在环境可持续性和财务可行性的范围内实现。

当人们想到创新技术时，我们的脑海中常常浮现出机器人和人工智能等尖端技术，或 iPhone 或协和式飞机等突破性产品。然而，创新组合的一个重要部分是逐步改进工艺和材料，而不是制造一个小玩意或小发明。然而，这些不那么显眼的变化对于实现必要的改进至关重要，以进一步实现我们对核工业更安全、更可靠和可持续未来的共同愿景。

核工业的显著优势之一在于其在发明和创新方面的协作方式。纵观核工业的发展历程，它始终展现出将工业、学术和政府利益相关者聚集在一起以应对世界上最复杂挑战的非凡能力。这些创新者发现关键挑战，并着手开发和优化解决方案，即使面临巨大风险和资金有限。总部位于英国斯塔福德郡的国际材料技术公司 Lucideon 与全球核工程解决方案提供商 NUVIA 之间的合作就是一个例子。

两家企业已建立合作伙伴关系，迅速证明了 Lucideon 的 MIDAR 增强低成本低碳封装技术 (MALLET) 作为封装各种核废料形式的长期解决方案的潜力。

MIDAR 是一种地质聚合物技术，利用低温化学反应将铝硅酸盐固化，形成具有高强度和化学稳定性的坚固体。通过将固体或液体废物流掺入反应过程中形成的无机固体基质中，所得材料适合用作封装和固定剂。MIDAR 材料被归类为碱活化水泥/地质聚合物，它依靠经过最低限度加工的天然材料或工业副产品来实现比波特兰水泥 (PC) 低得多的碳足迹。

该技术将材料科学、配方技术和人员专业知识独特地融合在一起，为各种应用提供性能最佳的地质聚合物解决方案。该技术是为了应对核工业废物处理的多项挑战而开发的，其中最显著的是废物负荷率低，或者在某些情况下，在目前没有可行的处置途径的情况下提供解决方案。Lucideon/NUVIA 合作提供了证据，证明 MALLET 是一种管理中低级废物流(包括油、石墨、沸石、污泥和灰烬)的卓越方法。

所使用的原材料不依赖于稀缺源材料，例如磨细高炉矿渣 (GGBS) 或粉煤灰 (PFA)，这些材料在生产传统核废料胶结产品时正变得越来越难以获取。

MALLET 通过地质聚合物配方来提高装载率，将废物均匀地完全封装在整个基质中，如下图所示：

考虑到现有废物处理路线的废物验收标准，对最终产品进行了监测和表征，以提供性能的定性证据。结果表明最终产品具有以下特点：

完全凝固，无裂纹。铸造和固化过程均在室温(RT)下进行。

在各种溶液(包括去离子水、高 pH 值的缓冲溶液和有机溶剂)中浸出之前和之后，在室温下尺寸和物理上都保持稳定。

具有抗浸出性(不释放锶和铯离子)。

在浸出程序之前和之后具有很强的抗压强度(>0.4 MPa，在许多情况下更高)。

具有受控的孔隙率、空隙率和均匀性。

低粘度使产品可以非常容易地直接泵入容器中，并能够应用浇注/渗透技术。

在混合、固化和凝固过程中产生最小的放热反应。

对一系列样品进行了辐照测试，证明在吸收了 Cobolt 60 发出的 1 MGy 总剂量的伽马射线后，最终产品的完整性仍然保持良好。

这项技术创新是通过地质聚合物配方和封装方法实现的。现有的封装方法封装的难处理废料含量相对较低，通常含量在 2% 至 30% 之间(即装载率)。而这种新方法可将装载率提高到 70%。装载率的提高将带来巨大的节约潜力。

新的封装技术使核废料所有者能够将油、石墨、沸石和污泥加工成被动废物基质，从而最大限度地提高废物负荷并减少整体废物处理量，从而提供一个简单的批处理过程，几乎不存在过程变化，并且碳足迹显著降低。

封装系统展示了协作创新者如何在物理试验和概念验证的支持下快速开发解决复杂挑战的解决方案。

作为核废料封装用 PC 的替代品，MIDAR® 增强型低成本低碳封装技术有可能减少胶结工艺对碳的影响，大大降低存储成本并确保供应安全。所开发配方的灵活性还使该材料能够适用于更广泛的核应用，例如用于长期储存的稳定、耐腐蚀和耐火的结构材料。

考虑到对核电退役的预期影响规模，问题不在于这项技术是否会被部署，而在于谁将优先扩大规模，从而成为推动我们处理遗留和未来废物的世界领导者。