1月7日，華盛頓州立大學(xué)的研究人員在《測量》雜志上發(fā)表了一項研究成果，介紹了一種識別核廢料熔化器中鹽類的新方法，該方法有望改進(jìn)包括漢福德場址在內(nèi)的核廢料清理技術(shù)。

漢福德場址是世界上最大、最復(fù)雜的核廢料清理場之一。研究人員在玻璃化過程中，利用兩個探測器成功發(fā)現(xiàn)了硫酸鹽、氯化物和氟化物鹽的薄層。玻璃化是一種將核廢料轉(zhuǎn)化為玻璃以進(jìn)行安全儲存的過程，但鹽的形成可能會給廢料處理和儲存帶來諸多麻煩。

華盛頓州立大學(xué)本科生、論文主要作者之一的約翰·布西表示：“我們能夠演示一種技術(shù)來觀察鹽的形成時間。通過這種方式，我們可以監(jiān)控熔爐，了解是否應(yīng)該改變?nèi)蹱t中添加的物質(zhì)。”

玻璃化固化過程需要將核廢料放入大型熔爐中加熱至高溫，然后將生成的玻璃倒入圓筒中固化，以便長期安全儲存。美國能源部正在漢福德核電站建造一座玻璃化工廠，以處理該核電站曾用于制造第一枚核彈的钚所產(chǎn)生的復(fù)雜廢料，這些廢料幾乎包含元素周期表的所有元素。漢福德核電站共有177個儲罐，儲存了5500萬加侖的化學(xué)和核廢料。

在處理核廢料時，鹽的產(chǎn)生是一個棘手問題。鹽具有腐蝕性，會損壞昂貴的玻璃化設(shè)備，且鹽溶于水后，在儲存過程中可能導(dǎo)致玻璃廢料泄漏和污染。漢福德的廢料成分復(fù)雜多樣，更容易形成鹽。布西指出：“玻璃化過程中鹽的形成是非常不希望的。”

為了解決這個問題，研究人員利用太平洋西北國家實驗室和麻省理工學(xué)院開發(fā)的系統(tǒng)，通過光學(xué)和電子元件觀察熔化過程中自然發(fā)射的紅外和微波波長之間的光。他們觀察了與漢福德工廠發(fā)現(xiàn)的玻璃熔體相似的樣本，并使用兩種類型的探測器研究樣品的熱輻射以及隨時間的變化。

華盛頓州立大學(xué)機械與材料工程學(xué)院研究生、論文共同第一作者伊恩·威爾斯表示：“亮度對于識別所有熔化、凝固和鹽形成過程非常有用。這項技術(shù)的獨特之處在于，你無需添加任何額外的照明或系統(tǒng)，僅基于熔化產(chǎn)生的熱量，通過查看單像素圖像的亮度就能判斷正在發(fā)生的事情。”

研究人員通過這種方法，能夠清晰地看到熔體何時發(fā)生巨大變化，無論是鹽的形成、熔化還是凝固，強度都會發(fā)生急劇變化。他們比較了不同的熔體，并成功識別出指示鹽的行為。威爾斯說：“根據(jù)這種行為，我們可以清楚地識別出發(fā)生了什么。我們對這種探測器的靈敏度感到驚訝，即使只探測到極少量的鹽。”

此外，該系統(tǒng)還能區(qū)分鹽的種類，并且傳感器可以遠(yuǎn)程感應(yīng)鹽，避免了浸入放射性熔融玻璃中的額外挑戰(zhàn)。布西認(rèn)為：“這項研究使監(jiān)測技術(shù)更接近于在玻璃化工廠內(nèi)使用。這臺設(shè)備無需太多改造就可以直接放入玻璃化工廠。”

研究人員還表示，這項研究可能具有更廣泛的應(yīng)用前景，如熔鹽核反應(yīng)堆或不同類型的制造工藝，如玻璃、環(huán)氧樹脂或碳纖維加工。制造商希望通過這項技術(shù)更好地了解相變以及這些相變過程中不同化合物的形成。他們計劃下一步從實驗室規(guī)模的測試轉(zhuǎn)向更大規(guī)模的熔體測試。

據(jù)悉，這項研究由美國能源部環(huán)境管理辦公室資助。

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