使用 Hip 设备处理废物基质的技术原理是什么？实现峰值密度和挥发物封存

热等静压 (HIP) 是制备高放射性废物基质的技术标准，因为它提供了一个独特的环境，高温和全方位压力同时作用。

这种双重作用驱动了形成复杂晶相（特别是锆石和烧绿石）所需的固态反应，同时强制封闭内部孔隙以实现完全致密化。至关重要的是，该过程能够安全地封存含有挥发性成分（如氟或氯）的放射性废物，这些成分在常规烧结过程中会蒸发并逸出。

核心要点 HIP 技术解决了需要高温进行结晶与需要封存挥发性同位素之间的矛盾。通过在加压、密封的环境中处理废物，它生产出化学稳定、无孔的废物形态，能够有效固定放射性核素，而不会释放有害蒸气。

致密化的机械原理

形成锆石和烧绿石等复杂晶相需要原子移动并重排成特定的晶格结构。

HIP 应用高温（通常高于 1000°C）和高压（例如 103 MPa）来提供克服动力学扩散障碍所需的能量。这确保了固态反应能够完全进行，将废物元素完全整合到晶体结构中。

常规烧结通常会留下微观孔隙，这会损害材料的结构完整性。

HIP 中使用的全方位气体压力在材料的所有侧面施加相等的压力，通过塑性变形和蠕变将晶粒推到一起。这种机制消除了残留孔隙，使废物基质能够达到其完整的理论密度。

由于压力是等静的（各个方向相等），因此所得材料的性能在整个材料中是均匀的。

这种均匀性对于废物基质至关重要，因为它可以防止出现薄弱点或密度不均，从而导致在地质时间尺度上出现开裂或性能不均。

放射性废物管理的一个主要挑战是，某些放射性同位素和相关的化学助剂（如氟或氯）在高温下是挥发性的。

在标准炉中，这些元素会蒸发，造成二次污染危害。HIP 的高压环境抑制了这种挥发，在固体基质形成过程中将其截留在其中。

HIP 工艺通常涉及在处理前将废物材料放入密封的金属罐中。

这种物理屏障与加压气体介质相结合，确保在加热循环过程中不会对环境造成任何污染。它通过严格限制放射性元素的释放，能够安全地处理高放射性废物，例如钚。

使用锆石或烧绿石的最终目标是将放射性元素化学键合到稳定的晶格中。

HIP 可确保这些相正确且完整地形成。与非晶态或玻璃基替代品相比，完全形成的晶体结构对辐射损伤和环境退化具有优异的抵抗力。

废物形态的耐久性取决于其在接触地下水时抵抗浸出的能力。

通过消除孔隙，HIP 最小化了可用于化学侵蚀的表面积。完全致密、无孔的固体比腐蚀的抵抗力要强得多，确保废物在数千年中与生物圈隔离。

HIP 比标准无压烧结复杂得多。它需要专门的高压容器、复杂的燃气处理系统以及在处理前将废物封装在气密密封罐中。

由于需要罐体以及设备的性质，HIP 通常是一种间歇式工艺。与玻璃化（玻璃熔化）等连续处理方法相比，这可能会限制吞吐量，使其最适合特定、高价值或难以处理的废物流。

虽然 HIP 是特定基质的卓越技术解决方案，但其应用应由废物的化学性质驱动。

HIP 将放射性挥发物的负债转化为永久致密、化学稳定的固体的资产。

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S. V. Yudintsev, V. I. Malkovsky. Thermal Effects and Glass Crystallization in Composite Matrices for Immobilization of the Rare-Earth Element–Minor Actinide Fraction of High-Level Radioactive Waste. DOI: 10.3390/jcs8020070

本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .