福清1、2号机组TES系统水泥固化线的改造分析

【摘 要】福清1、2号机组tes系统桶外搅拌装置在调试过程中，发生2起排料不完全的问题以及废树脂固化体养护8天仍未初凝的现象。经过调研了国内在建和运行电厂的TES系统水泥固化系统的情况，决定对福清1、2号机组TES水泥固化系统进行改造，采用更为成熟可靠的固化技术，保证TES系统运行的安全性，从而保障福清1、2号机组的正常运行。

【关键词】水泥固化线;改造;桶内搅拌

前言

水泥固化线属于固体废物处理系统（TES）的一部分，其主要功能是将浓缩液、废树脂与水泥干混料混合均匀装入400L钢桶或将废过滤器芯子用水泥湿混料固定到400L钢桶形成固化体，将400L钢桶封盖并送到放射性固体废物暂存库暂存。若钢桶外表面剂量率高于2mSv/h则将其装入屏蔽容器后再送到放射性固体废物暂存库[1]。

福清核电1、2号机组TES系统水泥固化线在设计之初，为响应国家核安全局在二代改进型核电厂审评原则中对废物最小化的要求，确保本工程的固体废物产生量不高于国内同期建设的核电厂，在2008年1月，CNPE参考岭澳二期的桶外搅拌工艺，上报了桶外搅拌的TES系统水泥固化方案。但在该套设备的调试过程中出现了一系列问题，对设备的可靠性、稳定性形成严峻挑战。

1 桶外搅拌水泥固化线调试出现的问题

1.1 调试过程中出现的问题

2014年，通过对福清核电TES系统水泥固化线的调试，调试人员对系统设备和固化配方进行了全面的验证，发现该套水泥固化线不论在设备的成熟性、配方的有效性以及设备与配方的匹配性上都存在诸多问题。

1.1.1 设备的成熟性问题

桶外混合器由于其搅拌桨结构不尽合理，每次搅拌排料后，混合器搅拌轴与桨叶的连接处总会残留湿混料，且无法通过混合器内的冲洗装置清洗干净。在调试过程中，曾尝试加入100L左右的除盐水，并启动搅拌桨高速旋转，执行“自清洗”流程，可使淤积的湿混料在一定程度上减少，但这一方面大大加大了废水量，另一方面也无法完全清洗干净。随着固化次数的增加，搅拌桨上固化物越积越厚，不可能达到40年的运行周期。

图1 混合器内部

1.1.2 废树脂固化配方的问题

在水泥固化线进行批次固化体试验时，发现其中废树脂固化体的养护时间超过8天仍未达到初凝状态。经分析，其主要原因是由于现场调试时所用的废树脂与水泥固化配方研究时的废树脂硼含量有一定差别，硼的缓凝作用造成了废物体初凝时间增加。现场调试时所用的混床树脂已经装入PTR 系统的除盐床约3 个月，经过2200ppm 的硼酸水长期浸泡已经达到硼饱和。由于树脂颗粒的总的表面积较大，水泥固化时废树脂颗粒上吸附的硼在成分复杂的偏碱性水泥桨作用下游离出来，造成含废树脂水泥桨的缓凝。

该废树脂固化配方的研究过程，并未对工程现场的实际情况进行还原、模拟，采用了错误的研究方法，导致该废树脂配方无法用于核电厂运行期间产生的废树脂的固化。

2 桶外搅拌水泥固化线存在的风险

2.1 固化事故情况下无法排料

（1）由于桶外混合器固有的结构特点，其搅拌桨桨叶与桶壁的距离仅有5mm，硬质异物的进入，极有可能导致混合器搅拌桨卡死，湿混料凝固在混合器中，导致混合器报废，水泥固化线完全失去废物处理能力。在调试过程中即发生过混合器搅拌桨被金属颗粒卡死的情况。

图2 混合器中的金属颗粒

（2）一旦搅拌电机故障，停止运转。以设备现有的设计，切换备用电机时间很长。湿混料无法在这么长时间内保持良好流动度，待切换完电机，湿混料极可能已凝固在混合器内。

2.2 放射性废物滞留混合器内无法固化

混合器搅拌桨高速搅拌过程中，会将湿混料甩至混合器上方，导致干混料下料阀、SED水入口、废物入口极易被湿混料粘结。如果浓缩液、废树脂下到混合器后，发生湿混料粘结干混料下料阀执行机构，下料阀无法打开的情况，干混料将无法排入混合器则不能进行固化，大量的浓缩液、废树脂滞留在混合器内。如果排出混合器，这些湿混料将无法再次进入系统固化，如果采取修复干混料下料阀的方式，将使人员受到较大的剂量照射。

2.3 混合器因湿混料淤积而失效

筒体冲洗装置被湿混料粘结无法运行，筒体得不到有效冲洗，将残存大量湿混料。而且筒体冲洗始终无法保证冲洗干净，搅拌桨桨叶在长期运行后起毛，将会加剧湿混料的附着，无法在电站寿命周期内一直保证其可用性。

3 桶外搅拌水泥固化线改造建议

3.1 项目可选方案比较

目前国内放射性废物固化普遍采用的技术分为两种，一种是桶内搅拌技术，利用搅拌桨直接在金属桶内将放射性废物与干混料进行搅拌，以固化废物，另一种是桶外搅拌技术，将放射性废物与干混料在桶外进行混合搅拌后，再装入金属桶中。本改造项目需对两种搅拌技术进行综合论证，以选择更加合适的改造方案：

表1 桶内/桶外搅拌技术对比表

比较项目

桶内搅拌技术

桶外搅拌技术

主要结构

由两套电机带动相互咬合的双螺带桨在400L钢桶内进行边公转边自传，搅拌完成后通过一套电机提升搅拌桨。

由一台搅拌电机带动搅拌轴直接进行搅拌，搅拌完成后将物料排入400L钢桶中。

填充率

92%左右

95% 以上

固化效率

从下料至搅拌完成大约需要30-40分钟。

从下料至完成搅拌需要11分钟左右。

清洁去污

主要靠振动和搅拌清水进行清洗去污，清洗效果较为理想，残留的固化物可以人工清除。

采用高压水对搅拌桨及筒体进行清洗去污，存在清洗死区，长期运行固化物易淤积在混合器内。

安全风险

由于在废物桶内进行搅拌，对配方的流动度引起的安全风险较小;流动度较低或较粘稠影响搅拌桨的强度及挂桨较严重，过于粘稠会产生蹩桨及桨叶变形等风险，但其维修工作量相对较低，处理相对较简单，可以通过提升桨叶来将废物桶运出后来处理。安全风险小。

由于在桶外进行搅拌，结束后灌入桶内，所以对配方的流动度引起的安全风险相对较大，流动度较低或较粘稠对排料的顺畅性不利，会产生排料不完全或不畅的风险，极端情况下的处理相对较复杂。安全风险大。

3.2 项目改造方案的综合分析

福清核电1、2号机组采用的桶外搅拌水泥固化线尚属首次应用于工程实际，还需要对TES系统局部设备、设备与水泥配方配合等方面进行改进;同时还将提高TES设备应对极端情况的能力。完成上述改进尚需一定时间，且存在不确定性。而桶内方案在技术上相对成熟，且将桶外方案改造成桶内方案在国内有成功的实践，改造所需的周期也较桶外改造方案更短，能够在福清1号机组首次换料大修前实施完毕。因此根据综合分析比对，最终确定将目前的TES系统水泥固化线由桶外固化变更为桶内固化设施。

参考文献：

[1]刘铁军，刘国彪.固体废物处理系统手册[B].2010.

作者简介：

何泰烽，男，福建宁德人，本科，助理工程师，从事核电厂维修服务工作。

卢胡，男，安徽广德人，本科，助理工程师，从事核电厂维修服务工作。

粟路雨，男，湖南怀化人，本科，助理工程师，从事核电厂维修服务工作。

孙宇宝，男，山东菏泽人，本科，助理工程师，从事核电厂维修服务工作。

孙建国，男，河南商丘人，本科，助理工程师，从事核电厂维修服务工作。

侯晓宇，男，辽宁丹东人，本科，助理工程师，从事核电厂维修服务工作。