液态放射性废物高效减容技术在田湾核电站应用探讨

【摘 要】田湾核电站针对放射性废液的处理，采用传统的水泥固化方法，存在增容比大问题，无法满足其指标要求，本文结合田湾核电站放射性废液特性，探讨了田湾核电站采用高效减容技术的可行性。

【关键词】液态放射性废物；蒸残液；废树脂；减容

1 田湾核电站现有的液态废物处理介绍

田湾核电站1、2号机组对蒸残液和废树脂的处理采用国内最为普遍的水泥固化工艺，该系统是由德国NUKEM公司负责设计和设备制造供货，并负责指导该系统的安装和调试。系统通过水泥与液体放射性废物中的水的化合作用使废物由液体状态转变为固体状态，将核电站运行期间产生的蒸残液和离子交换树脂固化包容在混凝土废物桶中，固化后产生的放射性固体废物包贮存在放射性固体废物贮存库。

另外，其水泥固化系统采用混凝土桶作为固化废物包装容器，其设计理念是利用厚达150mm的混凝土桶壁作为屏蔽层，以降低包装容器表面的剂量率，满足废物运输的要求。由于要给废物包装容器加盖，废物桶上部至少要留出150mm的空间，保证固化时的废液和水泥浆不至飞溅出来。而且这种桶的容积较大，固化的废液量比200L桶大得多，可以提高生产效率。但是水泥固化是一种增容的处理技术，采用混凝土桶作为包装容器更加增大了废物的终体积，CD1型混凝土仅能包容526L蒸残液或者342L废树脂，废物的增容系数分别达到了3.80 和5.85。

传统的水泥固化法成熟可靠，系统简单，且形成的废物包效果比较好，尽管各核电站采用的工艺、配方和包装容器都各不同，但总体而言都是增容的，经济性较低，根据田湾核电站放射性蒸残液和废树脂处理后每年产生的废物包不超过30m3/机组的要求指标来看，废液整备处理后必须是减容的才能满足要求，因此传统的水泥固化方法远远不能满足田湾核电站放射性废物包体积的年产生量考核指标要求，必须采用新的方法和工艺进行处理。

2 减容技术应用可行性分析

2.1 蒸残液处理技术分析

田湾核电站1、2号机组产生的放射性蒸残液平均活度浓度为7.72×103Bq/L，活度浓度比较低，属于低放废液的范畴，但含盐量和硼浓度都比较高，用传统的蒸发处理系统进行再浓缩的可行性不大。

台湾核能研究所开发的HEST高效固化，可以针对传统水泥固化包容率过低的问题进行改进，田湾核电站现产生的蒸残液硼浓度为0.7mol/L（折合约7，700ppm）。根据HEST高效固化系统要求，可以将之提高为125，000ppm，这样，从理论上讲可以通过超级浓缩系统将原有的蒸残液浓缩至原有体积的1/16；但是，由于蒸残液的盐浓度达到了140g/L，按照一般蒸发系统的要求盐浓度不能超过400g/L，因此，原有的蒸残液只能浓缩至原体积的40%。即使如此，田湾核电站单台机组每年产生的15m3蒸残液经过超级浓缩后也会变为6m3，根据田湾核电站水泥固化的包装容器和配方要求将之固化后共会产生11m3 的废物包，总体而言仍然达到了减容的效果。因此，从减容效果上看，用HEST系统处理田湾核电站的蒸残液是可行的。但是，HEST系统在蒸残液进行超级浓缩时需要加入特殊的添加剂，保证硼酸盐在过饱和状态下不会结晶析出；在固化时仍需加入另外的添加剂保证过量的硼浓度不会造成水泥的缓凝，这就会增加了生产的成本，因此该技术的实用性还需要进一步的分析比较。

造粒固化法作为一种新兴的处理技术，其处理效果是比较令人满意的，但是该技术在国外也没有正式投入商业使用，大都还处于试验室阶段，在国内此类技术也只是处于刚起步阶段，因此无法在田湾核电站投入使用。

膜处理法可以适应水质要求，且该技术能耗低、设备简单、操作方便、去污效果、运行稳定可靠，是最实用的废液高效减容技术之一。虽然该技术在国内尚处于实验室阶段，但在国外及台湾地区都有一定的实际应用，也属于比较成熟可靠的技术。但是该技术大都用于放射性废液蒸发处理前使用，对于废液经蒸发浓缩后形成的残液使用不多，且田湾核电站产生的放射性蒸残液含盐量较高，用一般的膜处理方法很容易堵塞，因此，也不建议在田湾使用。

蒸干压实法目前已经用于三门核电站的化学废液处理设计，三门核电站的化学废液源项与田湾核电站的蒸残液具有一定的相似处，因此在技术在田湾也是可行的，应用该技术可以使废液得到最大的减容比，而且有三门的应用先例在，可以为田湾提供必要的技术支持。但该技术效率较低，能耗高，综合实用性还需要进一步论证。

2.2 废树脂处理技术分析

田湾核电站1、2号机组产生的放射性废离子交换树脂平均活度浓度为1.28×106Bq/L，属于中放废物的范畴，在田湾核电站的产生量比较高。

用于处理废树脂的各类固化技术都存在一定的缺陷，限制了其推广使用：聚合物固化包容量比较高，其中聚酯固化应用最广，环氧树脂固化产品最优，但高额的固化剂成本限制了其推广；沥青固化因阴树脂分解温度低影响安全，阳树脂磨损作用大影响设备导致其使用极少，目前多是利用已有设备，实现综合利用；水泥固化因为工艺简单、处理费用低而应用最为广泛，但其包容量低和核素浸出率高的缺陷仍然让人十分头疼，再加上固化体溶胀性等原因仍然有许多需要改进的地方。此外，用固化法处理废树脂都是增容的过程，这与田湾核电站寻求高效减容的初衷是相悖的，总体而言都是不适合在田湾继续推广使用的。

氧化法处理废树脂分类比较多，其减容效果也都比较理想，但各项技术也大都存在某些制约因素而没有完全推广使用，高温焚烧法和等离子氧化法因为尾气处理困难和装置寿命等问题一直没有得到有效地解决，暂且还不能正式投入商业使用；湿法氧化法（主要指芬顿氧化法）最主要的问题就是分解液中的硫酸盐较难以处理，另外对反应装置的材料也有一定的限制，虽然在国外有一定的实际应用，但只是小规模使用，尚未达到大批量处理的规模，而在国内还是完全处于试验室阶段，因此难以在田湾核电站正式投入使用。

高整体性容器直接包装法和热态超级压缩法在国外都是已经开发比较成熟的技术，处理方法也都比较简单，且都已经有比较实际的应用，在国内也分别应用在海阳和三门核电站废树脂处理的设计中，因此也是田湾核电站可采用的技术，但具体哪一种技术最为实用还需要进一步综合分析。

3 结论

田湾核电站蒸残液的放射性水平很低，仍然属于低放废液的范畴，直接固化后增容过大，仍需要将这些蒸残液作为低放废液进行必要的减容处理后再固体化；而废树脂直接进行水泥固化由于存在包容率低、核素浸出率高等明显缺陷，按照目前的固化配方增容率太大，仍然需要寻求新的处理方法。因此，从目前田湾核电站系统运行情况来看，开展液态废物的高效减容技术也是十分必要的。

根据以上分析结果进行初步分析，在田湾核电站可适用的废液处理方法有改进的水泥固化法法和蒸干压实法，可适用的废树脂处理方法包括高整体性容器直接包装法和热态超级压缩法。后续的工作将结合田湾核电站现场的实际情况对这些技术制定比较详尽的实施方案，并对这些方案进行深入的比较分析，最终确定实用的最优方案。

【参考文献】

[1]刘佩，刘昱，等.核电厂离堆放射性废物处理方案浅析[J].核动力工程，2013（05）.

[2]贾晓鸿.田湾核电站降低放射性废物蒸残液的研究与实践[J].硅谷，2014（13）.