核電廠放射性廢樹脂處理技術對比研究

逯馨華,張紅見,魏方欣,崔 聰,劉婷

(環境保護部核與輻射安全中心,北京100082)

核電廠運行產生的放射性固體廢物主要由廢樹脂、廢過濾器芯、檢修廢物 (木材、金屬)、棉織物、紙張、濕固體廢物等組成。由于放射性廢樹脂產生量大,比活度高,受到廣泛關注。目前,我國已運行核電廠放射性廢水的處理以離子交換為主;新建第三代核電機組,如AP1000,同樣采用離子交換法處理運行產生的放射性廢水。依據AP1000第17版設計控制文件,AP1000核電廠產生的濕固體廢物中,放射性廢樹脂占有相當大的比例,預期產生量約為11.33m3·a-1,占濕固體廢物體積的52.3%[1],其含水量為50%—60%,濃集的放射性核素主要為137Cs、90Sr、60Co等裂變核素和活化腐蝕產物。雖然核電廠產生的大部分放射性廢樹脂為低、中放廢物,但部分廢樹脂的比活度可能較高,通常認為核電廠產生的放射性廢樹脂總活度占比可高達80%[2]。為此,高效、妥善、安全地處理核電廠產生的放射性廢樹脂,是保證核電廠輻射安全的重要方面之一,值得關注和認真解決。

當前,核電廠產生的放射性廢樹脂類固體廢物主要采用水泥固化技術處理,該技術的優勢為操作簡單、原材料易得、經濟性好,但存在增容大的不足。核電廠放射性廢物最小化是一種趨勢,如何實現有效減容,國際上有核國家積極開展探索和研究,以期最大程度減輕放射性固體廢物的處置壓力,降低核電發展對人類和環境的影響。對我國而言,現有17個運行核電廠、共計35臺機組,在建核電機組22臺,是世界在建核電規模最大的國家[3];但我國放射性廢物處置場建設進展緩慢,與我國核電發展趨勢不相匹配。

為此,在核電快速發展的今天,如何對現有的放射性廢物處理技術進行改良更新,尤其是對眾多廢樹脂處理技術進行對比分析,找到既能最大減容,又能經濟適行,利于核與輻射安全的處理技術,是當前亟需解決的問題。本文從現有的廢樹脂處理技術入手,通過調研各項技術的應用現狀,從減容程度、安全性、易操作性和經濟性等方面對幾項技術進行對比分析,以期為我國放射性廢物處理技術的發展提供借鑒和參考。

1 廢樹脂處理技術介紹

1.1 廢樹脂的產生

核電廠的廢樹脂來源主要是反應堆一回路冷卻劑和凈化乏燃料水池池水所用的離子交換樹脂床。當交換樹脂的交換容量有所降低,樹脂床達不到凈化要求或交換柱兩端達到一定壓差時就需更換樹脂,所以每年核電廠都會產生數量可觀的放射性廢樹脂[4]。目前,放射性廢樹脂的處理技術包括水泥固化、高整體容器 (High Integrity Container,簡稱HIC)、熱態超級壓縮技術 (Hot Super Compaction)、核素分離法、氧化分解等,其中前三種技術比較成熟和常用。

1.2 水泥固化

采用水泥固化放射性廢樹脂的研究始于20世紀70年代[2],是放射性廢物處理的常用方法之一。目前在我國運行核電廠中如秦山、大亞灣、嶺澳、田灣、紅沿河、寧德、福清等核電廠等都采用此方法處理放射性廢樹脂和濃縮液。雖然核電廠根據自身產生的放射性廢物的特性開發的水泥固化配方有所差異,但工藝流程基本相同。首先稱量放射性廢樹脂液,然后與添加劑混合均勻,再將干料(水泥、沙子等)與廢液充分攪拌混合、固化、養護等。具體工藝簡圖如圖1所示。

圖1 水泥固化工藝流程簡圖Fig.1 Process diagram of cementation

水泥固化工藝分為桶內攪拌工藝和桶外攪拌工藝兩種,目前國內運行核電廠均采用桶內攪拌工藝。但從兩種工藝比較來看,桶外攪拌工藝的處理能力大,可以批式操作,也可以連續運行,更有利于增加廢物的包容量,降低水泥固化體的增容比[5],但若在國內工程應用,還需要在配方和工藝方面開展進一步研究。

水泥固化工藝簡單,原料便宜且容易獲得、操作流程比較簡便、固化體性能穩定,是目前國內外核電廠最常用的廢物處理方法。該方法的主要不足為廢物增容大,可達4倍;雖經研究改良,固化放射性廢樹脂的增容比仍為2.5倍左右[6]。利用水泥固化技術處理放射性廢樹脂,較大的增容比不僅增加了貯存的場地,也增加了運輸和處置的成本。

1.3 高整體容器 (HIC)

HIC是一種由特殊材料制成的容器,它的耐久性好,壽命可長達300年,可以對內盛的廢物實現長期安全的包容。早在20世紀70、80年代,HIC就有應用。美國在處理三哩島核電廠事故產生的放射性廢樹脂時即采用HIC[7]。我國在第三代AP1000核電廠考慮使用HIC進行放射性廢樹脂處理和包容,如山東海陽核電廠、陽江核電廠等。該技術是將廢樹脂液進行脫水后直接裝入HIC,不需要對廢樹脂進行水泥固化。具體工藝簡圖如圖2所示 (圖2主要為高密聚乙烯處理放射性廢樹脂的流程圖)。制作HIC的原材料有很多種,包括耐蝕金屬合金、鋼纖維加強混凝土、高密度聚乙烯、涂聚合物金屬等。目前山東海陽和廣東陽江均采用高密度聚乙烯HIC。

圖2 廢樹脂HIC(高密度聚乙烯)工藝簡圖Fig.2 Process diagram of spent resin HDPE HIC

HIC技術很大程度上簡化了廢樹脂的處理流程,僅需對廢樹脂進行烘干脫水后,就可以裝進容器進行暫存,最后形成的HIC貨物包對放射性廢物的有效包容時間達300年之久。在減容方面,根據所使用的容器材料不同,最終形成的廢物包通常是原廢樹脂體積的1.2-2倍[6],相比于水泥固化技術,可基本實現不增容。但是目前高密度聚乙烯HIC主要是從國外購買,價格高昂,國內雖然于2016年成功制造出球墨鑄鐵類放射性廢物貯運容器[8],但目前還沒有量產,這也是造成HIC技術投入過大、經濟性不好的主要問題。

圖3 高密度聚乙烯HIC(海陽核電廠)Fig.3 High-density polyethylene HIC in Haiyang nuclear power plant

1.4 熱態超級壓縮技術(Hot Super Compaction)

熱態超級壓縮技術也是在AP1000核電廠中應用的技術之一,在國外擁有10年以上的運行經驗[9]。主要是通過在加熱環境中用超級壓縮機壓實廢樹脂,然后裝進鋼桶中暫存的方法處理廢樹脂。我國主要是三門核電廠采用了此方法。工藝流程:首先將廢樹脂在處理箱中進行預處理,而后在烘干機中加熱烘干,然后裝進160L鋼桶中進行超壓,壓實餅再裝入200L桶中,并在空隙處澆筑水泥固定,可直接在暫存庫暫存。具體流程如圖4所示。

圖4 熱態壓實廢樹脂處理流程簡圖Fig.4 Simplified diagram for spent resin hot super pressing of Sanmen NPP

熱態超級壓縮技術可實現廢樹脂的最大減容,經過干燥脫水后的廢樹脂體積大約只有原廢物體積的1/3,經過裝桶超壓后的體積大約為原體積的2.1倍[6],相對水泥固化來說也實現了有效減容,能在一定程度上緩解核電廠放射性廢物暫存庫的儲存壓力。根據我國 《低、中水平放射性固體廢物包裝安全標準》(GB12711)中規定的要求,放射性固體廢物包裝的放射性限值要求包裝外表面上任意一點的輻射水平必須≤2mSv·h-1,距包裝體外表面1 m處任意一點的輻射水平必須≤0.1mSv·h-1[10],目前超壓后廢樹脂所裝的200L鋼桶不能滿足此項要求。同時,根據 《放射性廢物安全管理條例》[11]低、中水平放射性固體廢物處置設施關閉后應滿足300年以上的安全隔離要求,鋼桶達不到相應要求。為滿足放射性物質安全運輸和永久性貯存的要求,需對水泥固定的200L鋼桶增設外包裝屏蔽桶 (混凝土包裝桶或裝HIC中),但此方式將影響減容效果,同時提高了處置成本。

2 對比分析

根據以上介紹可知,水泥固化技術、熱態超級壓縮技術和HIC技術,是目前比較常用或者運行比較成熟的核電廠廢樹脂處理技術,前兩者基本能夠滿足我國 《放射性廢物近地表處置的廢物接收準則》[13]對于廢物特性和包裝的要求,而針對HIC處置要求正在研究制定中。從目前放射性廢物處置場選址存在的實際困難來看,能夠實現廢物的最大減容可減輕核電廠放射性廢物暫存的壓力。但是,一項成熟的技術若要被廣泛采用,不僅應考慮其對主要矛盾的解決情況,還應考慮其安全性、易操作性及經濟性,以綜合的發展的眼光看問題,才能找到最適合的放廢處理方法。

2.1 減容性

目前廢物減容是放射性廢物處理的最大問題,從上述三種技術的減容比來看 (如圖5所示),HIC與熱態超級壓縮技術均有較好的減容效果,相比于傳統的水泥固化技術有顯著提高。

圖5 廢物貨物包與原樹脂體積的比例Fig.5 The radio between waste package from the different treatments andthe volume of spent resin

2.2 安全性

作為放射性廢物的處理技術,安全性是首要考慮的問題。尤其是廢樹脂從處理到處置流程較長,其中經過處理、整備、暫存、運輸及處置等多個環節,均要保證放射性物質在所有環節中不會泄漏、造成輻射風險,那么處理技術的輻射安全至關重要。

為了使此三類技術能夠實現對廢物的有效包容及輻射屏蔽,各國對三種技術的廢物包裝體的材料性質進行相關測試,測試結果見表1。

水泥固化技術因水泥固化體熱穩定性好,抗壓強度高,生物、化學穩定性好等特點,多年來一直被核電廠廣泛采用,但水泥固化技術由于自身材料屬性,存在核素浸出率高(特別是137Cs)、固化體遇水可能脹裂或破碎等缺點。

HIC因其自重輕,廢物包容性大,裝填率高等優點,在AP1000機組中廣泛應用,其具有強度高、密封性好、化學穩定性和熱穩定性強等優點,可以對廢物實現有效包容300年,但由于材料非剛性,尤其是國內AP1000機組使用的交聯聚乙烯HIC,承受載荷能力低,需要在處置時外添加混凝土等包裝,且交聯聚乙烯HIC對于紫外線照射敏感,暫存及貯存運輸過程中應有遮蔽,避免長時間暴露于紫外線環境下。HIC的抗蠕變性能差也是長期貯存容易造成輻射泄漏風險的一大重要因素,需要對其所盛裝廢樹脂Sr、Cs兩種元素當中的90Sr和137Cs進行預處理分離去除[1]。

表1 廢樹脂處理技術廢物包裝體性能測試結果Table 1 The test results of waste packages in different radioactive spent resin treatments

通過對熱態超級壓縮技術中壓縮餅進行跌落、耐熱、空氣濕度對長期穩定性的影響等試驗,可知超壓餅是穩定化的廢物體 (均勻的壓縮體、穩定、無散落塊、無間隙),無腐蝕性,無螯合劑,無有毒有害物質。在運輸和臨時貯存過程中,外包裝的機械性能良好,能夠保證自身結構的完整性[14]。但由于水泥固定后的鋼桶表面劑量率還可能過高,所以處置時需要外加HIC等混凝土包裝。而且壓縮餅也存在一定的回彈風險,可能會使固定體破損,從而造成泄露風險。

2.3 操作性

從三類技術實施的時間來看,都已經有超過十年的運行使用經驗,可知三類技術都不存在可操作問題。但是在易于操作方面卻存在著差別,方便易行的技術不僅可以節約技術成本,也能減少人員的使用,減少人員暴露在輻射中的風險,節約人力成本。

2.3.1 采用設備方面

水泥固化雖然原材料簡單易得也比較便宜,但是不同的配方需要進行精準的配比,所需要的設備較多,包括計量、攪拌、清洗、固化桶輸送以及取封蓋裝置等。HIC技術則相對比較簡單,操作流程中僅需要對廢樹脂液進行脫水裝填即可,所需關鍵設備僅是脫水頭和脫水泵。熱態超級壓縮技術的關鍵設備是錐形干燥器和超級壓縮機,總體來說容易控制和操作。

2.3.2 處置方面

目前,國內放廢處置場是根據處置對象是水泥固化體或固定體廢物貨包來進行設計的,采用的是覆蓋層、單元格、廢物桶 (箱)3層防御措施,所以水泥貨物包可直接堆放處置。而HIC作為一種特殊的容器,如何進行有效處置在我國目前暫無具體要求,還在研究中。高密度聚乙烯HIC不宜直接垂直疊加堆放,目前美國采取的技術是在地面挖淺溝[15],將裝滿廢物的HIC放在專用的混凝土容器中,用于確保結構穩定性,這樣可堆碼兩層。但針對我國的不同的氣候、地址、理念等因素,還應盡快研究出合理的堆碼方式來解決這一問題。對于熱態超級壓縮技術來說,它形成的水泥固定鋼桶,只能暫存,不能直接進行淺地表處置,需要增設外包裝屏蔽桶 (混凝土包裝桶或裝HIC中),但這樣使減容效果受到影響,也提高了處置費用。

2.4 經濟性

任何工程技術想要實施,都必須考慮其經濟性。技術的經濟性,不僅要考慮技術應用時的設備、原料成本問題,還要考慮應用的前期投入成本、后期運輸、處置等成本,即全生命周期成本分析 (Life Cycle Cost A-nalysis,簡稱LCCA)。對于廢樹脂處理技術的LCCA,包括對設施的建設、運行、廢物包的暫存、運輸和處置等幾個過程進行核算,有利于在工程應用中選擇經濟效益更加合理的技術。根據目前的研究成果可知[6],以每年處理60m3廢樹脂計,水泥固化的經濟成本是963萬元/年,HIC的成本是600萬元/年,熱態超級壓縮技術的成本是767萬元/年 (如圖6所示)。此費用包含了廢樹脂處理的原材料費,能源、動力費,廢物包裝費,二次包裝費,廢物運輸和處置費等。同時,若考慮到各項技術工藝設備的共用性,可知,水泥固化不僅可以處理廢樹脂,還可以處理廢過濾器芯,其他干混廢物等。而HIC也可以用來盛裝核電廠的其他放射性固體廢物,可壓縮及不可壓縮的廢物都可以用HIC來包裝。但是對于熱態超級壓縮技術來說,對于不可壓縮的放射性廢物則無法處理。技術中的工藝和設備具有廣泛的適用性,也是技術經濟性的一種表現。

圖6 各處理技術全生命周期經濟成本分析Fig.6 LCCA of the different treatment

2.5 總 結

通過上述分析,可將三類技術在減容性、安全性、操作性和經濟性方面分析匯總,見表2。

通過對比分析可知,每類技術都有其自身的優缺點和適用范圍。其中放射性廢樹脂水泥固化技術,具有原材料易得、工藝簡單、性能穩定、經濟性較好的優勢,但存在增容的不足,而且全生命周期中成本較高。當前,該技術在我國核電廠廣泛使用,但隨著放射性廢物最小化要求的提高,核電廠放射性廢物貯存壓力的增大,該技術在不久的將來勢必被取代。

相比于傳統水泥固化技術,放射性廢樹脂熱態超壓技術、HIC技術在廢物減容、長期穩定性、全周期經濟性和安全性等方面具有一定優勢。因兩項技術為國外引進技術,當前存在處置原則未確定、部分性能待實踐檢驗等問題還需解決和深入研究。但從長遠來看,成熟可靠、安全性高、減容效果好技術的引進和采用為一種趨勢,將在一定程度上減輕核電廠放射性廢物暫存壓力,緩解處置場建設滯后問題,應在今后發展過程中大力推進,不斷完善。

表2 各類廢樹脂處理技術比較分析匯總Table 2 Comparative analysis of spent resin treatments

3 結 語

隨著我國放射性廢物處置壓力逐年加大,應重視減容性效果好、安全性高、經濟效益顯著的廢物處理技術大力推廣。當前,我國核電廠放射性廢樹脂處理技術主要有三種,水泥固化技術、HIC技術和熱態超級壓縮技術。國際上,該三種技術均已有多年的運行經驗,技術成熟可靠,但也應結合其自身優缺點,在工程實踐中不斷改進和完善。同時加大對HIC技術和熱態超級壓縮技術的引進推廣和試驗檢驗,使其更好地適應中國發展實際。

同時,為促進環境保護,使用新技術時應充分考慮其整個生命周期的環境影響和長期安全性,即考慮技術應用的前期物料能源使用、廢物處理、后期運輸及處置過程整個生命周期過程 (從 “搖籃”到 “墳墓”)中所產生的環境影響,避免出現解決此類廢物,又產生其他廢物的現象。應在綜合考慮了輻射安全、社會經濟影響和環境影響的前提下,不斷改良改進核電廠廢樹脂的處理技術。

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