核電廠放射性廢物治理現狀及面臨的主要問題

鄧才遠 羅 剛

(大亞灣核電運營管理有限責任公司， 深圳， 518028)

0 引言

核能和核技術的開發利用在給人類帶來巨大利益的同時，也產生了對人類健康和環境有負面影響的放射性廢物。為了降低或消除這種負面的影響，自20世紀60年代以來，各國的科技工作者做了很多工作，開發了多項高效的放射性廢物處理、處置技術。我國也高度重視放射性廢物的治理，軍工遺留放射性廢物的治理和核設施的退役正在積極穩妥的進行，核電廠的放射性廢物處理技術水平也在不斷的提升。《中華人民共和國放射性污染防治法》[1]對放射性廢物管理提出了明確規定，核設施營運單位、核技術利用單位、鈾(釷)礦和伴生放射性礦開發利用單位，應當合理選擇和利用原材料，采用先進的生產工藝和設備，盡量減少放射性廢物的產生量。根據我國核電中長期發展規劃，到2020年我國運行核電機組裝機容量將達到5 800 萬kW，在建機組裝機容量將達3 000 萬kW。國家核安全局于2016年發布了核安全導則《核設施放射性廢物最小化》[2]。該導則要求應通過切實可行的設計和管理措施，并與國際最佳實踐相對比，使得核設施放射性固體廢物年產生量可合理達到盡量低，是國家監管部門對國內新建機組和運行的舊機組工藝改進的管理要求。核電的發展必然面臨著更多的放射性廢物的處理和處置任務，而核電廠放射性廢物治理實施廢物最小化技術任重道遠。

1 廢物處理技術

核電廠放射性廢物管理是從廢物產生到處置前的全過程管理，包括與廢物產生、預處理、處理、整備、貯存、運輸、退役等處置前相關的各項行政與技術活動。在核電廠運行過程中，由于中子活化和燃料組件破損，一回路冷卻劑中會產生活化產物、裂變產物，回路管道還會產生腐蝕產物，這些產物最后會形成帶有放射性的液體、氣體和固體廢物。核電廠在排放、暫存或最終處置這些廢物之前，都必須采用安全可靠的工藝進行處理。

核電廠在設計階段需要考慮較為完善的放射性廢物處理設施，以確保核電廠在運行期間能及時收集、處理、監測和排放(貯存)核電廠正常運行工況和預期運行事件發生時產生的放射性廢氣、廢液和放射性固體廢物。

壓水堆核電廠運行期間放射性固體廢物按照其產生的來源可以分為工藝廢物、技術廢物和其他放射性固體廢物，這些放射性固體廢物分類和組成列于表1。

工藝廢物中濃縮液、廢樹脂、水過濾器芯一直采用傳統的水泥固化/固定處理技術，增容比較高。技術廢物中可壓縮廢物，通過預壓縮、超級壓縮后固定，考慮到反彈原因，減容比有限。不可壓縮廢物中大部分部件表面接觸劑量率及表面污染很低，包括其他廢物，這些廢物目前各核電廠都采用暫存、衰變待處理。

我國的核電技術從最初的秦山一期、大亞灣核電站開始在不斷改進和發展，核電廠放射性廢物處理技術也在核電站多年運行經驗積累的基礎上進行了一些改進。根據壓水堆核電廠放射性廢物(三廢)處理流程，目前部分壓水堆核電廠已采用的廢物處理技術列于表2、表3。

2 廢物最小化改進措施

核電廠的放射性廢物最小化水平與工藝技術和運行管理水平密切相關，為了實現放射性廢物最小化，在運核電廠采取如下一系列管理措施和技術改進。

表1 核電廠產生的放射性固體廢物分類

表2 國內部分核電廠放射性廢氣/廢液處理應用工藝

1) √：應用；-：沒有應用。表3同。

表3 國內部分核電廠放射性固體廢物處理應用工藝

2.1 管理改進

設立專門放射性廢物管理機構，直屬于電廠管理。組織成員多為與放射性三廢處理密切相關的各部門經驗豐富的工程師，能更加專業地解決實際問題。

制定目標管理，將放射性廢氣、放射性廢液排放和中低放固體廢物作為環境管理體系的重要環境因素加以管理，制定年度目標值。

加強人員培訓，為了提高核電廠工作人員安全文化水平和廢物最小化管理意識，保障核電機組安全穩定運行，充分利用公司媒體、局域網大力宣傳廢物最少化管理理念。

規范日常大修管理，對運行系統設備隔離和對檢修廢物嚴格分類，等。

加強各電廠間的技術交流，共享放射性廢物管理經驗，提高最小化管理水平。

2.2 技術改進

技術改進是核電廠實現放射性廢物最少化最有效的方法。包括我國早期建設的機組如大亞灣核電站、秦山二期核電廠(一般稱為二代機組)；后續在此基礎上做了改進的機組稱為二代改進型機組(稱二代加機組)，如嶺澳核電二期等；AP1000、ACPR1000及以上機組簡稱為三代機組。

2.2.1二代機組技術改進

根據國外核電廠的運行經驗以及在實踐中不斷探索，大亞灣核電站通過一系列良好實踐進行了一些工藝改進。如采用一個水泥容器固定多個濾芯，按一桶10個濾芯計算，可減少廢物體積90%；應用1 500 t超級壓縮機，可減少可壓廢物體積35%；增加了應急貯存箱、移動式廢液處理設施，避免廢液用樹脂床處理。另外大亞灣核電站、秦山二期核電廠都與清華大學核能研究院合作進行含硼廢樹脂固化配方改進，包容率增加30%；秦山二期核電廠還改進了水泥固化線攪拌槳，提高固化體性能；同時采用金屬桶包裝容器，減少包裝容器體積，使得填充率達到90%以上等。

2.2.2二代加機組技術改進

對放射性廢物處理系統采取了改進措施。如工藝廢物廢樹脂、濃縮液處理，系統采用400 L鋼桶作為包裝容器，相對于混凝土容器減少了包裝容器的自身體積。將廢物處理廠房和廢物貯存廠房連為一體，用于處理該廠址所有機組產生的放射性固體廢物，提高了資源利用率。二代加機組核電廠放射性廢物處理系統(TES)操作，從操作盤操作、窺視鏡觀察，改為操作室集中操作、攝像頭監控，采用可編程邏輯控制器(簡稱PLC)控制。

2.2.3三代機組技術引進

三代AP1000機組一回路系統采用抗腐蝕性能更好的材料，燃料元件采用先進的表面處理工藝，這樣有效降低了裂變產物的釋放和腐蝕產物的生成，從源頭上減少了放射性廢物的產生量[3]。

三門核電廠含氫放射性廢氣采用活性炭延遲衰變處理工藝。放射性廢液主要采用深床過濾和離子交換處理工藝。對于0.25%燃料破損率時產生的廢液采用移動式處理裝置進行處理，該裝置基于活性炭過濾、反滲透和離子交換的處理工藝[4]。工藝廢物引進干燥、熱壓技術，干燥、熱壓技術主要針對濃縮液、廢樹脂及淤積物進行脫水干燥。主要是通過熱源加熱，抽氣、真空干燥原理將濕廢物中水份抽濾，使其干燥，裝160 L金屬桶超壓縮，然后裝200 L金屬桶灌漿固定處理技術。

臺山核電廠廢液處理系統取消除鹽床和過濾器,設置了離心分離設備對主要成分為有機物并且含其他鹽分及大量固體的廢液進行處理。這是其技術優勢，離心單元對主要成分為有機物并且含其他鹽分及大量固體的廢液處理能力為10 m3/h，主要產生物為淤泥，不會產生廢濾芯和樹脂。

第三代核電技術AP1000的引進，在設計中首次提出了離堆放射性廢物處理的概念，即在多堆核電廠址中設計獨立的放射性廢物處理設施，集合多種放射性廢物處理工藝來對多臺機組運行和事故工況下產生的放射性廢物進行處理，這樣既可以優化相關系統的功能設計又可以減少多機組相同系統的重復設計。

2.3 高完整性容器(HIC)應用

隨著國內核電建設規模擴大，我國陽江核電廠3#/4#機組和海陽核電廠先后引進了交聯聚乙烯HIC工藝。HIC是一種特殊設計制造的強度高、密封性好、化學穩定性和熱穩定性強的容器，其包容放射性的預期壽命不低于300 a。HIC按其材料可分為：混凝土HIC、交聯聚乙烯HIC和球墨鑄鐵HIC。

3 存在的問題

3.1 暫存庫容量緊張，處置場建設滯后

核電廠放射性廢物管理以確保核電廠運行安全和廢物安全為前提，以廢物安全處置為核心，是從搖籃到墳墓的廢物全過程管理。由于過去核電廠設計廢物庫容量的概念時，只考慮5 a的貯存量。目前運營較早的大亞灣核電站、田灣核電廠，隨著產生的固體廢物貨包逐年累積，廢物暫存庫貯存面積逐漸趨于緊張。在廢物無法送交處置場的情況下，核電廠需要擴建暫存庫的容量而且需要增加固體廢物暫存時間，從環境安全和資源經濟角度，這種做法是不適宜的。

目前各核電大省處置場建設還處在選址規劃中。選址規劃進展緩慢的主要原因是地方政府和當地民眾的利益難以協調，根本原因是核電發展與放射性廢物管理的國家職能的割離、核電發展經濟效益與環境代價的割離，以及對放射性廢物安全缺乏社會共識[5]。

3.2 技術創新研究機制有待完善

放射性固體廢物處理技術是在不斷創新中改進的，核電廠放射性固體廢物處理是幾種技術的組合。在我國核電發展戰略中如何引進先進技術？這是國內幾大核電集團共同關注的問題，也影響著國家廢物治理的發展。

一個反應堆先進與否與放射性三廢處理系統沒有直接關系。因國家法規、標準沒有明確要求，設計階段都是翻版+改進或引進模式。如二代改進機組核電廠放射性廢物處理系統在設計時技術上并沒有大的改進，采用鋼桶作為固化物包裝容器，會出現大部分的金屬桶廢物貨包外表面劑量率大于2 mSv/h而需要加二次屏蔽容器。原引進桶外攪拌技術因設備安裝場地限制改回桶內攪拌。即使采用新的廢物處理工藝都是從國外引進，如各核電廠配備的超級壓實機，三代技術核電廠處理技術引進的技術路線和設備。新技術引入沒有綜合評價標準，如引進的HIC就存在質疑。HIC在我國放射性廢物管理中的應用剛剛起步，從處理工藝、暫存、運輸和處置各個環節考慮，輻射防護、人員操作、貨包運輸以及安全處置等關鍵問題需要急需解決。

我國核電廠放射性廢物處理技術與發達國家的差距，在很大程度上與技術研發、裝備的落后相關。目前對于放射性固體廢物處理技術研究，一是科研院所申報項目、靠國家科研經費研究，很少能實際應用。二是各核電廠根據自身改進項目立項與研究單位共同研發，如固化配方研究等。

3.3 廢物貨包產生量仍偏高

雖然我國核電廠放射性廢物管理經過20多年實踐和探索取得積極進展，但國內在運和新建核電廠單臺機組放射性固體廢物包產生體積，與美國核電廠用戶要求文件(URD)推薦的管理目標值及國外先進水平仍有不小的差距，具體數據列于表4[4]。

表4 核電廠單臺機組放射性固體廢物包預期產生體積比較 (m3/a)

作為例子，表5列出了大亞灣、嶺澳一期和嶺澳二期核電廠運行以來產生的放射性廢物貨包組成分類統計。

由表5可見，核電廠各類放射性廢物中可壓縮廢物占最大比例，約占35.09%，其次是廢樹脂固化體約占23.02%，占總廢物體積的19.92%，水過濾芯占11.59%。

如何減少核電廠廢物體積，廢物處理技術的選用尤為重要。有些技術減容比高、如有機轉無機、固化體性能好，例如廢物焚燒技術，廢樹脂濕法氧化技術，濃縮液高效固化技術等建議選用。

表5 核電廠各類放射性廢物貨包組成比例

3.4 包裝容器偏多

廢物包裝是放射性廢物管理重要環節之一，廢物包裝應滿足運輸、貯存和處置的要求。至今，低中放固體廢物包裝容器尚沒有統一的國際標準。但大家認識到，選擇合適的包裝容器，不僅為了減少輻照，方便操作和運輸，而且為了以后處置的需要，作為多重屏障體系中的一道優良屏障，起到良好的隔離作用[6]。目前，國內核電廠使用的包裝容器尺寸大小、材質各不相同。混凝土容器有C1和C4型，金屬桶容器有200 L、320 L、400 L和1 m3，材質有碳鋼和不銹鋼。而陽江3#/4#以及海陽核電廠則使用交聯聚乙烯HIC。

包裝容器的多樣性對于最終處置場廢物擺放設計及運輸、吊裝操作等帶來困難。混凝土容器增容比大。金屬桶容器裝高劑量濾芯或廢樹脂固化體時表面接觸劑量率較高，需要用屏蔽轉運容器運輸。碳鋼金屬桶容器在電廠暫存太久有銹蝕風險。而交聯聚乙烯HIC又有以下缺點[7]：

(1) 由于交聯聚乙烯HIC自身無屏蔽，桶內直接裝填廢物后導致容器外表面接觸劑量率非常高，可達Sv/h級。

(2) 交聯聚乙烯HIC因其固有的材料特性，需考慮其裝填廢物時的累積劑量問題。

(3) HIC裝滿廢物封蓋后需要從固定的屏蔽容器中吊裝到移動的屏蔽容器中，此時HIC是裸露源，對周圍輻照影響較大，裸露吊裝問題需要考慮。

(4) 紫外線對于高分子材料有加速老化的作用，進而影響HIC的預期壽命。在儲存和運輸過程中應使其暴露時間盡可能短。

(5) 交聯聚乙烯HIC在運輸過程中必須配置運輸容器，該組合為A型貨包還是B型貨包取決于放射性廢物的總活度是否超過標準中的A1值。

(6) HIC作為一種特殊的容器，如何進行有效的處置設計，這一問題急需解決。

4 建議

針對目前核電廠放射性廢物管理存在的問題，如何使工作做到更規范、更具體，實行更嚴格的標準，建議如下：

4.1 完善低放廢物處置的相關規章和實施細則

加快放射性固體廢物處置選址規劃，根據《放射性污染防治法》和《放射性廢物安全管理條例》[8]規定，完善放射性固體廢物貯存、處置許可制度和安全監管措施。積極轉變觀念，重新解讀和研究區域處置概念，打破傳統意義上的大區域概念，國家統一規劃，在中低水平放射性廢物產生相對集中的一些省建立相應的處置場。鼓勵當地政府參與處置場建設和運營。明確將廢物處置規劃作為先決條件列入核電中長期發展規劃考慮，并開展經濟和政策補償、處置安全公眾可接受性和處置決策方法的研究。

根據核電廠具體采用的廢物整備工藝，建立統一的處置接收技術規范，其中包括關鍵核素、難測核素比例因子的確定、活度測量評估方法、廢物貨包編碼規則等，以免后續補救難度大。

4.2 技術引進和自主創新相結合

企業是技術引進的主體，對國際上先進技術引進應統一規劃，讓科研院所或研究單位與企業共同研究，研究引進技術和創新成果真正落地。立足高起點、高標準，以引進、消化、吸收國外先進技術，促進人才、技術、裝備水平的迅速提升，使我國核電廢物處理技術早日達到或接近發達國家水平。

摒棄以成套引進為主的方式，堅持采取以引進先進技術為主的方式，加以系統設計、集成，形成符合企業需要的先進流程，并承擔工程總承包。這樣做不僅有利于節約投資，更有利于消化吸收、創新。應制定引進規范標準，如技術的先進性、成熟性等，有經過實踐檢驗的技術，要確保符合我國國情。同時，要有利于拉動技術進步，要確保技術裝備性能穩定、質量可靠，能夠保證固化體性能長期穩定，并保證其操作、運輸、處置安全。當然，這些技術需經批準同意方可引進。

4.3 廢物包裝容器標準化

根據環境保護部、工業和信息化部、國家國防科技工業局聯合發布《放射性廢物分類》[9]公告，核電廠正常運行期間產生的廢物都屬于低水平放射性廢物。這些廢物需要長達幾百年時間的有效包容和隔離，可以在具有工程屏障的近地表處置設施中處置。為了實現安全處置，包裝容器作為一道屏障，包裝容器的設計、加工制造和產品檢驗，必須按標準和規范進行，要嚴格實行質量控制和質量保證。

核電廠固體廢物分類較為確定，需要推薦一套標準包裝容器，滿足不同類型廢物處理需要。這種容器應該耐久性好，運輸操作方便，工作人員受照劑量低，包容廢物效率高，經濟性能良好等等，符合最優化原則和ALARA原則[6]。

4.4 推廣廢物最小化實踐

蒸汽發生器排污系統(APG)廢樹脂清潔解控，輕微污染廢鋼鐵熔煉制作屏蔽材料以實現廢舊金屬的循環利用，復用型通風過濾器框架循環利用等。這些在運核電廠良好實踐經驗，應制定規范推廣應用。

在運核電基地和規劃建設核電廠，在廢物最小化改進計劃中，要有明確規定。如建設廠址廢物處理中心(SRTF)。特別是群堆核電廠采用多臺機組公用SRTF，對放射性固體廢物進行集中處理，既整合了資源，提高了利用率，也降低了廢物的處理成本。