放射性三廢處理技術發展概述

王沖 宋真

摘要：核能的發展給人類帶來巨大好處，同時也帶來了對人類健康和環境有害的放射性物質。許多科技工作者對放射性廢物的研究做出了很多的貢獻。本文通過搜集國內外廢物處理方法的相關資料，加以整理，為放射性廢物處理研究者們提供一些幫助。

關鍵詞：放射性廢氣處理；放射性廢液處理；放射性固體處理

1 前言

隨著我國經濟的不斷發展，國家對能源的需求越來越大，能源問題已經成為制約我國經濟社會發展的重要因素。核能是能量密度最高的能源，不釋放二氧化碳，應用前景遠大，大力核能發電，緩解當前我國對能源需求的壓力和對節能減排的壓力，是一項巨大舉措。

發展核能，必然會產生放射性廢物，有些放射性物質半衰期比較短，一段時間后處于很小的劑量水平，有些放射性物質半衰期卻很長，能長達數百年、數萬年，乃至數百萬年，因此必須對廢物進行嚴格管理，在和平利用核能的同時，確保放射性廢物對人類和環境的危害降到最低點。

對廢物進行管理，不外乎兩個方面，一是制度約束，二是技術手段。在制度建設方面，國際上有國際原子能組織對各個成員國進行嚴密監督，在國內有相關的法律、條例進行規范，和專門的部門進行行政管理，已經建立了一套完備的放射性物質管理機制；在技術手段上，從20世紀60年代以來，我國和世界上其他國家的科技工作者對此不斷進行研究，開發了很多有效的放射性廢物處理技術，盡最大努力減少了放射性廢物對環境和人類的影響，做出了杰出的貢獻。隨著國際上對放射性廢物處理的交流與合作越來越多，必將研究出更多更好的技術手段，對核能的和平利用產生巨大的影響。本文將放射性廢物處理進行整理，介紹國內外比較通用的技術手段，以及尚需發展的新技術。

2 放射性三廢處理技術

2.1 放射性廢氣處理技術

氣載放射性廢物一般屬于低中放水平。在鈾礦開采、選礦及水冶、精煉和轉化、鈾同位素分離、核燃料元件制備、核反應堆運行、核燃料后處理、鈾钚加工、放射性廢物處理、同位素生產與應用，及其他放射性物質操作過程中，均可能產生含放射性微塵、放射性氣溶膠和放射性氣體的氣載放射性廢物。

氣載放射性廢物凈化處理的主要目的是去除或降低放射性污染物，保護工作人員、公眾和環境。

氣載放射性廢物凈化處理主要手段可以分為兩大類：干法凈化和濕法凈化。

2.2 放射性液體處理技術

放射性液體處理技術用任何水處理方法都不能改變其固有的放射性衰變特性，其處理一般遵循兩個基本原則【5】：（1）將放射性廢水排入水體，通過稀釋和擴散達到無害水平。主要適用于極低水平的放射性廢水的處理；（2）將放射性廢水濃縮后，將其濃縮產物與人類的生活環境長期隔離，任其自然衰減，對高、中、低水平放射性廢水均適用。目前國內外普遍做法是對放射性廢水進行濃縮處理后貯存或固化處理。下面將介紹國內外對放射性廢水處理的一些方法。

2.3 放射性固體處理技術

2.3.1焚燒【14】

放射性廢物燃燒是將可燃性廢物氧化處理成灰燼或殘渣?？扇夹詮U物包括纖維性物質（織物、紙、木材）、塑料、橡膠、活性炭、石墨、動物尸體、廢樹脂、廢有機溶劑、廢機油、廢有機閃爍液等，種類繁多。對于低放射性可燃性廢物，焚燒是理想的高效減容技術，焚燒處理具有以下優點：

（1）可獲得高度的減容和減重（減容20-100倍，減重10-80倍），減少貯存和處置所占場地以及運輸、貯存和處置的費用；

（2）實現廢物無機化轉變，免除熱分解、輻射分解、腐爛、發酵和著火可能性，提高廢物貯存、運輸和處置的安全性；

（3）可回收239Pu和235U等貴重易裂變物質。

焚燒工藝流程圖為：

焚燒工藝流程圖

焚燒工藝可分為：分揀、破碎、進料、焚燒、排灰、煙氣冷卻、煙氣凈化等過程。

（1）分揀是挑出對焚燒爐設備和焚燒過程有害的物質和使物料具有盡可能均勻的組成和相近的熱值。分揀的方法手工分揀、磁選、重力分選、風選等。

（2）破碎是為了方便進料和充分燃燒。廢物破碎可用切割機、錘磨機等。

（3）進料：分為批式和連續進料。

（4）焚燒：焚燒主體是燃燒室，燃燒室有立式、臥式之分。

（5）排灰：廢物燃燒之后70%～90%放射性物質進入灰中。

（6）煙氣冷卻：煙氣凈化除高溫過濾外，必須冷卻到一定溫度后才能允許進入煙氣凈化系統，因此煙氣需要先冷卻。煙氣冷卻方法有冷空氣稀釋、噴水急冷和熱交換等。

（7）煙氣凈化：焚燒產生的煙氣需要凈化，達到允許限值之后才能向大氣排放。

2.3.1.1焚燒爐的類型：

（1）過量空氣焚燒爐

是使用較早也是目前使用最多的爐型。通常只有一個燃燒室，爐體分為立式和臥式。一般控制過量空氣30%-100%，爐溫800～1100℃。這種爐的優點是結構和操作簡單，缺點是燃燒不全。

為解決這一個問題，發展了高溫過濾技術。德國卡爾斯魯厄研究中心的焚燒爐屬這種爐型。焚燒爐處理能力50～60Kg/h，廢物組成為：布、紙、木50%～70%，塑料30%～50%，其中：聚氯乙烯<5%，聚四氯乙烯<0.05%.廢物比活度β/γ<1×1011Bq/m3，α<5×107 Bq/m3，系統去污因子>1×105。

過量空氣焚燒爐爐型成熟，應用廣泛。日本、奧地利、瑞士和我國臺灣省都建有這種類型的爐子。據統計，日本的核設施就有幾十臺過量空氣焚燒爐。

（2）控制空氣焚燒爐

為了克服過量空氣焚燒爐燃燒不完全而采用兩個或多個燃燒室。這種爐的結構有立式和臥式兩種。

美國洛斯阿拉莫斯實驗室為處理超鈾廢物而建造的，采用了上、下兩個燃燒室，處理能力為45Kg/h。這種爐在美國愛達荷、薩凡那河各建一臺，處理能力都為180 Kg/h，用于焚燒β/γ廢物，煙氣凈化用干式濾袋加高效空氣過濾器過濾。我國臺灣省也采用過這種爐子。

（3）熱解焚燒爐

是控制空氣焚燒爐的一種。焚燒先在不足氧和不太高溫的第一燃燒室發生熱解，然后進入第二燃燒室在過量空氣和高溫條件下得到完全燃燒。熱解爐特別適合燃燒塑料、橡膠物含量高的廢物，另外燃燒過程的釋熱速度不隨廢物熱值的不同而有較大的波動，易于控制；一次空氣流量小，氣流的擾動影響低，帶出的飛灰量低，煙氣凈化負擔減少。

中國輻射防護研究院開發的熱解爐，在我國逐步推廣應用。我國821廠已經建立起一個熱解爐裝置。

（4）旋風爐

旋風爐是懸浮燃燒，廢物先必須經過分揀、破碎，在攪拌的情況下，用高速氣流載帶碎塊，切向送入爐內，廢物碎塊在高速旋轉的氣流中燃燒。這種爐的優點是爐體結構簡單，操作方便，適用性強，允許燃燒含較多塑料和橡膠的廢物。

荷蘭KEMA公司為Dodeward核電廠設計制造的旋風爐處理能力為25Kg/h，旋風爐直徑為570mm，高870mm，后燃燒室直徑390mm，高650mm。爐體分別為碳鋼和不銹鋼，都有耐火村里。

還有一些其他的爐型，如高溫熔渣爐主要用來焚燒含較多不可燃物的廢物，流化床爐和熔鹽爐主要用于要回收钚的廢物的燃燒，近年來還在發展等離子體焚燒爐等。

2.3.2壓縮【15】

壓縮是借助于機械力使廢物密實化，提高廢物的整體密度?？蓧嚎s的廢物種類很多，除棉、紙、布、橡膠、塑料等軟質廢物外，污染的木材、玻璃、金屬制造閥門、器皿、工具、電纜、廢過濾器、風管，以及保溫材料、混凝土散塊等采用高壓或超高壓縮可使其達到或接近理論密度，也可以獲得減容。

壓縮減容的優點是：

（1）建造投資和運行費用低，對廠址要求不高

（2）設備簡單，運行方便，維護保養容易，易實現自動化

（3）二次廢物極少

壓縮有兩種方式，分為桶內壓縮和桶外壓縮。桶內壓縮主要用于被污染的工作服、口罩、手套和紙張等“軟”廢物的減容，也可用于被放射性污染的玻璃器皿以及保溫材料等硬廢物的減容。桶內壓縮操作簡單，將廢物放入桶內，壓縮機的壓頭沿桶內壁，垂直方向加壓將廢物壓實，分幾次加入廢物，幾次壓實，直到桶內廢物近滿后封蓋。減容比可以達到2～6，廢物在200L鋼桶內壓實，壓頭壓力不能太大，一般為20～30t；桶外壓縮是將“硬”廢物連同廢物桶一起壓縮，壓縮后放入專門的包裝容器內。

2.3.2.1超級壓縮技術

自1978年第一臺超級壓縮機投入運行以來，在比利時、法國、荷蘭、德國、意大利、日本、英國、美國、中國的用戶越來越多。主要是采用超級壓縮機方式，壓頭壓力一般大于10000kN，對200L桶進行壓縮，平均減容倍數達到10。目前投入應用的超級壓縮機有：荷蘭Petten，壓力為15000kN；德國NUKEM公司的HPA車載式流動壓縮機，壓力為20000kN，裝載在大卡車上，可以開到需要的地方去服務；荷蘭Fontijine公司生產的可移動超級壓縮機，壓力為20000kN，每小時可壓實20桶。

壓縮打包是一項成熟的技術，但是有幾個問題需要重視：一是在壓縮過程中要控制釋放出來的廢氣和廢液；二是壓縮處理過程中應設置足夠的輻射屏蔽措施；

2.3.3水泥固化

水泥固化是最早開發和現在仍被廣泛使用的固化低中放廢物的方法。水泥是廣泛使用的建筑材料，用它來固化低中放射性廢物，對放射性核素具有很好的物理包容性和吸附性，還具有較強的抗壓強度和自屏蔽能力，耐輻照和耐熱性能也比較好。

水泥固化關鍵之處是配方，合理控制水灰比和鹽灰比，可以獲得最佳固化效果。

水泥固化工藝有兩種：桶內攪拌和桶外攪拌。桶內攪拌是將廢物、水泥和添加劑分別加入到桶內，放入攪拌槳進行攪拌，直至均勻混合，提出攪拌槳，蓋上桶蓋；桶外攪拌是將廢物、水泥和添加劑分別加入到攪拌機里，均勻混合后再灌入到桶里。兩種方式各有千秋，前者適合于少量廢物生產，效率低，但是清洗方便，檢修容易，后者適合大量廢物生產，效率高，但清洗復雜，檢修不便。

2.3.4瀝青固化

瀝青固化是將熔融瀝青或乳化瀝青同廢物均勻混合，同時蒸發除去水分，最后裝桶，冷卻獲得固化產品。

由于瀝青的可燃性以及瀝青固化產品受熱和輻照的影響很大，特別是瀝青固化氧化性硝酸鹽廢物，燃爆風險大，國內外多次發生過著火爆炸事故/事件，今年來不少國家已經棄之不用。

2.3.5塑料固化【16】

塑料固化又稱聚合物固化，具有廢物包容量高，核素浸出率低，對有機廢物相容性好特點。4m3蒸殘液若實行水泥固化，產生40桶（每桶200L）固化產品，總重為22t；若用塑料固化，僅有7桶，總重量為2t。塑料固化體抗浸出性比水泥固化體高1～3個量級。廢樹脂、廢溶劑、廢機油很適合塑料固化。

塑料固化存在的不足是：不適合固化高放射性物質，不能承受高輻照和高釋熱作用，需要對廢物做脫水處理，固化的費用也比較高。

3 結語

放射性廢物處理的最終目的是將廢物量減少到最少，盡可能的將廢物對人類對環境的危害降低到最低。當前廢物處理將沿著三個方向發展：（1）進一步完善現有的工藝，發揮工藝的最佳效能；（2）將多種工藝進行聯合處理研究，這樣可以做到取長補短，發揮最大的效益；（3）積極研究新工藝的工程應用，探索出廢物處理的新手段。隨著放射性三廢處理技術的交流越來越多，以及科技發展的推動作用下，必然會產生更好的放射性廢物處理技術。

參考文獻：

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[5] 中國大百科全書環境科學編委會編.中國大百科全書·環境科學[M].北京：中國大百科全書出版社。2002：67.

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