AP1000與CPR1000放射性廢液處理系統的比較研究

邱志超

摘? ?要：AP1000與CPR1000在放射性廢液處理系統的設計上存在較大差異。本文從設計思路、處理模式、處理工藝等方面對兩者進行了比較研究。CPR1000放射性廢液處理系統基本延用傳統的設計思路和處理工藝，凈化效果更佳，但仍存在傳統設計中的缺陷，如采用系統復雜且維護困難的蒸發濃縮工藝。相比之下，AP1000放射性廢液處理系統的設計理念更先進，采用單機組設計與全廠址共用相結合的處理模式及以離子交換為核心的處理工藝，兼顧了安全、經濟、高效等多方面的優勢。

關鍵詞：AP1000? CPR1000? 放射性廢液處理系統? 蒸發濃縮? 離子交換

中圖分類號：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0094-03

核電廠在運行和檢修期間都會產生一定數量的放射性廢液。為保證這些廢液達標排放，避免對公眾、環境造成不利影響，核電廠均設計有放射性廢液處理系統。核電廠采用的技術路線不同，放射性廢液處理系統的設計也會有所不同。本文選取AP1000與CPR1000這兩種國內應用較多的核電廠，從設計思路、處理模式、處理工藝與設備等方面對它們的放射性廢液處理系統進行了比較研究。

1? AP1000放射性廢液處理系統

AP1000放射性廢液處理系統（WLS）設計用于控制、收集、處理、輸送、儲存和排放處置電廠正常運行及預期運行事件下產生的放射性廢液。系統預留設計接口，對異常工況（如燃料包殼破損率≥0.25%或蒸汽發生器傳熱管破裂）產生的放射性水平較高的廢液，可通過接入廠址廢物處理設施SRTF的移動式處理設施進行處理[1]。

WLS系統為單機組設計。多機組共用同一廠址時，每臺機組都需要獨立的WLS系統，同時共用SRTF處理化學成分復雜、放射性水平高的極少部分廢液。

AP1000核電廠產生的放射性廢液主要包括四類：反應堆冷卻劑流出液、地面和設備疏水、洗滌劑廢液和化學廢液。這些廢液均采用不復用的處理方式，但對于不同類型的放射性廢液，處理工藝各有不同。

1.1 反應堆冷卻劑流出液

含硼和氫的反應堆冷卻劑流出液來自兩路：化容系統CVS下泄流和反應堆冷卻劑疏水箱，這兩路廢液共用CVS下泄管線。CVS下泄流主要由反應堆冷卻劑系統加熱、硼濃度變化和RCS回路疏水運行所產生。反應堆冷卻劑疏水箱用于接收各類安全殼內一回路系統和設備的泄漏水和疏水。

所有反應堆冷卻劑流出液，都可能含氫和溶解性的放射性氣體。因此，在進入流出液暫存箱之前，需通過真空脫氣裝置脫氣。脫除的溶解氫和裂變氣體排往放射性廢氣處理系統，脫氣塔排放泵將流出液送到指定的流出液暫存箱中。流出液暫存箱內液體可循環取樣，送回真空脫氣裝置進一步脫氣，或經CVS補水泵送回反應堆冷卻劑系統，或經化學絮凝、前過濾器、離子交換床（共4臺）和后過濾器進一步處理，之后通過監測箱取樣和稀釋排放[1]。

1.2 地面和設備疏水

具有潛在高懸浮固體顆粒雜質的地面和設備疏水收集在廢液暫存箱中。廢液暫存箱可通過添加化學試劑改善過濾和離子交換處理性能。當廢液暫存箱充滿后，廢液暫存箱泵將廢液輸送往系統處理，處理方法除無化學絮凝外，同反應堆冷卻劑流出液的一致[1]。

1.3 洗滌劑廢液

洗手廢液箱收集所有含有肥皂水和洗滌劑的放射性廢液，主要包括電廠熱去污水槽、洗手槽、熱淋浴器和一些清洗、去污工藝。洗手廢液不適合用活性炭和離子交換樹脂處理。這類廢液可能含有較高的溶解性固體顆粒，但通常放射性濃度很低，可不經處理直接監測排放。如有必要，洗滌劑廢液由特殊的屏蔽箱體送往SRTF或由SRTF的移動式處理設施來處理[1]。

1.4 化學廢液

化學廢液收集在化學廢液箱內，產生量很少，主要來自放化實驗室水槽疏水。這類廢液只收集而不進行處理。在化學廢液箱中添加化學試劑調節pH值等化學性質。如果放射性濃度能滿足排放要求，則將其中和后送入監測排放管線進行排放，否則通過屏蔽轉運容器將其送往SRTF進行處理[1]。

2? CPR1000放射性廢液處理系統

CPR1000對放射性廢液的分類包括可復用廢液和不可復用廢液，分別采取不同的收集、處理方法[2]。

2.1 可復用廢液的處理方式

可復用廢液由硼回收系統TEP進行處理，廢液來自化容系統RCV和核島排氣和疏水系統RPE的含氫反應堆冷卻劑?？蓮陀脧U液處理方法如下圖所示：TEP的前置貯存、過濾除鹽和除氣子系統設有2個獨立系列，各服務于一臺機組，有連接管道可相互備用，其余部分為兩臺機組共用。

過濾器為細網眼機械過濾器;除鹽裝置由陽床和混床組成。陽床用以去除陽離子雜質，并對銫具有高選擇性能和較好的攔截能力?；齑簿哂休^徹底地去除弱堿性陰離子的能力。脫氣裝置用來去除溶解在排出液中的氫、裂變氣體和其他氣體，采用熱力除氣法，熱源來自輔助蒸汽。

蒸發裝置通過熱力蒸餾的方式，將可復用的一回路排水分離成硼含量低于5×10-6，氧含量低于0.1×10-6的蒸餾水和硼含量為7000×10-6的濃硼酸溶液，分別送往蒸餾液和濃縮液監測槽，取樣合格后重復利用[2]。

2.2 不可復用廢液的處理方式

不可復用廢液由廢液處理系統T E U進行處理，廢液來自于幾部分：

（1）工藝排水箱：接收不能回收的一回路冷卻劑的泄漏水、設備疏排水、樹脂沖洗水、T E P系統不能回收的濃縮液和固體廢物處理系統廢樹脂清洗水等;

（2）地面排水箱：接收地面疏排水和洗衣房排水;

（3）化學排水箱：接收化學取樣和實驗室廢水。

TEU為上述廢液提供獨立的前端貯存、檢測和處理。TEU將高放廢液與低放廢液分開處理，低放廢液可經過濾后直接排放，而高放廢液的化學含量低時，經過除鹽處理，如果化學含量高，則進行蒸發濃縮，蒸發器的工作原理和TEP系統相類似，濃縮液送往固體廢物處理系統TES固化和裝桶。TEU系統包括六個單元：前貯存單元、化學中和單元、蒸發凈化單元、除鹽凈化單元、過濾凈化單元、監測排放單元，為兩臺機組共用。

化學中和單元由兩套相同的裝置組成：一個用作酸中和，另一個用作堿中和。采用的分別是硝酸和氫氧化鈉溶液。氫氧化鈉溶液可以保證廢液在蒸發器中蒸發濃縮后，常溫下不致結晶。硝酸和氫氧化鈉溶液用于調節廢液貯存箱中的酸堿度，從而增加濃縮液的溶解度，改善廢液的質量，以利于水泥固化;同時，可以為直接排放的廢液調節pH值，使其在可接受的排放限值以內[2]。

3? 兩種放射性廢液處理系統的比較分析

3.1 設計思路的差異

除專設安全系統、建造模式等外，AP1000與CPR1000在堆芯設計、反應堆控制方式、廠房布置等方面也有較大差異。這些決定了兩者在放射性廢液處理系統的設計思路上同樣存在較大差別。

3.1.1 反應堆冷卻劑流出液的處理

對于反應堆冷卻劑流出液，CPR1000延用傳統壓水堆核電廠的處理方式，即由硼回收系統采用蒸餾的方式回收濃硼酸，以實現循環復用。而AP1000在設計上取消了硼回收系統，采用反應堆冷卻劑流出液不予回收的運行方式。這一設計特點決定了APl000的WLS系統必須承擔此類廢液的處理，使WLS系統需要處理的廢水量更大，但成熟高效的脫氣、過濾、離子交換工藝保證了良好的處理效果。

3.1.2 處理模式與系統布置

CPR1000放射性廢液處理系統中除TEP系統的前置貯存、過濾除鹽、除氣三個單元為單機組獨立設置外，其他處理單元均設計為兩臺機組共用。此外，CPR1000所有的放射性廢液處理工藝都布置在核島區域。

AP1000放射性廢液的處理模式設計為單機組獨立設置與全廠址共用相結合。多機組共用同一廠址時，每臺機組都需要獨立的WLS系統，處理正常運行及預期運行事件下產生的放射性廢液，廠址所有機組同時共用獨立的離島子項SRTF處理異常工況下產生的化學成分復雜或放射性水平高的少部分廢液。

AP1000各機組的WLS系統與SRTF有序配合，不僅簡化了放射性廢液系統的工藝和布置，提高了設備利用率，也形成了一系列可觀的共享資源。由于異常工況的發生概率低，廠址所有機組只需配備一套移動處理設施，其處理工藝為多個處理模塊的組合，靈活通用，可滿足任何一臺機組的需求[1]。

3.1.3 含油廢液和蒸汽發生器排污廢液的處理

對于含油的放射性廢液，CPR1000只在核島相關區域收集，尚未設置專門的處理工藝，而AP1000提供了一定的處理手段。AP1000的WLS系統中，前過濾器內的吸油性聚丙烯過濾袋和第一臺離子交換床頂部的活性炭承擔了離子交換處理前的油水分離功能。

對于蒸汽發生器排污水，AP1000一般由蒸汽發生器排污系統收集處理，當出現蒸汽發生器傳熱管泄漏導致二回路放射性不合格時，蒸汽發生器排污水將被轉送至WLS系統處理并排放。而在CPR1000中，蒸汽發生器排污水無論放射性是否合格均暫存到常規島廢液排放系統的儲存槽，槽內廢液最終都轉至放射性廢液處理系統進行處理，這無疑增加了系統的運行負荷和廢物處理量，不符合廢物最小化原則[3]。

3.2 處理工藝的比較

可以看出，無論是AP1000還是CPR1000，放射性廢液的處理工藝都是多種方法的聯合應用，但核心處理工藝有根本區別，AP1000為離子交換，CPR1000為蒸發濃縮。

理想的放射性去污工藝包括三項要素：最大的去污因子和濃縮倍數、最少的二次廢物和最小的受照劑量和環境影響。就第一項而言，蒸發濃縮法優于離子交換法，但后兩項上明顯差于離子交換法。蒸發濃縮法的去污因子和濃縮倍數均比離子交換法高一個以上數量級，凈化效果更佳，但所使用的蒸發器體積大、復雜、昂貴，而且維護要求高，同時需考慮人員的輻射防護問題。另外，蒸發的殘渣（或濃縮液）還會產生更多的放射性固體廢物。美國URD文件已經不允許輕水堆核電廠使用蒸發處理工藝[1]。

對于核電廠所產生的放射性廢液（基本上是低、中放），離子交換法比蒸發濃縮法更適用。但對于異常工況下產生的放射性水平較高的廢液，AP1000主要依靠臨時接入的移動處理設施，能否進行有效處理，需待依托項目運行驗證。

3.3 放射性物質排放的比較

由下表可看出，AP1000雖然不復用放射性廢液，但由于正常運行期間放射性廢液的產生量較小，所以放射性物質的排放量并不高，部分核素的排放量相比CPR1000還要低一些[2]。

3.4 濕廢物產生量的比較

由下表可看出，AP1000由于沒有采用蒸發濃縮法，不產生蒸發濃縮液，濕廢物產生量明顯低于CPR1000。此外，CPR1000廢液處理系統的蒸發裝置的日常維修活動還會增加額外的干廢物[2]。

4? 結語

經比較，CPR1000放射性廢液處理系統基本延用傳統的設計思路和處理工藝，凈化效果更佳，但傳統設計中的缺陷仍然存在，如采用系統復雜且維護困難的蒸發裝置。相比之下，AP1000放射性廢液處理系統的設計理念更先進，兼顧了安全、經濟、高效等多方面的優勢，采用單機組設計與全廠址共用相結合的處理模式及以離子交換為核心的處理工藝，取消了硼回收系統和蒸發裝置，極大簡化了系統和設備，同時明顯減少了廢物產生量，提高了設備利用率，但由于依托項目機組投產時間不長，革新型設計理念和處理效果需在運行實踐中加以驗證。

參考文獻

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[2] 白玉.三種不同設計核電廠放射性廢液處理系統差異性分析[J].中國核電，2014，7（1）：86-91.

[3] 劉昱，劉佩，張明乾.壓水堆核電站廢液處理系統的比較[J].輻射防護，2010，30（1）：42-47.