放射性廢物最小化技術經濟性分析模型

宋云龍, 吳志鋒

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連，116300)

1 廢物最小化技術經濟性分析需求

1.1 廢物處置面臨形勢

截至2019年6月我國大陸地區已有在運核電機組47臺，裝機容量為4 873萬千瓦時，以每臺機組每年產生50 m3放射性固體廢物估算，每年大陸地區將會產生2 350 m3放射性固體廢物，隨著新建核電機組逐步投入運營，這一數字還將不斷快速增長。目前我國已建成的低放、中放廢物處置場有西北北山處置場、四川飛鳳山處置場和廣東北龍處置場，只有北龍處置場是企業自行出資建設，是國內唯一的商用處置場,其設計總處置容量80 000 m3，首先建造8個處置單元(可處置8 800 m3)和整個處置場的全部公用設施。目前我國除大亞灣核電基地的放射性廢物部分送至北龍處置場外，其余各核電廠的低放均暫存在各自的暫存庫中。其中，個別核電廠暫存的廢物已超過國家規定的暫存期限(5a)[1]。

我國某核電廠自首臺機組商運以來，已產生放射性廢物840.7 m3，四臺機組商運后平均每年產生 166.9 m3，預估6臺機組商運后平均每年產生250.4 m3，其放射性固體廢物暫存廠房的設計容量3 376 m3，如不考慮其5/6號機組建設時間，預計最多十年存儲的廢物將達到廠房設計容量的上限。由于其所在省份低放廢物處置場建設、竣工時間及處置費用不確定，該核電廠必須不斷提升廢物最小化水平，以應對最壞的情況。

整體來看國內大部分核電廠均存在放射性固體廢物暫存的壓力，而且隨著運營時間的增長，這個壓力會越來越大。在區域性可用的低放廢物處置場建成之前，相關核電廠將面臨嚴峻的廢物處置形勢。

1.2 廢物最小化新技術發展趨勢

目前，單純依靠對可壓縮固體技術廢物進行壓縮已經不能滿足核電廠放射性固體廢物減容的需求，這個需求來自外部監管部門和電廠內部對年廢物產量的管理要求、電廠內的暫存庫容壓力以及未來處置費用的不確定性。各核電廠已開始從材料/備件選擇、運行及維修工藝管理、廢物精細管理、廢物處理等方面進行優化，很多時候是幾項優化同時實施。

通過分析廢物最小化新技術可以發現，廢物最小化的工作重心由原來的后端控制逐漸變為前端控制和過程控制；從單個環節優化發展為多個環節優化；從非主要系統相關變為主要系統相關；在管理方面也越來越趨向于精細化和多元化。

1.3 經濟性分析需求

很多廢物最小化技術均需要核電廠通過立項采購來實施，在立項過程中核電廠相關部門需對項目的經濟性進行審核。在對這些項目進行經濟性分析時，不僅需要考慮廢物減容量，還需要對所采用技術各個環節的成本及收益進行分析，將整體的成本和收益進行比較來判斷其經濟性。即使某些最小化項目有著明顯的成本優化效果，我們也需要在立項階段全面的分析其經濟性情況，以供有多個優化方案的情況下進行經濟性比較。為了能夠簡單明了且較全面的完成放射性廢物最小化技術的經濟性分析，建立一個可用于所有最小化技術經濟性分析的模型十分必要。

2 廢物最小化技術分析

合理和明確的最小化技術拆解分析，對于項目經濟性分析會有很大的幫助。絕大部分的技術廢物和工藝廢物均來源于機組運行和維修過程中使用的耗材和備件，以及放射性系統中的介質，其在運行和維修活動中被污染變為放射性廢物，放射性廢物經過處理后形成廢物貨包。根據放射性廢物在各個階段的狀態和其所經歷的活動，廢物最小化技術通?？煞譃楹牟膫浼灮⑦\行維修工藝優化、廢物優化、處理技術優化等四個優化環節(見圖1)。

2.1 耗材備件優化

耗材備件優化手段主要有兩類，一類是通過優化耗材備件質量、性能或尺寸，來降低使用的數量或體積，以減少廢物產量；另一類是使用特殊材質耗材備件以便于在廢物處理時能選取減容系數較大的處理工藝。例如，選用易去污材料和耐久性較好的材料、在滿足需求的情況下改變材料的尺寸、選用可降解的材料、選用可焚燒處理的材料、選用可復用的材料等等。

比較成功的案例有：精細化管理塑料布，針對工作中不同的防表面污染需求采購不同厚度的塑料布，最大限度的降低塑料布廢物體積；采購可復用式空氣凈化濾芯，重復使用濾芯金屬框架；采購聚乙烯材質塑料布，便于處理時選擇焚燒工藝。

2.2 運行維修工藝優化

運行維修工藝優化包括通過優化某些系統的運行方式、運行參數、運行狀態從而減少工藝廢物，或者通過優化維修工藝來減少技術廢物。例如，通過修改運行參數減少除鹽床樹脂填充量、通過優化系統廢液排放管理減少濃縮液產量、通過優化維修工作流程減少防護用品或耗材使用量、通過提升維修水平降低設備部件報廢率等等。

比較成功的案例有：通過工藝優化將TEP006DE填裝量由1 500 L減容至500 L；通過優化維修工作工序，減少班組成員進出放射性污染場地次數，降低防污染附加防護用品使用量。

2.3 廢物管理優化

廢物管理優化是指在廢物被處理形成貨包前進行的優化，一方面是通過管理手段或技術手段提升廢物復用率和再利用率，另一方面是將沒有利用價值的廢物通過精細化管理最大化的進行極低放與低放分別存放管理，將極低放根據情況暫存后解控或進行填埋處理，從而最大限度的降低放射性廢物處理成本。例如腳手架管去污后復用、臨時專用設施軟管復用、蒸汽發生器排污系統濾芯及樹脂解控、通風濾芯拆解后框架和濾紙分別處理、報廢連體服等極低放廢物單獨暫存等等。

2.4 廢物處理技術優化

廢物處理技術優化是針對已確定為放射性廢物的物項進行最優處理技術選擇，以實現減容系數和經濟性最優化。例如通過改變處理工藝增加單桶承載量、焚燒處理、極低放廢物填埋處置等等。

3 廢物最小化技術經濟性分析模型

3.1 廢物管理成本分析

核電廠產生放射性廢物所帶來的成本主要包括廢物處理成本、暫存成本和處置成本，其中暫存成本基本可以近似為固定值，其主要包括暫存期間廢物的管理和廠房管理相關成本。為了較為直觀的了解放射性廢物所帶來的成本，以及此成本對核電廠效益的影響，我們可以使用度電放廢成本來評價。為了排除部分核電廠發電形勢不好對此值的影響，我們可以統一使用設計度電放廢成本來評價，這個值可以用來做各核電廠放射性廢物管理水平的橫向對標。設計度電放廢成本(C)可表示為：

C=(VA×CA+CB+VA/F×CC+VB×CD)/E

(1)

式中，VA表示年低放廢物產生體積(處理前)，m3；VB表示年極低放廢物產生體積，m3；CA表示單位體積低放廢物處理成本單價，元/m3；CB表示年廢物暫存成本，元；F表示電廠放射性固體廢物綜合減容系數(表示各類廢物的整體減容效果)；CC表示單位體積低放廢物貨包處置成本單價，元/m3；CD表示單位體積極低放廢物處置成本單價，元/m3；E表示核電廠設計年發電量，千瓦時。

從上式我們可以看出，在CA、CB、CC、CD不變的情況下，如果想降低C值，在廢物管理可控的范圍內，我們只需盡可能降低VA+VB、提高F。耗材備件優化、運行維修工藝優化、廢物管理優化都是為了降低VA+VB，同時盡量通過優化管理避免極低放廢物被當作低放廢物處理，也就是在VA+VB固定的時候盡量降低VA提高VB，以降低廢物整體處置成本。廢物處理優化則是為了提高F。但是在實際工作中很多優化措施在降低VA和提高F的同時也增加了CA，而且還引入了其它成本。CB主要涉及廠房管理及轉運、巡檢等人工成本，其受廢物產量影響很小，可以看做恒定值。CC、CD為處置成本，主要和市場價格相關，不受核電廠控制，其中CC參考國際上已運營廢物處置廠收費標準和行業指導價約為4萬元/m3[2]。

3.2 廢物最小化技術經濟性分析

廢物最小化技術實施過程中每個優化環節都有可能帶來減容量和成本變化。成本變化中主要包括耗材及備件成本、人工成本、設備成本三項成本要素，其中人工成本包括相關優化工作帶來的材料管理成本、核電廠原有系統的運行和維修工作成本、新采購設備的運行和維修成本。

這里我們可以用綜合經濟收益(D)來評價廢物最小化技術的經濟性。如只涉及低放廢物優化則：

D=(V1+V2+V3+V4)×CC-
(C1+C2+C3+C4)

(2)

式中，V1、V2、V3、V4分別表示四個優化環節所帶來的廢物體積變化量(可為正值或負值)，m3；(V1+V2+V3+V4)即整個廢物最小化技術實施帶來的體積變化，也可用ΔV表示；C1、C2、C3、C4分別表示四個優化環節所引入的成本變化量(可為正值或負值)，元；(C1+C2+C3+C4)即整個廢物最小化技術實施帶來的成本變化，也可用ΔC來表示，則式(2)可變化為：

D=ΔV×CC-ΔC

(3)

為了簡化公式，V1、V2、V3所帶來的廢物處理成本變化統一在ΔC中考慮。

如果優化內容為將廢物從低放廢物中識別為極低放(此過程特指通過管理或監測手段提升極低放廢物的識別能力，不涉及廢物處理)則：

D=ΔV×CC-ΔV×CD-ΔC

(4)

如果優化內容為同時優化了低放廢物和極低放廢物體積則：

D=ΔVA×CC+ΔVB×CD-ΔC

(5)

式5中ΔVB同時包括減少的極低放廢物體積，以及從低放廢物轉入極低放廢物所增加的體積。

如果A廢物最小化技術通過計算DA>0，則A廢物最小化技術具有經濟可行性，如果同時還有B廢物最小化技術，DB>DA，則說明在經濟性方面B技術優于A技術。

以上經濟性分析只考慮了ΔC為低值簡單物項采購及服務類采購成本的情況，如果某廢物最小化技術需采購固定資產類設備，且該設備需運行維修，則計算ΔC時需考慮設備采購(包括安裝調試)成本、設備運行維修成本以及投資回收期與設備壽命的關系。在這里我們可以用靜態投資回收期法進行分析[3]，靜態投資回收期不考慮資金的時間價值，投資回收期是以廢物最小化項目的全部凈收益抵償全部投資所需的時間T表示，即

(6)

式中，(Ci-C0)T為第T年現金流入量Ci與現金流出量C0之差。Ci包括設備對廢物減容帶來的收益，C0包括設備一次性采購成本、設備運行維修以及設備拆除和報廢成本(或折舊成本)。如果得出T<設備壽期則具有經濟可行性。

3.3 經濟性分析模型

放射性廢物最小化技術經濟性分析模型可以分為四個步驟，可稱為四步法分析模型。四個步驟分別是拆解、識別、計算、對比。

某核電廠為了降低放射性表面污染場地所用塑料布產生的放射性廢物，他們一方面通過精細化管理采購不同厚度的塑料布用在有不同需求的工作中來降低廢物體積，另一方面通過將聚氯乙烯材質的塑料布替換為聚乙烯材質的塑料布以進行焚燒處置來降低最終廢物體積。按照圖3分析，我們可以得出如表1分析過程。

表1 塑料布放射性廢物優化措施經濟性分析

4 結論

四步法分析模型可較精確的完成放射性廢物最小化項目的經濟性分析，可使用此分析模型編寫相關立項的經濟性分析報告，以供財務部門在立項時進行經濟性審查。使用此分析模型需充分考慮各個環節所帶來的ΔV和ΔC的變化，同時獲得所需各項數據的精確值。做好經濟性分析需要重點關注兩個問題，一個是ΔV需考慮廢物最小化技術實施過程中帶來的二次廢物；另一個是在分析過程中獲得部分數據的準確值存在一定困難，特別是低放廢物處置成本以及極低放廢物處置成本，需要結合各核電廠所在省份實際情況進行估算。