陽江核電廠放射性固體廢物最小化實(shí)踐和探索

姚志猛，朱劍銳，馮金才，鄒曉煒，劉資平，李新賢

(陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941)

核電廠放射性廢物管理遵從廢物最小化原則，即使放射性廢物的體積和活度減少到可合理達(dá)到的盡可能少的原則。廢物最小化的目標(biāo)是限制廢物的產(chǎn)生和放射性污染的擴(kuò)散以及貯存和處置廢物的體積，保護(hù)環(huán)境和公眾健康。國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)規(guī)定，就核電廠放射性廢物的活度和體積而言，應(yīng)通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)措施、運(yùn)行和退役經(jīng)驗(yàn)，使放射性廢物的產(chǎn)生量盡可能小，即最小化，包括減少廢物產(chǎn)生量和對已產(chǎn)生的廢物進(jìn)行減容。目前陽江核電廠1、2、5、6號(hào)機(jī)組采用普通水泥固化設(shè)計(jì)，3、4號(hào)機(jī)組為HIC桶裝設(shè)計(jì)。兩種不同設(shè)計(jì)為后續(xù)的廢物最小化實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)廢物最小化的環(huán)境效益是不言而喻的, 已成為目前放射性廢物管理的重要目標(biāo)。廢物最小化的實(shí)現(xiàn)依賴于運(yùn)行單位管理水平和安全文化素養(yǎng)的提高。它始于核設(shè)施的設(shè)計(jì), 終于核設(shè)施的退役和廢物最終處置, 貫穿于設(shè)計(jì)、采購、建造、調(diào)試、試運(yùn)行、運(yùn)行、關(guān)閉和退役的壽命周期全過程。近年來, 陽江核電廠在廢物最小化方面做了大量的工作，尤其是采用焚燒工藝處理放射性可燃廢物之后，取得了顯著的環(huán)境效益。

1 放射性固體廢物的來源

放射性固體廢物主要有工藝廢物和技術(shù)廢物兩大類。工藝廢物主要是系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的廢物，與核電站的運(yùn)行狀況有關(guān)，主要包括廢樹脂、蒸發(fā)濃縮液、廢過濾器芯子。技術(shù)廢物是指核電廠檢修、維護(hù)過程中產(chǎn)生的廢物，如塑料布、手套、膠帶、紙、木塊等。

陽江核電廠共有6臺(tái)機(jī)組，每2臺(tái)機(jī)組共用一套放射性廢物處理系統(tǒng)和放射性固體廢物處理系統(tǒng)，核電廠采用了兩種處理工藝。其中1、2號(hào)機(jī)組和5、6號(hào)機(jī)組采用的是蒸發(fā)濃縮廢液處理工藝和水泥固化放射性固體廢物處理工藝；而3、4號(hào)機(jī)組采用的是除鹽床+RO膜廢液處理工藝和高整體容器(HIC)放射性固體廢物處理工藝；由于處理工藝不同，不同機(jī)組放射性固體廢物的來源也不一樣，其不同點(diǎn)為1、2、5、6號(hào)機(jī)組的工藝廢物為濃縮液，廢樹脂和廢過濾器芯；而3、4號(hào)機(jī)組的工藝廢物中不產(chǎn)生濃縮液，而產(chǎn)生放射性活性炭和失效的RO廢膜，其余的工藝廢物如廢樹脂和廢過濾器芯以及技術(shù)廢物成分，兩種機(jī)組基本相同。3、4號(hào)機(jī)組固體廢物的主要來源示于圖1。

圖1 3、4號(hào)機(jī)組放射性固體廢物的主要來源Fig.1 Main sources of radioactive solidwastes of Units 3 and 4

2 當(dāng)前放射性固體廢物處理工藝

2.1 工藝廢物

該核電廠1、2號(hào)機(jī)組和5、6號(hào)機(jī)組的廢樹脂、蒸發(fā)濃縮液、廢過濾器芯子等工藝廢物主要是采取傳統(tǒng)的水泥固化工藝，在固廢處理系統(tǒng)(TES)進(jìn)行處理，工藝廢物和一定量的水泥加入400 L金屬桶中攪拌固化。水泥固化后的400 L金屬桶廢物貨包在廢物暫存庫(QT)暫存，最后送至處置場近地表處置。

3、4號(hào)機(jī)組的廢樹脂、活性炭、廢過濾器芯子等工藝廢物主要裝填至HIC容器內(nèi)，裝滿后用脫水泵進(jìn)行脫水，確認(rèn)游離水量不超過廢物體積的1%后，利用HIC封蓋裝置進(jìn)行封蓋，封蓋完成后通過HIC廠內(nèi)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器和車輛將HIC貨包運(yùn)往QT庫進(jìn)行暫存處理。需要說明的是國家核安全局最新發(fā)布的 GB 36900.3—2018 《低、中水平放射性廢物高完整性容器標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了HIC桶裝廢物處置的要求及細(xì)則。但是根據(jù)現(xiàn)行 GB 16933—1997 《放射性廢物近地表處置的廢物接收準(zhǔn)則》等相關(guān)準(zhǔn)則，并未涉及HIC桶裝廢物準(zhǔn)許接收規(guī)定，HIC最終送往近地表處置相關(guān)準(zhǔn)許標(biāo)準(zhǔn)還處于專家論證階段。

2.2 技術(shù)廢物

陽江核電廠技術(shù)廢物統(tǒng)一在廢物輔助廠房(QS)進(jìn)行處理。

首先對輸送來的放射性技術(shù)廢物進(jìn)行分揀，將可燃廢物預(yù)壓裝入200 L金屬桶后，預(yù)壓縮廢物，并對預(yù)壓縮后的廢物桶進(jìn)行超級(jí)壓縮，經(jīng)超級(jí)壓縮后的桶餅裝在400 L金屬桶內(nèi)進(jìn)行固定及封蓋處理，形成廢物貨包。每3個(gè)200 L金屬桶壓縮餅，裝入1個(gè)400 L廢物桶內(nèi)進(jìn)行水泥固定處理，減容因子僅為1.5。不可燃技術(shù)廢物裝入400 L金屬桶廢物貨包，經(jīng)水泥固定后在QT廠房暫存，最后送至處置場近地表處置。

核電站可燃技術(shù)廢物處理方法改為焚燒后，減容因子可達(dá)40～60，減容效果明顯，符合廢物最小化原則。

3 廢物最小化的良好實(shí)踐

3.1 高性能容器應(yīng)用

核電廠3、4號(hào)機(jī)組放射性固體廢物處理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，不再采用傳統(tǒng)的水泥固化工藝，而是引進(jìn)了美國某公司的HIC工藝。該公司采用HIC容器裝填廢樹脂、活性碳、廢過濾器芯子、反滲透膜，并進(jìn)行脫水處理后送處置場。HIC的技術(shù)發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)80年代，至今已有30多年的發(fā)展經(jīng)歷，技術(shù)上較為成熟，廣泛運(yùn)用于美國各大核電廠項(xiàng)目中。

HIC是一種特殊設(shè)計(jì)制造的強(qiáng)度高、密封性好、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性強(qiáng)的容器，可用于裝載未經(jīng)固化或固定處理的放射性廢物[1]，其包容放射性的預(yù)期壽命不低于300 a。有樹脂(活性炭)HIC容器和過濾器HIC容器兩種型號(hào)，外觀相同，過濾器HIC容器內(nèi)的底部配有金屬板，用以保護(hù)脫水管路不被跌落的廢過濾器芯子破壞；樹脂HIC容器底部配置有過濾器，用于HIC脫水操作，并截留樹脂或者活性炭。

廢物裝填至HIC容器中后，在設(shè)定的脫水時(shí)間內(nèi)，氣動(dòng)隔膜泵將HIC容器內(nèi)的游離水進(jìn)行脫水，直至HIC容器中游離水含量不超過廢物體積的1%。HIC容器脫水結(jié)束之后，用氣動(dòng)封蓋裝置對HIC容器進(jìn)行封蓋，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至QT廠房暫存。

與傳統(tǒng)水泥固化工藝相比，HIC處理工藝設(shè)備配置簡單、操作方便、廢物量少、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢，其中廢物產(chǎn)生量低于傳統(tǒng)水泥固化工藝的1/2[2-4]。

3.2 焚燒工藝處理放射性可燃固體廢物

焚燒是一種高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)，利用有機(jī)物的可燃性在高溫下和氧氣發(fā)生反應(yīng)，完全破壞有機(jī)物，將其變成氧化物。廢物的主要成分是有機(jī)物，焚燒破壞了廢物的可燃成分，生成焚燒產(chǎn)物CO2、水和其他成分組成的氧化物，如磷、硫和金屬氧化物。CO2和水最終排放到環(huán)境大氣中，而少數(shù)的無機(jī)物和金屬氧化物構(gòu)成了固體產(chǎn)物焚燒灰，因此焚燒可以實(shí)現(xiàn)大幅減容，減容比主要與廢物的組成有關(guān)。一般情況下，在焚燒過程不添加任何添加劑的情況下，焚燒灰相對于原始廢物的減容比可達(dá)30以上，對于某些有機(jī)物含量很高的廢物，減容比可達(dá)100以上。

焚燒技術(shù)是被世界各國公認(rèn)的能有效減少放射性廢物體積的措施之一[5-7]。我國熱解焚燒技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，已投運(yùn)的焚燒設(shè)施各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，完全滿足核電廠機(jī)組廢物的焚燒處理要求。

陽江核電廠每年產(chǎn)生大量的放射性固體廢物(以下簡稱固廢)，其中85%的技術(shù)廢物為低放可燃廢物。本文主要以占比很大的可燃技術(shù)廢物常規(guī)處理工藝與焚燒工藝比較。由于工藝廢物采用水泥固化工藝，增容達(dá)到3倍以上，焚燒減容優(yōu)勢也非常明顯，但在國內(nèi)還未有此類廢物的工程焚燒驗(yàn)證試驗(yàn)，因此不做具體比較。

可燃技術(shù)廢物一般采用壓縮水泥固定處理，減容因子僅為1.5，而焚燒的減容因子一般可達(dá)到40～60，減容效果明顯，符合廢物最小化原則，也可改善了周邊環(huán)境。每100 m3可燃固體廢物采用超壓后水泥固定工藝將產(chǎn)生66.67 m3的廢物貨包，而采用焚燒工藝只產(chǎn)生1.67～2.5 m3焚燒灰，是超壓后水泥固定廢物體積的2.5%～3.7%，每年可減少廢物體積64.17～65 m3。

由于焚燒技術(shù)在廢物減容處理方面的巨大優(yōu)勢，我國很多核電廠在十幾年前就開始尋求用焚燒技術(shù)處理核電廢物，但是困難重重，長期未有實(shí)際性進(jìn)展。陽江核電廠于2013年成立焚燒項(xiàng)目組，并于2016年12月圓滿完成了首次國內(nèi)民用核設(shè)施放射性可燃廢物外運(yùn)焚燒處理處置項(xiàng)目。此項(xiàng)目的順利實(shí)施，減少了核電廠的大部分技術(shù)廢物；緩解了放射性廢物暫存和處置壓力，對核電廠實(shí)現(xiàn)放射性廢物最小化和安全穩(wěn)定運(yùn)行做出了重要貢獻(xiàn)。

3.3 多芯支架設(shè)計(jì)

該核電廠對表面劑量率大于2 mSv/h的水過濾器裝入濾芯支架后，再一起放入400 L金屬桶進(jìn)行水泥固定。設(shè)計(jì)上每個(gè)400 L金屬桶內(nèi)僅能放一個(gè)濾芯支架，每個(gè)濾芯支架僅能裝一個(gè)過濾器。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)除直徑尺寸為16″的過濾器外，其他4″、6″、8″、12″直徑尺寸的過濾器均不能裝滿整個(gè)金屬桶。基于現(xiàn)場反饋，我們通過合理的設(shè)計(jì)多芯的濾芯支架，用各種尺寸的濾芯進(jìn)行搭配，使得一個(gè)濾芯支架可以裝載更多的過濾器，同時(shí)保證了過濾器裝入濾芯支架后的強(qiáng)度，使其放入桶中后不至于傾斜、移動(dòng)。這樣以前1個(gè)400 L桶只能裝一個(gè)濾芯，改進(jìn)后一個(gè)桶可以裝2～3個(gè)濾芯，濾芯的廢物貨包產(chǎn)量降低了1/3～2/3，極大的減少了放射性固體廢物產(chǎn)生量，降低了放射性固體廢物處理成本。

3.4 關(guān)鍵區(qū)域防異物塑料布替換

現(xiàn)場反應(yīng)堆廠房(RX)20 m蒸發(fā)器護(hù)欄、燃料廠房和換料水池(KX)20 m防異物使用了大量的白色塑料布。塑料布為一次性用品，存在易破損、沾污后去污難度大的缺點(diǎn)，不能重復(fù)使用，每次使用完后，均作為放射性固體廢物進(jìn)行處理。雖然該核電廠采取了先進(jìn)處理工藝——焚燒技術(shù)，減容效果較傳統(tǒng)的水泥固化工藝有非常大的優(yōu)勢，但是處理成本非常昂貴，所以減少廢物產(chǎn)生量仍是急需解決的主要問題。

為了減少固廢產(chǎn)生量，選擇一種不易破損、易去污的可復(fù)用材料來替代塑料布是非常重要的。通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)雙面涂覆硅膠玻纖布具有阻燃、耐磨、防水、易去污等特性，另外其可以在200 ℃高溫下防滲漏，正常使用壽命超過40 a，抗拉強(qiáng)度≥6 500 N/25 mm。此材料已成功應(yīng)用在該核電廠的重點(diǎn)防異物區(qū)域，防止異物掉入堆芯水池、構(gòu)件池、傳輸池或乏燃料水池，如燃料廠房周邊護(hù)欄、蒸汽發(fā)生器護(hù)欄等，替代了傳統(tǒng)的用塑料布防異物方法，減少了廢物產(chǎn)生量，應(yīng)用效果良好。

3.5 管理措施改進(jìn)

3.5.1日常管理

加強(qiáng)培訓(xùn)和宣傳，定期組織員工和承包商人員培訓(xùn)和考試,并在輻射防護(hù)授權(quán)課上作為重要的內(nèi)容進(jìn)行講解,提高員工和承包商人員放射性廢物控制的自覺性及廢物最小化的意識(shí)；充分利用公司媒體宣傳廢物管理知識(shí)，制作宣傳手冊,讓全體員工了解廢物管理及處理手段,養(yǎng)成良好工作習(xí)慣；落實(shí)責(zé)任制，明確廢物控制職責(zé),實(shí)施對固體廢物的源項(xiàng)監(jiān)控與管理, 減少跑、冒、滴、漏現(xiàn)象發(fā)生；嚴(yán)格控制進(jìn)入控制區(qū)的包裝材料；編寫廢物最小化程序并實(shí)施最小化管理；規(guī)定控制巡檢細(xì)則, 明確巡檢員職責(zé),規(guī)范現(xiàn)場布置；制定吸水紙、抹布等一次性用品的使用管理規(guī)定,降低消耗品對廢物產(chǎn)生量的貢獻(xiàn)；制定控制區(qū)廢混凝土、白色塑料袋(布)、控制區(qū)油漆等特殊物料的管理制度，確保未沾污的特殊物料能按照非放射性廢物處理。

3.5.2大修管理

優(yōu)化現(xiàn)場消耗品領(lǐng)用流程，在領(lǐng)用的消耗品上標(biāo)記部門、姓名等信息，可以追蹤消耗品的去向，快速找到違規(guī)行為的責(zé)任人，使領(lǐng)用人在領(lǐng)取數(shù)量上更加謹(jǐn)慎，使用完后的投放也更加規(guī)范，從而減少固廢產(chǎn)量；優(yōu)化地面去污標(biāo)準(zhǔn)，該核電廠高劑量且高污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和通過多次去污仍難以降低到標(biāo)準(zhǔn)以下的區(qū)域，通過利益代價(jià)分析及輻射防護(hù)評價(jià)，可適當(dāng)放寬去污標(biāo)準(zhǔn)，縮小去污范圍，減少了去污人員的受照劑量和去污產(chǎn)生的放射性廢物；成立固廢巡檢專項(xiàng)組，專人在控制區(qū)入口按照要求控制包裝材料進(jìn)控制區(qū)，并跟蹤進(jìn)入的包裝材料直至包裝材料出控制區(qū)；專人在控制區(qū)內(nèi)進(jìn)行廢物收集、防護(hù)用品、消耗品使用、現(xiàn)場違規(guī)造成地面污染等情況的巡檢，通過長時(shí)間的糾正違規(guī)行為，追究違規(guī)人員責(zé)任，明顯減少了現(xiàn)場廢物亂投亂放等違規(guī)行為，從而減少了放射性廢物產(chǎn)生量；優(yōu)化大修固廢管理制度，每天向全公司和大修合作伙伴發(fā)送固廢日報(bào)，宣傳固廢管理制度，曝光固廢違規(guī)現(xiàn)象，對違規(guī)現(xiàn)象派發(fā)事件通知單；大修指揮部對違規(guī)現(xiàn)象進(jìn)行批評并約談違規(guī)部門領(lǐng)導(dǎo)和個(gè)人；加強(qiáng)監(jiān)控力度，在每個(gè)廢物收集點(diǎn)增加監(jiān)控系統(tǒng)，可以增加員工在投放廢物時(shí)的壓力，減少誤投率。發(fā)現(xiàn)不規(guī)范行為，可以通過監(jiān)控系統(tǒng)找到責(zé)任人，對其進(jìn)行批評教育，提高廢物最小化意識(shí)。

4 放射性廢物最小化效果

該核電廠通過以上設(shè)計(jì)、技術(shù)、管理方面的改進(jìn)，減少了放射性廢物總體積，尤其是大修期間的放射性廢物總體積較早期大修產(chǎn)生的放射性廢物減少了約1/2，日常和大修產(chǎn)生的可燃技術(shù)廢物基本全部外運(yùn)焚燒。如該核電廠Y501大修控制區(qū)總共產(chǎn)生放射性廢物2 663袋，比Y101大修(4 298袋)，體積減少了近40%，有效降低了放射性廢物產(chǎn)生量，節(jié)約了放射性廢物處理成本。該核電廠單臺(tái)機(jī)組每年產(chǎn)生放射性廢物總體積遠(yuǎn)低于國內(nèi)其他核電廠，僅為全國核電廠平均放射性廢物產(chǎn)生量的20%。

5 廢物最小化進(jìn)一步的可行性方案

(1)采用可降解產(chǎn)品

核電廠產(chǎn)生的廢物大部分來自現(xiàn)場塑料布和防護(hù)用品，放射性廢物總量大、處理成本高。采用聚乙烯醇(PVA)可降解材料來替代傳統(tǒng)的塑料布和防護(hù)用品，使用后采用濕式氧化方法將其溶解，最終產(chǎn)物為放射性水平很低的廢液，這些放射性廢液經(jīng)相關(guān)處理監(jiān)測達(dá)標(biāo)后可向環(huán)境排放，這將有效降低放射性廢物產(chǎn)生量和處理成本。美國已有90%核電廠采用該技術(shù)，國內(nèi)目前也在開展相關(guān)試驗(yàn)研究。

(2)采用先進(jìn)的去污技術(shù)

核電廠水池去污期間會(huì)產(chǎn)生大量的高放射性廢物(劑量率≥2 mSv/h)，目前常用的水池去污方法是用含去污劑的高壓水進(jìn)行沖洗，沖洗完后須用抹布進(jìn)行擦拭。在擦拭過程中產(chǎn)生大量的技術(shù)廢物。大亞灣核電站、寧德核電廠引進(jìn)了法國的泡沫去污方法，在水池底部和池壁噴涂泡沫去污液，待反應(yīng)完后沖洗，無需用抹布擦拭，減少了放射性廢物產(chǎn)生量。

其它沾污的設(shè)備、工具，選擇先進(jìn)的去污方法如激光去污、干冰去污等，可以使其達(dá)到解控水平或重新利用，可減少放射性廢物產(chǎn)生量。

(3)推廣焚燒減容技術(shù)

核電廠產(chǎn)生的大部分技術(shù)廢物為低放可燃廢物，焚燒減容技術(shù)相對于傳統(tǒng)水泥固化工藝，在減容方面有絕對的優(yōu)勢。國內(nèi)核電機(jī)組的相繼投運(yùn)，將產(chǎn)生大量的可燃技術(shù)廢物，如果核電廠機(jī)組將放射性廢物外運(yùn)至焚燒設(shè)施處理，則每年可減少大量的放射性固體廢物，其環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益均非常明顯。

目前國內(nèi)多家核電廠正在推動(dòng)廢物外運(yùn)焚燒項(xiàng)目，同時(shí)建議廢物焚燒接收單位擴(kuò)大處理能力，以滿足國內(nèi)核電技術(shù)廢物外運(yùn)焚燒需求。

(4)膠帶顏色區(qū)分管理

現(xiàn)場領(lǐng)用白膠帶數(shù)量大，浪費(fèi)嚴(yán)重；常有非放的白膠帶內(nèi)圈投入紅色廢物袋中，造成廢物產(chǎn)量增加。建議將白色膠帶改為多種彩色膠帶，各部門使用不同顏色的膠帶，現(xiàn)場如有異常，可快速找到責(zé)任部門，減少浪費(fèi)和固體廢物產(chǎn)生量。

(5)低放射性金屬物品熔煉處理

核電廠產(chǎn)生的金屬物品，大部分去污后無法當(dāng)做非放射性廢物處理，處理難度大，增加放射性廢物產(chǎn)量。金屬熔煉是通過將放射性污染的金屬(如:碳鋼、不銹鋼、銅、鋁、鎳等)經(jīng)過簡單的去污預(yù)處理，再將其放入電弧爐或感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，通過加入造渣劑和氧化劑使其與金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，把存在于金屬中的放射性核素絡(luò)合到渣中，達(dá)到降低金屬材料中放射性核素殘留量的方法。該方法適用于大宗廢舊金屬的去污處理。金屬熔煉已在世界上得到廣泛應(yīng)用。

金屬熔煉后，可按照產(chǎn)品的材質(zhì)要求澆注加工成產(chǎn)品，將金屬回收利用。如:整體型放射性廢物桶、200 L水泥固化桶的桶蓋，屏蔽容器等。國內(nèi)已有核電廠將放射性金屬外運(yùn)熔煉，并加工成產(chǎn)品回收利用。

(6)采用反滲透廢液處理技術(shù)

核電廠含硼放射性廢水處理工藝主要是蒸發(fā)工藝，存在能耗高、投資、運(yùn)行、維護(hù)成本高以及濃縮液處理困難等缺點(diǎn)[8]，尤其是濃縮液處理后產(chǎn)生大量的放射性固體廢物。反滲透是一種新型的膜分離技術(shù)，具有設(shè)備緊湊簡單、性能穩(wěn)定、運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其是不產(chǎn)生濃縮液，樹脂和活性炭更換頻率低，減少了放射性廢物產(chǎn)量。反滲透設(shè)備簡單，占用空間少，將傳統(tǒng)的蒸發(fā)工藝改造成反滲透工藝可行性高，可減少放射性廢物產(chǎn)生量。

目前核電廠廢物管理方面面臨的技術(shù)難題有放射性廢油處理技術(shù)、APG系統(tǒng)樹脂解控后回收利用技術(shù)、濕廢物處理技術(shù)等，希望業(yè)內(nèi)同行共同努力，不斷攻關(guān)克難，找到解決辦法。這樣有助于核電廠進(jìn)一步提高放射性廢物管理水平，更好地實(shí)現(xiàn)廢物最小化。