華龍一號批量化示范工程固體廢物處理系統工藝改進分析

＊何源 趙軍

（中核國電漳州能源有限公司 福建 363300）

引言

我國《十二五期間新建核電廠安全要求》提出：新建核電廠在正常運行情況下，百萬千瓦級電功率核電廠每堆年產生的放射性固體廢物體積不宜超過 50m3。《核設施放射性廢物最小化導則》附錄A中也給出了“廢物最小化目標”即單臺機組待處置廢物包體積不超過每年50m3。為保證放射性固體廢物得到妥善處理，盡量減少核電廠每年產生的固體廢物量，實現放射性廢物的活度和體積都保持在實際可行的最小量，滿足HAF103的要求，華龍一號批量化示范工程的固體廢物處理系統在結合華龍一號參考電站經驗反饋的基礎上對放射性固體廢物物處理工藝進行了多項改進。

1.放射性廢物管理

核電廠在運行和維修過程中都將產生放射性廢物，固體廢物處理系統（華龍一號批量化示范工程編碼為ZST系統）主要處理廢離子交換樹脂、廢活性炭、蒸發濃縮液、廢過濾器芯、雜項固體廢物這幾種類型的廢物。ZST系統的主要任務是對各種固體廢物進行處理并裝入鋼桶中，包括：收集機組產生的放射性“固體”廢物；將廢物處理和整備后封裝在桶中；送往固體廢物暫存庫暫存，并進行可能的放射性衰變。系統主要由位于核輔助廠房（NX）的廢樹脂和廢過濾器芯接收和轉運部分、位于核廢物廠房（QX）的廢樹脂、廢活性炭和廢過濾器芯接收和轉運部分及濃縮液接收和處理部分、位于廢物處理中心（QS）的廢樹脂和廢活性炭、廢過濾器芯和干廢物處理部分三部分組成。

目前華龍一號批量化示范工程1號機組尚處于建筑安裝階段，暫未涉及放射性固體廢物產生，機組運行后將嚴格遵守法律法規，以公司放射性固廢管理程序為“抓手”，落實放射性固體廢物“收集、整備、處理”一系列操作，華龍一號批量化示范工程固體廢物系統功能和主要任務與參考電廠一致，需處理的廢物類型基本一致，因機組功率提升，系統配置略有不同，需處理的廢物量稍有變化。為實現“廢物最小化”目標，首先從設計角度對廢物量進行核算。

2.華龍一號機組需處理的廢物量

廢物量的核算區分廢液、廢樹脂、廢活性炭、廢過濾器濾芯、雜項固體干廢物等不同類型放射性廢物。

(1)廢樹脂和廢活性炭體積

根據華龍一號批量化示范工程設計和設備配置，機組的廢樹脂主要來源于TTB系統（蒸汽發生器排污系統）、RFT系統（反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統）、RCV系統（化學和容積控制系統）、ZLT系統（廢液處理系統）、ZBR系統（硼回收系統）；廢活性炭主要來源于ZLT系統。

針對廢樹脂和廢活性炭，其在蒸發器排污系統中平均年產量較多，為9m3/a，其次是硼回收系統，其平均年產量為4.8m3/a。

(2)廢過濾器芯體積

廢過濾器濾芯主要來源于TTB、RFT、RCV、ZBR、ZLT等系統，表面劑量率＞2mSv/h的廢過濾器芯用帶有屏蔽運輸容器的專用運輸車送到QX廠房進行水泥固定，表面劑量率≤2mSv/h的廢過濾器芯送到QS廠房處理。

通風過濾器一般僅受輕微放射性污染，送到固體廢物暫存庫進行貯存衰變，若經衰變達到IAEA RS-G-1.7《排除、豁免和解控概念的適用》規定的清潔解控水平后，經審管部門批準，可作為非放廢物處理；放射性水平異常的可以在QS廠房壓實處理。

對于外表面劑量率≤2mSv/h的廢濾芯，蒸發器排污系統與廢液處理系統內產生量較多；對于外表面＞2mSv/h的廢濾芯，化容系統與廢液處理系統內產生量較多。

(3)固體廢物系統輸入廢物的總容積設計值

根據以上核算結果，結合設計換料周期18個月，華龍一號批量化示范工程每年每臺機組待處理廢物的體積設計值和每年廢物包產生量的預期值如表1所示。

表1 每年待處理廢物體積預期值

3.華龍一號批量化示范工程工藝改進

(1)工藝改進背景和原因

華龍一號參考電廠固體廢物處理系統采用水泥固化工藝，并考慮采用可降解技術處理部分干廢物。水泥固化工藝安全可靠，設備制造也較為成熟，缺點是廢物包產生量較高，存在廢物增容的情況，水泥固化工藝處理放射性廢樹脂增容比3.2[1]，濃縮液增容比2.25[1]。為持續降低廢物包的年產生量，需要通過工藝改進來滿足廢物最小化目標。

(2)參考電廠廢物包預期產生量

華龍一號參考電廠的水泥固化裝置根據廢物特性，針對不同廢物處理方法如下：

①濃縮液、廢樹脂和活性炭分別和水泥及添加劑固化在400L鋼桶內；

②外表面劑量率＞2mSv/h的廢過濾器芯用水、水泥和添加劑制成濕混料固定在400L鋼桶內；

③外表面劑量率＞2mSv/h雜項干廢物在廠房進行水泥固定；

④考慮采用可降解防護用品，設置可降解設備對廢防護用品進行降解處理。

參考電廠單臺機組每年的廢物包設計產生量約為109.2m3，在正常運行情況下，每臺機組預期每年產生的固體廢物包體積約為49.2m3。

(3)華龍一號批量化示范工程工藝改進

經調研，目前國內三門1/2、田灣3/4、霞浦項目、海陽1/2改造、CAP1400等項目的固體廢物處理技術路線，均未采用水泥固化方案。如使用烘干方式處理廢樹脂，并裝160L桶、超壓裝高完整性混凝土容器（HIC）；或處理后裝200L桶，不用超壓直接裝HIC，其減容效果明顯，其減容比1.65（未計算HIC），計算HIC為1.84。

濕廢物烘干裝HIC工藝減容效果好于水泥固化工藝，但需要考慮的是金屬廢物桶在廠內貯存時需要確保廢物庫具有良好的溫濕度條件，以免廢物桶發生輻射穿孔等風險。通過工藝改進，華龍一號批量化示范工程采用濕廢物烘干裝HIC桶工藝，含硼濃縮液裝入200L不銹鋼桶烘干成鹽餅、封蓋和劑量率檢測后用屏蔽容器運到廢物庫裝入混凝土HIC進行暫存，或200L鋼桶直接暫存；廢樹脂和廢活性炭采用錐形干燥器烘干后直接裝200L桶、廢濾芯在200L鋼桶內進行水泥固定，并均在廢物庫QT廠房裝入HIC后暫存。

(4)與參考電廠固廢處理工藝對比

具體工藝對比如表2所示：

表2 處理工藝對比表

4.華龍一號批量化示范工程固廢處理工藝者簡

(1)系統組成

①在NX廠房內的設備為單機組設置，每臺機組一套。

用于收集和暫存廢樹脂、廢過濾器濾芯。廢樹脂和廢過濾器芯用屏蔽運輸車送到QS廠房處理。

②QX廠房內的設備為雙機組設置，兩臺機組共用。

用于收集QX廠房產生的廢樹脂、廢活性炭、廢過濾器芯和濃縮液并對濃縮液進行桶內干燥。廢樹脂、廢活性炭和廢過濾器芯用屏蔽運輸車送到QS廠房處理。

③QS廠房內的設備為整個廠址6臺機組共用。

用于接收廢樹脂、廢活性炭、廢過濾器芯和雜項干廢物并進行分類處理。

④QT庫的庫容按6臺機組運行5年產生的廢物量進行設計。

該庫用于暫存經ZST系統處理產生的廢物包以及裝有政企發生器排污系統廢樹脂的200L鋼桶、廢通風過濾器芯和收到輕微污染的大尺寸廢物等。其中，廢樹脂、廢活性炭和濃縮液處理后裝入200L鋼桶轉運至QT庫后，需在灌漿區裝入混凝土HIC。

(2)處理工藝

①廢樹脂（廢活性炭）處理

廢樹脂（廢活性炭）被沖排至NX廠房內的廢樹脂貯槽和TTB廢樹脂貯槽。用錐形干燥器烘干后裝入200L鋼桶，隨后用屏蔽運輸車轉運至QT庫，再裝入混凝土高完整性容器（HIC）中暫存。具體流程如圖1所示。

圖1 廢樹脂（廢活性炭）處理流程

②廢過濾器濾芯

廢過濾器濾芯裝入200L鋼桶進行水泥固定，隨后用屏蔽運輸車轉運至QT庫暫存。具體流程如圖2所示。

圖2 廢濾芯處理流程

③干廢物

可壓實干廢物進行分揀、干燥、剪切、初級壓實、超級壓實、裝桶等工藝處理，然后通過運輸輥道進行水泥固定、封蓋等處理；不可壓實廢物直接進行水泥固定、封蓋處理。具體處理流程如圖3所示。

圖3 干廢物處理流程

④濃縮液

圖4 濃縮液處理流程

廢液處理系統ZLT產生的濃縮液收集在QX廠房的濃縮液接收貯槽中，槽內有恒溫加熱器加熱，再通過計量泵送到濃縮液桶內干燥器進行桶內干燥，通過在200L桶內反復多次進料、干燥、再進料、再干燥形成濃縮液鹽塊。封蓋后的200L桶送往廢物處理廠房固體廢物暫存庫，在暫存庫的廢物桶劑量檢測間進行檢測后，用屏蔽運輸車運往QT暫存庫，在灌漿區裝入HIC后暫存。

5.華龍一號批量化示范工程廢物量核算

改進后，濃縮液裝入200L鋼桶進行桶內干燥，減容比為3.4[1]；再裝入混凝土HIC。廢樹脂和活性炭用錐形干燥器烘干后裝入200L鋼桶，減容比為1.9[2]；然后裝入混凝土HIC，廢物包增容比為3.5。華龍一號批量化示范工程廢物量比參考電廠廢物量相比要少，降低了年產生的廢物量。

在不使用可降解工藝的情況下，改進后的廢物量預期為45.2m3，少于參考電廠的62.4m3。

根據中國核電與中核環保等簽訂的《放射性廢物外運及處置服務采購框架協議》，雜項干廢物可運至西北進行焚燒處置。雜項干廢物焚燒的減容因子約為100，華龍一號批量化示范工程每臺機組年雜項干廢物（可燃燒）的產生量預期值為102m3，焚燒后產生焚燒灰1.02m3，焚燒灰固化增容比約為2～3，每臺機組年雜項干廢物包最終產生量保守估計為3m3。使用超壓技術每臺機組年雜項干廢物包（可壓縮）最終產生量為23.2m3。使用焚燒固化技術比超壓技術廢物包最終產生量減少20.2m3，在批量化項目3～4機組濃縮液繼續采用桶內干燥裝HIC（2臺機組公用），廢樹脂、廢活性炭繼續采用錐形干燥裝HIC（全廠公用），過濾器濾芯繼續采用水泥固定工藝裝鋼桶（全廠公用）的形式，將雜項干廢物外運及處置（使用焚燒固化處理）可將批量化示范工程每臺機組年固體廢物包最終產生量由45.2m3降低到25m3。

6.改進分析結論

華龍一號批量化示范工程固體廢物處理系統工藝改進后，所使用的設備在國外電廠均有使用經驗，在國內相關電廠也有使用計劃或已使用，設備成熟度較高；廢物量相對參考電廠有較大的減少，即使不采用外運焚燒，也同樣能達到單臺機組每年廢物包產生量不超過50m3的要求，故改進方案合理可行。

改進方案順應放射性固體廢物最小化發展的趨勢，具有向同行電廠及華龍一號批量化工程推廣的重要意義。