核電站放射性廢水處理技術研究進展

＊劉曉芳 周濤* 毛賞 魏東

（1.東南大學能源與環境學院核科學與技術系 江蘇 210096 2.核熱工安全與標準化研究團隊 江蘇 210096 3.大型發電裝備安全運行與智能測控國家工程研究中心 江蘇 210096）

引言

能源安全問題一直是實現中國式現代化的重點發展課題。第二十次全國代表大會開幕會報告[1]提出，要積極穩妥推進碳達峰碳中和，積極安全有序發展核電，確保能源安全。其中，在核能安全方面，放射性廢水的處理與排放不僅具有較高的大眾討論度與關注度，同時也與核工業的未來發展息息相關。目前針對其中部分核素尚且缺乏有效的處理技術，將未經有效處理的核廢水向海洋排放，可能會對生態環境及人類生命健康安全造成嚴重的危害。此外，不僅大型反應堆中會產生放射性核廢水，作為目前核能界的研究熱點的小型反應堆同樣會產生放射性廢物。放射性核廢水處理技術是關乎人類健康與生態環境安全的重要技術，其發展是至關重要且十分緊迫的。

1.放射性廢水類型及來源

（1）放射性核廢水類型。放射性廢水是核反應堆運行和核電站應用放射性同位素過程中產生的，產生的廢物的化學成分和放射性水平取決于所進行的操作。核廢水按照放射性濃度的高低[2]主要分為兩類：一類是具有中低放射性的核廢水；另一類是具有高放射性的核廢水，兩者所含核素及來源均有所區別。核廢水類型是核電站針對性設計廢水處理系統的主要依據。

（2）放射性核廢水中所含核素。中低放射性的核廢水，其中所含的放射性核素包括3H、14C之外的110Agm，58Co，60Co，89Sr，90Sr，91Sr，233U，234U，235U，238U，228Th，232Th以及137Cs，134Cs等，其中Sr元素（90Sr、89Sr、91Sr）、Co元素（60Co、58Co）、U（233U、234U、235U、238U）和Th（228Th、232Th）占比較高，Cs[3]是在燃料棒破損時釋放的裂變產物，一般情況下釋放量比較少，但由于Cs是γ放射源，穿透性極強，會造成嚴重的輻照危害；具有高放射性的核廢水，除以上放射性核素外，還包括131I等，核素濃度較高。

（3）中低放射性核廢水來源。中低放射性[2]的核廢水，其來源主要包括主設備的排空水、二回路廢水、清洗主設備及某些部件產生的廢液、車間廠房的沖洗廢水、離子交換裝置再生廢水、實驗廢水等，主要為工業疏水以及少部分的地面疏水和化學疏水。

（4）高放射性核廢水來源。高放射性[2]核廢水的主要來源有兩個，其一是生產過程中的乏燃料后處理和放射性物質分離制造。其二是核電站事故。重大核事故產生的核廢水主要來自于事故搶修，用于緊急冷卻的海水、地下水等帶走了大量的放射性核素，其中高放射性廢水居多。

2.放射性廢水處理技術

(1)中低放射性廢水處理技術

①化學沉淀法。化學沉淀法[4]的基本原理是將以化學絮凝劑為主的沉淀劑投入放射性廢水，使其與溶液中的放射性核素發生化學作用，生成難溶性鹽，從而達到去除放射性核素的目的。常用的沉淀劑[5]包括鋁鹽、磷酸鹽、鐵鹽、蘇打等。因為廢水中大多數放射性核素的碳酸鹽、磷酸鹽和氫氧化物不容易溶于水，所以它們可以在沉淀后被去除。

該方法具有較高的經濟性、適應性和可操作性，但由于分離困難、對低放射性廢水處理效果不顯著、容易產生二次污染等因素，經常只用來進行預處理，再結合其他方法進行污染物的去除。目前的研究方向主要集中于研發新的沉淀劑。Tan等[6]通過化學沉淀法和水熱處理制備了新型鍶取代羥基磷灰石，當初始pH為12，Sr/（Sr+Ca）為0.2時，達到Sr的最佳去除率為99.66%。

②物理吸附法。吸附法[2]具有使用簡單、經濟效益高、去除率高、選擇性好等優點，其原理是利用多孔吸附材料的表面作用力將廢液中具有放射性的原子、離子或分子粘附于吸附劑表面。

傳統使用的吸附劑[5]有天然吸附劑材料、金屬納米氧化物、活性炭、有機樹脂等。然而，傳統的吸附劑材料具有再生性能差、吸附量低、穩定性差等缺陷，導致實際生產應用過程中存在很大的局限性。新型吸附劑的出現彌補了傳統吸附劑在經濟效益和工藝效果等方面的缺陷。Liu等[7]制備了H2O2改性的硫輝石吸附劑，研究表明H2O2改性的附硫酸石已成功地提高了水溶液中Sr（II）離子的去除能力，使其最大吸附率從36.8%提高到48.3%。

③離子交換法。離子交換法[2]的原理是利用離子交換器上的離子交換廢液中的放射性離子，達到降低廢液放射性的目的。該方法適用于對經化學沉淀法預處理、含鹽量低、膠體懸浮物少的放射性廢水進行后處理。所使用的離子交換劑的大致可分為無機離子交換劑和有機離子交換劑。無機離子交換劑主要有復合離子交換材料、沸石、雜多酸鹽、鐵氰化物等，有機離子交換劑包括離子交換樹脂、離子交換膜等。

在放射性廢水的處理中，無機離子交換劑因其吸附容量大、抗輻射性和熱穩定性能好、易固化處理等優點，得到了更為廣泛的應用。AliF等[8]合成了一種由互連的介孔亞微球組成的新型高比表面積羥基磷灰石介觀結構作為離子交換劑，該材料具有很大的表面積-體積比，穩定性強、選擇性高，可重復使用，是一種很有前途的海水放射性污染物分離材料。

④其他方法。近年來，隨著生物技術和納米材料的飛速發展以及學科交叉的廣泛應用，出現了許多新型的放射性廢水處理技術，如植物和微生物修復技術、萃取技術、膜分離技術等。也有研究者將現有的處理方法進行整合，形成了處理放射性廢水的組合工藝，如沉淀-膜分離組合工藝、沉淀-吸附組合工藝、預除氧-沉淀-柱式膜分離組合工藝等。

(2)高放射性廢水處理技術

①水泥固化工藝。水泥固化工藝的原理是利用水泥的水化反應形成堅硬的水泥塊，將高放廢料包覆成固化體，其優點為設備簡單、設備生產和運行費用低、原料和添加劑便宜易得、固化過程中產生的二次污染少、核素浸出率高等。

其中，水泥固化配方對水泥固化工藝的優劣起決定性作用。在水泥固化體的制備過程中摻入適當的添加劑，可以有效改善固化體的性能。雷雪飛[9]研究了介孔硅鈣材料作為吸附劑時的水泥固化工藝，在介孔硅鈣材料一方面與水泥有較高的相容性，可以實現放射性核素的高效穩定化，且其中的主要成分水化硅酸鈣可替代部分水泥實現固化產物的減量化。

②玻璃固化工藝。玻璃固化工藝的原理是將高放廢液與玻璃基材以一定的比例混合后，放置在固化設備中進行蒸發、鍛燒以及高溫熔融處理，經退火后形成包容高放廢物的網狀結構的玻璃固化體。目前，高放廢液的固化工藝以玻璃固化工藝為主，其發展最為成熟，應用最為廣泛。

目前玻璃固化工藝的發展方向是新型玻璃固化體的研發，使其機械、化學性質更加穩定且能夠承受高溫輻照環境。我國原子能院[10]先后開展了罐式熔爐、電熔爐、冷坩堝等玻璃固化工藝的研究，并研究了玻璃、人造巖石、玻璃陶瓷等固化配方，以配合各種固化工藝，取得了良好的研究成果。

③陶瓷固化工藝。陶瓷固化工藝的原理是利用類質同晶置換，將核廢料和陶瓷原料同時置于高溫條件下進行熔融結晶，使其處于液相狀態，此時陶瓷晶格上的原子與部分核素將發生置換，經過冷卻后即可得到性質相對穩定的陶瓷固化體，從而使核素固定在晶格位置不易脫落。

目前對于陶瓷固化工藝的研究主要集中在開發具有優良的化學穩定性和較高抗輻照性能的陶瓷材料。周林[11]研究了A2B2O7型高熵氧化物陶瓷的固化性能，高熵陶瓷固化體具有優異的抗浸出性和較高的核素包容性，是一種非常有前途的核素固化候選材料。

(3)評價與發展

①中低放射性廢水處理技術評價。對于中低放射性的核廢水處理技術，目前發展的瓶頸主要是新材料的開發，傳統材料的優勢主要在于生產使用方面較為成熟，價格較為低廉。近年來，生物及化工技術的發展為新材料的開發提供了更多的可能性，將來可針對綜合性能及經濟價值，選取合適的新材料進行大規模生產，在提高效率的同時降低成本。

②高放射性廢水處理技術評價。與中低放射性廢水的處理方式不同的是，在對高放射性廢水進行預處理時，對吸附劑、沉淀劑等材料的選擇性、抗輻照性能以及使用效率等方面具有更加嚴格的要求。對于該技術中較為核心的固化工藝，所使用的材料成本普遍較低，其主要步驟在于配方的研發，原材料的選擇與配比將對固化工藝的效果產生較大的影響。高放射性核廢水處理技術有著更為廣闊的發展空間。

③未來發展。為防止放射性廢物進入環境，同時保證核能的可持續發展，必須特別重視放射性廢液的處理和處置。隨著學科交叉理念的不斷發展，將傳統的廢水處理技術與其他學科技術進行綜合，比如使用人工智能輔助廢水處理，對放射性廢水進行實時監測與大數據分析，能夠精準有效地選擇合適的處理工藝和材料。目前生物學應用于放射性廢水處理技術主要集中在新材料的開發，然而仿生技術在結構改進方面也有著廣闊的發展前景，以膜分離技術為例，該技術對于分離膜的選擇性有著嚴格的要求，仿照生物學中的膜蛋白等技術，或許可以對分離膜的結構進行改造，提高選擇性。總之，放射性廢水處理技術不僅有著較為成熟的研究基礎，同時也具有廣闊的發展前景，相關研究人員也在針對各種處理工藝進行開發及優化。在不久的將來，重大核事故廢水的處理難題將有望得到解決。

3.結論

（1）對于中低放射性的核廢水，傳統方法有化學沉淀法、物理吸附法和離子交換法等；新興的方法有生物法、電離輻照法、膜分離法等，組合工藝的使用大大提高了放射性廢水處理的效率。

（2）對于高放射性核廢水，基本的處理流程是濃縮固化后貯存，主要的固化工藝有水泥、玻璃、陶瓷固化工藝。

（3）傳統的放射性廢水處理工藝技術較為成熟、成本相對較低，缺點是效率低、穩定性差，目前放射性廢水處理技術主要的研究方向是新材料、新工藝、新配方的研發，以及探索各種組合工藝的可能性，未來可結合人工智能大數據分析以及仿生技術等進行研究。