秦山二期放射性固體廢物最小化研究與應(yīng)用

陳德沖

【摘 要】介紹了秦山二期核電站固體廢物處理系統(tǒng)的功能、放射性固體廢物的來源以及在最小化方面所做的研究和應(yīng)用，重點介紹了水泥固化新配方和400L鋼桶改造的研究與應(yīng)用，大大降低了核電站的放射性固體廢物產(chǎn)生量，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】秦山二期；固體廢物；最小化；研究；應(yīng)用

1 固體廢物處理系統(tǒng)

秦山二期的固體廢物處理系統(tǒng)（以下簡稱“TES系統(tǒng)”）是用來收集、暫存、固化（或固定）、壓縮、整備和貯存核電廠運行和維護(hù)時產(chǎn)生的放射性固體廢物。TES系統(tǒng)主要由廢樹脂處理站、蒸發(fā)濃縮液處理站、過濾氣芯子支承架裝卸系統(tǒng)、裝桶站、混合物配料站、最終封裝站和壓縮站組成，固體廢物處理系統(tǒng)位于核輔助廠房內(nèi)，2臺機(jī)組共用。

1.1 廢樹脂處理站

廢樹脂處理站由兩個廢樹脂貯存箱和一個廢樹脂計量箱組成。貯存箱容積為9m3。工藝系統(tǒng)除鹽床的廢樹脂由除鹽水系統(tǒng)的除鹽水以1—2m/s的流速沖排到廢樹脂貯存箱中，沖排水通過上部過濾器排往廢液處理系統(tǒng)的工藝排水箱。

貯存箱上部的氣體排放到含氧廢氣處理系統(tǒng)，也可直接排到大氣。在貯存箱的下部有一根排放樹脂管道通過容積為46L的計量箱定量后可將廢樹脂裝桶。并有一根用噴射氣排放廢樹脂的管道和一根噴管用于噴射水或壓縮空氣來疏松箱內(nèi)的樹脂。

1.2 濃縮液處理站

濃縮液處理站有濃縮液暫存箱和濃縮液計量箱組成。暫存箱容積為5m3，接收從廢液處理系統(tǒng)蒸發(fā)器來的濃縮液。箱內(nèi)有兩個恒溫加熱器維持約55℃的溫度，以防硼結(jié)晶，箱內(nèi)有攪拌器定期混合防止沉淀。箱體上部分排氣管可向含氧廢氣處理系統(tǒng)排氣。計量箱容積為32L。用來定量后靠重力進(jìn)行裝桶，由計量箱進(jìn)出口排放閥和隔離閥進(jìn)行控制。所有收集，疏排和計量管均用電加熱器加熱保溫，防止硼結(jié)晶。

1.3 過濾器芯子更換轉(zhuǎn)運容器

廢過濾器芯子更換運轉(zhuǎn)由過濾芯子更換運轉(zhuǎn)容器進(jìn)行。該容器壁厚為10cm，其底部設(shè)有抽屜式拉板，其上部設(shè)有用于裝卸過濾器芯子支架的卷揚機(jī)和抓具。在過濾器小室中將過濾芯子轉(zhuǎn)入到容器中，運輸?shù)窖b桶站上部的過濾器芯子輸送管座上，然后打開下部拉板將過濾器芯子支架放入裝桶站內(nèi)進(jìn)行裝桶。

1.4 裝桶站

裝桶站是把濃縮液、廢樹脂和過濾器芯子裝入容器的場所。所有操作都是在鉛玻璃屏蔽窗后面遠(yuǎn)距離進(jìn)行的。裝桶站由設(shè)在屏蔽走廊內(nèi)的五個站組成。為目視監(jiān)測所有的操作，每個站均有自己的控制臺和屏蔽窗。在1號站和2號站沒有空氣閘門（外門A），在2號站與裝桶區(qū)之間沒有屏蔽閘門（內(nèi)門B），以防止放射性產(chǎn)物和灰塵逸出。廢物桶通過在彎曲軌道上行走的運輸車（002 CX）可從2號站到3、4、5號站。這個小車安裝在墻上，使地面上沒有任何設(shè)備，便于裝桶站的清洗。

1號站用于空桶貯存，在裝桶前由運輸車將空桶通過空氣閥門送入2號站。

2號站用于將桶從運輸車）上吊到運輸小車上，以便通過屏障閘門送入裝桶區(qū)。

3號站用于將過濾器芯子和濕混凝土混合裝桶，并在振動臺上進(jìn)行震實。

4號站用于廢樹脂或濃縮液與干混合物一起經(jīng)攪拌后裝桶。

5號站用于過濾器芯子從過濾器芯子更換轉(zhuǎn)運容器內(nèi)卸入混凝土桶中。

1.5 混合配料站

水泥固化用的干混料和濕料的配料（水泥、沙子、礫石和石灰）分別貯存在各自的貯槽內(nèi)。貯槽安裝在廢物輔助廠房內(nèi)進(jìn)料斗和混合器的上方。物料從稱量料斗送入混合器并進(jìn)行混合。然后用料車送往核輔助廠房用于裝桶，或者用皮帶輸送機(jī)送往最終封桶站用于混凝土廢物桶的最終封蓋。

1.6 封蓋站

將混凝土廢物桶從裝桶站輸送到最終封蓋站，進(jìn)行最后的封蓋和貯存。將濕混料從配料站轉(zhuǎn)運到封蓋站倒入廢物桶內(nèi)，并用震動器攪拌、震動保證均勻充填。

1.7 壓縮站

在壓縮站由一臺壓力為300kN的壓縮機(jī)將混雜的可壓縮的固體廢物在金屬桶內(nèi)壓縮。在壓縮時，在壓縮機(jī)與廢物桶之間要建立負(fù)壓，防止塵埃逸出，然后廢物桶在廠房內(nèi)暫存。

2 放射性固體廢物的來源和分類

根據(jù)放射性固體廢物的特點，將機(jī)組運行和維護(hù)過程中產(chǎn)生的固體廢物分為3 類。具體包括工藝廢物、技術(shù)廢物和其他廢物。放射性固體廢物分類見表1。

表1 放射性固體廢物分類

3 最小化措施

放射性廢物管理條例中明確規(guī)定：減量化是廢物安全管理的原則之一和廢物最小化是廢物減量化的具體體現(xiàn)和具體要求。

核電站放射性固體廢物的減少，主要通過源頭控制、再循環(huán)再利用和優(yōu)化管理等來實現(xiàn)。

3.1 源頭控制

影響放射性固體廢物產(chǎn)生量的主要因素包括：運行管理水平、相關(guān)設(shè)備的完好狀態(tài)、放射性廢物產(chǎn)生及消耗材料的使用。根據(jù)國內(nèi)外核電站的經(jīng)驗，主要采取以下措施從源頭減少放射性廢物的產(chǎn)生：

1）通過材料替換減少主系統(tǒng)的活化產(chǎn)物；

2）通過控制主系統(tǒng)的水化學(xué)，減少主系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)物；

3）通過合理的運行控制方式，加強(qiáng)監(jiān)督，減少主系統(tǒng)水的泄漏；

4）減少流體傳輸操作的失誤率，合理使用廢液處理系統(tǒng)；

5）選擇合適的離子交換樹脂將可溶的放射性物質(zhì)從廢液流中分離出來；

6）嚴(yán)格控制帶入控制區(qū)和帶入污染區(qū)域的材料；

7）應(yīng)控制維修活動中污染的擴(kuò)散。

3.2 再循環(huán)再利用

再循環(huán)再利用是核電站放射性固體廢物最小化的重要措施，可以通過以下措施實現(xiàn)廢物的減容：

1）應(yīng)盡可能通過復(fù)用或循環(huán)利用的方式，減少廢物量；

2）必要時應(yīng)采用合適的去污技術(shù)，以達(dá)到復(fù)用或再循環(huán)利用的目的；

3）有限制使用時，需要監(jiān)管控制，如一些污染的工器具僅在控制區(qū)使用；

4）加強(qiáng)防護(hù)用品重復(fù)使用管理，減少可壓縮廢物的產(chǎn)生量；

5）復(fù)用或再循環(huán)利用，應(yīng)進(jìn)行代價利益分析。

3.3 優(yōu)化管理

核電廠應(yīng)每年制訂年度放射性廢物產(chǎn)生量指標(biāo)，并逐步推進(jìn)指標(biāo)的細(xì)化工作，明確責(zé)任部門，應(yīng)對廢物進(jìn)行分類，不同種類的廢物應(yīng)加以分離，以便按不同的方式進(jìn)行處理，采用先進(jìn)的處理技術(shù)和改進(jìn)工藝系統(tǒng)來實現(xiàn)廢物的減容。

1）對符合豁免或清潔解控條件的廢物，應(yīng)及時申請豁免或解控；

2）必須建立廢物處理處置文檔和數(shù)據(jù)庫；

3）應(yīng)加強(qiáng)員工培訓(xùn)，使員工熟悉工藝過程、重視廢物最小化、提高安全文化素養(yǎng)；

4）應(yīng)提高人因風(fēng)險意識，防止誤操作引起跑水，最大限度地減少放射性的排出；

5）尤其是在換料大修期間，防止由于設(shè)備隔離和在線錯誤導(dǎo)致大量跑水和增加廢水量；

6）應(yīng)加強(qiáng)與其他單位在廢物最小化方面的交流；

7）應(yīng)采用合適的去污技術(shù)，減少廢物總量；

8）應(yīng)選擇合適的處理和整備技術(shù)，減少廢物總量；

9）對可壓實廢物應(yīng)盡可能利用超壓設(shè)備進(jìn)行壓實減容；

10）對廢金屬應(yīng)盡可能先去污，再破碎切割，符合要求的可熔融處理。

3.4 廢物最小化實施要素

4 秦山二期最小化研究與實踐

4.1 水泥固化新配方的研究與應(yīng)用

4.1.1 新配方的研究背景

秦山二期采用水泥固化處理放射性廢樹脂和濃縮液，使用水泥桶作為包裝容器。但由于水泥固化原配方存在體積包容率低的問題，導(dǎo)致了放射性固廢體的產(chǎn)量較大。因此，需要研究一種新配方，在水泥固化體能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡可能提高廢樹脂與濃縮液的包容率，以降低核電廠放射性固體廢物的產(chǎn)量。

根據(jù)市場上水泥的特性，優(yōu)先選擇OPC和SAC水泥這兩種水泥，但結(jié)合水泥采購和配料過程的現(xiàn)場操作可行性，最終選擇OPC 體系固化配方進(jìn)行現(xiàn)場驗證實驗。研究結(jié)果表明OPC 和SAC 體系的放射性廢物水泥固化體均可滿足GB14569.1《低、中水平放射性廢物固化體性能要求 水泥固化體》的要求。配方優(yōu)化后固化體包容量都有很大的提高，所獲得新配方的包容率較國內(nèi)廣泛使用的配方提高約20～30%，并取得了很好的應(yīng)用效果（注：OPC-普通硅酸鹽水泥，SAC-硫鋁酸鹽水泥）。

4.1.2 新配方的試驗

新配方嚴(yán)格按照國標(biāo)GB14569.1開展了各項試驗，試驗結(jié)果表明水泥固化體的各項性能均滿足國家要求，下面以濃縮液水泥固化體模擬核素浸出試驗為例進(jìn)行說明。

1）模擬放射性廢液的制備

準(zhǔn)確稱量一定量的鈷、鍶、銫鹽，與一定量含硼廢液混合并攪拌換均勻，按配方制備成含模擬放射性核素的廢液。OPC水泥固化體，廢液與鈷、鍶、銫鹽的用量如下：

廢液：0.45L；氯化鈷（CoCl2·6H2O）7.6290g，氯化鍶（SrCl2·6H2O）6.0006g，氯化銫（CsCl）3.0626g。每個Φ50×50mm試樣含鈷0.224g，含鍶0.232g，含銫0.2546g。脫模后的固化體樣品按照GB 14569.1要求的養(yǎng)護(hù)條件，放入養(yǎng)護(hù)箱，在溫度25±5℃，相對濕度90%±5%的氣氛中養(yǎng)護(hù)28d，樣品完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7023-86要求：幾何表面積應(yīng)為10～5000cm2；長徑比等于或稍大于1。

2）浸泡、取樣和換水

將Φ50×50mm水泥固化體樣品分別用單股細(xì)塑料線十字捆綁后吊入2升帶蓋聚乙烯塑料瓶中，向塑料瓶中加入1.5L去離子水，使樣品處于水體中央。浸出率試驗使用200#的去離子水作浸出劑，其電導(dǎo)率約為1.436μS/cm，每次使用量為1.5升，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB7023-86要求：浸出率測定的浸出劑電導(dǎo)率不大于150μS/m；浸出劑體積/樣品幾何面積=10～15cm。在浸泡的第1、3、7、10、14、21、28、35、42天進(jìn)行換水，并取樣、酸化以備測量。測量模擬核素濃度，并計算各核素的浸出率與累積浸出分?jǐn)?shù)。

3）試驗結(jié)果

Sr的42天浸出率分別為3.9E-06cm/d滿足國家標(biāo)準(zhǔn)（42天浸出率小于1E-3cm/d）；42天Cs的浸出率分別為1.1E-04 cm/d，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求（42天Cs浸出率小于4E-3cm/d）的要求；Co的42天浸出率分別為<1.7E-06cm/d，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)（42天浸出率小于2E-3cm/d）。配方水泥固化體樣品的放射性浸出率滿足國標(biāo)要求。

同時對試樣的強(qiáng)度進(jìn)行了測量，見表3。

以上結(jié)果表面水泥固化體凍融后抗壓強(qiáng)度增加17.5%，滿足相關(guān)要求。

4.1.3 新配方的應(yīng)用

從項目所提供的水泥固化優(yōu)化配方來看，每個水泥桶包容的放射性廢樹脂從305升提高到400升，廢樹脂的包容率從35.6%提高到46.7%；每個水泥桶包容的濃縮液從342升提高到450升，濃縮液的包容率從39.9%提高到52.5%；固化體包容率均有了明顯的提高。秦山二期共有4臺核電機(jī)組，放射性廢樹脂和濃縮液新配方投入使用后，以四臺機(jī)組實際放射性廢樹脂和濃縮液固體廢物年度產(chǎn)量均值來計算，預(yù)計秦山二期每年直接減少放射性固廢體產(chǎn)量約55m3。按照最終處置費用15萬元/m3來計算，每年節(jié)約廢物后處理成本約825萬元，再按機(jī)組40年的壽命綜合考慮與計算，至少為秦山二期節(jié)省3.3億元的最終處置費用，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 400L鋼桶改造項目

4.2.1 改造背景

秦山二期的TES系統(tǒng)通過水泥固化工藝對核電站運行過程中產(chǎn)生的低、中水平放射性固體廢物進(jìn)行處理，即采用混凝土桶包裝，桶內(nèi)攪拌的固化工藝。該工藝采用的是四種型號的混凝土桶（壁厚在150-400mm），攪拌采用桶內(nèi)攪拌，系統(tǒng)控制采用遠(yuǎn)程PLC+繼電器的控制模式。最近幾年固廢物的產(chǎn)生量基本維持在80m3/機(jī)組·年左右，但是該值與國際先進(jìn)機(jī)組的50m3/機(jī)組·年的目標(biāo)值還有一定差距。目前處理技術(shù)主要存在以下問題：

1）采用混凝土桶包裝放射性廢物，增容比較大，后續(xù)廢物體的運輸、暫存和處置費用都有顯著升高。

2）桶內(nèi)攪拌方式使得廢物的填充率相對較低，為預(yù)留一定的封蓋空間，桶內(nèi)攪拌方式使得廢物填充率很難達(dá)到85%以上，這將進(jìn)一步提高增容比。

因此，基于秦山二期650MW機(jī)組TES系統(tǒng)存在以上的不足，需要制定新的處理技術(shù)。該技術(shù)需要在廢物最小化、提高廢物填充率等方面做出改進(jìn)。

4.2.2 改進(jìn)方面

固體廢物（濃縮液、廢樹脂）的包裝容器從原有的混凝土容器統(tǒng)一改為400L金屬桶。即不再采用混凝土容器（桶型為容積為860L，體積為2m3）作為廢物的包裝容器。

原混凝土容器因考慮屏蔽需要，設(shè)置不同壁厚的3種桶型用以盛裝濕固體廢物，以使其表面任意一點的輻射水平控制在2mSv/h以內(nèi)。采用金屬桶作為固化用容器，其屏蔽采用專門設(shè)計的鉛屏蔽容器，在運輸、暫存過程中，均使用屏蔽容器進(jìn)行屏蔽。屏蔽容器壁厚的設(shè)計，是以核電廠產(chǎn)生濕固體廢物最高劑量率的情況下，保證包裝外表面上任意一點的輻射水平必須≤2.0mSv/h，距離包裝外表面1m處任意一點的輻射水平必須≤0.1mSv/h為條件來進(jìn)行設(shè)計的，使得固體廢物在劑量極限情況下，屏蔽容器仍可以達(dá)到國標(biāo)要求的屏蔽效果。

本次改造使用400升金屬桶代替混凝土桶作為固化用屏蔽容器，可將放射性固體廢物的包裝容積率從41—44%提高到95%，容器本身的增容降到了極低的水平，同時也進(jìn)一步降低了廢物運輸、儲存和處置的費用。下圖5是改造后樹脂的計量裝置，屬于改造的一部分，主要用于準(zhǔn)確地計量樹脂的量。

同時，攪拌工藝改進(jìn)采用已廣泛使用的“雙螺旋”桶內(nèi)攪拌方式完整替代原先的“門式”桶內(nèi)混合器，這使得濕廢物與水泥和添加劑在裝桶前就可以得到充分的攪拌和混合，固化體均勻性能夠得到充分的保證。

“雙螺旋”桶內(nèi)混合裝置（圖6）本身被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)的水泥固化線。兩個雙螺旋攪拌器螺旋管互鎖并沿反方向旋轉(zhuǎn)，攪拌槳對向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)組件帶動雙螺旋攪拌器在桶內(nèi)旋轉(zhuǎn)，保證混合過程的有效性。通過這一方式，即使是在較低的轉(zhuǎn)速下，通過對桶內(nèi)混合物的不斷來回攪拌，便可達(dá)到理想的混合、攪拌效果。采用“雙螺旋”攪拌槳后，雙

4.2.3 項目亮點

1）技術(shù)創(chuàng)新

（1）國內(nèi)首條可以兼容水泥桶和400L金屬桶的固化線。

TES改造完成后，國內(nèi)首條可以實現(xiàn)水泥桶和400L金屬桶共用的固化線。根據(jù)改造后的工藝，水泥桶主要針對更換下的水過濾器芯子，采用1桶多濾芯固定工藝。對于廢樹脂和濃縮液，采用400L金屬桶固化，最大程度降低固體廢物的量。

（2）樹脂固化工藝采用樹脂脫水復(fù)用技術(shù)，減少廢物產(chǎn)生。

通過對樹脂脫水后的廢水復(fù)用，有效減少高污染水對電廠廢液處理系統(tǒng)的壓力，實現(xiàn)樹脂脫水后廢水的復(fù)用。

2）設(shè)備可靠性提升

改造后設(shè)備整體運行可靠，在調(diào)試過程中經(jīng)多次試驗，設(shè)備工作正常。

3）經(jīng)濟(jì)性提升

預(yù)計秦山二期至壽期末，共可直接減少放射性固體廢物產(chǎn)量約5073m3，以15萬元/m3的后處置成本進(jìn)行估算，可節(jié)約固體廢物后處置成本7.6億元。

4）改造可推廣同類機(jī)組

改造完成后，整個改造方案對國內(nèi)同類型固化設(shè)備具有同樣的借鑒意義，如大亞灣核電1、2號機(jī)組和3、4號機(jī)組，其設(shè)備及工藝布局同秦山二期TES系統(tǒng)一致。

4.3 其他減容措施

除上述的固廢最小化措施外，秦山二期還研究了單個水泥桶固定多個放射性廢過濾器芯子和采用“重錘”壓縮劑量率>2mSv/h的干廢物等多個最小化措施，都取得了良好的效果，降低了秦山二期放射性固廢體的量。

5 結(jié)論

秦山二期水泥固化新配方的應(yīng)用和400L鋼桶改造項目的實施，大大降低了放射性固體廢物的產(chǎn)生量，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，廢物最小化工作取得了很好的效果。目前，秦山二期在固體廢物減容技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備方面還有較大的改進(jìn)空間，比如在低放固體廢物中約有60%以上的廢物都是可燃的，國際上常采用焚燒技術(shù)處理低放可燃廢物，其減容比高，但秦山核電基地乃至國內(nèi)所有核電站均尚未采用。同時我國的核電發(fā)展對放射性廢物管理安全提出了更高要求，因此推進(jìn)放射性廢物最小化是我國政府與企業(yè)持續(xù)的工作。與國外先進(jìn)國家相比，我國核電廠放射性廢物還有較大的減容空間，作為核電企業(yè)本身應(yīng)該從控制廢物產(chǎn)生、改善管理、采用先進(jìn)的廢物處理減容技術(shù)、推進(jìn)廢物處理的專業(yè)化和社會化方面應(yīng)開展更多的工作。

【參考文獻(xiàn)】

[1]秦山核電二期擴(kuò)建工程固體廢物處理系統(tǒng)手冊[S].核工業(yè)第二研究設(shè)計.

[2]羅上庚，編.放射性固體廢物處理與處置[J].

[3]核安全導(dǎo)則.HAD 401/08-2016核設(shè)施放射性廢物最小化[S].

[4]GB 14569.1-2011 低、中水平放射性廢物固化體性能要求——水泥固化體[S].

[責(zé)任編輯：田吉捷]