核电厂放射性废物水泥固化线的分析和改进

余迎++陈海桥

摘 要：核电站的运行与维护产生的放射性废物采用水泥固化线进行处理，由于放射性废物处理的特殊性和水泥固化工艺的复杂性，水泥固化线必须具有高度的可靠性和安全性。通过对核电站桶内混合式和桶外混合式水泥固化线的安全性和可靠性进行分析，提出了相应的改进措施。

关键词：核电站 放射性废物 水泥固化 分析 改进

中图分类号：TL941 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0063-02

核电厂的运行与维护会产生相应的放射性废物，包括蒸残液、废树脂及废过滤器芯等，这些放射性废物经过处理，在核电厂储存一段时间后送至放射性处置场处置。核电厂通常采用的处理方法是水泥固化法。目前，国内已运行的及在建的所有压水堆核电站都采用了水泥固化技术处理放射性废物。

1 水泥固化原理

水泥固化法是以硅酸盐水泥基材作为放射性废料的固化材料，通过机械固化、吸附固化和化学固化对废料中核素离子起到固化作用。固化放射性废物的水泥固化体是一个不均匀的多相体系，由固相、少量液体和空气组成。其中，固相主要由各种水化产物、残余熟料和废物等构成，而少量液体则存在于体系的孔隙中。整个体系对于核素的滞留作用主要有三种：固溶作用、吸附作用和包容作用。水泥固化法具有处理过程简单，加工技术良好，固化产品的热稳定性、化学稳定性和生物化学稳定性良好等优点。

2 水泥固化处理工艺

国内已运行及在建的核电厂均采用水泥固化线进行放射性废物的固化处理，实现了放射性废物固化处理的自动化，按照水泥固化处理工艺的不同，可以分为桶内搅拌水泥固化线和桶外搅拌水泥固化线。桶内搅拌水泥固化线和桶外搅拌水泥固化线的原理示意图见图1。

2.1 桶内搅拌固化线

桶内搅拌是将废物、水泥和添加剂分别加入到废物桶内，放入搅拌桨进行搅拌。充分搅拌均匀后提出搅拌桨，然后盖上桶盖。整条固化线由7段不同的辊道组成，装有水泥的钢桶从起始工位经过渡工位被输送到取封盖工位，揭去桶盖后，送到搅拌工位，加入放射性废液[1]。放射性废液经计量罐逐罐计量，借助重力作用进入桶中，与添加剂混合均匀。由螺旋输送器将干料，逐渐加入桶中，与废液在桶内混合均匀。为避免废液因来不及被水泥吸收而溢出，废液的添加分3～4次进行。每次加完废液后，插入搅拌桨进行搅拌。随着废液的增加，逐渐增加搅拌桨的插入深度。最后一次加废液后，搅拌桨浸没在液面之下并高速旋转，将废液与水泥充分混合均匀。混合废树脂时，还要加入除盐水。搅拌完毕，将搅拌桨置入废物桶中一起固化[2]。

2.2 桶外搅拌固化线

桶外搅拌是将废物、水泥和添加剂在专门的混合容器中以一定的比例混合均匀后注入废物桶中。水泥固化线采用桶外混合方式处理废液，待固化的浓缩液贮存在浓缩液贮槽内，废树脂贮存在废树脂贮槽内，固化浓缩液和废树脂及固定废过滤器芯用的湿混合料配制在水泥固化线的混合容器中进行。固化浓缩液或废树脂时，先将经过计量的浓缩液或废树脂送入混合器，加入干的混合料混合均匀，然后装入包装容器[3]。

2.3 桶外搅拌技术与桶内搅拌技术的比较

桶外搅拌技术与桶内搅拌技术的对比情况。

桶内搅拌技术有较多的工程应用经验，关键设备技术成熟可靠，是目前国内核电厂水泥固化采用较多的一种技术，无论从设备可运行性、可检修性均得到验证，具有较好的应用经验，运行操作人员对桶内搅拌运行操作相对熟悉，有较多的可借鉴的操作经验。

桶外搅拌技术目前在国内核电厂还没有可以借鉴的工程运行经验，设备的调试、配方的优化还需要进一步完善，调试过程中暴露出的问题还需要进一步整改，国内可借鉴的运行经验较少。

3 水泥固化线技术分析

3.1 主要结构

桶内搅拌水泥固化线由搅拌电机、振动电机等传动件，以及搅拌桨、振动电机、干料下料管、通风管等组件组成。振动电机用于振动去污。安全措施包括应急升降装置用以提升搅拌桨设备；仪表主要有公转限位和安全位开关、升降上下限位和安全位开关、钢桶与密封罩贴合限位、安全位开关、液位检测仪表等组成。

桶外搅拌水泥固化线由搅拌电机、搅拌桨、混合器桶体、包含旋转和升降电机的冲洗装置、干混料进料装置和排料装置等组成。搅拌桨为S形平底结构，与搅拌轴采用花键连接，搅拌轴由主电机减速机带动旋转，并配备备用电机；安全措施包括备用搅拌电机、下料阀门手动打开装置；仪表主要有液位检测仪表、冲洗升降上下限位开关、干混料、排料阀开关状态反馈信号开关、钢桶顶升限位和安全位开关等组成。

3.2 安全性

（1）桶内搅拌。

由于桶内搅拌是在废物桶内进行搅拌，水泥浆的流动性引起的安全风险相对较小；流动度较低或较粘稠会产生桨叶旋转困难以及桨叶变形等风险，但其维修工作量相对较低。应急处理相对较简单，可以通过提升桨叶来将废物桶运出后来处理；在电源失电状况下应急处理措施相对简单，可以通过手摇将桨叶提离废物桶。

（2）桶外搅拌。

由于桶外搅拌是在桶外进行搅拌，结束后灌入桶内，所以要求水泥浆必须有好的流动性，流动度较低或较粘稠对排料的顺畅性不利，会产生排料不完全或不畅的风险，极端情况下的处理相对较复杂；在电源失电状况下应急处理措施相对复杂，需增加一路备用电源作为保障，并需固化配方在应急处理时间内保持的流动性。

3.3 可靠性

（1）桶内搅拌。

在桶底部和四周都会存在搅拌死区，若水泥浆粘度高，会存在搅拌不充分现象。若干混料内有异物，可能造成桨叶憋死、变形，螺带桨与钢桶加强环卡死无法提升现象。若出现湿混料初凝速度快情况，由于其搅拌时间较长，在搅拌过程中会造成桨叶凝固在桶内，需要切割或拆卸桨叶处理。切割或拆卸桨叶时，需先将桨叶上部圆形筒拆除或切割处理后，才能进行桨叶的拆除工作。桨叶清洗去污困难，利用高压水进行清洗，会造成其它设备污染，只能采取桨叶振动或搅拌清水自清洗，一方面澄清桶内积累一定量的泥浆后必须更换澄清桶，否则桨叶无法没入水中清洗，将产生大量废水，且桶内沉积水泥厚度无法监测，也增大了废物量；另一方面搅拌桨上也会有淤积水泥，无法清理彻底，水泥会越积越厚，最后只能人工清理。endprint

（2）桶外搅拌。

混合器搅拌桨高速转动下，会将湿混料甩至混合器上部，湿混料凝固后，会堵塞湿料、干料的下料口，导致混合器无法进行固化，一旦堵塞只能将整个下料阀拆除，进行疏通。每次进行固化后，混合器排料口会残存一定的湿混料，使得排料阀无法关到位，造成混合器内液体流失。如长期运行，排料阀无法保证密封。混合器的冲洗效果不佳，每次完成固化操作，冲洗后搅拌桨上始终会残存一部分湿混料，残存的固化物累积无法保证寿期内混合器一直可用。混合器与其他设备、管道的连接处采用的是橡胶垫片，易老化导致密封失效。桶外混合器对水泥干混料的加料速度有一定的要求，干料加入速度过快易造成混合不均或形成大的湿水泥块，出现“水包泥”的现象，会影响固化体性能。桶外搅拌对设备计量精度的要求高，易因配比的波动，导致湿混料的凝固变快，发生湿混料凝固在混合器内的事件。

4 改进措施

4.1 桶内搅拌固化线的改进措施

桶内搅拌固化线技术上相对成熟，主要的改进措施是对搅拌桨进行改进。秦山核电厂放射性废液水泥固化系统原设计采用平面型搅拌桨，用这种搅拌桨混合的固化体的均匀性差，分层现象较为严重，而且搅拌过程中废液容易从桶中溢出来。由于出现飞溅问题，桶内放射性废物装填率只有约70%。改进采用自洁净行星式双螺旋结构的搅拌装置，搅拌桨绕着桶中心既有自转又有公转，还可以上下移动，保证桶内的每个地方都能被搅拌，并设有应急提升机构，停电时，可以手动将搅拌桨从桶中提升起来，避免被水泥浆凝固在桶中。该搅拌装置结构合理，搅拌过程中废液飞溅小，自身体积较小，不但解决了废物的均匀性问题，而且将最终废物的装填率提高到了95%左右。

4.2 桶外搅拌固化线的改进措施

桶外搅拌技术具有搅拌效率高、搅拌均匀、填充率高等优势，但由于其自身特点，对水泥浆流动性要求较高，否则会引起混合物料排出不完全风险。基于上述原因，有以下改进措施：

（1）双路供电电源。

增设一路供电电源，并实现自动切换功能，保证设备用电的安全性。

（2）搅拌备用电机。

水泥固化线混合器除了正常运行的搅拌电机外，配备一台备用电机，如主电机运行过程中出现故障，可切换至备用电机完成物料排出操作。

（3）手动下料应急装置。

混合器下料阀设计手动打开装置，如混合器在搅拌完成后，排料阀出现故障无法打开时，可通过设置手动装置打开下料阀，完成排料操作。

（4）计量装置。

增加混合器液位计，在混合器内液体量加入到位后、干混料加入到混合器前，通过液位计的测量值对实际加入的液体量进行再次确认，更加可靠地确保实际液体加入量满足配方设计要求，避免液体量少而出现混合物粘稠排料不完全的风险。

（5）搅拌器桶体分段设计。

混合器桶体和搅拌桨轴组件采用模块化的分段设计，一旦发生物料排出不完全的极端事故时，可将包含物料的桶体模块快速拆出并释放在辊道上的专用运输托盘上；利用手动卷扬装置将桶体模块拉出，并运输至废物暂存库储存。

（6）冗余设计。

旋转辊道、升降机构采用双电机冗余设计，设置手动拖拽系统以应对辊道无法运行的工况，以便将废物桶移出后对设施进行维修。

5 结语

核电站的运行与维护产生的放射性废物采用水泥固化线进行处理，由于放射性废物处理的特殊性和水泥固化工艺的复杂性，水泥固化线必须具有高度的可靠性和安全性。国内核电站放射性废物水泥固化线主要有桶内搅拌工艺和桶外搅拌工艺，从发展趋势看，桶外混合搅拌工艺将逐渐占主导地位。通过对核电站桶内混合式和桶外混合式水泥固化线的技术分析，从安全性和可靠性方面提出了相应的改进措施，为核电厂放射性废物水泥固化线的设计改进提供了可借鉴的经验。

参考文献

[1] 陈良，陈莉，李均华.压水堆核电站放射性废液水泥固化技术分析[J].核动力工程，2009，30（2）：113.

[2] 黄来喜，何文新，陈德淦.大亚湾核电站放射性固体废物管理[J].辐射防护， 2004，24（3）：211.

[3] 李洪辉，范智文.核电站放射性废物水泥固化处理[J].辐射防护通讯，2010，30（3）：34.endprint

（2）桶外搅拌。

混合器搅拌桨高速转动下，会将湿混料甩至混合器上部，湿混料凝固后，会堵塞湿料、干料的下料口，导致混合器无法进行固化，一旦堵塞只能将整个下料阀拆除，进行疏通。每次进行固化后，混合器排料口会残存一定的湿混料，使得排料阀无法关到位，造成混合器内液体流失。如长期运行，排料阀无法保证密封。混合器的冲洗效果不佳，每次完成固化操作，冲洗后搅拌桨上始终会残存一部分湿混料，残存的固化物累积无法保证寿期内混合器一直可用。混合器与其他设备、管道的连接处采用的是橡胶垫片，易老化导致密封失效。桶外混合器对水泥干混料的加料速度有一定的要求，干料加入速度过快易造成混合不均或形成大的湿水泥块，出现“水包泥”的现象，会影响固化体性能。桶外搅拌对设备计量精度的要求高，易因配比的波动，导致湿混料的凝固变快，发生湿混料凝固在混合器内的事件。

4 改进措施

4.1 桶内搅拌固化线的改进措施

桶内搅拌固化线技术上相对成熟，主要的改进措施是对搅拌桨进行改进。秦山核电厂放射性废液水泥固化系统原设计采用平面型搅拌桨，用这种搅拌桨混合的固化体的均匀性差，分层现象较为严重，而且搅拌过程中废液容易从桶中溢出来。由于出现飞溅问题，桶内放射性废物装填率只有约70%。改进采用自洁净行星式双螺旋结构的搅拌装置，搅拌桨绕着桶中心既有自转又有公转，还可以上下移动，保证桶内的每个地方都能被搅拌，并设有应急提升机构，停电时，可以手动将搅拌桨从桶中提升起来，避免被水泥浆凝固在桶中。该搅拌装置结构合理，搅拌过程中废液飞溅小，自身体积较小，不但解决了废物的均匀性问题，而且将最终废物的装填率提高到了95%左右。

4.2 桶外搅拌固化线的改进措施

桶外搅拌技术具有搅拌效率高、搅拌均匀、填充率高等优势，但由于其自身特点，对水泥浆流动性要求较高，否则会引起混合物料排出不完全风险。基于上述原因，有以下改进措施：

（1）双路供电电源。

增设一路供电电源，并实现自动切换功能，保证设备用电的安全性。

（2）搅拌备用电机。

水泥固化线混合器除了正常运行的搅拌电机外，配备一台备用电机，如主电机运行过程中出现故障，可切换至备用电机完成物料排出操作。

（3）手动下料应急装置。

混合器下料阀设计手动打开装置，如混合器在搅拌完成后，排料阀出现故障无法打开时，可通过设置手动装置打开下料阀，完成排料操作。

（4）计量装置。

增加混合器液位计，在混合器内液体量加入到位后、干混料加入到混合器前，通过液位计的测量值对实际加入的液体量进行再次确认，更加可靠地确保实际液体加入量满足配方设计要求，避免液体量少而出现混合物粘稠排料不完全的风险。

（5）搅拌器桶体分段设计。

混合器桶体和搅拌桨轴组件采用模块化的分段设计，一旦发生物料排出不完全的极端事故时，可将包含物料的桶体模块快速拆出并释放在辊道上的专用运输托盘上；利用手动卷扬装置将桶体模块拉出，并运输至废物暂存库储存。

（6）冗余设计。

旋转辊道、升降机构采用双电机冗余设计，设置手动拖拽系统以应对辊道无法运行的工况，以便将废物桶移出后对设施进行维修。

5 结语

核电站的运行与维护产生的放射性废物采用水泥固化线进行处理，由于放射性废物处理的特殊性和水泥固化工艺的复杂性，水泥固化线必须具有高度的可靠性和安全性。国内核电站放射性废物水泥固化线主要有桶内搅拌工艺和桶外搅拌工艺，从发展趋势看，桶外混合搅拌工艺将逐渐占主导地位。通过对核电站桶内混合式和桶外混合式水泥固化线的技术分析，从安全性和可靠性方面提出了相应的改进措施，为核电厂放射性废物水泥固化线的设计改进提供了可借鉴的经验。

参考文献

[1] 陈良，陈莉，李均华.压水堆核电站放射性废液水泥固化技术分析[J].核动力工程，2009，30（2）：113.

[2] 黄来喜，何文新，陈德淦.大亚湾核电站放射性固体废物管理[J].辐射防护， 2004，24（3）：211.

[3] 李洪辉，范智文.核电站放射性废物水泥固化处理[J].辐射防护通讯，2010，30（3）：34.endprint

（2）桶外搅拌。

混合器搅拌桨高速转动下，会将湿混料甩至混合器上部，湿混料凝固后，会堵塞湿料、干料的下料口，导致混合器无法进行固化，一旦堵塞只能将整个下料阀拆除，进行疏通。每次进行固化后，混合器排料口会残存一定的湿混料，使得排料阀无法关到位，造成混合器内液体流失。如长期运行，排料阀无法保证密封。混合器的冲洗效果不佳，每次完成固化操作，冲洗后搅拌桨上始终会残存一部分湿混料，残存的固化物累积无法保证寿期内混合器一直可用。混合器与其他设备、管道的连接处采用的是橡胶垫片，易老化导致密封失效。桶外混合器对水泥干混料的加料速度有一定的要求，干料加入速度过快易造成混合不均或形成大的湿水泥块，出现“水包泥”的现象，会影响固化体性能。桶外搅拌对设备计量精度的要求高，易因配比的波动，导致湿混料的凝固变快，发生湿混料凝固在混合器内的事件。

4 改进措施

4.1 桶内搅拌固化线的改进措施

桶内搅拌固化线技术上相对成熟，主要的改进措施是对搅拌桨进行改进。秦山核电厂放射性废液水泥固化系统原设计采用平面型搅拌桨，用这种搅拌桨混合的固化体的均匀性差，分层现象较为严重，而且搅拌过程中废液容易从桶中溢出来。由于出现飞溅问题，桶内放射性废物装填率只有约70%。改进采用自洁净行星式双螺旋结构的搅拌装置，搅拌桨绕着桶中心既有自转又有公转，还可以上下移动，保证桶内的每个地方都能被搅拌，并设有应急提升机构，停电时，可以手动将搅拌桨从桶中提升起来，避免被水泥浆凝固在桶中。该搅拌装置结构合理，搅拌过程中废液飞溅小，自身体积较小，不但解决了废物的均匀性问题，而且将最终废物的装填率提高到了95%左右。

4.2 桶外搅拌固化线的改进措施

桶外搅拌技术具有搅拌效率高、搅拌均匀、填充率高等优势，但由于其自身特点，对水泥浆流动性要求较高，否则会引起混合物料排出不完全风险。基于上述原因，有以下改进措施：

（1）双路供电电源。

增设一路供电电源，并实现自动切换功能，保证设备用电的安全性。

（2）搅拌备用电机。

水泥固化线混合器除了正常运行的搅拌电机外，配备一台备用电机，如主电机运行过程中出现故障，可切换至备用电机完成物料排出操作。

（3）手动下料应急装置。

混合器下料阀设计手动打开装置，如混合器在搅拌完成后，排料阀出现故障无法打开时，可通过设置手动装置打开下料阀，完成排料操作。

（4）计量装置。

增加混合器液位计，在混合器内液体量加入到位后、干混料加入到混合器前，通过液位计的测量值对实际加入的液体量进行再次确认，更加可靠地确保实际液体加入量满足配方设计要求，避免液体量少而出现混合物粘稠排料不完全的风险。

（5）搅拌器桶体分段设计。

混合器桶体和搅拌桨轴组件采用模块化的分段设计，一旦发生物料排出不完全的极端事故时，可将包含物料的桶体模块快速拆出并释放在辊道上的专用运输托盘上；利用手动卷扬装置将桶体模块拉出，并运输至废物暂存库储存。

（6）冗余设计。

旋转辊道、升降机构采用双电机冗余设计，设置手动拖拽系统以应对辊道无法运行的工况，以便将废物桶移出后对设施进行维修。

5 结语

核电站的运行与维护产生的放射性废物采用水泥固化线进行处理，由于放射性废物处理的特殊性和水泥固化工艺的复杂性，水泥固化线必须具有高度的可靠性和安全性。国内核电站放射性废物水泥固化线主要有桶内搅拌工艺和桶外搅拌工艺，从发展趋势看，桶外混合搅拌工艺将逐渐占主导地位。通过对核电站桶内混合式和桶外混合式水泥固化线的技术分析，从安全性和可靠性方面提出了相应的改进措施，为核电厂放射性废物水泥固化线的设计改进提供了可借鉴的经验。

参考文献

[1] 陈良，陈莉，李均华.压水堆核电站放射性废液水泥固化技术分析[J].核动力工程，2009，30（2）：113.

[2] 黄来喜，何文新，陈德淦.大亚湾核电站放射性固体废物管理[J].辐射防护， 2004，24（3）：211.

[3] 李洪辉，范智文.核电站放射性废物水泥固化处理[J].辐射防护通讯，2010，30（3）：34.endprint