放射性固体废物压缩减容技术研究

杜洪铭，靳 松，刘天险，刘金宝，刘 宁（中国原子能科学研究院放射化学研究所，北京 102413）

放射性固体废物压缩减容技术研究

杜洪铭，靳 松，刘天险，刘金宝，刘 宁
（中国原子能科学研究院放射化学研究所，北京 102413）

摘要：本工作对以压缩作为处理放射性固体废物的方法进行了实验研究，分析了压缩过程中影响各类物料压缩减容倍数的因素。实验结果表明，高压压缩处理物料的范围广，对物料的分类要求不严格；在压力为600kN压缩下，依据物料的性质和装填密度不同，各种物料的减容倍数在2．3～11之间，压缩后各类物料压缩的平均物料密度在1 200～3 900kg／m3之间；对于某些软物料、有孔硬物料和弹性物料，压缩后物料的平均密度大于物料的物理密度；不同装填密度的废物，高压压缩后物料的平均密度基本相同，物料的压缩减容倍数与物料本身的性质、装填密度等有关。弹性物料压缩后反弹明显，甚至破坏压饼，其他物料反弹在20%以内。

关键词：废物管理；压缩；减容；放射性固体废物

放射性固体废物是放射性废物的一种主要类型，核设施营运单位应将放射性固体废物转变为稳定的、标准化的固体废物后自行贮存［1］，处理整备后送交放射性固体废物处置单位处置［2］。出于安全、技术或财政的原因，处置前的处理成为必要，如消除或减小与废物相关的放射性、物理、化学和生物方面的危险以及减小废物体积而降低运输、处置的费用［3］，因此对废物及时减容和整备是非常关键的步骤。对规模为每年10m3的放射性固体废物暂存库，在其生命周期内若就近处理，带来的生命周期环境效益为1．65×1011kJ，经济效益为4 583万元［4］。压缩是低、中放固体废物的一种容易实现、安全可靠的减容办法［5］。对产生大量可压缩性低放废物的用户来说，主要倾向于用压力在1 000～2 000t之间的超级压缩机，它具有产生更小体积最终废物的优点［6］。

随着我国核电事业的发展，核电站是放射性废物的主要产生地，核燃料循环产生的废物量基本上是发电量和核燃料是否进行后处理的函数［7］。据统计，秦山三期2002—2007年共产生技术废物180．4 m3，其中可压缩废物占97．12%，不可压缩废物占2．88%［8］，在4次大修过程中共产生放射性固体技术废物57．6m3，其中56．4m3为可压缩废物，仅1．2m3为不可压缩废物［9］，由此可见可压缩废物是核电站放射性固体废物的最主要部分。因此选用压缩减容方法进行固体废物处理是非常有优势的。

本文拟采用压缩处理方法研究核工业中常见的各类固体废物的减容行为和效果，为放射性固体废物压缩处理工艺的设计和运行提供参考。

1　主要实验设备和材料

1．1 实验设备

NYL－60型压力试验机，无锡建筑材料机械厂；压缩压头和压缩成形模具，自制；模拟桶，φ11cm×16cm（壁厚δ＝0．03cm），房山制桶厂。

1．2 实验材料

模拟废物：棉制品（如棉布、棉纱等）、塑料、橡胶、纸、玻璃、木材、混凝土、砖、金属切削物、金属管道等，均为市售。

2　实验和评价方法

2．1 实验方法

将模拟物料按单一或比例混合，分别装入模拟桶中，然后将装满物料的桶放入成形模具中，用压力试验机对桶体施加压力进行压缩，并记录不同压力下桶体的高度。

本实验最大的压缩压力为600kN，模拟桶直径为11cm，相对于200L标准桶［10］其相应的压缩压力为1 555t，达到了超级压缩的水平。

2．2 评价方法

在模具中压缩，桶直径无变化，其减容倍数由下式计算：

VRF＝h0／hi（1）

式中：VRF为减容倍数；h0为桶压缩前高度，cm；hi为桶压缩后高度，cm。

压缩后物料的平均密度根据下式计算：

ρi＝W／（πr2h－W桶／ρ铁）（2）

式中：ρi为某压力下物料的密度，g／cm3；W为物料的装填质量，g；W桶为桶的质量，g；r为成形模具的半径，为5．5cm；h为压缩后物料的高度，cm；ρ铁为包装桶材料铁的密度，取7．8g／cm3。

3　结果与讨论

3．1 单一物料压缩

单一物料的减容效果如图1所示。

图1　 单一物料的压缩减容效果Fig．1 Results of compacting single material

从图1可看出，棉纱、纸、棉布、塑料布、铁屑和木材等物料的减容效果明显，而砖、塑料地板、混凝土、橡胶、玻璃、铁管等物料的减容倍数较小。根据各物料的压缩曲线可将物料在压缩过程中分为四类：

1）塑料地板、橡胶和塑料布等弹性较大的物质，在压力较小的阶段减容倍数变化很快，而在压力增大到一定值（在本文定为P界压力）后，减容倍数基本不变，表现为该类物料的P界压力表现很明显，较易确定P界压力。

2）砖、混凝土和玻璃等物料也出现P界压力，P界压力后的减容效果较小，但与橡胶等弹性物质相比，减容也较明显。

3）棉布、棉纱和纸等物料在实验范围内压力阶段其减容效果还处于显著阶段，虽P界压力尚未完全达到，但从压缩曲线分析，基本在700kN左右。

4）铁管在600kN的压力范围内减容倍数与压缩压力的关系曲线基本为一直线，还没有出现P界压力，从图1中曲线分析可推断，虽然它们在0～600kN的减容倍数较小，但还处于其自身减容的显著阶段。

从实验结果可知，某物料的P界压力越明显，则该物料在P界压力后减容越小，对其继续加大压力进行减容的意义也越小。若物料压缩的P界压力不明显，则说明对该物料可继续增大压力，提高减容效果；若物料的P界压力还未出现，则说明该物料还处于其减容显著阶段，继续加大压力进行压缩可进一步提高减容倍数。

根据式（2）计算各物料600kN压缩后的平均密度ρi，如表1所列。经过600kN压力的压缩后，内部有孔隙的物料如木材、混凝土、橡胶和塑料地板等压缩后的密度均超过物料的物理密度ρ，而玻璃、铁屑和铁管这类内部无孔隙又无弹性的物质，则不易达到物料的物理密度，玻璃可达到物理密度的87%，而铁类物质只能达到50%左右。

3．2 同类物料不同装填量的压缩

棉纱、塑料布、铁屑及铁管装填量和装填密度列于表2，减容效果分别示于图2～4。

图2～4表明，不同装填密度的物料其减容倍数随压缩压力的变化趋势类似，只是数值不同。物料的装填量越大，减容倍数越小。不同装填密度的塑料布均表现出P界压力显著的特点，且P界压力的值也基本相同；不同装填密度的棉纱P界压力均不明显，而铁类压缩物料在0～600kN压力段，P界压力还未出现，即使是减容倍数最大的铁屑，P界压力也无法确定。

表1　 物料压缩后的密度与物理密度的关系Table 1 Relationship between average densityafter compaction and physical density

表2　 物料的装填量和装填密度Table 2 Loading quantity andloading density of material

图5～7分别为不同装填密度物料压缩后的密度随压缩压力的变化。

图2　 棉纱的减容效果Fig．2 Results of compacting cotton yarn

图3　 塑料布的减容效果Fig．3 Restuls of compacting plastic sheeting

图4　 金属材料的减容效果Fig．4 Results of compacting metallic material

图5　 棉纱压缩密度的变化Fig．5 Density change of compacted cotton yarn

图6　 塑料布压缩密度的变化Fig．6 Density changeof compacted plastic sheeting

图7　 金属材料压缩密度的变化Fig．7 Density changeof compacted metallic material

从图5～7可看出，虽然各物料的装填密度不同，减容倍数相差也较大，但压缩到600kN后各物料压缩密度趋于一致，如图5中不同装填量的棉纱，压缩后密度分别为1．59、1．56、1．59g／cm3，基本达到一致。图6中两种装填量的塑料布从初始密度差为0．37g／cm3减小到压缩后的0．03g／cm3。图7表明，在600kN的压缩压力下，铁这类难压缩的物质仍处于减容显著阶段，虽然密度差别还较大，但也从装填时的29．6%减小到压缩后的8．1%，可预计，随着压力的增加，铁管的压缩平均密度与铁屑的密度差值将进一步减小。

综合分析各类物料的压缩减容曲线，其减容倍数VRF随压力p的变化可用图8中的曲线来描述。图8中pa、pb、pc和相应的减容倍数与物料的种类和装填量有关，可将压缩曲线分成4个阶段。第1阶段是克服桶和物料自身强度阶段，该阶段的减容很小，压力pa与桶的强度、物料的性质、装填量有关。第2阶段是减容显著阶段，物料的减容主要在此段进行，pb（前文所定义的P界压力）与物料的性质有关，与物料的装填密度关系不大，pa和pb之间的差值随物料的不同差别很大，如对橡胶等弹性物料，该值很小，而对于难压缩物料，该值可以很大。第3阶段是减容持续阶段，这一阶段与第2阶段相比减容效果显著降低，但增加压力还可继续减容，这一阶段压力的长度与物料的性质关系最大，对于橡胶等弹性大的物质，这一阶段很短，而对于纸、棉布、棉纱等物质，经过第2阶段后，增加压力（如增加到600kN后）物料还能继续减容，表现出减容持续阶段很长。最后一阶段为基本无减容阶段，物料的体积在该阶段随着压力的增加基本不再减小，减容曲线基本为一水平直线。

图8　 压缩压力与减容倍数的关系Fig．8 Relationship between volume reduction ratio and compression pressure

3．3 各类物料压缩后的反弹

物料压缩完成并撤除压力后，物料均有所反弹。本实验对物料进行的是连桶压缩，这是由于桶被压缩后可有效地限制物料的回弹，压缩后的压饼大部分能保持压完后的形状。表3列出了600kN压力压缩后各类物料的反弹高度及反弹率。

从表3可知，对于建筑类和金属类硬物质物料，其本身的反弹力很小，反弹高度一般在0．5cm以内，反弹率在10%以内，从铁管和铁屑的数据来看，松散物料的反弹更为明显。而棉布、棉纱和纸等软物料，虽然在一般情况下均有反弹，但由于有包装桶的限制，反弹都很小，反弹值一般小于1cm，反弹率在20%以内。在实验过程中，对塑料布、橡胶皮、塑料地板、厚橡胶等弹性大的物质进行压缩时，物料的反弹较大，当厚橡胶压缩到600kN时包装桶也被反弹裂成两部分，而橡胶皮和塑料布压缩到600kN后，取出压饼后有时会出现裂口，由于反弹力的作用，这些裂口会越来越大，使包装桶发生破坏。从对这些物料压缩后反弹现象的观察和分析可知，不宜对这类单一弹性大的物料进行高压压缩。

表3　 各类物料压缩后的反弹情况Table 3 Rebound situationof material after compaction

4　结论

1）对任何物料的压缩可以分为减容显著、减容持续和基本无减容3个阶段，表现为相似的压缩减容曲线，但不同的物料达到相应减容段的压力值不同及相应的减容倍数不同，表现为压缩减容曲线有所差异。

2）超级压缩可处理从软物料、硬物料和壁厚达3mm厚的金属物料，一定压力下物料的减容倍数与物料本身的性质、装填密度等有关。在600kN的压缩压力下，实验中各类物料的减容倍数在2．3～11之间。

3）虽然桶中物料装填密度不同，其压缩减容倍数也有所不同，但在达到一定的压力后，不同装填密度的同种物料其压缩密度基本相同。

4）对于软物料、有孔硬物料或弹性物料，当压力达到一定值后，压缩物料的密度超过了物料本身的密度。

5）弹性物料压缩后反弹明显，甚至破坏压饼，其他物料的反弹在20%以内，能保持较好的压饼质量。

参考文献：1997．

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Study on Compaction of Radioactive Solid Waste

DU Hong－ming，JIN Song，LIU Tian－xian，LIU Jin－bao，LIU Ning
（China Institute of Atomic Energy，P．O．Box275－4，Beijing102413，China）

Abstract：The experimental research of compaction dealing with the radioactive solid waste and the influence factors of the different materials during the compression process were discussed．The results show that the material treatment range of high pressure compression is wide and the requirements of classification are not strict．According to the different characteristics and loading densities，the volume reduction ratio is 2．3－11 and the average density of materials is 1 200－3 900kg／m3when the pressure is 600kN．The average densities of the soft materials，hard materials with holes and elastic materials are greater than their matter densities．After compaction，the average densities of materials with different loading densities are basically same．The volume reduction ratio is related to the materials’own properties and loading density．The elastic materials rebound significantly and break pellets after compaction，and other materials rebound rates are less than 20%．

Key words：waste management；compaction；volume reduction；radioactive solid waste

作者简介：杜洪铭（1967—），男，浙江东阳人，研究员级高级工程师，硕士，从事放射性废物管理研究

收稿日期：2014－03－06；修回日期：2014－08－05

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1515

文章编号：1000－6931（2015）08－1515－06

文献标志码：A

中图分类号：TL94