核电厂放射性废树脂处理技术对比研究

2018-01-09逯馨华张红见魏方欣刘婷

核安全 2017年3期

逯馨华,张红见,魏方欣,崔聪,刘婷

(环境保护部核与辐射安全中心,北京100082)

核电厂运行产生的放射性固体废物主要由废树脂、废过滤器芯、检修废物 (木材、金属)、棉织物、纸张、湿固体废物等组成。由于放射性废树脂产生量大,比活度高,受到广泛关注。目前,我国已运行核电厂放射性废水的处理以离子交换为主;新建第三代核电机组,如AP1000,同样采用离子交换法处理运行产生的放射性废水。依据AP1000第17版设计控制文件,AP1000核电厂产生的湿固体废物中,放射性废树脂占有相当大的比例,预期产生量约为11.33m3·a-1,占湿固体废物体积的52.3%[1],其含水量为50%—60%,浓集的放射性核素主要为137Cs、90Sr、60Co等裂变核素和活化腐蚀产物。虽然核电厂产生的大部分放射性废树脂为低、中放废物,但部分废树脂的比活度可能较高,通常认为核电厂产生的放射性废树脂总活度占比可高达80%[2]。为此,高效、妥善、安全地处理核电厂产生的放射性废树脂,是保证核电厂辐射安全的重要方面之一,值得关注和认真解决。

当前,核电厂产生的放射性废树脂类固体废物主要采用水泥固化技术处理,该技术的优势为操作简单、原材料易得、经济性好,但存在增容大的不足。核电厂放射性废物最小化是一种趋势,如何实现有效减容,国际上有核国家积极开展探索和研究,以期最大程度减轻放射性固体废物的处置压力,降低核电发展对人类和环境的影响。对我国而言,现有17个运行核电厂、共计35台机组,在建核电机组22台,是世界在建核电规模最大的国家[3];但我国放射性废物处置场建设进展缓慢,与我国核电发展趋势不相匹配。

为此,在核电快速发展的今天,如何对现有的放射性废物处理技术进行改良更新,尤其是对众多废树脂处理技术进行对比分析,找到既能最大减容,又能经济适行,利于核与辐射安全的处理技术,是当前亟需解决的问题。本文从现有的废树脂处理技术入手,通过调研各项技术的应用现状,从减容程度、安全性、易操作性和经济性等方面对几项技术进行对比分析,以期为我国放射性废物处理技术的发展提供借鉴和参考。

1 废树脂处理技术介绍

1.1 废树脂的产生

核电厂的废树脂来源主要是反应堆一回路冷却剂和净化乏燃料水池池水所用的离子交换树脂床。当交换树脂的交换容量有所降低,树脂床达不到净化要求或交换柱两端达到一定压差时就需更换树脂,所以每年核电厂都会产生数量可观的放射性废树脂[4]。目前,放射性废树脂的处理技术包括水泥固化、高整体容器 (High Integrity Container,简称HIC)、热态超级压缩技术 (Hot Super Compaction)、核素分离法、氧化分解等,其中前三种技术比较成熟和常用。

1.2 水泥固化

采用水泥固化放射性废树脂的研究始于20世纪70年代[2],是放射性废物处理的常用方法之一。目前在我国运行核电厂中如秦山、大亚湾、岭澳、田湾、红沿河、宁德、福清等核电厂等都采用此方法处理放射性废树脂和浓缩液。虽然核电厂根据自身产生的放射性废物的特性开发的水泥固化配方有所差异,但工艺流程基本相同。首先称量放射性废树脂液,然后与添加剂混合均匀,再将干料(水泥、沙子等)与废液充分搅拌混合、固化、养护等。具体工艺简图如图1所示。

图1 水泥固化工艺流程简图Fig.1 Process diagram of cementation

水泥固化工艺分为桶内搅拌工艺和桶外搅拌工艺两种,目前国内运行核电厂均采用桶内搅拌工艺。但从两种工艺比较来看,桶外搅拌工艺的处理能力大,可以批式操作,也可以连续运行,更有利于增加废物的包容量,降低水泥固化体的增容比[5],但若在国内工程应用,还需要在配方和工艺方面开展进一步研究。

水泥固化工艺简单,原料便宜且容易获得、操作流程比较简便、固化体性能稳定,是目前国内外核电厂最常用的废物处理方法。该方法的主要不足为废物增容大,可达4倍;虽经研究改良,固化放射性废树脂的增容比仍为2.5倍左右[6]。利用水泥固化技术处理放射性废树脂,较大的增容比不仅增加了贮存的场地,也增加了运输和处置的成本。

1.3 高整体容器 (HIC)

HIC是一种由特殊材料制成的容器,它的耐久性好,寿命可长达300年,可以对内盛的废物实现长期安全的包容。早在20世纪70、80年代,HIC就有应用。美国在处理三哩岛核电厂事故产生的放射性废树脂时即采用HIC[7]。我国在第三代AP1000核电厂考虑使用HIC进行放射性废树脂处理和包容,如山东海阳核电厂、阳江核电厂等。该技术是将废树脂液进行脱水后直接装入HIC,不需要对废树脂进行水泥固化。具体工艺简图如图2所示 (图2主要为高密聚乙烯处理放射性废树脂的流程图)。制作HIC的原材料有很多种,包括耐蚀金属合金、钢纤维加强混凝土、高密度聚乙烯、涂聚合物金属等。目前山东海阳和广东阳江均采用高密度聚乙烯HIC。

图2 废树脂HIC(高密度聚乙烯)工艺简图Fig.2 Process diagram of spent resin HDPE HIC

HIC技术很大程度上简化了废树脂的处理流程,仅需对废树脂进行烘干脱水后,就可以装进容器进行暂存,最后形成的HIC货物包对放射性废物的有效包容时间达300年之久。在减容方面,根据所使用的容器材料不同,最终形成的废物包通常是原废树脂体积的1.2-2倍[6],相比于水泥固化技术,可基本实现不增容。但是目前高密度聚乙烯HIC主要是从国外购买,价格高昂,国内虽然于2016年成功制造出球墨铸铁类放射性废物贮运容器[8],但目前还没有量产,这也是造成HIC技术投入过大、经济性不好的主要问题。

图3 高密度聚乙烯HIC(海阳核电厂)Fig.3 High-density polyethylene HIC in Haiyang nuclear power plant

1.4 热态超级压缩技术(Hot Super Compaction)

热态超级压缩技术也是在AP1000核电厂中应用的技术之一,在国外拥有10年以上的运行经验[9]。主要是通过在加热环境中用超级压缩机压实废树脂,然后装进钢桶中暂存的方法处理废树脂。我国主要是三门核电厂采用了此方法。工艺流程:首先将废树脂在处理箱中进行预处理,而后在烘干机中加热烘干,然后装进160L钢桶中进行超压,压实饼再装入200L桶中,并在空隙处浇筑水泥固定,可直接在暂存库暂存。具体流程如图4所示。

图4 热态压实废树脂处理流程简图Fig.4 Simplified diagram for spent resin hot super pressing of Sanmen NPP

热态超级压缩技术可实现废树脂的最大减容,经过干燥脱水后的废树脂体积大约只有原废物体积的1/3,经过装桶超压后的体积大约为原体积的2.1倍[6],相对水泥固化来说也实现了有效减容,能在一定程度上缓解核电厂放射性废物暂存库的储存压力。根据我国《低、中水平放射性固体废物包装安全标准》(GB12711)中规定的要求,放射性固体废物包装的放射性限值要求包装外表面上任意一点的辐射水平必须≤2mSv·h-1,距包装体外表面1 m处任意一点的辐射水平必须≤0.1mSv·h-1[10],目前超压后废树脂所装的200L钢桶不能满足此项要求。同时,根据《放射性废物安全管理条例》[11]低、中水平放射性固体废物处置设施关闭后应满足300年以上的安全隔离要求,钢桶达不到相应要求。为满足放射性物质安全运输和永久性贮存的要求,需对水泥固定的200L钢桶增设外包装屏蔽桶 (混凝土包装桶或装HIC中),但此方式将影响减容效果,同时提高了处置成本。

2 对比分析

根据以上介绍可知,水泥固化技术、热态超级压缩技术和HIC技术,是目前比较常用或者运行比较成熟的核电厂废树脂处理技术,前两者基本能够满足我国《放射性废物近地表处置的废物接收准则》[13]对于废物特性和包装的要求,而针对HIC处置要求正在研究制定中。从目前放射性废物处置场选址存在的实际困难来看,能够实现废物的最大减容可减轻核电厂放射性废物暂存的压力。但是,一项成熟的技术若要被广泛采用,不仅应考虑其对主要矛盾的解决情况,还应考虑其安全性、易操作性及经济性,以综合的发展的眼光看问题,才能找到最适合的放废处理方法。

2.1 减容性

目前废物减容是放射性废物处理的最大问题,从上述三种技术的减容比来看 (如图5所示),HIC与热态超级压缩技术均有较好的减容效果,相比于传统的水泥固化技术有显著提高。

图5 废物货物包与原树脂体积的比例Fig.5 The radio between waste package from the different treatments andthe volume of spent resin

2.2 安全性

作为放射性废物的处理技术,安全性是首要考虑的问题。尤其是废树脂从处理到处置流程较长,其中经过处理、整备、暂存、运输及处置等多个环节,均要保证放射性物质在所有环节中不会泄漏、造成辐射风险,那么处理技术的辐射安全至关重要。

为了使此三类技术能够实现对废物的有效包容及辐射屏蔽,各国对三种技术的废物包装体的材料性质进行相关测试,测试结果见表1。

水泥固化技术因水泥固化体热稳定性好,抗压强度高,生物、化学稳定性好等特点,多年来一直被核电厂广泛采用,但水泥固化技术由于自身材料属性,存在核素浸出率高(特别是137Cs)、固化体遇水可能胀裂或破碎等缺点。

HIC因其自重轻,废物包容性大,装填率高等优点,在AP1000机组中广泛应用,其具有强度高、密封性好、化学稳定性和热稳定性强等优点,可以对废物实现有效包容300年,但由于材料非刚性,尤其是国内AP1000机组使用的交联聚乙烯HIC,承受载荷能力低,需要在处置时外添加混凝土等包装,且交联聚乙烯HIC对于紫外线照射敏感,暂存及贮存运输过程中应有遮蔽,避免长时间暴露于紫外线环境下。HIC的抗蠕变性能差也是长期贮存容易造成辐射泄漏风险的一大重要因素,需要对其所盛装废树脂Sr、Cs两种元素当中的90Sr和137Cs进行预处理分离去除[1]。

表1 废树脂处理技术废物包装体性能测试结果Table 1 The test results of waste packages in different radioactive spent resin treatments

通过对热态超级压缩技术中压缩饼进行跌落、耐热、空气湿度对长期稳定性的影响等试验,可知超压饼是稳定化的废物体 (均匀的压缩体、稳定、无散落块、无间隙),无腐蚀性,无螯合剂,无有毒有害物质。在运输和临时贮存过程中,外包装的机械性能良好,能够保证自身结构的完整性[14]。但由于水泥固定后的钢桶表面剂量率还可能过高,所以处置时需要外加HIC等混凝土包装。而且压缩饼也存在一定的回弹风险,可能会使固定体破损,从而造成泄露风险。

2.3 操作性

从三类技术实施的时间来看,都已经有超过十年的运行使用经验,可知三类技术都不存在可操作问题。但是在易于操作方面却存在着差别,方便易行的技术不仅可以节约技术成本,也能减少人员的使用,减少人员暴露在辐射中的风险,节约人力成本。

2.3.1 采用设备方面

水泥固化虽然原材料简单易得也比较便宜,但是不同的配方需要进行精准的配比,所需要的设备较多,包括计量、搅拌、清洗、固化桶输送以及取封盖装置等。HIC技术则相对比较简单,操作流程中仅需要对废树脂液进行脱水装填即可,所需关键设备仅是脱水头和脱水泵。热态超级压缩技术的关键设备是锥形干燥器和超级压缩机,总体来说容易控制和操作。

2.3.2 处置方面

目前,国内放废处置场是根据处置对象是水泥固化体或固定体废物货包来进行设计的,采用的是覆盖层、单元格、废物桶 (箱)3层防御措施,所以水泥货物包可直接堆放处置。而HIC作为一种特殊的容器,如何进行有效处置在我国目前暂无具体要求,还在研究中。高密度聚乙烯HIC不宜直接垂直叠加堆放,目前美国采取的技术是在地面挖浅沟[15],将装满废物的HIC放在专用的混凝土容器中,用于确保结构稳定性,这样可堆码两层。但针对我国的不同的气候、地址、理念等因素,还应尽快研究出合理的堆码方式来解决这一问题。对于热态超级压缩技术来说,它形成的水泥固定钢桶,只能暂存,不能直接进行浅地表处置,需要增设外包装屏蔽桶 (混凝土包装桶或装HIC中),但这样使减容效果受到影响,也提高了处置费用。

2.4 经济性

任何工程技术想要实施,都必须考虑其经济性。技术的经济性,不仅要考虑技术应用时的设备、原料成本问题,还要考虑应用的前期投入成本、后期运输、处置等成本,即全生命周期成本分析 (Life Cycle Cost A-nalysis,简称LCCA)。对于废树脂处理技术的LCCA,包括对设施的建设、运行、废物包的暂存、运输和处置等几个过程进行核算,有利于在工程应用中选择经济效益更加合理的技术。根据目前的研究成果可知[6],以每年处理60m3废树脂计,水泥固化的经济成本是963万元/年,HIC的成本是600万元/年,热态超级压缩技术的成本是767万元/年 (如图6所示)。此费用包含了废树脂处理的原材料费,能源、动力费,废物包装费,二次包装费,废物运输和处置费等。同时,若考虑到各项技术工艺设备的共用性,可知,水泥固化不仅可以处理废树脂,还可以处理废过滤器芯,其他干混废物等。而HIC也可以用来盛装核电厂的其他放射性固体废物,可压缩及不可压缩的废物都可以用HIC来包装。但是对于热态超级压缩技术来说,对于不可压缩的放射性废物则无法处理。技术中的工艺和设备具有广泛的适用性,也是技术经济性的一种表现。

图6 各处理技术全生命周期经济成本分析Fig.6 LCCA of the different treatment

2.5 总结

通过上述分析,可将三类技术在减容性、安全性、操作性和经济性方面分析汇总,见表2。

通过对比分析可知,每类技术都有其自身的优缺点和适用范围。其中放射性废树脂水泥固化技术,具有原材料易得、工艺简单、性能稳定、经济性较好的优势,但存在增容的不足,而且全生命周期中成本较高。当前,该技术在我国核电厂广泛使用,但随着放射性废物最小化要求的提高,核电厂放射性废物贮存压力的增大,该技术在不久的将来势必被取代。

相比于传统水泥固化技术,放射性废树脂热态超压技术、HIC技术在废物减容、长期稳定性、全周期经济性和安全性等方面具有一定优势。因两项技术为国外引进技术,当前存在处置原则未确定、部分性能待实践检验等问题还需解决和深入研究。但从长远来看,成熟可靠、安全性高、减容效果好技术的引进和采用为一种趋势,将在一定程度上减轻核电厂放射性废物暂存压力,缓解处置场建设滞后问题,应在今后发展过程中大力推进,不断完善。

表2 各类废树脂处理技术比较分析汇总Table 2 Comparative analysis of spent resin treatments

3 结语

随着我国放射性废物处置压力逐年加大,应重视减容性效果好、安全性高、经济效益显著的废物处理技术大力推广。当前,我国核电厂放射性废树脂处理技术主要有三种,水泥固化技术、HIC技术和热态超级压缩技术。国际上,该三种技术均已有多年的运行经验,技术成熟可靠,但也应结合其自身优缺点,在工程实践中不断改进和完善。同时加大对HIC技术和热态超级压缩技术的引进推广和试验检验,使其更好地适应中国发展实际。

同时,为促进环境保护,使用新技术时应充分考虑其整个生命周期的环境影响和长期安全性,即考虑技术应用的前期物料能源使用、废物处理、后期运输及处置过程整个生命周期过程 (从 “摇篮”到 “坟墓”)中所产生的环境影响,避免出现解决此类废物,又产生其他废物的现象。应在综合考虑了辐射安全、社会经济影响和环境影响的前提下,不断改良改进核电厂废树脂的处理技术。

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