核电厂放射性废物治理现状及面临的主要问题

2018-06-15邓才远

辐射防护通讯 2018年6期

邓才远罗刚

(大亚湾核电运营管理有限责任公司，深圳， 518028)

0 引言

核能和核技术的开发利用在给人类带来巨大利益的同时，也产生了对人类健康和环境有负面影响的放射性废物。为了降低或消除这种负面的影响，自20世纪60年代以来，各国的科技工作者做了很多工作，开发了多项高效的放射性废物处理、处置技术。我国也高度重视放射性废物的治理，军工遗留放射性废物的治理和核设施的退役正在积极稳妥的进行，核电厂的放射性废物处理技术水平也在不断的提升。《中华人民共和国放射性污染防治法》[1]对放射性废物管理提出了明确规定，核设施营运单位、核技术利用单位、铀(钍)矿和伴生放射性矿开发利用单位，应当合理选择和利用原材料，采用先进的生产工艺和设备，尽量减少放射性废物的产生量。根据我国核电中长期发展规划，到2020年我国运行核电机组装机容量将达到5 800 万kW，在建机组装机容量将达3 000 万kW。国家核安全局于2016年发布了核安全导则《核设施放射性废物最小化》[2]。该导则要求应通过切实可行的设计和管理措施，并与国际最佳实践相对比，使得核设施放射性固体废物年产生量可合理达到尽量低，是国家监管部门对国内新建机组和运行的旧机组工艺改进的管理要求。核电的发展必然面临着更多的放射性废物的处理和处置任务，而核电厂放射性废物治理实施废物最小化技术任重道远。

1 废物处理技术

核电厂放射性废物管理是从废物产生到处置前的全过程管理，包括与废物产生、预处理、处理、整备、贮存、运输、退役等处置前相关的各项行政与技术活动。在核电厂运行过程中，由于中子活化和燃料组件破损，一回路冷却剂中会产生活化产物、裂变产物，回路管道还会产生腐蚀产物，这些产物最后会形成带有放射性的液体、气体和固体废物。核电厂在排放、暂存或最终处置这些废物之前，都必须采用安全可靠的工艺进行处理。

核电厂在设计阶段需要考虑较为完善的放射性废物处理设施，以确保核电厂在运行期间能及时收集、处理、监测和排放(贮存)核电厂正常运行工况和预期运行事件发生时产生的放射性废气、废液和放射性固体废物。

压水堆核电厂运行期间放射性固体废物按照其产生的来源可以分为工艺废物、技术废物和其他放射性固体废物，这些放射性固体废物分类和组成列于表1。

工艺废物中浓缩液、废树脂、水过滤器芯一直采用传统的水泥固化/固定处理技术，增容比较高。技术废物中可压缩废物，通过预压缩、超级压缩后固定，考虑到反弹原因，减容比有限。不可压缩废物中大部分部件表面接触剂量率及表面污染很低，包括其他废物，这些废物目前各核电厂都采用暂存、衰变待处理。

我国的核电技术从最初的秦山一期、大亚湾核电站开始在不断改进和发展，核电厂放射性废物处理技术也在核电站多年运行经验积累的基础上进行了一些改进。根据压水堆核电厂放射性废物(三废)处理流程，目前部分压水堆核电厂已采用的废物处理技术列于表2、表3。

2 废物最小化改进措施

核电厂的放射性废物最小化水平与工艺技术和运行管理水平密切相关，为了实现放射性废物最小化，在运核电厂采取如下一系列管理措施和技术改进。

表1 核电厂产生的放射性固体废物分类

表2 国内部分核电厂放射性废气/废液处理应用工艺

1) √：应用；-：没有应用。表3同。

表3 国内部分核电厂放射性固体废物处理应用工艺

2.1 管理改进

设立专门放射性废物管理机构，直属于电厂管理。组织成员多为与放射性三废处理密切相关的各部门经验丰富的工程师，能更加专业地解决实际问题。

制定目标管理，将放射性废气、放射性废液排放和中低放固体废物作为环境管理体系的重要环境因素加以管理，制定年度目标值。

加强人员培训，为了提高核电厂工作人员安全文化水平和废物最小化管理意识，保障核电机组安全稳定运行，充分利用公司媒体、局域网大力宣传废物最少化管理理念。

规范日常大修管理，对运行系统设备隔离和对检修废物严格分类，等。

加强各电厂间的技术交流，共享放射性废物管理经验，提高最小化管理水平。

2.2 技术改进

技术改进是核电厂实现放射性废物最少化最有效的方法。包括我国早期建设的机组如大亚湾核电站、秦山二期核电厂(一般称为二代机组)；后续在此基础上做了改进的机组称为二代改进型机组(称二代加机组)，如岭澳核电二期等；AP1000、ACPR1000及以上机组简称为三代机组。

2.2.1二代机组技术改进

根据国外核电厂的运行经验以及在实践中不断探索，大亚湾核电站通过一系列良好实践进行了一些工艺改进。如采用一个水泥容器固定多个滤芯，按一桶10个滤芯计算，可减少废物体积90%；应用1 500 t超级压缩机，可减少可压废物体积35%；增加了应急贮存箱、移动式废液处理设施，避免废液用树脂床处理。另外大亚湾核电站、秦山二期核电厂都与清华大学核能研究院合作进行含硼废树脂固化配方改进，包容率增加30%；秦山二期核电厂还改进了水泥固化线搅拌桨，提高固化体性能；同时采用金属桶包装容器，减少包装容器体积，使得填充率达到90%以上等。

2.2.2二代加机组技术改进

对放射性废物处理系统采取了改进措施。如工艺废物废树脂、浓缩液处理，系统采用400 L钢桶作为包装容器，相对于混凝土容器减少了包装容器的自身体积。将废物处理厂房和废物贮存厂房连为一体，用于处理该厂址所有机组产生的放射性固体废物，提高了资源利用率。二代加机组核电厂放射性废物处理系统(TES)操作，从操作盘操作、窥视镜观察，改为操作室集中操作、摄像头监控，采用可编程逻辑控制器(简称PLC)控制。

2.2.3三代机组技术引进

三代AP1000机组一回路系统采用抗腐蚀性能更好的材料，燃料元件采用先进的表面处理工艺，这样有效降低了裂变产物的释放和腐蚀产物的生成，从源头上减少了放射性废物的产生量[3]。

三门核电厂含氢放射性废气采用活性炭延迟衰变处理工艺。放射性废液主要采用深床过滤和离子交换处理工艺。对于0.25%燃料破损率时产生的废液采用移动式处理装置进行处理，该装置基于活性炭过滤、反渗透和离子交换的处理工艺[4]。工艺废物引进干燥、热压技术，干燥、热压技术主要针对浓缩液、废树脂及淤积物进行脱水干燥。主要是通过热源加热，抽气、真空干燥原理将湿废物中水份抽滤，使其干燥，装160 L金属桶超压缩，然后装200 L金属桶灌浆固定处理技术。

台山核电厂废液处理系统取消除盐床和过滤器,设置了离心分离设备对主要成分为有机物并且含其他盐分及大量固体的废液进行处理。这是其技术优势，离心单元对主要成分为有机物并且含其他盐分及大量固体的废液处理能力为10 m3/h，主要产生物为淤泥，不会产生废滤芯和树脂。

第三代核电技术AP1000的引进，在设计中首次提出了离堆放射性废物处理的概念，即在多堆核电厂址中设计独立的放射性废物处理设施，集合多种放射性废物处理工艺来对多台机组运行和事故工况下产生的放射性废物进行处理，这样既可以优化相关系统的功能设计又可以减少多机组相同系统的重复设计。

2.3 高完整性容器(HIC)应用

随着国内核电建设规模扩大，我国阳江核电厂3#/4#机组和海阳核电厂先后引进了交联聚乙烯HIC工艺。HIC是一种特殊设计制造的强度高、密封性好、化学稳定性和热稳定性强的容器，其包容放射性的预期寿命不低于300 a。HIC按其材料可分为：混凝土HIC、交联聚乙烯HIC和球墨铸铁HIC。

3 存在的问题

3.1 暂存库容量紧张，处置场建设滞后

核电厂放射性废物管理以确保核电厂运行安全和废物安全为前提，以废物安全处置为核心，是从摇篮到坟墓的废物全过程管理。由于过去核电厂设计废物库容量的概念时，只考虑5 a的贮存量。目前运营较早的大亚湾核电站、田湾核电厂，随着产生的固体废物货包逐年累积，废物暂存库贮存面积逐渐趋于紧张。在废物无法送交处置场的情况下，核电厂需要扩建暂存库的容量而且需要增加固体废物暂存时间，从环境安全和资源经济角度，这种做法是不适宜的。

目前各核电大省处置场建设还处在选址规划中。选址规划进展缓慢的主要原因是地方政府和当地民众的利益难以协调，根本原因是核电发展与放射性废物管理的国家职能的割离、核电发展经济效益与环境代价的割离，以及对放射性废物安全缺乏社会共识[5]。

3.2 技术创新研究机制有待完善

放射性固体废物处理技术是在不断创新中改进的，核电厂放射性固体废物处理是几种技术的组合。在我国核电发展战略中如何引进先进技术？这是国内几大核电集团共同关注的问题，也影响着国家废物治理的发展。

一个反应堆先进与否与放射性三废处理系统没有直接关系。因国家法规、标准没有明确要求，设计阶段都是翻版+改进或引进模式。如二代改进机组核电厂放射性废物处理系统在设计时技术上并没有大的改进，采用钢桶作为固化物包装容器，会出现大部分的金属桶废物货包外表面剂量率大于2 mSv/h而需要加二次屏蔽容器。原引进桶外搅拌技术因设备安装场地限制改回桶内搅拌。即使采用新的废物处理工艺都是从国外引进，如各核电厂配备的超级压实机，三代技术核电厂处理技术引进的技术路线和设备。新技术引入没有综合评价标准，如引进的HIC就存在质疑。HIC在我国放射性废物管理中的应用刚刚起步，从处理工艺、暂存、运输和处置各个环节考虑，辐射防护、人员操作、货包运输以及安全处置等关键问题需要急需解决。

我国核电厂放射性废物处理技术与发达国家的差距，在很大程度上与技术研发、装备的落后相关。目前对于放射性固体废物处理技术研究，一是科研院所申报项目、靠国家科研经费研究，很少能实际应用。二是各核电厂根据自身改进项目立项与研究单位共同研发，如固化配方研究等。

3.3 废物货包产生量仍偏高

虽然我国核电厂放射性废物管理经过20多年实践和探索取得积极进展，但国内在运和新建核电厂单台机组放射性固体废物包产生体积，与美国核电厂用户要求文件(URD)推荐的管理目标值及国外先进水平仍有不小的差距，具体数据列于表4[4]。

表4 核电厂单台机组放射性固体废物包预期产生体积比较 (m3/a)

作为例子，表5列出了大亚湾、岭澳一期和岭澳二期核电厂运行以来产生的放射性废物货包组成分类统计。

由表5可见，核电厂各类放射性废物中可压缩废物占最大比例，约占35.09%，其次是废树脂固化体约占23.02%，占总废物体积的19.92%，水过滤芯占11.59%。

如何减少核电厂废物体积，废物处理技术的选用尤为重要。有些技术减容比高、如有机转无机、固化体性能好，例如废物焚烧技术，废树脂湿法氧化技术，浓缩液高效固化技术等建议选用。

表5 核电厂各类放射性废物货包组成比例

3.4 包装容器偏多

废物包装是放射性废物管理重要环节之一，废物包装应满足运输、贮存和处置的要求。至今，低中放固体废物包装容器尚没有统一的国际标准。但大家认识到，选择合适的包装容器，不仅为了减少辐照，方便操作和运输，而且为了以后处置的需要，作为多重屏障体系中的一道优良屏障，起到良好的隔离作用[6]。目前，国内核电厂使用的包装容器尺寸大小、材质各不相同。混凝土容器有C1和C4型，金属桶容器有200 L、320 L、400 L和1 m3，材质有碳钢和不锈钢。而阳江3#/4#以及海阳核电厂则使用交联聚乙烯HIC。

包装容器的多样性对于最终处置场废物摆放设计及运输、吊装操作等带来困难。混凝土容器增容比大。金属桶容器装高剂量滤芯或废树脂固化体时表面接触剂量率较高，需要用屏蔽转运容器运输。碳钢金属桶容器在电厂暂存太久有锈蚀风险。而交联聚乙烯HIC又有以下缺点[7]：

(1) 由于交联聚乙烯HIC自身无屏蔽，桶内直接装填废物后导致容器外表面接触剂量率非常高，可达Sv/h级。

(2) 交联聚乙烯HIC因其固有的材料特性，需考虑其装填废物时的累积剂量问题。

(3) HIC装满废物封盖后需要从固定的屏蔽容器中吊装到移动的屏蔽容器中，此时HIC是裸露源，对周围辐照影响较大，裸露吊装问题需要考虑。

(4) 紫外线对于高分子材料有加速老化的作用，进而影响HIC的预期寿命。在储存和运输过程中应使其暴露时间尽可能短。

(5) 交联聚乙烯HIC在运输过程中必须配置运输容器，该组合为A型货包还是B型货包取决于放射性废物的总活度是否超过标准中的A1值。

(6) HIC作为一种特殊的容器，如何进行有效的处置设计，这一问题急需解决。

4 建议

针对目前核电厂放射性废物管理存在的问题，如何使工作做到更规范、更具体，实行更严格的标准，建议如下：

4.1 完善低放废物处置的相关规章和实施细则

加快放射性固体废物处置选址规划，根据《放射性污染防治法》和《放射性废物安全管理条例》[8]规定，完善放射性固体废物贮存、处置许可制度和安全监管措施。积极转变观念，重新解读和研究区域处置概念，打破传统意义上的大区域概念，国家统一规划，在中低水平放射性废物产生相对集中的一些省建立相应的处置场。鼓励当地政府参与处置场建设和运营。明确将废物处置规划作为先决条件列入核电中长期发展规划考虑，并开展经济和政策补偿、处置安全公众可接受性和处置决策方法的研究。

根据核电厂具体采用的废物整备工艺，建立统一的处置接收技术规范，其中包括关键核素、难测核素比例因子的确定、活度测量评估方法、废物货包编码规则等，以免后续补救难度大。

4.2 技术引进和自主创新相结合

企业是技术引进的主体，对国际上先进技术引进应统一规划，让科研院所或研究单位与企业共同研究，研究引进技术和创新成果真正落地。立足高起点、高标准，以引进、消化、吸收国外先进技术，促进人才、技术、装备水平的迅速提升，使我国核电废物处理技术早日达到或接近发达国家水平。

摒弃以成套引进为主的方式，坚持采取以引进先进技术为主的方式，加以系统设计、集成，形成符合企业需要的先进流程，并承担工程总承包。这样做不仅有利于节约投资，更有利于消化吸收、创新。应制定引进规范标准，如技术的先进性、成熟性等，有经过实践检验的技术，要确保符合我国国情。同时，要有利于拉动技术进步，要确保技术装备性能稳定、质量可靠，能够保证固化体性能长期稳定，并保证其操作、运输、处置安全。当然，这些技术需经批准同意方可引进。

4.3 废物包装容器标准化

根据环境保护部、工业和信息化部、国家国防科技工业局联合发布《放射性废物分类》[9]公告，核电厂正常运行期间产生的废物都属于低水平放射性废物。这些废物需要长达几百年时间的有效包容和隔离，可以在具有工程屏障的近地表处置设施中处置。为了实现安全处置，包装容器作为一道屏障，包装容器的设计、加工制造和产品检验，必须按标准和规范进行，要严格实行质量控制和质量保证。

核电厂固体废物分类较为确定，需要推荐一套标准包装容器，满足不同类型废物处理需要。这种容器应该耐久性好，运输操作方便，工作人员受照剂量低，包容废物效率高，经济性能良好等等，符合最优化原则和ALARA原则[6]。