放射性废物最小化技术经济性分析模型

宋云龙, 吴志锋

(辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连，116300)

1 废物最小化技术经济性分析需求

1.1 废物处置面临形势

截至2019年6月我国大陆地区已有在运核电机组47台，装机容量为4 873万千瓦时，以每台机组每年产生50 m3放射性固体废物估算，每年大陆地区将会产生2 350 m3放射性固体废物，随着新建核电机组逐步投入运营，这一数字还将不断快速增长。目前我国已建成的低放、中放废物处置场有西北北山处置场、四川飞凤山处置场和广东北龙处置场，只有北龙处置场是企业自行出资建设，是国内唯一的商用处置场,其设计总处置容量80 000 m3，首先建造8个处置单元(可处置8 800 m3)和整个处置场的全部公用设施。目前我国除大亚湾核电基地的放射性废物部分送至北龙处置场外，其余各核电厂的低放均暂存在各自的暂存库中。其中，个别核电厂暂存的废物已超过国家规定的暂存期限(5a)[1]。

我国某核电厂自首台机组商运以来，已产生放射性废物840.7 m3，四台机组商运后平均每年产生 166.9 m3，预估6台机组商运后平均每年产生250.4 m3，其放射性固体废物暂存厂房的设计容量3 376 m3，如不考虑其5/6号机组建设时间，预计最多十年存储的废物将达到厂房设计容量的上限。由于其所在省份低放废物处置场建设、竣工时间及处置费用不确定，该核电厂必须不断提升废物最小化水平，以应对最坏的情况。

整体来看国内大部分核电厂均存在放射性固体废物暂存的压力，而且随着运营时间的增长，这个压力会越来越大。在区域性可用的低放废物处置场建成之前，相关核电厂将面临严峻的废物处置形势。

1.2 废物最小化新技术发展趋势

目前，单纯依靠对可压缩固体技术废物进行压缩已经不能满足核电厂放射性固体废物减容的需求，这个需求来自外部监管部门和电厂内部对年废物产量的管理要求、电厂内的暂存库容压力以及未来处置费用的不确定性。各核电厂已开始从材料/备件选择、运行及维修工艺管理、废物精细管理、废物处理等方面进行优化，很多时候是几项优化同时实施。

通过分析废物最小化新技术可以发现，废物最小化的工作重心由原来的后端控制逐渐变为前端控制和过程控制；从单个环节优化发展为多个环节优化；从非主要系统相关变为主要系统相关；在管理方面也越来越趋向于精细化和多元化。

1.3 经济性分析需求

很多废物最小化技术均需要核电厂通过立项采购来实施，在立项过程中核电厂相关部门需对项目的经济性进行审核。在对这些项目进行经济性分析时，不仅需要考虑废物减容量，还需要对所采用技术各个环节的成本及收益进行分析，将整体的成本和收益进行比较来判断其经济性。即使某些最小化项目有着明显的成本优化效果，我们也需要在立项阶段全面的分析其经济性情况，以供有多个优化方案的情况下进行经济性比较。为了能够简单明了且较全面的完成放射性废物最小化技术的经济性分析，建立一个可用于所有最小化技术经济性分析的模型十分必要。

2 废物最小化技术分析

合理和明确的最小化技术拆解分析，对于项目经济性分析会有很大的帮助。绝大部分的技术废物和工艺废物均来源于机组运行和维修过程中使用的耗材和备件，以及放射性系统中的介质，其在运行和维修活动中被污染变为放射性废物，放射性废物经过处理后形成废物货包。根据放射性废物在各个阶段的状态和其所经历的活动，废物最小化技术通常可分为耗材备件优化、运行维修工艺优化、废物优化、处理技术优化等四个优化环节(见图1)。

2.1 耗材备件优化

耗材备件优化手段主要有两类，一类是通过优化耗材备件质量、性能或尺寸，来降低使用的数量或体积，以减少废物产量；另一类是使用特殊材质耗材备件以便于在废物处理时能选取减容系数较大的处理工艺。例如，选用易去污材料和耐久性较好的材料、在满足需求的情况下改变材料的尺寸、选用可降解的材料、选用可焚烧处理的材料、选用可复用的材料等等。

比较成功的案例有：精细化管理塑料布，针对工作中不同的防表面污染需求采购不同厚度的塑料布，最大限度的降低塑料布废物体积；采购可复用式空气净化滤芯，重复使用滤芯金属框架；采购聚乙烯材质塑料布，便于处理时选择焚烧工艺。

2.2 运行维修工艺优化

运行维修工艺优化包括通过优化某些系统的运行方式、运行参数、运行状态从而减少工艺废物，或者通过优化维修工艺来减少技术废物。例如，通过修改运行参数减少除盐床树脂填充量、通过优化系统废液排放管理减少浓缩液产量、通过优化维修工作流程减少防护用品或耗材使用量、通过提升维修水平降低设备部件报废率等等。

比较成功的案例有：通过工艺优化将TEP006DE填装量由1 500 L减容至500 L；通过优化维修工作工序，减少班组成员进出放射性污染场地次数，降低防污染附加防护用品使用量。

2.3 废物管理优化

废物管理优化是指在废物被处理形成货包前进行的优化，一方面是通过管理手段或技术手段提升废物复用率和再利用率，另一方面是将没有利用价值的废物通过精细化管理最大化的进行极低放与低放分别存放管理，将极低放根据情况暂存后解控或进行填埋处理，从而最大限度的降低放射性废物处理成本。例如脚手架管去污后复用、临时专用设施软管复用、蒸汽发生器排污系统滤芯及树脂解控、通风滤芯拆解后框架和滤纸分别处理、报废连体服等极低放废物单独暂存等等。

2.4 废物处理技术优化

废物处理技术优化是针对已确定为放射性废物的物项进行最优处理技术选择，以实现减容系数和经济性最优化。例如通过改变处理工艺增加单桶承载量、焚烧处理、极低放废物填埋处置等等。

3 废物最小化技术经济性分析模型

3.1 废物管理成本分析

核电厂产生放射性废物所带来的成本主要包括废物处理成本、暂存成本和处置成本，其中暂存成本基本可以近似为固定值，其主要包括暂存期间废物的管理和厂房管理相关成本。为了较为直观的了解放射性废物所带来的成本，以及此成本对核电厂效益的影响，我们可以使用度电放废成本来评价。为了排除部分核电厂发电形势不好对此值的影响，我们可以统一使用设计度电放废成本来评价，这个值可以用来做各核电厂放射性废物管理水平的横向对标。设计度电放废成本(C)可表示为：

C=(VA×CA+CB+VA/F×CC+VB×CD)/E

(1)

式中，VA表示年低放废物产生体积(处理前)，m3；VB表示年极低放废物产生体积，m3；CA表示单位体积低放废物处理成本单价，元/m3；CB表示年废物暂存成本，元；F表示电厂放射性固体废物综合减容系数(表示各类废物的整体减容效果)；CC表示单位体积低放废物货包处置成本单价，元/m3；CD表示单位体积极低放废物处置成本单价，元/m3；E表示核电厂设计年发电量，千瓦时。

从上式我们可以看出，在CA、CB、CC、CD不变的情况下，如果想降低C值，在废物管理可控的范围内，我们只需尽可能降低VA+VB、提高F。耗材备件优化、运行维修工艺优化、废物管理优化都是为了降低VA+VB，同时尽量通过优化管理避免极低放废物被当作低放废物处理，也就是在VA+VB固定的时候尽量降低VA提高VB，以降低废物整体处置成本。废物处理优化则是为了提高F。但是在实际工作中很多优化措施在降低VA和提高F的同时也增加了CA，而且还引入了其它成本。CB主要涉及厂房管理及转运、巡检等人工成本，其受废物产量影响很小，可以看做恒定值。CC、CD为处置成本，主要和市场价格相关，不受核电厂控制，其中CC参考国际上已运营废物处置厂收费标准和行业指导价约为4万元/m3[2]。

3.2 废物最小化技术经济性分析

废物最小化技术实施过程中每个优化环节都有可能带来减容量和成本变化。成本变化中主要包括耗材及备件成本、人工成本、设备成本三项成本要素，其中人工成本包括相关优化工作带来的材料管理成本、核电厂原有系统的运行和维修工作成本、新采购设备的运行和维修成本。

这里我们可以用综合经济收益(D)来评价废物最小化技术的经济性。如只涉及低放废物优化则：

D=(V1+V2+V3+V4)×CC-
(C1+C2+C3+C4)

(2)

式中，V1、V2、V3、V4分别表示四个优化环节所带来的废物体积变化量(可为正值或负值)，m3；(V1+V2+V3+V4)即整个废物最小化技术实施带来的体积变化，也可用ΔV表示；C1、C2、C3、C4分别表示四个优化环节所引入的成本变化量(可为正值或负值)，元；(C1+C2+C3+C4)即整个废物最小化技术实施带来的成本变化，也可用ΔC来表示，则式(2)可变化为：

D=ΔV×CC-ΔC

(3)

为了简化公式，V1、V2、V3所带来的废物处理成本变化统一在ΔC中考虑。

如果优化内容为将废物从低放废物中识别为极低放(此过程特指通过管理或监测手段提升极低放废物的识别能力，不涉及废物处理)则：

D=ΔV×CC-ΔV×CD-ΔC

(4)

如果优化内容为同时优化了低放废物和极低放废物体积则：

D=ΔVA×CC+ΔVB×CD-ΔC

(5)

式5中ΔVB同时包括减少的极低放废物体积，以及从低放废物转入极低放废物所增加的体积。

如果A废物最小化技术通过计算DA>0，则A废物最小化技术具有经济可行性，如果同时还有B废物最小化技术，DB>DA，则说明在经济性方面B技术优于A技术。

以上经济性分析只考虑了ΔC为低值简单物项采购及服务类采购成本的情况，如果某废物最小化技术需采购固定资产类设备，且该设备需运行维修，则计算ΔC时需考虑设备采购(包括安装调试)成本、设备运行维修成本以及投资回收期与设备寿命的关系。在这里我们可以用静态投资回收期法进行分析[3]，静态投资回收期不考虑资金的时间价值，投资回收期是以废物最小化项目的全部净收益抵偿全部投资所需的时间T表示，即

(6)

式中，(Ci-C0)T为第T年现金流入量Ci与现金流出量C0之差。Ci包括设备对废物减容带来的收益，C0包括设备一次性采购成本、设备运行维修以及设备拆除和报废成本(或折旧成本)。如果得出T<设备寿期则具有经济可行性。

3.3 经济性分析模型

放射性废物最小化技术经济性分析模型可以分为四个步骤，可称为四步法分析模型。四个步骤分别是拆解、识别、计算、对比。

某核电厂为了降低放射性表面污染场地所用塑料布产生的放射性废物，他们一方面通过精细化管理采购不同厚度的塑料布用在有不同需求的工作中来降低废物体积，另一方面通过将聚氯乙烯材质的塑料布替换为聚乙烯材质的塑料布以进行焚烧处置来降低最终废物体积。按照图3分析，我们可以得出如表1分析过程。

表1 塑料布放射性废物优化措施经济性分析

4 结论

四步法分析模型可较精确的完成放射性废物最小化项目的经济性分析，可使用此分析模型编写相关立项的经济性分析报告，以供财务部门在立项时进行经济性审查。使用此分析模型需充分考虑各个环节所带来的ΔV和ΔC的变化，同时获得所需各项数据的精确值。做好经济性分析需要重点关注两个问题，一个是ΔV需考虑废物最小化技术实施过程中带来的二次废物；另一个是在分析过程中获得部分数据的准确值存在一定困难，特别是低放废物处置成本以及极低放废物处置成本，需要结合各核电厂所在省份实际情况进行估算。