先进核电放射性废物处理工艺标准化

毛莉 李斌 廖能斌 任力 耿忠林

摘 要：作为AP1000第三代核电依托项目，山东海阳核电厂和浙江三门核电厂是国内首批采用核岛与厂址废物处理设施相结合，实施核电废物集中处理模式的核电厂，其厂址废物处理设施的作用是实现全厂低、中放固体废物的集中处理、暂存及部分液体废物的处理。厂址废物处理设施的整体功能由两部分来实现，一是核岛区域的核辅助厂房和放射性废物厂房内的部分废物处理设施系统，二是厂址废物处理设施内的相关废物处理设施系统及其它配套辅助系统。本文简要介绍了海阳和三门核电厂址废物处理设施的主要处理工艺，并结合国内现有主流处理工艺进行技术经济对比分析，以提出先进核电放射性废物处理工艺标准化的建议，为促进放射性废物处理技术进步、形成规范化、系列化处理技术及装备，推动放射性废物安全管理、落实废物最小化原则发挥积极作用。

关键词：核电厂;放射性废物;厂址废物处理设施;处理工艺

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0030-04

0引言

海阳核电厂和三门核电厂采用了世界上先进的第三代核电技术AP1000，AP1000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，也称厂址废物处理设施（简称SRTF），SRTF集合了多种放射性废物处理系统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。有别于一般压水堆核电机组的废物处理设施，SRTF厂房位于AP1000核岛主厂房以外，且为多台机组共用，这种模式融合了分散与集中的统一性，有力整合了资源，同时也充分体现了核岛废物处理系统和SRTF的优势互补。

SRTF处理的主要废物包括：一回路树脂（包括树脂和湿活性炭）、一回路废过滤器芯、化学废液、0.25%燃料包壳破裂和蒸汽发生器管道破裂（SGTR）产生的液体废物、可压实干废物、不可压实干废物、暖通空调系统（HVAC）高效空气过滤器芯等。废物产生量163m3/堆·年，处理后废物体积满足不大于50m3/堆·年的推荐要求（美国URD标准）[1]。SRTF处理能力支持6台AP1000机组运行，可扩展到8台机组。

本文简要介绍了海阳和三门核电厂址废物处理设施的主要处理工艺，并结合现有主流处理工艺進行技术经济对比分析，以提出先进核电放射性废物处理工艺标准化的建议。

1 SRTF概况

1.1废物源项

SRTF处理的废物主要来源于AP1000核电机组在运行、维护和检修中产生的固体干废物以及核岛废水处理系统产生的废树脂和废过滤器芯。这些废物被运到SRTF厂房进行离堆处理，AP1000核电机组放射性废物产生量如表1所示。

1.2海阳和三门核电厂SRTF概况

海阳核电厂和三门核电厂的SRTF设施在工艺设计上体现出了各自不同的特点。海阳核电厂SRTF设计立足美国ES公司的工艺技术和远达环保自主开发的技术，并整合形成先进、成熟的废物处理整体工艺。三门核电厂SRTF关键工艺设备由德国汉莎公司提供，SRTF主要由过滤器芯处理系统、HVAC过滤器滤芯/干废物/混合废物处理系统、废树脂处理系统、化学废液处理系统、移动式处理系统等主工艺系统以及与之配套的辅助系统组成，海阳和三门核电厂SRTF废物处理工艺对比见表2。

2 SRTF主要处理工艺对比分析

本节在综合国内核电厂正在应用的放射性废物处理工艺的基础上，梳理出适合SRTF的主流放射性废物处理方案并进行对比。在确定每一类放射性废物源项的处理工艺时，主要从废物最小化、安全性、成熟性、经济性四个方面进行对比分析。

2.1化学废液处理工艺

2.1.1主要处理工艺介绍

国内在运及在建的核电厂堆型众多，其中以法国M310、

CNP系列（CNP300/CNP650/CNP1000）、CPR系列（CPR1000/

ACPR1000）、AP系列（AP1000/CAP1400）、法国EPR、俄罗斯AES-91、华龙一号为主，上述核电厂关于化学废液的主要处理工艺路线有以下三种[2-4]：

（1）强制循环蒸发→蒸残液水泥固化;

（2）热泵蒸发→蒸残液桶内烘干→超压→灌浆固定[3];

（3）移动式处理装置（先进注入+深床过滤+离子交换）。

以下就上述三种工艺处理路线分别进行对比分析。

2.1.2 强制循环蒸发和水泥固化工艺

强制循环蒸发是国内核电厂应用最广泛的化学废液处理工艺，包括大亚湾核电、田湾核电、昌江核电、台山核电、红沿河核电等都使用蒸发工艺处理化学废液。

在SRTF厂房中，设置一套“强制循环蒸发+蒸残液水泥固化”设备用于处理核岛产生的化学废液，通过专用屏蔽运输槽车运输到SRTF厂房进行处理。同时，蒸发装置、水泥固化装置可以与SGTR废液处理共用，水泥固化装置可以与废树脂处理共用。

强制循环蒸发+蒸残液水泥固化处理工艺的主要设备有：化学废液屏蔽运输槽车、化学废液接收槽、强制循环蒸发装置、蒸馏液贮存槽、浓缩液贮存槽、水泥固化装置等。

2.1.3 热泵蒸发和桶内干燥工艺

国内三门核电厂AP1000机组中，采用了该处理工艺，其主要流程为：

化学废液→化学废液缓冲罐→热泵蒸发→桶内干燥装置→装桶（160L桶）→超压→装桶（200L桶）→灌浆→检测→废物库暂存。

其中热泵蒸发采用机械式蒸汽再压缩（MVR）热泵技术，桶内干燥装置采用热空气对钢桶外壁加热，使蒸残液中的水分蒸发形成干燥的盐块。热泵蒸发+桶内干燥处理工艺的主要设备有：化学废液屏蔽运输槽车、化学废液接收槽、热泵蒸发装置、桶内干燥装置、超级压缩机、灌浆固定装置等。

2.1.4移动式处理装置

为了更加灵活地处理核岛产生的放射性化学废液，海阳核电厂采用了移动式处理装置，移动式处理装置整体集成在一个标准的20英尺集装箱内，通常停放在SRTF厂房内，待机组需要时，利用平板挂车将移动式处理装置运至核岛侧放射性废物厂房内相应工作位置投入运行。

移动式处理装置采用“AIM化学注入→深床过滤→离子交换”工艺，该装置也可用于处理0.25%燃料包壳破裂液体以及SGTR液体。

移动式处理装置主要设备有：移动式处理装置、平板挂车及牵引车。

2.1.5 对比分析

（1）安全性。循环蒸发工艺和热泵蒸发工艺，均采用辅助蒸汽对化学废液进行加热，运行检修较多，移动式处理装置则在常温下进行物理化学处理，前两种工艺操作的安全风险略高于移动处理装置。热泵蒸发工艺的蒸残液还要经过桶内干燥、超压处理，操作复杂，安全风险略高于强制循环蒸发工艺。

强制循环蒸发工艺的蒸残液，经水泥固化后形成的水泥固化体，耐辐照性、热稳定性、化学稳定性和生化稳定性都较好，但固化体浸出率较高。热泵蒸发工艺最终形成的废物包是灌浆固定的钢桶，同样有很好的稳定性。移动处理装置产生的废树脂，与核岛一回路废树脂采用相同的处理方式，形成稳定的废物包。在采取一定的保护措施后，三种处理工艺都能保证操作安全性和废物包的安全性。

（2）成熟性。自然蒸发和强制循环蒸发是核电厂放射性废液处理中应用最广泛的处理工艺。在第三代核电机组出现之前，为了回收一回路废液中的硼，国内绝大多数核电机组都采用蒸发装置，同时对于其他放射性废液，也采用相同的蒸发装置进行处理。

对于第三代非能动核电机组AP1000/CAP14000，采取了不对硼进行回收的工艺路线，因此对于放射性废液的处理，可采用蒸发装置以外的其他处理方案。

移动式处理装置，虽然在国内核电厂放射性废液中应用较晚，但是其采用的过滤、离子交换工艺，无论在非放射性废水处理，还是核电厂放射性废水处理中，都有较普遍的应用。在美国境内，ES公司的化学注入、过滤/离子交换技术，也已经在17台核电机组中投入应用。因此，采用过滤、离子交换工艺的移动式处理装置，也是比较成熟的放射性废液处理方案。另外，移动式处理装置还具有灵活性的特点，不需要将化学废液从核岛运输到SRTF厂房，省却了化学废液装卸屏蔽转运容器和廠内运输的操作过程。但是，移动处理装置对复杂源项的适应性略差。

MVR热泵蒸发技术，是一种目前世界上较先进的节能蒸发技术，在核电厂的应用比强制循环蒸发、离子交换技术要少。热泵蒸发产生的蒸残液需要经过桶内干燥装置、超压、灌浆处理，处理流程较复杂。

（3）废物最小化。强制循环蒸发的浓缩倍数按50倍考虑，蒸残液水泥固化时按照增容3倍考虑，总减容系数为16.6;热泵蒸发+桶内干燥的减容系数可达100（按1%含固量考虑），盐饼经超压再装200L桶灌浆固定后，按增容1.33倍考虑，总减容系数为75;移动式处理装置产生的废树脂/活性炭等二次废物量，按照减容系数25考虑。

（4）经济性。经综合测算，按设备总投资排名，强制循环蒸发+水泥固化工艺>热泵蒸发+桶内干燥工艺>移动式处理装置;按年均运行成本排名，强制循环蒸发+水泥固化工艺>移动式处理工艺>热泵蒸发+桶内干燥工艺。

2.2 废树脂处理工艺

2.2.1 主要处理工艺介绍

废树脂是核电厂的主要放射性废物之一，对于废树脂的处理，目前还没有公认的理想处理方法。目前已开发出的废树脂处理技术主要有：水泥固化、热态压实、装填HIC脱水、湿法氧化、焚烧、蒸汽重整等。当前技术成熟且得到较多应用的主要有水泥固化、热态压实和装填HIC脱水[5]三种工艺。

2.2.2 水泥固化工艺

水泥固化是最早用于放射性废物处理的一种技术。我国现运行核电厂的废树脂处理大多采用水泥固化方案。

水泥固化处理工艺，按照搅拌方式不同，分为桶内搅拌、桶外搅拌。桶外搅拌的固化工艺处理能力较大，可以批式操作、连续运行，废物装填率较大，可降低水泥固化体的增容比，在国内核电厂中，桶外固化装置正逐渐代替桶内固化占据主导地位。水泥固化工艺，可以同时处理废树脂、蒸残液等。

水泥固化处理工艺的主要设备有：废树脂屏蔽转运容器、废树脂缓冲罐、废树脂计量罐、水泥输送装置、水泥固化装置等。

2.2.3 装填HIC脱水工艺

采用HIC处理废树脂时，使用HIC脱水装置对废树脂进行脱水，确保HIC中游离液体不超过废物容积的1%，再进行暂存和处置。目前已经开发的HIC材料包括：混凝土、球墨铸铁、高密度聚乙烯或复合材料。装填HIC处理工艺，同样适用于废水过滤器滤芯的处理，仅HIC容器结构略有不同。

HIC废树脂处理工艺的主要设备有：HDPE-HIC、脱水装置及附件、HIC专用抓具、HIC取封盖工具、HIC屏蔽转运容器等。

2.2.4 热态压实工艺

从核岛转运来的废树脂，首先在锥形干燥器中进行脱水和干燥，干燥后的废树脂装入可压实桶（160L），并在热状态下用超级压实机进行压实，再经过优选将数个压实饼装入一个200L废物桶，用水泥浆固定。在处置前，还需要采用混凝土容器对200L废物桶进行二次包装。

其主要流程为：核岛废树脂→屏蔽转运容器→废树脂缓冲罐→废树脂计量罐→锥型干燥器→装桶（160L桶）→超压→包装（200L桶）→灌浆→贮存。

废树脂热态压实工艺主要设备有：废树脂屏蔽转运容器、废树脂缓冲罐、废树脂计量罐、废树脂冲排水罐、锥型干燥器、专用辊道、超级压缩机、灌浆固定装置等。

2.2.5 对比分析

（1）安全性。一回路废树脂的放射性活度较高，如何保证处理过程中的辐射安全尤为重要。三种处理工艺均可以实现远程操作，避免了就地操作带来的人体辐射风险，辐射安全性均有保证。热态压实工艺采用锥形干燥器对废树脂进行干燥脱水，最高加热温度可达120℃，存在一定的高温风险，操作安全性略低于水泥固化和高整体性容器方案。

废树脂水泥固化后的固化产品，耐辐照性、热稳定性（不易燃烧）、化学稳定性和生物化学稳定性都较好，但是固化体浸出率较高。聚乙烯HIC具有抗生物降解、密封性好、化学稳定性强等特点，预期安全使用寿命不低于300年，但是热稳定性差，机械强度差，无法像钢桶一样直接堆码。热态压实工艺形成的水泥固定体，稳定性较好，但是表面剂量率较高，不满足近地表处置要求，还需要进行二次包装。综合分析，三种处理工艺的安全性方面，水泥固化>装填HIC脱水>热态压实。

（2）成熟性。水泥固化是最早用于处理放射性废物的一种处理技术，具有原材料来源广泛、工艺简单等优点，我国现运行核电厂的废树脂处理大都采用水泥固化的方式。

HIC处理废树脂，仅对废树脂进行脱水后，即可进行暂存、处置，工艺相对简单。在美国已历经30多年的技术发展，约72个核电厂使用，在日本、墨西哥、加拿大以及韩国等国家已经开发了各种不同的HIC材料并投入使用，国内的海阳核电厂、阳江核电厂，也采用了聚乙烯HIC作为废树脂的处理方案。

热态压实技术，是德国开发的一种废树脂处理技术，目前在国内仅有三门核电厂采用，工艺流程较其他三种复杂。从技术成熟性角度考虑，水泥固化>装填HIC脱水>热态压实。

（3）废物最小化。水泥固化工艺按增容3倍考虑，其减容系数为0.33;装填HIC脱水后的增容比约1.19倍，其减容系数为0.84;热态压实工艺经干燥后废树脂的减容系数约1.41，再经过超压、灌浆后形成的废物包装需要外加混凝土容器作为二次包装，经过二次包装后，其增容较大，总减容系数约0.43。

（4）经济性。经综合测算，按设备总投资排名，热态压实工艺>水泥固化工艺>装填HIC脱水;按年均运行成本排名，热态压实工艺>水泥固化工艺>装填HIC脱水工艺。

2.3 一回路过滤器滤芯处理工艺

2.3.1 主要处理工艺介绍

一回路过滤器滤芯，产生量小但是放射性活度较高。目前SRTF中适合处理一回路过滤器滤芯的主要工艺有灌浆固定、装入HIC脱水。

2.3.2 灌浆固定工艺

灌浆固定是目前处理一回路过滤器滤芯的常用方案，其主要工艺流程为：过滤器滤芯→SRTF指定区域→卸出钢桶→灌浆→检测→中间贮存。过滤器滤芯灌浆固定工艺主要设备有：屏蔽转运罩、适配器、废滤芯屏蔽转运容器、灌浆固定装置等。

2.3.3 装填HIC

与处理废树脂一样，HIC也可以用来处理一回路过滤器滤芯。使用HIC处理废滤芯时，使用核岛辅助厂房吊车，通过过滤器芯转运罩将滤芯吊入HIC中，再进行暂存和处置。

废滤芯HIC所用到的屏蔽转运容器、封盖工具、抓具等装置，可与废树脂HIC装置共用，仅增加一套过滤器芯转运罩。

2.3.4 对比分析

（1）安全性。一回路过滤器滤芯的放射性活度较高，在选择处理工艺时，必须考虑辐射安全性。灌浆固定、装填HIC工艺，均可实现远程操作，最大程度保证了人体辐射安全。

废滤芯灌浆后的固定体，具有良好的热稳定性、化学稳定性和生物化学稳定性。聚乙烯HIC具有抗生物降解、密封性好、化学稳定性强等特点，预期安全使用寿命不低于300年，但是热稳定性和机械强度较差，无法像钢桶一样直接堆码。两种处理工艺的安全性方面，灌浆固定>装填HIC。

（2）成熟性。灌浆固定是目前处理一回路过滤器滤芯的常用工艺，在国内外核电厂中都有广泛的应用，工艺相对简单，操作方便，而且灌浆固定装置，可以与HVAC滤芯/可压实干废物/混合废物的处理共用。

装填HIC处理废滤芯，工艺简单，大部分装置可以与处理废树脂的装置共用，但是使用该技术的核电厂数量远不及使用灌浆固定工艺的核电厂。从技术成熟度角度考虑，灌浆固定>装填HIC。

（3）废物最小化。灌浆固定采用200L钢桶，每桶装1个滤芯，减容系数0.12;一个HIC可以装填25个滤芯，减容系数0.18，高于灌浆固定。

（4）经济性。对上述两种一回路滤芯处理工艺从设备投资、运行到废物处置全过程进行成本分析，灌浆固定工艺的经济性高于装填HIC工艺。灌浆固定处理工艺成熟性、安全性较好，装填HIC工艺在废物最小化方面有优势，两种工艺的主要设备都可以与其他源项的处理共用。

2.4 固體废物处理工艺

SRTF固体废物分为可压实废物、不可压实废物、HVAC过滤器芯、混合固体废物等。不同废物采用不同的处理工序，最终形成产品桶送至暂存库暂存。主要处理工序有：实时成像（RTR）检测、分拣、预压（挤压）、高分辨率伽玛射线谱仪（HRGS）核素分析、超压、灌浆固定、加盖、擦拭去污等。该处理工艺为固体废物处理的主流减容工艺，技术成熟、应用广泛。

来自核岛的各类废物用不同颜色的塑料袋打包装入废物桶运至SRTF指定区域暂存，用便携式检测仪对废物桶进行表面剂量率检测，判断废物桶是否超过分拣限制的要求，超过分拣限制的废物桶不进行RTR检测和分拣操作，直接送到HRGS进行核素分析，再进行超压处理。超压机最大压力为2000t，经超压后压饼的高度为原钢桶高度的1/5至1/10（取决于废物内容物和压实度），经优化装填至废物桶中。

表面剂量满足要求的废物桶按实时成像装置（RTR）检测，分拣、预压，HRGS核素分析，超压，压饼优选后装桶，水泥灌浆固定、加盖、去污的工序进行，最后成品桶送暂存库暂存。

失效的HVAC过滤器芯从核岛转运至SRTF后，放射性水平低于清洁解控水平的直接按清洁解控处理，高于清洁解控水平的HVAC过滤器芯通过挤压后装入废物桶，与其它可压实干废物一起进行预压处理。

不可压实废物在核岛侧直接装入废物桶中，送到SRTF经HRGS进行核素分析后进行水泥灌浆固定。

SRTF固体废物处理的主要设备有：RTR、分拣手套箱、HRGS、过滤器芯挤压机、超压机及优选台、压饼装载站等。

3 结论

通过上述对主要源项的处理工艺对比，根据IAEA以及中国核安全法律法规中对工艺选型注重安全性、成熟性、相对保守的要求，结合工艺创新的需要，对于将来SRTF项目的工艺选型以及研发的方向，推荐标准化处理工艺如下：

（1）强制循环蒸发、热泵蒸发和移动式处理装置在安全性、成熟性、废物最小化以及经济性方面各有优缺点。虽然移动式处理装置在废物最小化方面不具突出优势，但其采用非热能技术，不产生浓缩液，去污系数高，二次废物少，工艺集成，结构紧凑，安全性、成熟性、经济性均较好，操作也更加灵活、简便。因此，推荐采用移动式处理装置作为化学废液的处理工艺，也适用于0.25%燃料包壳破裂及SGTR废液的处理。

（2）水泥固化、装填HIC脱水和热态压实工艺，各有优缺点。考虑到废树脂处理后的最终废物包体积在单台机组产生的最高废物包总体积中占的比例较大，综合考虑三种工艺的安全性、成熟性、经济性，以及装填HIC具有操作简单、设备数量少、能耗低、可移动的特点，推荐采用最终废物包体积最小、非热能技术的装填HIC脱水工艺作为废树脂的处理工艺。

（3）灌浆固定工艺成熟性、安全性较好;装填HIC在废物最小化方面有优势，两种工艺的主要设备都可以与其他源项的处理共用。综合考虑，对于一回路过滤器滤芯的处理，推荐采用装填HIC工艺。

（4）对固体废物的处理采用实时成像（RTR）检测、分拣、预压（挤压）、高分辨率伽玛射线谱仪（HRGS）核素分析、超压、灌浆固定、加盖、擦拭去污等处理工艺，其成熟性、安全性、经济性均较好，且已在各核电厂得到普遍应用。

参考文献

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[2] 方祥洪，耿忠林，馬若霞，等.AP1000核电厂放射性废液处理工艺研究[J].科技资讯，2017（14）：89.

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