華龍一號(hào)批量化示范工程固體廢物處理系統(tǒng)工藝改進(jìn)分析

＊何源 趙軍

（中核國電漳州能源有限公司 福建 363300）

引言

我國《十二五期間新建核電廠安全要求》提出：新建核電廠在正常運(yùn)行情況下，百萬千瓦級(jí)電功率核電廠每堆年產(chǎn)生的放射性固體廢物體積不宜超過 50m3?！逗嗽O(shè)施放射性廢物最小化導(dǎo)則》附錄A中也給出了“廢物最小化目標(biāo)”即單臺(tái)機(jī)組待處置廢物包體積不超過每年50m3。為保證放射性固體廢物得到妥善處理，盡量減少核電廠每年產(chǎn)生的固體廢物量，實(shí)現(xiàn)放射性廢物的活度和體積都保持在實(shí)際可行的最小量，滿足HAF103的要求，華龍一號(hào)批量化示范工程的固體廢物處理系統(tǒng)在結(jié)合華龍一號(hào)參考電站經(jīng)驗(yàn)反饋的基礎(chǔ)上對(duì)放射性固體廢物物處理工藝進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)。

1.放射性廢物管理

核電廠在運(yùn)行和維修過程中都將產(chǎn)生放射性廢物，固體廢物處理系統(tǒng)（華龍一號(hào)批量化示范工程編碼為ZST系統(tǒng)）主要處理廢離子交換樹脂、廢活性炭、蒸發(fā)濃縮液、廢過濾器芯、雜項(xiàng)固體廢物這幾種類型的廢物。ZST系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)各種固體廢物進(jìn)行處理并裝入鋼桶中，包括：收集機(jī)組產(chǎn)生的放射性“固體”廢物；將廢物處理和整備后封裝在桶中；送往固體廢物暫存庫暫存，并進(jìn)行可能的放射性衰變。系統(tǒng)主要由位于核輔助廠房（NX）的廢樹脂和廢過濾器芯接收和轉(zhuǎn)運(yùn)部分、位于核廢物廠房（QX）的廢樹脂、廢活性炭和廢過濾器芯接收和轉(zhuǎn)運(yùn)部分及濃縮液接收和處理部分、位于廢物處理中心（QS）的廢樹脂和廢活性炭、廢過濾器芯和干廢物處理部分三部分組成。

目前華龍一號(hào)批量化示范工程1號(hào)機(jī)組尚處于建筑安裝階段，暫未涉及放射性固體廢物產(chǎn)生，機(jī)組運(yùn)行后將嚴(yán)格遵守法律法規(guī)，以公司放射性固廢管理程序?yàn)椤白ナ帧?，落?shí)放射性固體廢物“收集、整備、處理”一系列操作，華龍一號(hào)批量化示范工程固體廢物系統(tǒng)功能和主要任務(wù)與參考電廠一致，需處理的廢物類型基本一致，因機(jī)組功率提升，系統(tǒng)配置略有不同，需處理的廢物量稍有變化。為實(shí)現(xiàn)“廢物最小化”目標(biāo)，首先從設(shè)計(jì)角度對(duì)廢物量進(jìn)行核算。

2.華龍一號(hào)機(jī)組需處理的廢物量

廢物量的核算區(qū)分廢液、廢樹脂、廢活性炭、廢過濾器濾芯、雜項(xiàng)固體干廢物等不同類型放射性廢物。

(1)廢樹脂和廢活性炭體積

根據(jù)華龍一號(hào)批量化示范工程設(shè)計(jì)和設(shè)備配置，機(jī)組的廢樹脂主要來源于TTB系統(tǒng)（蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)）、RFT系統(tǒng)（反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)）、RCV系統(tǒng)（化學(xué)和容積控制系統(tǒng)）、ZLT系統(tǒng)（廢液處理系統(tǒng)）、ZBR系統(tǒng)（硼回收系統(tǒng)）；廢活性炭主要來源于ZLT系統(tǒng)。

針對(duì)廢樹脂和廢活性炭，其在蒸發(fā)器排污系統(tǒng)中平均年產(chǎn)量較多，為9m3/a，其次是硼回收系統(tǒng)，其平均年產(chǎn)量為4.8m3/a。

(2)廢過濾器芯體積

廢過濾器濾芯主要來源于TTB、RFT、RCV、ZBR、ZLT等系統(tǒng)，表面劑量率＞2mSv/h的廢過濾器芯用帶有屏蔽運(yùn)輸容器的專用運(yùn)輸車送到QX廠房進(jìn)行水泥固定，表面劑量率≤2mSv/h的廢過濾器芯送到QS廠房處理。

通風(fēng)過濾器一般僅受輕微放射性污染，送到固體廢物暫存庫進(jìn)行貯存衰變，若經(jīng)衰變達(dá)到IAEA RS-G-1.7《排除、豁免和解控概念的適用》規(guī)定的清潔解控水平后，經(jīng)審管部門批準(zhǔn)，可作為非放廢物處理；放射性水平異常的可以在QS廠房壓實(shí)處理。

對(duì)于外表面劑量率≤2mSv/h的廢濾芯，蒸發(fā)器排污系統(tǒng)與廢液處理系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生量較多；對(duì)于外表面＞2mSv/h的廢濾芯，化容系統(tǒng)與廢液處理系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生量較多。

(3)固體廢物系統(tǒng)輸入廢物的總?cè)莘e設(shè)計(jì)值

根據(jù)以上核算結(jié)果，結(jié)合設(shè)計(jì)換料周期18個(gè)月，華龍一號(hào)批量化示范工程每年每臺(tái)機(jī)組待處理廢物的體積設(shè)計(jì)值和每年廢物包產(chǎn)生量的預(yù)期值如表1所示。

表1 每年待處理廢物體積預(yù)期值

3.華龍一號(hào)批量化示范工程工藝改進(jìn)

(1)工藝改進(jìn)背景和原因

華龍一號(hào)參考電廠固體廢物處理系統(tǒng)采用水泥固化工藝，并考慮采用可降解技術(shù)處理部分干廢物。水泥固化工藝安全可靠，設(shè)備制造也較為成熟，缺點(diǎn)是廢物包產(chǎn)生量較高，存在廢物增容的情況，水泥固化工藝處理放射性廢樹脂增容比3.2[1]，濃縮液增容比2.25[1]。為持續(xù)降低廢物包的年產(chǎn)生量，需要通過工藝改進(jìn)來滿足廢物最小化目標(biāo)。

(2)參考電廠廢物包預(yù)期產(chǎn)生量

華龍一號(hào)參考電廠的水泥固化裝置根據(jù)廢物特性，針對(duì)不同廢物處理方法如下：

①濃縮液、廢樹脂和活性炭分別和水泥及添加劑固化在400L鋼桶內(nèi)；

②外表面劑量率＞2mSv/h的廢過濾器芯用水、水泥和添加劑制成濕混料固定在400L鋼桶內(nèi)；

③外表面劑量率＞2mSv/h雜項(xiàng)干廢物在廠房進(jìn)行水泥固定；

④考慮采用可降解防護(hù)用品，設(shè)置可降解設(shè)備對(duì)廢防護(hù)用品進(jìn)行降解處理。

參考電廠單臺(tái)機(jī)組每年的廢物包設(shè)計(jì)產(chǎn)生量約為109.2m3，在正常運(yùn)行情況下，每臺(tái)機(jī)組預(yù)期每年產(chǎn)生的固體廢物包體積約為49.2m3。

(3)華龍一號(hào)批量化示范工程工藝改進(jìn)

經(jīng)調(diào)研，目前國內(nèi)三門1/2、田灣3/4、霞浦項(xiàng)目、海陽1/2改造、CAP1400等項(xiàng)目的固體廢物處理技術(shù)路線，均未采用水泥固化方案。如使用烘干方式處理廢樹脂，并裝160L桶、超壓裝高完整性混凝土容器（HIC）；或處理后裝200L桶，不用超壓直接裝HIC，其減容效果明顯，其減容比1.65（未計(jì)算HIC），計(jì)算HIC為1.84。

濕廢物烘干裝HIC工藝減容效果好于水泥固化工藝，但需要考慮的是金屬廢物桶在廠內(nèi)貯存時(shí)需要確保廢物庫具有良好的溫濕度條件，以免廢物桶發(fā)生輻射穿孔等風(fēng)險(xiǎn)。通過工藝改進(jìn)，華龍一號(hào)批量化示范工程采用濕廢物烘干裝HIC桶工藝，含硼濃縮液裝入200L不銹鋼桶烘干成鹽餅、封蓋和劑量率檢測后用屏蔽容器運(yùn)到廢物庫裝入混凝土HIC進(jìn)行暫存，或200L鋼桶直接暫存；廢樹脂和廢活性炭采用錐形干燥器烘干后直接裝200L桶、廢濾芯在200L鋼桶內(nèi)進(jìn)行水泥固定，并均在廢物庫QT廠房裝入HIC后暫存。

(4)與參考電廠固廢處理工藝對(duì)比

具體工藝對(duì)比如表2所示：

表2 處理工藝對(duì)比表

4.華龍一號(hào)批量化示范工程固廢處理工藝者簡

(1)系統(tǒng)組成

①在NX廠房內(nèi)的設(shè)備為單機(jī)組設(shè)置，每臺(tái)機(jī)組一套。

用于收集和暫存廢樹脂、廢過濾器濾芯。廢樹脂和廢過濾器芯用屏蔽運(yùn)輸車送到QS廠房處理。

②QX廠房內(nèi)的設(shè)備為雙機(jī)組設(shè)置，兩臺(tái)機(jī)組共用。

用于收集QX廠房產(chǎn)生的廢樹脂、廢活性炭、廢過濾器芯和濃縮液并對(duì)濃縮液進(jìn)行桶內(nèi)干燥。廢樹脂、廢活性炭和廢過濾器芯用屏蔽運(yùn)輸車送到QS廠房處理。

③QS廠房內(nèi)的設(shè)備為整個(gè)廠址6臺(tái)機(jī)組共用。

用于接收廢樹脂、廢活性炭、廢過濾器芯和雜項(xiàng)干廢物并進(jìn)行分類處理。

④QT庫的庫容按6臺(tái)機(jī)組運(yùn)行5年產(chǎn)生的廢物量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

該庫用于暫存經(jīng)ZST系統(tǒng)處理產(chǎn)生的廢物包以及裝有政企發(fā)生器排污系統(tǒng)廢樹脂的200L鋼桶、廢通風(fēng)過濾器芯和收到輕微污染的大尺寸廢物等。其中，廢樹脂、廢活性炭和濃縮液處理后裝入200L鋼桶轉(zhuǎn)運(yùn)至QT庫后，需在灌漿區(qū)裝入混凝土HIC。

(2)處理工藝

①廢樹脂（廢活性炭）處理

廢樹脂（廢活性炭）被沖排至NX廠房內(nèi)的廢樹脂貯槽和TTB廢樹脂貯槽。用錐形干燥器烘干后裝入200L鋼桶，隨后用屏蔽運(yùn)輸車轉(zhuǎn)運(yùn)至QT庫，再裝入混凝土高完整性容器（HIC）中暫存。具體流程如圖1所示。

圖1 廢樹脂（廢活性炭）處理流程

②廢過濾器濾芯

廢過濾器濾芯裝入200L鋼桶進(jìn)行水泥固定，隨后用屏蔽運(yùn)輸車轉(zhuǎn)運(yùn)至QT庫暫存。具體流程如圖2所示。

圖2 廢濾芯處理流程

③干廢物

可壓實(shí)干廢物進(jìn)行分揀、干燥、剪切、初級(jí)壓實(shí)、超級(jí)壓實(shí)、裝桶等工藝處理，然后通過運(yùn)輸輥道進(jìn)行水泥固定、封蓋等處理；不可壓實(shí)廢物直接進(jìn)行水泥固定、封蓋處理。具體處理流程如圖3所示。

圖3 干廢物處理流程

④濃縮液

圖4 濃縮液處理流程

廢液處理系統(tǒng)ZLT產(chǎn)生的濃縮液收集在QX廠房的濃縮液接收貯槽中，槽內(nèi)有恒溫加熱器加熱，再通過計(jì)量泵送到濃縮液桶內(nèi)干燥器進(jìn)行桶內(nèi)干燥，通過在200L桶內(nèi)反復(fù)多次進(jìn)料、干燥、再進(jìn)料、再干燥形成濃縮液鹽塊。封蓋后的200L桶送往廢物處理廠房固體廢物暫存庫，在暫存庫的廢物桶劑量檢測間進(jìn)行檢測后，用屏蔽運(yùn)輸車運(yùn)往QT暫存庫，在灌漿區(qū)裝入HIC后暫存。

5.華龍一號(hào)批量化示范工程廢物量核算

改進(jìn)后，濃縮液裝入200L鋼桶進(jìn)行桶內(nèi)干燥，減容比為3.4[1]；再裝入混凝土HIC。廢樹脂和活性炭用錐形干燥器烘干后裝入200L鋼桶，減容比為1.9[2]；然后裝入混凝土HIC，廢物包增容比為3.5。華龍一號(hào)批量化示范工程廢物量比參考電廠廢物量相比要少，降低了年產(chǎn)生的廢物量。

在不使用可降解工藝的情況下，改進(jìn)后的廢物量預(yù)期為45.2m3，少于參考電廠的62.4m3。

根據(jù)中國核電與中核環(huán)保等簽訂的《放射性廢物外運(yùn)及處置服務(wù)采購框架協(xié)議》，雜項(xiàng)干廢物可運(yùn)至西北進(jìn)行焚燒處置。雜項(xiàng)干廢物焚燒的減容因子約為100，華龍一號(hào)批量化示范工程每臺(tái)機(jī)組年雜項(xiàng)干廢物（可燃燒）的產(chǎn)生量預(yù)期值為102m3，焚燒后產(chǎn)生焚燒灰1.02m3，焚燒灰固化增容比約為2～3，每臺(tái)機(jī)組年雜項(xiàng)干廢物包最終產(chǎn)生量保守估計(jì)為3m3。使用超壓技術(shù)每臺(tái)機(jī)組年雜項(xiàng)干廢物包（可壓縮）最終產(chǎn)生量為23.2m3。使用焚燒固化技術(shù)比超壓技術(shù)廢物包最終產(chǎn)生量減少20.2m3，在批量化項(xiàng)目3～4機(jī)組濃縮液繼續(xù)采用桶內(nèi)干燥裝HIC（2臺(tái)機(jī)組公用），廢樹脂、廢活性炭繼續(xù)采用錐形干燥裝HIC（全廠公用），過濾器濾芯繼續(xù)采用水泥固定工藝裝鋼桶（全廠公用）的形式，將雜項(xiàng)干廢物外運(yùn)及處置（使用焚燒固化處理）可將批量化示范工程每臺(tái)機(jī)組年固體廢物包最終產(chǎn)生量由45.2m3降低到25m3。

6.改進(jìn)分析結(jié)論

華龍一號(hào)批量化示范工程固體廢物處理系統(tǒng)工藝改進(jìn)后，所使用的設(shè)備在國外電廠均有使用經(jīng)驗(yàn)，在國內(nèi)相關(guān)電廠也有使用計(jì)劃或已使用，設(shè)備成熟度較高；廢物量相對(duì)參考電廠有較大的減少，即使不采用外運(yùn)焚燒，也同樣能達(dá)到單臺(tái)機(jī)組每年廢物包產(chǎn)生量不超過50m3的要求，故改進(jìn)方案合理可行。

改進(jìn)方案順應(yīng)放射性固體廢物最小化發(fā)展的趨勢，具有向同行電廠及華龍一號(hào)批量化工程推廣的重要意義。