某核电厂放射性废物环保处理探析

上海维纳控制系统有限公司 邱海峰

一、前言

废树脂、废滤芯、浓缩液、干废物和废通风滤芯等通常是核电厂生产运行过程中产生的主要废物。由于核电厂的特殊性，核电厂产生的废物中往往具有放射性，其中最为突出的就是放射性废树脂。核电厂废树脂通常产生于反应堆回路的冷却系统、凝结水净化系统以及其他的净化系统，由于以上系统在生产过程中都需要用到离子交换树脂，作废后的离子交换树脂则称为放射性废树脂，其主要成分为苯乙烯及二乙烯苯交联聚合物，结构较为稳定以至于其很难被改变物理化学形态。核电厂中的放射性废树脂产生量大、比活度高，一直是行业内专家学者中重点关注的问题，做到对该放射性废物的管理也是行业内一个难点，包括但不限于预处理、处理、贮存、运输以及末端处置等方面的管理也是亟须改进的方面。本文结合笔者项目经历，重点针对某核电厂中的放射性废树脂的输送和后端处理工艺进行探讨，以期为放射性固废的处理提供一定的参考价值。

某核电厂布置两台600MW的发电机组，机组正常运行情况下产生的各类废物统一在核废物厂房进行处理，处理段包括废物接收和处理区、固体废物暂存库、特种洗衣房等功能区，还包括卫生出入口和进排风机房等配套设施。根据企业运行过程中的废物台账，每年需要处理的废树脂量约为23m3。

二、放射性废树脂环保输送工艺

项目废树脂负压输送工艺中包括接收工艺和卸载工艺，本文通过模拟试验来验证废树脂负压输送工艺中的可行性。

试验主要使用材料为1吨核级离子树脂GRAVER GR 3-9和2吨自来水。主要设备为废树脂中转罐真空泵、循环泵等。如试验结果能够满足负压输送性能要求，不出现管路堵塞，不出现跑冒滴漏。

（一）废树脂负压输送工艺

1.接收部分

模拟核岛废树脂中转罐（1.5m³）→模拟核岛废树脂运输设备槽车。采用IBC桶来模拟废树脂的接收槽，通过管道连接至废树脂中转罐。IBC桶内部按照试验要求配置固定比例的树脂混合物（比例分别为：100%树脂，80%树脂，60%树脂）。将废树脂中转罐内压力抽至-0.08MPa，打开进液阀门，将IBC罐中的树脂在负压的作用下输送至中转罐中，打开搅拌桨，实现中转罐内的废树脂和水的混合。通过软管，将中转罐底部出口与模拟槽车进口的快速接口相连；通过模拟槽车的控制面板，将槽车内的压力抽至-0.08MPa。分别打开中转罐（罐1）和槽车罐（罐2）的出口阀和进口阀，将罐1内的树脂输送至罐2，此时观察到罐2的压力升高，升高至常压时，重复步骤上述步骤。并记录输送停止压力以及输送次数。观察罐1内的液面变化情况，待罐1内的树脂输送完毕时，通过罐1 的控制面板，关闭罐1的搅拌机和出口阀；通过罐2的控制面板关闭罐2的进口阀。

2.卸载部分

模拟放射性废物处理厂房废树脂运输设备槽车→模拟放射性废物处理厂房废树脂中转罐（1.5m³）→模拟放射性废物处理厂房废树脂接收槽。将模拟槽车罐（罐2）底部出口与中转罐（罐3）的上部进口相连接，并固定牢固；启动真空泵将中转罐内压力抽至-0.08MPa左右；通过负压作用将槽车（罐2）内的树脂输送至中转罐（罐3）内，观察管道内树脂输送情况，直至树脂完成输送，并记录输送次数以及泄压情况；树脂完全输送至中转罐（罐3）内后，循环搅拌中转罐（罐3），当纯树脂（树脂含量100%）时，通过打开进清洗水阀门，抽取一定量的清水（按照树脂和水的比例为6：4的量吸入清水）；将中转罐（罐3）内的树脂输送至IBC桶，至罐内树脂输送完成，并记录管道树脂输送情况。

接收和卸载流程具体如图1所示。

图1 废树脂环保接收与卸载工艺

（二）试验结果

IBC桶到废树脂中转罐输送，第一次抽取树脂大概抽取量在20cmIBC桶的高度，且泄压到-30kpa，后续继续抽取-80kpa的真空，由于进空气严重，经过多次的抽取，完成IBC桶到罐1的树脂输送。废树脂中转罐（罐1 ）到模拟槽车（罐2）可单次完成输送，模拟槽车（罐2）到废树脂卸载中转罐（罐3）也单次完成输送。上述试验中若采用0.7t的树脂约（0.627立方）和0.42立方的水同时输送，完成输送后，罐1进清洗水清洗，通过抽取真空、打开罐1进清水阀，抽取一定量的清水后，经过搅拌后，从罐1输送至罐2，输送过程中观察管道，未见明显的树脂；罐1的清洗水进入罐2后，开启搅拌后，从罐2输送至罐3，输送过程中未见明显树脂，各个工序均较好地完成接收卸载工序。若采用纯树脂输送，也可完成输送，但是最终清洗罐子和搅拌器时会发现罐子内部和搅拌器桨叶上会留有树脂的残渣，需用清洗水清洗后才能排往下游。实验记录过程如图2。

图2 试验记录过程

（三）分析讨论

由以上结果可知，负压输送流畅，管道不会堵塞，说明了负压输送的可行性，纯树脂（100%树脂）输送时，罐子内壁会存在树脂的留存（罐子沾附），清洗水清洗后可达到完全输送。当80%和60%树脂输送时，可做到清洗水冲洗罐体时，未明显发现树脂的留存，IBC桶的树脂进入中转罐时，混有大量的空气进入罐子，故会需要多次地真空输送，当中转罐的树脂输送至模拟槽车罐时，可顺利地在-0.08MPa的真空压力下完成树脂的输送。

三、放射性废树脂环保处理

（一）不同处理工艺对比

调研国内外针对放射性废树脂的处理工艺较多，各个工艺也具有不同的优缺点，常用的处理技术主要为水泥固化、玻璃固化、热态压实、桶内干燥、焚烧以及蒸汽重整等，不同的工艺具有不同的优缺点，本文主要对比热态压实、沥青固化以及焚烧技术等处理工艺。

1.热态压实

热态压实技术是从德国引进的一种放射性废树脂处理技术。该技术处理前需要使用到锥形干燥器对废树脂进行预处理，主要是干燥脱水，然后再热态超压，后期采用水泥固定。此技术最大的优点就是能够很好地对放射性废物起到减容的作用。缺点在于树脂干燥前需先经过研磨处理，干燥过程中要添加添加剂，处理成本较高、设备工艺复杂。

2.沥青固化技术

沥青固化技术是使用最早、最为成熟的一种放射性废物处理技术。该技术由最早的直接处理放射性浓缩液发展成为将废树脂研磨后与融化沥青混合，从而起到固化的作用，具有较好的减容效果，可将废物减少至原来的0.75倍，该技术应用广泛，其最大的确定就是具备火灾风险。由于此技术在处理过程中含有大量的氧化剂，因此容易发生火灾，现阶段已较少采用。

3.焚烧技术

放射性废树脂具有一定的可燃性，可以通过焚烧来进行处理，但由于废树脂中热值不高，因此，针对放射性废树脂的焚烧应该与其他可燃物一并处理。将焚烧技术应用到放射性废树脂中最大的亮点就是能够很好地起到减容效果，但由于焚烧会产生一定的焚烧灰，并不能完全去除放射性，因此，后续还需结合固化技术来进行处理。此技术最大的优点就是能够实现减容化、无机化，针对放射性较低的物质应用效果较好，但整体比较下具有较高的建设成本，一般不推荐使用。

（二）项目放射性废树脂处理工艺

本项目放射性废树脂处理工艺重点结合前端的输送工艺，根据前端的负压输送工艺验证，可最大限度地减少管道堵塞的风险，也可减少设备管道间的泄漏点，同时可大大降低输送过程中水的占比，减少后端锥形干燥器需要烘干的游离水。后端工艺直接采用锥形干燥器烘干装桶的工艺，树脂输送至锥形干燥器后直接烘干，没有烘干前的研磨要求，也没有烘干过程中添加剂的添加要求。烘干完成后直接装200L钢桶封盖，再将200L钢桶装入混凝土HIC容器内进行水泥固定后长期贮存。核心设备锥形干燥器设有树脂入口、排气口等，内部设置悬臂螺旋式搅拌器。设备外表面设置导热油管路，通过外部热油单元加热导热油，导热油将热量传递给锥形干燥器表面，最终使锥形干燥器内部的树脂蒸发烘干。同时，导热油管道和锥形干燥器外表面均设置一定厚度的岩棉保温层，防止热量的损失。

将需要处理的放射性废树脂计量和用锥形干燥器烘干后装入200L钢桶并封盖，封盖后的200L钢桶送到核废物厂房固体废物暂存库，在暂存库的废物桶剂量检测间进行检测后，用吊车运往暂存库灌浆区装入HIC后暂存，具体处理工艺如图3所示。

图3 核电厂废树脂处理工艺及处理效果

由图3可知，最终烘干后树脂内部含水量小于4%（质量比），该锥形干燥器对树脂的平均处理能力大于40L/h，烘干后的废树脂装HIC容器后可满足处置场长期贮存和接收的要求。

四、结束语

核电厂废树脂作为放射性废物管理的一个难点，一直得到行业内专家学者的重点关注。废树脂的输送和处理工艺对实现放射性废物无害化处理将至关重要，本文通过对某核电厂放射性废物进行模拟试验来验证废树脂负压输送工艺中的可行性，并且设计了锥形干燥器烘干装桶的处理工艺，试验效果较好，具有可实践性。