核电厂放射性废物处理技术的应用
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摘要：伴随着核能作为清洁能源技术的利用和发展，放射性三废的处理技术一直是各国研究的热点。文章综合介绍了核电厂产生的各种放射性废物的来源、分类、组成、特性，同时归纳总结了目前国内外核电厂主要采用的各类放射性废物的处理方法及核电厂典型的三废处理工艺流程，指出多种处理技术的联合使用将取得更好的效果，同时也是今后放射性三废处理技术的研究和发展方向。
关键词：核电厂；放射性废物；去污因子；处理技术
中图分类号：TL941 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0108-03
核能的发展与和平利用是20世纪科技史上最杰出的成就之一，在核能利用中，核电厂的发展相当迅速，已被公认为一种经济、安全、可靠、干净的能源。但是，核电站除了产生一般废物外，还会产生特有的废物——放射性废物，按其自然形态划分为气体废物、液体废物和固体废物。放射性废物对人类具有很大的危害性。
在核电厂反应堆运行过程中，源项主要有三类：一类是裂变产物，另一类是活化和腐蚀产物，还有一类是少量的α核素。所有这些裂变产物和活化产物在冷却剂的下泄和净化过程中都将进入到放射性废物中。在核电站的设计中必须尽可能做到废物最小化，用最科学的方法对废物进行处理，将废物对人类的危害降至最低。
1 放射性气体废物主要处理技术
1.1 核电厂废气主要组成
核反应堆正常运行期间（包括预期运行故障）所释放的气体流出物中所含的放射性物质主要包括反应堆本体一回路的裂变产物（如氙、氦等）和放射性微粒、碳-14、氚、中子照射空气或微尘后生成的放射性核素（如氩-41）、释热元件烧焙时释放出的氪-85、碘-131等。反应堆内气体流出物的放射性主要来自几种重要的放射性物质，这些物质包括放射性惰性气体、气载放射性微粒、气载放射性碘及氚等。
1.2 放射性废气主要处理方法
核电厂放射性废气的主要处理方法如表1所示：
1.3 典型的放射性废气处理流程
核电厂放射性废气处理系统大多采用活性炭延迟技术，与加压贮存工艺相比，其设备少、投资省。处理原理：采用直流常温活性炭延迟系统，基于活性炭对氪、氙等气体有物理吸附功能，当气流通过活性炭时，氪、氙优先被活性碳吸附而与载气氮和氢分离，被吸附的氪和氙还会从活性炭解析，形成不断吸附、解吸的平衡过程。经处理后废气再经过通风系统的吸附过滤器和高效过滤器，最后通过烟囱排入环境。其处理流程如图1所示：
图1 放射性气体废物处理流程
2 放射性液体废物主要处理技术
2.1 核电厂废液主要组成
核电厂废水中，含有的重要核素是58Co、60Co、137Cs、90Sr、3H等。核电厂放射性废液类型通常分为化学废液、工艺废液、地面排水、洗涤废液、去污废液、其他废液等。
2.2 放射性废水主要处理方法
常用的放射性废液的处理方法有化学沉淀法、离子交换法、吸附法、蒸发浓缩法、膜处理法等，根据不同的废液类型选择不同的处理方法。废液主要处理方法归类如表2所示：
2.3 典型的核电厂放射性废液处理流程
核电厂放射性废液处理系统通常采用化学絮凝、深床活性炭过滤、离子交换等方法的组合来处理废水。该工艺克服了国内蒸发法能耗大，厂房占地多、处理费用高等缺点，该工艺在美国已有超过17家核电厂的运行经验。处理所需串联的离子交换树脂床数量由运行人员根据保证足够净化能力又不产生过量废树脂的原则确定。各装置的去污因子如表3所示：
典型的核电厂放射性废液处理流程如图2所示：
图2 放射性液体废物处理流程
工艺废液首先经过加药单元，本单元添加高分子絮凝剂与调整适当的酸碱值，藉由电性中和使废液中微细胶体颗粒核素（Co、Ag、Cr、Mn、Fe等）凝集形成较大的胶羽。随后经过活性炭床，主要过滤去除絮凝后产生的较大颗粒活素、Co、Ag、Cr、Mn、Fe等细小胶体物质与其他核素、微细悬浮固体等。活性炭床装填多种粒径的活性炭，除了去除一般的悬浮固体外，还可过滤对下游离子交换树脂有害的物质，例如油脂、有机物。
经过前面两道工序处理后的工艺废液与地排废水一并经过前置过滤器，过滤器安装在离子交换树脂床上游，用于截留工艺流中粒径超过25微米的杂质颗粒。离子交换床内填充不同类型的树脂，以满足不同的处理需要。放射性离子交换到离子树脂上，进一步降低废水放射性，使废水得到净化。后置过滤器安装在离子交换树脂床下游，用于收集树脂碎片等颗粒物质，避免排出。
经处理后的废水进入监测排放箱贮存、排放，处理后水质能满足国家排放标准。排放总管线上设有辐射监测仪，在废水放射性超过标准限值时报警并自动终止排放。化学废液处理原理与之类似。
3 放射性固体废物主要处理技术
3.1 核电厂固体废物主要处理方法
核电厂产生的放射性固体废物种类繁多，包括湿固体废物和干固体废物。湿固体废物主要有废树脂、浓缩液、淤泥、废液过滤器芯等，干固体废物主要有空气过滤器、可压缩干废物、不可压缩干废物、大件废弃设备等。我国已经开发的放射性固废处理工艺很多，其主要处理方法可归纳如表4所示：
3.2 典型的核电厂放射性固废处理流程
核电厂放射性固体废物处理系统主要的处理物项有可压缩废物、不可压缩废物、HVAC过滤器芯、废过滤器芯（包括一回路过滤器芯和低放废过滤器芯）、活性炭以及大件废物等，其系统的处理工序主要为分拣、烘干、预压缩（挤压）、超级压缩、灌浆等，处理后形成200L的产品桶。200L产品桶再通过检测、擦拭去污后送至暂存库存放，经过一定年限暂存以后，这些废物桶将运至专门的处置场进行最终处置。湿废物产生的浓缩液经过装桶固化工序，最后送至暂存库存放。不同种类的废物采用不同的处理工序，其各种废物具体的处理工序如图3所示：
图3 放射性固体废物处理流程
核电厂产生的不可燃废物、可压缩废物、废过滤器芯等使用超级压缩机进行压缩，超压机由液压站提供一个可变力（4000～15000kN），将废物桶压成压饼。压饼在高度上被压缩到原来桶高的1/10～1/5（取决于废物的内容物和压实度），减容效果优异，达到废物最小化效果。装有压饼或不可压缩废物的桶，在水泥灌浆站灌浆，最终成品桶送至暂存库存放。
移动式处理装置把废物处理各设备紧密布置安装在1台大型集装箱卡车上，可以安全、方便地开往废物产生单位进行服务，且设置安全可靠的物料接口，能实现安全进料和排料以及配备其正常运行所需要的电、热、气、风等接口。
湿废物经过移动式处理装置处理后产生的浓缩液，经过蒸发造粒，采用固化方式处理，固化后减容效果佳，且能彻底安定化处理，与废树脂湿式氧化后的废浆共同固化则减容效率可以再加倍。
4 结语
尽管相关科学研究不断取得进展，但是放射性废物的处理和处置仍然是世界一大难题。各种处理技术各有优缺点和适用范围，因此，在工程实际应用中必须根据各类废物中放射性元素的种类、放射性比活度的高低、废物量的大小及处理后需要满足的要求等，综合考虑一种或几种方法联合使用，并在实际应用中及时反馈经验，持续改进，以期达到理想的处理效果，并为放射性废物的最终处置创造良好条件。
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作者简介：毛莉（1982-），女，重庆人，中电投远达环保工程有限公司工程师，环境工程硕士，研究方向：核电厂放射性三废处理工艺设计。