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淺淡AP1000放射性廢物處理

Brief Discussion on Radwaste Disposal of APl000 Nuclear Power Plants

楊  洋

(三門核電有限公司，浙江三門  317112)

      摘  要：APl000核電廠的放射性廢物處理，采用核島廢物處理系統與廠址廢物處理設施相結合的處理模式，并運用多項國外先進成熟工藝，不僅簡化了系統、設備，也降低了核電廠的投資、運行及維護成本，更重要的是降低了工作人員職業照射，減少了廠外放射性釋放，保障了環境和公眾安全，也保障了電廠安全、經濟、可靠、高效運行。
   
      關鍵詞：反應堆冷卻劑流出液；化容下泄；硼回收系統；廠址廢物處理設施

      Abstract：The radwaste treatment of APl000 NPP adopts the mode of combination between nuclear island waste treatment system and Site waste treatment facilities，and applies many foreign advanced processes，which not only simplifies systems and equipments，but also reduces nuclear power plant investment，operation and maintenance costs，and more importantly,lowers occupational personnel exposures and reduces offsite radioactive releases，and ensures the environmental and public safety andsafe，economic，reliable and hi efficient of eration of the plant．

    Key words：Rector Coolant Effluent，CVS Letdown，Boron Recycle System，Site Radwaste Treatment Facility

      在各種運行工況下核電廠均會產生放射性廢物，按自然形態主要可劃分為液體廢物、氣體廢物和固體廢物。APl000核電廠放射性廢物的處理基于先進的設計理念，采用單臺機組核島廢物處理系統與多臺機組公用的廠址廢物處理設施(SRTF)相結合的模式分類收集、分類處理、集中儲存、分批處置各類放射性廢物。其中，電廠正常運行及預期瞬態產生的放射性廢液由放射性廢水疏排系統(WRS)和核島廢液系繳(WLS)收集、處理，含氫放射性廢氣由氣體廢物系統(WGS)收集、處理，放射性固體廢物由核島固體廢物系統(WSS)分類收集，再由SRTF分類處理、集中貯存。

1 APl000放射性廢液處理

      APl000核電廠產生的放射性廢液包括4類：反應堆冷卻劑流出液、具有潛在高懸浮固體顆粒雜質的地面和設備疏水、洗滌劑廢液和化學廢液。其主要來源、產生量和放射性活度見表1。

1．1 放射性廢液的來源、特性及收集

      反應堆冷卻劑流出液主要來源于反應堆冷卻劑系統加熱膨脹、硼濃度調節及環路疏水而導致的化容下泄、安全殼內一次側系統及部件(如穩壓器安全閥，壓力容器法蘭、密封環等)的泄漏和疏水，其物理性質、化學成分均與反應堆冷卻劑一致。化容下泄由穩壓器液位控制系統自動控制，收集到位于核輔助廠房的流出液暫存箱內。安全殼內一次側系統及其部件的泄漏和疏水，靠重力疏排至安全殼底部的反應堆冷卻劑疏水箱(RCDT)，再由泵輸送至流出液暫存箱。該排放管線共用化容下泄管線，從而減少了安全殼貫穿件的數量。

      具有潛在高懸浮固體顆粒雜質的地面和設備疏水主要來源于放射性控制區各房間和設備的疏水，在換料檢修期間將大量產生。廢液可能含有水泥粉塵(鈣的化合物)、地面清潔劑和溶解有各類添加藥劑的設備疏水等，有機物以及鹽分含量較高，但放射性水平相對較低。安全殼內的該類廢液重力依靠疏排至安全殼地坑，安全殼外放射性控制區內的該類廢液依靠重力疏排至輔助廠房地坑，由地坑泵將廢液輸往廢液暫存箱儲存。此外，蒸汽發生器傳熱管破裂事故期間的蒸汽發生器排污，亦作為此類廢液收集于廢液暫存箱以待處理。

      洗滌劑廢液來源于附屬廠房放射性去污間的設備、人員去污疏水，通常放射性水平較低，含有肥皂、清潔劑及溶解固體雜質等。化學廢液來源于放射性化學實驗室疏水，產生量較小，化學成分較雜，放射性水平較高。這2類廢液均依靠重力疏排收集于化學廢液箱。

1．2 放射性廢液處理工藝

      設備與管道的腐蝕活化產物、中子活化產物及裂變產物(燃料包殼缺陷引入)等使反應堆冷卻劑流出液帶有放射性，其中的放射性顆粒、離子雜質和碘可在化容系統凈化單元除去，而APl000化容系統取消了容積控制箱，因此氙、氪等放射性氣體將在冷卻劑中不斷累積。為降低工作人員職業照射，減少反應堆冷卻劑流出液向環境的放射性釋放，WLS設置了真空脫氣單元，使反應堆冷卻劑流出液在真空狀態下閃蒸，釋放出溶解其中的氫氣、氮氣和放射性氣體，釋放出的含氧放射性廢氣將送往WGS處理，脫氣后的反應堆冷卻劑流出液儲存于流出液暫存箱以待進一步處理。

      APl000對反應堆冷卻劑流出液、地面和設備疏水均采用高效、經濟的過濾和離子交換處理工藝，且共用1套設備，后者通常放射性水平較低，處理時可根據需要投入離子交換設備。該設備由前置過濾器、離子交換器和后置過濾器組成，分別除去廢液中的不溶性顆粒雜質、放射性離子雜質和夾帶碎樹脂。其中，4臺串聯的離子交換器能充分保證凈化的效果，第1臺離子交換器頂部裝填有活性炭，起到深床過濾器的作用，用以除去廢液中夾帶的油脂；另外3臺離子交換器可根據廢液的特性、電廠的實際情況選擇不同類型的樹脂，增強了廢液處理的靈活度。處理后的廢液進入檢測箱，取樣檢測結果符合排放要求后，由電廠循環水稀釋排放。

      洗滌劑廢液和化學廢液通常不宜采用過濾器和離子交換處理，其化學成分可能導致活性炭和樹脂過早失效。因此，將化學廢液與放射性水平較低的洗滌劑廢液充分稀釋，并添加適當的化學藥劑調節廢液的pH值或其他參數，一般町不經處理直接輸往檢測箱，取樣檢測結果符合排放要求后稀釋排放。WLS在設計上也設置了化學廢液箱至廢液暫存箱的管線，可使此2類廢液亦能采用過濾器、離子交換設備對廢液進行處理。針對特殊情況，WLS還可通過預留的SRTF移動式處理設備接口，對不宜采用過濾離子交換方式處理的高放廢液進行處理。移動式設備主要采用反滲透f藝，處理后廢液低于370Bq／L，送回監測箱取樣檢測合格即可稀釋排放，反滲透濃縮液則通過廢物轉運容器運輸至SRTF灌漿固化處理。

    APl000放射性廢液處理流程見圖1。

1．3 APl000放射性廢液處理特點

    (1)反應堆冷卻劑流出液不予回收。

      傳統核電廠的反應堆冷卻劑流出液均由硼問收系統采用蒸餾的方式回收濃硼酸，以實現循環復用。但APl000采用大體積的穩壓器，增強了電廠應對瞬態的能力，減少了化容上充和下泄。同時，APl000先進的堆芯裝載方式、燃料組件及功調系統的設計特點，尤其足軸向功率偏移控制棒組的設計，使APl000核電廠的功率調節、負荷跟蹤僅依靠反應堆棒控系統即可完成，硼濃度調節僅用于補償堆芯燃耗，極大地減少了化容下泄。因此，權衡投資、維護等各方面因素，APl000設計取消了硼回收系統，采用反應堆冷卻劑流出液不予回收的運行方式，這樣更經濟。這決定了WLS必須承擔此類廢液的處理，單堆設計年處理量約為601．9立方米／年。雖然APl000放射性廢液較傳統核電廠的產生量更大，但成熟、高效、可靠的脫氣、過濾、離子交換設備保證了放射性廢液處理的良好效果。從電廠長期運行的角度，這種全新的運行模式不僅能滿足國家法規對放射性釋放的要求，也凸顯出良好的經濟價值。

    (2)廢液處理工藝的改進。

      傳統核電廠對放射性廢液的處理通常采用蒸餾，蒸餾冷凝液直接排放，濃縮液灌漿固化處理。該方式凈化效率高，但系統設備復雜，投資、運行、維護成本高，設備利用率也較低。而APl000核電廠大部分放射性廢液均采用過濾、離子交換工藝處理，極大簡化了系統，減少了固體廢物的產生量，在降低成本的同時，也保證了較高的凈化效率。此外，對化學成分復雜、放射性水平高的極小部分廢液采用SRTF移動式處理設備的方式，增強了廢液處理的靈活性。SRTF移動式設備多臺機組共用的方式，不但節省了投資，也提高了資源利用率。

    (3)頂期液態流出物放射性釋放量小。

      AP1000單機組預期液態流出物放射性釋放總量在滿足國家法規要求的基礎卜仍具有一定裕量，如表2所示。由丁反應堆冷卻劑流出液不回收，預期氚釋放總量較傳統壓水堆核電廠偏高，但計算采用保守算法，實際的放射性釋放量將大大低于此值。

      綜合上述，AP1000放射性廢液處理基于先進的設計理念，兼顧了安全、經濟、高效和各方面町達到的優勢。

2 APl000放射廢氣處理

      APl000氣體廢物系統WGS只收集、處理和排放電廠運行、檢修期間產生的含氫放射性廢氣，以保證向廠外的放射性廢氣釋放量低于國家法規限值。其他非含氫放射性廢氣直接稀釋排放或通過排風過濾單元過濾后排放。

2．1含氫放射睦廢氣來源

      WGS處理的含氫放射性廢氣有2個來源：WlS真空脫氣單元和反應堆冷卻劑疏水箱。由于APl000化容系統取消了容積控制箱，真空脫氣單元不僅需要對反應堆冷卻劑流出液除氣，還需要在反應堆停堆換料前對RCS進行除氣操作。WLS真空脫氣單元釋放出的氙氣、氪氣、氫氣和氮氣等混合氣體，成為WGS的主要輸入氣源。此外，反應堆冷卻劑疏水箱因液位或溫度升高導致壓力上升、氫氣濃度過高或氮氣置換操作，將產生含氫放射性廢氣，也將輸往WGS進行處理。

2．2含氫放射性廢氣處理工藝

      APl000對含氫放射性廢氣的處理采用單流程、非能動、常溫活性炭延遲工藝，該工藝的應用在國內尚屬首次。活性炭延遲床使放射性核素吸附于活性炭表面，并保證滯留足夠時間充分衰變，從而降低廢氣的放射性活度。WGS不含能動設備，廢氣借助輸入源的壓力依次通過如下設備：

      (1)氣體冷卻器和氣水分離器：使用冷凍水降低廢氣溫度，將其中水汽凝結分離，防止延遲床中的活性炭受潮失效；

      (2)活性炭保護床：除去碘等放射性污染物及過剩水汽；

      (3)2臺串聯的活性炭延遲床：動態吸附氙和氪等放射性核素，并使之滯留足夠的時間衰變。

      經過充分滯留、衰變后的含氫放射性廢氣，放射性活度大大降低，由核島各通風系統的排風稀釋后最終通過電廠煙囪排向環境，APl000含氫放射性廢氣處理具體流程如圖2所示。

2. 3 非含氫放射性廢氣處理

      非含氫放射性廢氣主要源自于核島放射性區域的通風，包括安全殼、核島輔助和附屬廠房等。安全殼凈化掃氣由安全殼空氣過濾系統的排氣過濾單元處理，經過高效過濾器、活性炭過濾器等設備高效凈化，由電廠煙囪經其他通風系統的排風稀釋后排放。在正常運行期間，輔助和附屬廠房排風的放射性活度非常低，APl000簡化的系統、緊湊的核島布置及可靠的設備足以保證輔助和附屬廠房的排風。此類廢氣的產生量亦較常規核電廠大有減少，因此無需設置專門的系統收集、處理，一般無需處理即可直接稀釋排放。在某些異常事件下，APl000在保證通風區域隔離的同時，借助安全殼空氣過濾系統排風過濾單元對輔助和附屬廠房的排風進行高效過濾，并維持此區域微負壓，最終過濾后的排風亦通過電廠煙囪稀釋排放。

2．4 APl00放射性廢氣處理特點

      (1)WGS非能動運行。

      APl000放射性氣體廢物系統不含能動設備，廢氣借助輸入源壓力通過WGS，活性炭延遲床無需動力電源，實現了單流程、非能動的處理工藝。

      (2)廢氣處理工藝的改進。

      傳統核電廠對放射性廢氣的處理通常采用壓縮、儲存、衰變的方式，由空壓機將放射性廢氣輸送罕廢氣罐儲存衰變，再經高效過濾器過濾后排向環境大氣。對含氫放射性廢氣，APl000核電廠采用活性炭延遲處理工藝，使放射性核素充分滯留衰變后稀釋排放；對非含氫放射性廢氣，APl000核電廠利用直接排放或高效過濾后稀釋排放。APl000較傳統核電廠設計理念更先進，系統更加簡單，極大降低了投資、維護和運行成本。

      (3)多種防止氫燃、氫爆手段。

      APl000含氫放射性廢氣的處理工藝采用了連續的氧氣濃度監測、溫度監測、氮氣吹掃等手段，防止由于空氣漏入而導致的氫燃、氫爆危險。

      (4)預期氣態流出物放射性釋放量小。

      基于保守估算，APl000單機組預期氣態流出物放射性釋放量在滿足國家法規各項限值的基礎上仍具有較大裕量，如表3所示。由此可見，APl000放射性廢氣處理兼顧了安全、經濟、可靠、高效的各方面優勢。

3 APl000放射固體廢物處理

      放射性固體廢物主要包括廢樹脂、廢過濾器濾芯、干廢物和混合廢物，它們先由核島固體廢物系統收集、暫存，再分批運輸至廠址廢物處理設施進一步處理和中間貯存，放射性固體廢物處理流程見圖3。各類放射性固體廢物處理流程的關鍵點均設置有攝像頭，便于運行人員遠程操作，監控。各類放射性固體廢物處理后分區暫存于srtf存儲區，實現廠址中間存儲，使之充分衰變之后運往國家處置小心集中處置。

3．1  放射性廢樹脂的收集與處理

      核島各離子交換器的失效樹脂利用除鹽水沖排至廢樹脂箱暫存衰變，然后由樹脂輸送泵分批向廢物容器填裝并初步脫水，裝滿的廢物容器再由屏蔽轉運容器運送至SRTF，經過深度脫水干燥、裝桶封蓋、超級壓縮、壓餅裝桶、灌漿固化等工藝進一步處理。

3．2放射性廢過濾器濾芯收集與處理

      化容系統和乏燃料池冷卻系統等具有較高的放射性水平，其失效過濾器濾芯由過濾器運輸罐吊裝、更換和運輸，隨后在核輔助廠房直接裝入廢物容器或暫存于儲存管取樣分析后再裝入廢物容器，最后廢物容器由屏蔽轉運容器運送至SRTF灌漿固化處理。

      電廠的空調通風系統過濾器帶有潛在放射性，其失效濾芯由人工更換后裝袋，根據放射性水平分區暫存于核島廢物廠房內，利用屏蔽轉運容器或轉運箱分批將其運送至SRTF，通過四周壓縮、裝桶封蓋、預壓縮、超級壓縮、壓餅裝桶、灌漿固化等下藝處理。

3．3放射性干固體廢物的收集與處理

      放射性控制區內產牛的固體廢物在其產生地點標注相應信息，打包裝袋運輸至廢物廠房，并根據放射性水平分區暫存，再利用大型轉運箱分批運送車SRTF。SRTF分揀系統分揀出可復用、可就地處置的非放射性物項、有害廢物和大型不可壓縮的放射性廢物。對非放射性廢物可就地處置，對大件不可壓縮的放射性固體廢物采用切割、裝桶、灌漿固化等工藝處理；其余放射性廢物通過干燥、裝桶封蓋、預壓縮、超級壓縮、壓餅裝桶、灌漿固化等工藝處理。

3．4混合放射性廢物的收集與處理

      放射性控制區產生的固液混合廢物，采用獨立的廢物收集桶收集并暫存于廢物廠房，然后利用屏蔽轉運容器運送至SRTF。對于不可壓縮廢物，直接裝桶灌漿固化處理；對于可壓縮廢物，則通過裝桶、預壓縮、干燥、超級壓縮、壓餅裝桶、灌漿固化等工藝處理。

3．5 APl000放射性固體廢物處理特點

      (1)廠址廢物處理設施全廠公用。

      傳統核電廠放射性固體廢物處理系統存在重復投資大、運行維護成本高、資源浪費等缺點。APl000核電廠采用多臺機組公用SRTF，對放射性固體廢物在廠區進行預處理、中間儲存，既整合了資源，提高了利用率，也降低了廢物的處理成本。同時，APl000移動式處理設備也大大增強了廢液處理的靈活度，甚至具備設計基準事故下對放射性廢液的處理能力。

      (2)先進的處理工藝。

      APl000放射性固體廢物的處理工藝與傳統核電廠大致相同，但其處理流程的自動化程度更高，設備更先進，尤其是分揀、超級壓縮等先進工藝的運用，使處琿效率更高、效果更好。

      (3)降低工作人員的職業照射。

      遠程遙控操作、攝像頭監控、屏蔽轉運容器等措施貫穿于放射性固體廢物的收集、運輸、處理過程中，極大降低了工作人員的職業照射。

      (4)廢物儲存空間減少。

      APl000核電廠簡化的系統設計及高效可靠的設備使放射性固體廢物產生總量較傳統核電廠更低，單機組預期固體廢物產生量僅為136．5立方米／年，詳見表4。超級壓縮等先進工藝的運用進一步減少了廢物的體積，節省了儲存空間。

4 結論

      APl000核電廠基于先進獨特的設計理念不僅大幅度提高了電廠的安全性，其先進性也貫穿于整個放射性廢物處理工藝，在極大簡化系統、設備的同時，各方面也得到改進和提高：

      (1)采用單流程高效處理，放射性廢物處理系統設計簡單；

      (2)處理工藝成熟且先進，部分工藝在國內尚屬首次；

      (3)系統設計裕量大，能滿足電廠正常運行乃至設計基準事故下各類放射性廢物的處理；

      (4)采取各種措施極大地降低了工作人員的職業照射；

      (5)具有良好的處理效果，廠外放射性釋放量在滿足國家法規限值的基礎上具備較大裕量；

      (6)采用多機組公用的廠址廢物處理中心及移動式處理設備，使資源得到充分合理利用。

      放射性廢物處理作為核電廠運行的重要環節之一，對降低工作人員職業照射、減少廠外放射性釋放及保障環境、公眾安全具有重要意義。APl000放射性廢物處理工藝不僅可降低投資、運行、維護成本，實現廢物處理的低成本，也有助于保障電廠安全、經濟、可靠、高效地運行。在APl000核電廠投產運營后，其放射性廢物處理的各方面優勢將得到進一步檢驗和發揮。

    參考文獻

[1]林誠格．非能動安全先進核電廠APl000．第1版．北京：  原子能出版社，2008．