放射性废物处理中心超压工艺技术应用

赵志军，李 川，韩洪佳，马援东，宋立斌，吕旭斌

(1.江苏核电有限公司，江苏 连云港 222000；2.中核霞浦核电有限公司，福建 宁德 355100)

近年来，随着核电厂废物最小化愈发受到重视，放射性废物处理中心在国内新建核电厂得到了普及和推广。田湾核电站放射性废物处理中心已于2019年成功投用，处理全厂机组运行过程中产生的废树脂、蒸残液和干废物等中低放废物，无论废树脂还是可压缩干废物，在处理过程中都必须通过超压工艺进行减容。超压减容是基于提高废物密度，消除废物中的空隙而减小体积[1]，其中超压机是超压工艺的核心设备，在废物减容方面发挥了重要作用，是实现废物最小化的关键环节之一，减容后的废物包体积能够满足我国监管部门提出的滨海厂址百万千瓦机组每年放射性废物产生量不高于50 m3/机组的要求。

1 超压工艺介绍

1.1 超压工艺设备

放射性废物处理中心超级压实工艺主要由超压机系统、钢桶运输吊车、运输辊道、桶饼运输吊车、HEPA高效过滤器、桶饼优选台等组成。其中超压机是整个超压工艺的关键设备，用于压缩装载可压缩废物的165 L钢桶(如图1所示)并形成稳定的桶饼，压缩后的桶饼经优选后装入200 L钢桶[2]进行水泥固定，并在送往最终处置场前外加HIC容器进行整备[3]。

图1 165 L钢桶Fig.1 165 L steel drum

超压机由超压机本体、液压单元、钢桶接收平台、桶饼接收平台、钢桶打孔装置、桶饼高度测量装置等组成。液压单元为超压机提供液压动力，最大液压压强可达28 MPa，可给超压机提供最大20 000 kN的压力。根据实际工作需要，超压机运行模式有自动、半自动和手动三种模式。超压机设置了就地控制盘，当主控室控制线路出现故障时，可以实现就地手动控制。就地控制盘设在独立的房间内，避免超压机运行时对操作人员的辐照，以满足辐射防护要求。超压机结构简图如图2所示。

图2 超压机简图Fig.2 Sketch of super compactor

钢桶运输吊车结构形式为桥式吊车，吊车配有165 L钢桶专用抓具，能将钢桶从超压机前运输辊道上转运到超压机钢桶接收平台上。HEPA高效过滤器连接超压机内腔，可过滤超压过程中排出的放射性气体，高效过滤器可反向冲洗，能减少过滤器芯的使用。桶饼运输吊车为数控吊车，可实现精准定位，吊车上带有桶饼抓具和桶饼称重装置，能自动获取桶饼重量并传到主控室。桶饼优选台为桶饼暂存平台，平台上共有20个工位，能够同时摆放最多20个桶饼。主要设备性能如表1所示。

表1 主要设备一览表Table 1 Mainequipment

1.2 工艺流程

(1)超压前的准备

装载放射性废物的165 L钢桶(已封盖)通过运输辊道送到超压机房间，超压机前设有钢桶运输吊车，吊车上设有钢桶专用抓具，通过吊车及抓具将钢桶转运到超压机钢桶接收平台上，平台上设有钢桶定位对中装置，确保钢桶打孔以及后续运输过程的定位准确。打孔目的是为了在超压过程中尽快排出钢桶内的空气，避免钢桶内部因压力过大而破坏原有密封结构。打孔时，超压机钢桶接收平台两侧各有一个打孔针，可以在靠近钢桶底部水平方向上打孔，孔径约为3～6 mm，打孔大小可以通过调整打孔针的进给位置实现。

(2)超压机压缩

165 L钢桶打孔完成后将进入超压阶段，钢桶接收平台向超压机内部方向移动，到达预定位置后停止，此时钢桶恰好处于超压机内部套筒正下方，然后超压机内部套筒向下移动，包裹住钢桶上半部分，随后钢桶接收平台反向移动，钢桶因有套筒固定不能随平台反向移动，因而就留在了超压机内部。套筒内径为φ507 mm，刚好能将165 L桶包裹住，同时在超压过程中钢桶也不会因压力过大造成径向压缩变形。在废物接收平台完全撤出超压机内部后，套筒继续下落直至将钢桶完全包住，同时超压机出口和入口侧的门关闭，将超压机内部与外部完全隔离。

在液压单元液压推力作用下，套筒顶部活塞(压头)被推动向下运动，将钢桶压缩成桶饼，桶饼高度可以根据需要调节或在最大压力下压缩直至能达到的最小高度，压缩后桶饼如图3所示。为了克服桶饼反弹，压缩废树脂时保压20 min[4]。在整个压缩过程中，超压机套筒内始终保持负压，避免压缩钢桶时产生的放射性气体、气溶胶散到房间中，套筒内抽出的空气经HEPA高效过滤器过滤后排到厂房通风系统中。液压单元可在15 s内达到最大压力28 MPa，压头可产生最大2000 t的压力。超压机的压力是可调节的，可以根据实际需要或废物种类的不同进行调节。

图3 压缩后桶饼Fig.3 Drum pellet after super compaction

(3)桶饼送出

桶饼压缩完成后，超压机进、出口门同时打开，然后套筒和压头向上移动直至预定位置。超压机出口侧的桶饼接收平台向超压机内部方向移动，到达预定位置后停止，然后超压机进口侧钢桶接收平台再次向超压机内部方向移动，因两个平台之间存在高度差，所以在钢桶接收平台的推动下，

桶饼被推送到桶饼接收平台上，然后两个平台各自向远离超压机的方向移动，桶饼接收平台带着桶饼到达预定位置后，运输辊道启动，超压机出口侧液压机械推手将桶饼推送到运输辊道上，由运输辊道运输到指定位置。桶饼的高度会在超压机出口处被高度自动测量装置记录并送到主控室。

(4)桶饼暂存

桶饼被送到指定位置后，启动桶饼运输吊车，通过吊钩尾部抓具将桶饼抓起并升到极限位置，然后吊车水平运输到桶饼优先台上方的某一工位，并将桶饼送到优选台(如图4所示)上预定位置。桶饼抓具有机械自锁功能，能在突然失电情况下确保桶饼不掉落，抓具上还设有重量测量装置，可测量桶饼重量并送到主控室中。桶饼优选台每个工位上都有定位装置，确保桶饼的快速取放，桶饼的位置信息同样会被收集到主控室中。处理时，优选的桶饼会装入200 L桶中送入其他房间进行水泥固定。

图4 桶饼优选台Fig.4 Drum pellet optimization selection table

整个超压工艺流程简图如图5所示。

图5 超压工艺流程Fig.5 Process flow of super compaction

2 模拟试验

核电厂运行维修过程中产生的中、低放废物主要为废树脂、蒸残液和干废物。干废物主要包括塑料、去污擦拭物、个人防护用品、鞋套以及检修时更换下来的废弃设备部件、管道等。超压工艺可以对废树脂和干废物进行有效减容，特别是超压机作为超压工艺的核心设备，能够将有效减小废物包体积，获得较大的减容比。为了验证超压机功能能否满足技术要求，以及超压工艺对不同废物种类的减容效果，在设备出厂及调试阶段进行了大量的模拟试验。为了最大程度还原真实超压情况，填充物选取非放离子交换树脂和杂项干废物作为模拟废物。

2.1 干废物超压试验

在模拟压缩干废物前，超压机进行了液位单元压力、超压机空载、钢桶最大载重量、失电保护、紧急停止等多项功能性试验，并在不同运行模式下，验证超压机的功能性、可用性。试验结果表明超压机能够完成规定性动作，超压机和液压单元能够达到额定最大压力，液压单元液压油无泄漏，在钢桶最大载重量下，钢桶接收平台和桶饼接收平台、桶饼液压机械推手均能正常运转。超压机突然断电后启动仍能继续正常工作，并在不同运行模式下自由切换、平稳工作。

在充分验证超压机的功能性后，开展了干废物超压试验。填充物选用钢碎片、塑料、抹布、钢屑、木板、土块等杂项干废物，这些杂项干废物能在一定程度上真实反映了干废物的超压效果。干废物超压后的数据如表2所示。

表2 干废物超压后的数据表Table 2 Datasheet of dry wastes after super-compaction test

2.2 树脂超压试验

模拟试验所选用的树脂与核岛厂房实际使用树脂规格型号完全相同。树脂首先经过研磨机研磨形成树脂泥浆，然后通过锥形干燥器对树脂泥浆进行烘干，制备出符合超压条件的热态树脂颗粒。因废树脂需要在处于热态时(温度约120～140 ℃)进行压缩，受试验环境条件所限，试验中树脂的填充率较低。树脂超压后的数据如表3所示。

表3 树脂超压试验后的数据表Table3 Datasheet of resin after super-compaction test

从上述两项超压数据结果可以看出，超压工艺可以有效减少废物体积，废物减容效果明显。在超压阶段干废物的减容比约为4，树脂的减容比约1.42(上述减容比仅为超压阶段的减容比)。

2.3 超压机效率

干废物的试验过程为连续试验过程，中间无停顿，从钢桶在接收平台就位后开始计算，压缩15个钢桶所用时间约为82 min，每个桶需要大约5.5 min，加上钢桶及桶饼运输、高度测量等时间，压缩一个钢桶全程大约需要10 min，即超压机压缩干废物的工作效率约为6桶/h。废树脂的压缩过程约为10 min/桶，加上每个桶需要保压20 min，超压机压缩废树脂的工作效率约为2桶/h。

3 需关注的问题

3.1 干废物桶饼回弹

由于塑料制品的弹性较大，在压缩时容易产生弹性形变，卸去外力或者放置一段时间后容易造成压缩回弹，使得原来桶饼高度测量存在偏差，严重情况下将直接破坏压缩桶饼的密封结构，给桶饼后续处理带来困难，桶饼回弹如图6所示。另外，由于超压压力较大，在没有足够保压时间的情况下会造成塑料桶饼内部受压不均，桶饼底部易产生形变——即“锥底”现象。锥底桶饼因与运输辊道接触面积小，摩擦力也较小，导致辊道不能运输桶饼，因此必须重视塑料压缩回弹及桶饼锥底问题。

图6 桶饼回弹Fig.6 Drum pellet spring back

经过试验验证，可以通过设定桶饼压缩高度、增加保压时间和与其他非弹性可压缩废物混放压缩来有效解决上述问题。可压缩干废物混放可以避免桶饼内部弹力过大；增加保压时间可以使得桶饼被充分压缩，桶饼受力更均匀，避免锥底现象；设定桶饼压缩高度则不会将桶饼压缩到极限位置，压缩到某一高度即停止压缩，避免桶饼内部产生过大弹力。因此可以结合实际情况灵活采用一种或几种方法控制塑料废物压缩桶饼锥底及回弹，也可以探索在塑料制品压缩前采用加热软化的方式(非焚烧)来降低塑料弹性，或者增加一次性桶饼固定装置等新方法。

3.2 超压打孔问题

在超压前需要在钢桶下方对称位置打两个孔，防止超过时钢桶内部压力过大破坏桶的完整性。但在废树脂模拟超压的过程中，会有少量树脂颗粒通过打孔位置漏出桶外，造成超压机压缩区域的二次污染，在实际运行过程中，会带来废树脂颗粒收集、处理问题，并增加人员辐射防护的风险。试验证明，减小打孔尺寸可以有效防止树脂颗粒外泄。超压机前调节打孔针的位置，并通过试验确保两个孔径大小一致，建议设置孔径尺寸为3 mm，同时调节压头的压速，减少因压头速度过大而对钢桶内废树脂的冲击。

3.3 桶饼卡塞

在模拟干废物时，发生过桶饼卡在了套筒内问题，桶饼随套筒同步上升、下降，且压缩区域是平台，在套筒悬空、底部无支撑的情况下，无法通过压头压力将桶饼卸载下来。桶饼卡塞的主要原因是套筒内壁润滑油脂不足，造成桶饼与套筒内壁摩擦力大，而且在压缩阶段同时进行了超压机应急断电与启动试验，整个过程时间耗时较长，造成桶饼局部变形大。因此，在超压机运维保养时要关注润滑油脂量，避免发生桶饼卡塞情况。在特殊情况下一旦发生桶饼卡塞情况，可以采用专用工具来卸载桶饼，超压机设有4个独立的圆形钢棒作为专用工具(如图7所示)，钢棒主要起到支撑套筒底部作用，使桶饼底部有足够下落空间。使用时将钢棒放到超压区域套筒下方，设置超压机为手动模式，并根据套筒位置调整相应钢棒位置，然后通过压头施加向下压力将卡塞的桶饼压下来。

图7 桶饼卡塞卸载工具Fig.7 Unloading tool of drum pellet stuck

4 结束语

超压工艺是一种非常成熟的工艺，有大量的工程应用实例，但在国内核电厂废物处理上应用是从近几年才开始的，应用时间较短，缺少一定的实际运行经验。超压机设备制造、供货被国外公司垄断，尚无国内公司开展科研工作。随着放射性废物处理中心的应用及推广，超压工艺具有广阔的应用前景，正逐步成为国内新建核电厂的“标配”，因此应尽快开展相关设备国产化研究工作，进一步提高超压工艺的经济性和适用性。