阳江核电厂放射性固体废物最小化实践和探索

姚志猛，朱剑锐，冯金才，邹晓炜，刘资平，李新贤

(阳江核电有限公司，广东 阳江 529941)

核电厂放射性废物管理遵从废物最小化原则，即使放射性废物的体积和活度减少到可合理达到的尽可能少的原则。废物最小化的目标是限制废物的产生和放射性污染的扩散以及贮存和处置废物的体积，保护环境和公众健康。国际原子能机构(IAEA)规定，就核电厂放射性废物的活度和体积而言，应通过适当的设计措施、运行和退役经验，使放射性废物的产生量尽可能小，即最小化，包括减少废物产生量和对已产生的废物进行减容。目前阳江核电厂1、2、5、6号机组采用普通水泥固化设计，3、4号机组为HIC桶装设计。两种不同设计为后续的废物最小化实践打下基础。

实现废物最小化的环境效益是不言而喻的, 已成为目前放射性废物管理的重要目标。废物最小化的实现依赖于运行单位管理水平和安全文化素养的提高。它始于核设施的设计, 终于核设施的退役和废物最终处置, 贯穿于设计、采购、建造、调试、试运行、运行、关闭和退役的寿命周期全过程。近年来, 阳江核电厂在废物最小化方面做了大量的工作，尤其是采用焚烧工艺处理放射性可燃废物之后，取得了显著的环境效益。

1 放射性固体废物的来源

放射性固体废物主要有工艺废物和技术废物两大类。工艺废物主要是系统在运行过程中产生的废物，与核电站的运行状况有关，主要包括废树脂、蒸发浓缩液、废过滤器芯子。技术废物是指核电厂检修、维护过程中产生的废物，如塑料布、手套、胶带、纸、木块等。

阳江核电厂共有6台机组，每2台机组共用一套放射性废物处理系统和放射性固体废物处理系统，核电厂采用了两种处理工艺。其中1、2号机组和5、6号机组采用的是蒸发浓缩废液处理工艺和水泥固化放射性固体废物处理工艺；而3、4号机组采用的是除盐床+RO膜废液处理工艺和高整体容器(HIC)放射性固体废物处理工艺；由于处理工艺不同，不同机组放射性固体废物的来源也不一样，其不同点为1、2、5、6号机组的工艺废物为浓缩液，废树脂和废过滤器芯；而3、4号机组的工艺废物中不产生浓缩液，而产生放射性活性炭和失效的RO废膜，其余的工艺废物如废树脂和废过滤器芯以及技术废物成分，两种机组基本相同。3、4号机组固体废物的主要来源示于图1。

图1 3、4号机组放射性固体废物的主要来源Fig.1 Main sources of radioactive solidwastes of Units 3 and 4

2 当前放射性固体废物处理工艺

2.1 工艺废物

该核电厂1、2号机组和5、6号机组的废树脂、蒸发浓缩液、废过滤器芯子等工艺废物主要是采取传统的水泥固化工艺，在固废处理系统(TES)进行处理，工艺废物和一定量的水泥加入400 L金属桶中搅拌固化。水泥固化后的400 L金属桶废物货包在废物暂存库(QT)暂存，最后送至处置场近地表处置。

3、4号机组的废树脂、活性炭、废过滤器芯子等工艺废物主要装填至HIC容器内，装满后用脱水泵进行脱水，确认游离水量不超过废物体积的1%后，利用HIC封盖装置进行封盖，封盖完成后通过HIC厂内屏蔽转运容器和车辆将HIC货包运往QT库进行暂存处理。需要说明的是国家核安全局最新发布的 GB 36900.3—2018 《低、中水平放射性废物高完整性容器标准》中规定了HIC桶装废物处置的要求及细则。但是根据现行 GB 16933—1997 《放射性废物近地表处置的废物接收准则》等相关准则，并未涉及HIC桶装废物准许接收规定，HIC最终送往近地表处置相关准许标准还处于专家论证阶段。

2.2 技术废物

阳江核电厂技术废物统一在废物辅助厂房(QS)进行处理。

首先对输送来的放射性技术废物进行分拣，将可燃废物预压装入200 L金属桶后，预压缩废物，并对预压缩后的废物桶进行超级压缩，经超级压缩后的桶饼装在400 L金属桶内进行固定及封盖处理，形成废物货包。每3个200 L金属桶压缩饼，装入1个400 L废物桶内进行水泥固定处理，减容因子仅为1.5。不可燃技术废物装入400 L金属桶废物货包，经水泥固定后在QT厂房暂存，最后送至处置场近地表处置。

核电站可燃技术废物处理方法改为焚烧后，减容因子可达40～60，减容效果明显，符合废物最小化原则。

3 废物最小化的良好实践

3.1 高性能容器应用

核电厂3、4号机组放射性固体废物处理系统进行了设计改进，不再采用传统的水泥固化工艺，而是引进了美国某公司的HIC工艺。该公司采用HIC容器装填废树脂、活性碳、废过滤器芯子、反渗透膜，并进行脱水处理后送处置场。HIC的技术发展可以追溯到20世纪80年代，至今已有30多年的发展经历，技术上较为成熟，广泛运用于美国各大核电厂项目中。

HIC是一种特殊设计制造的强度高、密封性好、化学稳定性和热稳定性强的容器，可用于装载未经固化或固定处理的放射性废物[1]，其包容放射性的预期寿命不低于300 a。有树脂(活性炭)HIC容器和过滤器HIC容器两种型号，外观相同，过滤器HIC容器内的底部配有金属板，用以保护脱水管路不被跌落的废过滤器芯子破坏；树脂HIC容器底部配置有过滤器，用于HIC脱水操作，并截留树脂或者活性炭。

废物装填至HIC容器中后，在设定的脱水时间内，气动隔膜泵将HIC容器内的游离水进行脱水，直至HIC容器中游离水含量不超过废物体积的1%。HIC容器脱水结束之后，用气动封盖装置对HIC容器进行封盖，然后转运至QT厂房暂存。

与传统水泥固化工艺相比，HIC处理工艺设备配置简单、操作方便、废物量少、运行费用低等优势，其中废物产生量低于传统水泥固化工艺的1/2[2-4]。

3.2 焚烧工艺处理放射性可燃固体废物

焚烧是一种高温热处理技术，利用有机物的可燃性在高温下和氧气发生反应，完全破坏有机物，将其变成氧化物。废物的主要成分是有机物，焚烧破坏了废物的可燃成分，生成焚烧产物CO2、水和其他成分组成的氧化物，如磷、硫和金属氧化物。CO2和水最终排放到环境大气中，而少数的无机物和金属氧化物构成了固体产物焚烧灰，因此焚烧可以实现大幅减容，减容比主要与废物的组成有关。一般情况下，在焚烧过程不添加任何添加剂的情况下，焚烧灰相对于原始废物的减容比可达30以上，对于某些有机物含量很高的废物，减容比可达100以上。

焚烧技术是被世界各国公认的能有效减少放射性废物体积的措施之一[5-7]。我国热解焚烧技术处于国际先进水平，已投运的焚烧设施各项指标达到国家标准要求，完全满足核电厂机组废物的焚烧处理要求。

阳江核电厂每年产生大量的放射性固体废物(以下简称固废)，其中85%的技术废物为低放可燃废物。本文主要以占比很大的可燃技术废物常规处理工艺与焚烧工艺比较。由于工艺废物采用水泥固化工艺，增容达到3倍以上，焚烧减容优势也非常明显，但在国内还未有此类废物的工程焚烧验证试验，因此不做具体比较。

可燃技术废物一般采用压缩水泥固定处理，减容因子仅为1.5，而焚烧的减容因子一般可达到40～60，减容效果明显，符合废物最小化原则，也可改善了周边环境。每100 m3可燃固体废物采用超压后水泥固定工艺将产生66.67 m3的废物货包，而采用焚烧工艺只产生1.67～2.5 m3焚烧灰，是超压后水泥固定废物体积的2.5%～3.7%，每年可减少废物体积64.17～65 m3。

由于焚烧技术在废物减容处理方面的巨大优势，我国很多核电厂在十几年前就开始寻求用焚烧技术处理核电废物，但是困难重重，长期未有实际性进展。阳江核电厂于2013年成立焚烧项目组，并于2016年12月圆满完成了首次国内民用核设施放射性可燃废物外运焚烧处理处置项目。此项目的顺利实施，减少了核电厂的大部分技术废物；缓解了放射性废物暂存和处置压力，对核电厂实现放射性废物最小化和安全稳定运行做出了重要贡献。

3.3 多芯支架设计

该核电厂对表面剂量率大于2 mSv/h的水过滤器装入滤芯支架后，再一起放入400 L金属桶进行水泥固定。设计上每个400 L金属桶内仅能放一个滤芯支架，每个滤芯支架仅能装一个过滤器。实践发现除直径尺寸为16″的过滤器外，其他4″、6″、8″、12″直径尺寸的过滤器均不能装满整个金属桶。基于现场反馈，我们通过合理的设计多芯的滤芯支架，用各种尺寸的滤芯进行搭配，使得一个滤芯支架可以装载更多的过滤器，同时保证了过滤器装入滤芯支架后的强度，使其放入桶中后不至于倾斜、移动。这样以前1个400 L桶只能装一个滤芯，改进后一个桶可以装2～3个滤芯，滤芯的废物货包产量降低了1/3～2/3，极大的减少了放射性固体废物产生量，降低了放射性固体废物处理成本。

3.4 关键区域防异物塑料布替换

现场反应堆厂房(RX)20 m蒸发器护栏、燃料厂房和换料水池(KX)20 m防异物使用了大量的白色塑料布。塑料布为一次性用品，存在易破损、沾污后去污难度大的缺点，不能重复使用，每次使用完后，均作为放射性固体废物进行处理。虽然该核电厂采取了先进处理工艺——焚烧技术，减容效果较传统的水泥固化工艺有非常大的优势，但是处理成本非常昂贵，所以减少废物产生量仍是急需解决的主要问题。

为了减少固废产生量，选择一种不易破损、易去污的可复用材料来替代塑料布是非常重要的。通过调研，发现双面涂覆硅胶玻纤布具有阻燃、耐磨、防水、易去污等特性，另外其可以在200 ℃高温下防渗漏，正常使用寿命超过40 a，抗拉强度≥6 500 N/25 mm。此材料已成功应用在该核电厂的重点防异物区域，防止异物掉入堆芯水池、构件池、传输池或乏燃料水池，如燃料厂房周边护栏、蒸汽发生器护栏等，替代了传统的用塑料布防异物方法，减少了废物产生量，应用效果良好。

3.5 管理措施改进

3.5.1日常管理

加强培训和宣传，定期组织员工和承包商人员培训和考试,并在辐射防护授权课上作为重要的内容进行讲解,提高员工和承包商人员放射性废物控制的自觉性及废物最小化的意识；充分利用公司媒体宣传废物管理知识，制作宣传手册,让全体员工了解废物管理及处理手段,养成良好工作习惯；落实责任制，明确废物控制职责,实施对固体废物的源项监控与管理, 减少跑、冒、滴、漏现象发生；严格控制进入控制区的包装材料；编写废物最小化程序并实施最小化管理；规定控制巡检细则, 明确巡检员职责,规范现场布置；制定吸水纸、抹布等一次性用品的使用管理规定,降低消耗品对废物产生量的贡献；制定控制区废混凝土、白色塑料袋(布)、控制区油漆等特殊物料的管理制度，确保未沾污的特殊物料能按照非放射性废物处理。

3.5.2大修管理

优化现场消耗品领用流程，在领用的消耗品上标记部门、姓名等信息，可以追踪消耗品的去向，快速找到违规行为的责任人，使领用人在领取数量上更加谨慎，使用完后的投放也更加规范，从而减少固废产量；优化地面去污标准，该核电厂高剂量且高污染风险区域和通过多次去污仍难以降低到标准以下的区域，通过利益代价分析及辐射防护评价，可适当放宽去污标准，缩小去污范围，减少了去污人员的受照剂量和去污产生的放射性废物；成立固废巡检专项组，专人在控制区入口按照要求控制包装材料进控制区，并跟踪进入的包装材料直至包装材料出控制区；专人在控制区内进行废物收集、防护用品、消耗品使用、现场违规造成地面污染等情况的巡检，通过长时间的纠正违规行为，追究违规人员责任，明显减少了现场废物乱投乱放等违规行为，从而减少了放射性废物产生量；优化大修固废管理制度，每天向全公司和大修合作伙伴发送固废日报，宣传固废管理制度，曝光固废违规现象，对违规现象派发事件通知单；大修指挥部对违规现象进行批评并约谈违规部门领导和个人；加强监控力度，在每个废物收集点增加监控系统，可以增加员工在投放废物时的压力，减少误投率。发现不规范行为，可以通过监控系统找到责任人，对其进行批评教育，提高废物最小化意识。

4 放射性废物最小化效果

该核电厂通过以上设计、技术、管理方面的改进，减少了放射性废物总体积，尤其是大修期间的放射性废物总体积较早期大修产生的放射性废物减少了约1/2，日常和大修产生的可燃技术废物基本全部外运焚烧。如该核电厂Y501大修控制区总共产生放射性废物2 663袋，比Y101大修(4 298袋)，体积减少了近40%，有效降低了放射性废物产生量，节约了放射性废物处理成本。该核电厂单台机组每年产生放射性废物总体积远低于国内其他核电厂，仅为全国核电厂平均放射性废物产生量的20%。

5 废物最小化进一步的可行性方案

(1)采用可降解产品

核电厂产生的废物大部分来自现场塑料布和防护用品，放射性废物总量大、处理成本高。采用聚乙烯醇(PVA)可降解材料来替代传统的塑料布和防护用品，使用后采用湿式氧化方法将其溶解，最终产物为放射性水平很低的废液，这些放射性废液经相关处理监测达标后可向环境排放，这将有效降低放射性废物产生量和处理成本。美国已有90%核电厂采用该技术，国内目前也在开展相关试验研究。

(2)采用先进的去污技术

核电厂水池去污期间会产生大量的高放射性废物(剂量率≥2 mSv/h)，目前常用的水池去污方法是用含去污剂的高压水进行冲洗，冲洗完后须用抹布进行擦拭。在擦拭过程中产生大量的技术废物。大亚湾核电站、宁德核电厂引进了法国的泡沫去污方法，在水池底部和池壁喷涂泡沫去污液，待反应完后冲洗，无需用抹布擦拭，减少了放射性废物产生量。

其它沾污的设备、工具，选择先进的去污方法如激光去污、干冰去污等，可以使其达到解控水平或重新利用，可减少放射性废物产生量。

(3)推广焚烧减容技术

核电厂产生的大部分技术废物为低放可燃废物，焚烧减容技术相对于传统水泥固化工艺，在减容方面有绝对的优势。国内核电机组的相继投运，将产生大量的可燃技术废物，如果核电厂机组将放射性废物外运至焚烧设施处理，则每年可减少大量的放射性固体废物，其环境效益和经济效益均非常明显。

目前国内多家核电厂正在推动废物外运焚烧项目，同时建议废物焚烧接收单位扩大处理能力，以满足国内核电技术废物外运焚烧需求。

(4)胶带颜色区分管理

现场领用白胶带数量大，浪费严重；常有非放的白胶带内圈投入红色废物袋中，造成废物产量增加。建议将白色胶带改为多种彩色胶带，各部门使用不同颜色的胶带，现场如有异常，可快速找到责任部门，减少浪费和固体废物产生量。

(5)低放射性金属物品熔炼处理

核电厂产生的金属物品，大部分去污后无法当做非放射性废物处理，处理难度大，增加放射性废物产量。金属熔炼是通过将放射性污染的金属(如:碳钢、不锈钢、铜、铝、镍等)经过简单的去污预处理，再将其放入电弧炉或感应炉中进行熔炼，通过加入造渣剂和氧化剂使其与金属材料发生化学反应，把存在于金属中的放射性核素络合到渣中，达到降低金属材料中放射性核素残留量的方法。该方法适用于大宗废旧金属的去污处理。金属熔炼已在世界上得到广泛应用。

金属熔炼后，可按照产品的材质要求浇注加工成产品，将金属回收利用。如:整体型放射性废物桶、200 L水泥固化桶的桶盖，屏蔽容器等。国内已有核电厂将放射性金属外运熔炼，并加工成产品回收利用。

(6)采用反渗透废液处理技术

核电厂含硼放射性废水处理工艺主要是蒸发工艺，存在能耗高、投资、运行、维护成本高以及浓缩液处理困难等缺点[8]，尤其是浓缩液处理后产生大量的放射性固体废物。反渗透是一种新型的膜分离技术，具有设备紧凑简单、性能稳定、运行方便等优点，尤其是不产生浓缩液，树脂和活性炭更换频率低，减少了放射性废物产量。反渗透设备简单，占用空间少，将传统的蒸发工艺改造成反渗透工艺可行性高，可减少放射性废物产生量。

目前核电厂废物管理方面面临的技术难题有放射性废油处理技术、APG系统树脂解控后回收利用技术、湿废物处理技术等，希望业内同行共同努力，不断攻关克难，找到解决办法。这样有助于核电厂进一步提高放射性废物管理水平，更好地实现废物最小化。