放射性湿废物固定化处理技术发展现状与展望

放射性湿废物固定化处理技术发展现状与展望

彭美增

台山核电合营有限公司 广东省台山市 529200

摘要：近年来，我国对能源的需求不断增加，核能的开发也有了很大进展。放射性湿废物固定化处理是世界各涉核国家放射性废物处理的重要手段之一，其关键技术的现状和发展方向也是我国核工业发展关注的焦点。本文首先分析放射性核废水类型，其次探讨放射性湿废物主要来源，最后就放射性湿废物固定化处理技术展望进行研究，为核能安全领域与其他领域的交叉发展提供参考，打造能源与环境绿水青山的和谐发展。

关键词：放射性废物;固化处理;研究进展

引言

核能开发及核技术应用过程中，会产生大量的低中放射性废物，依据“三同时”制度，装置或设施在建造时应设置废物处理系统。对于其中呈液态的浓缩废液、废树脂、过滤游渔等放射性“湿”废物，为了减少这些放射性废物在贮存、运输和处理期间由于自然过程可能造成的放射性核素迁移或弥散，以及确保运输的方便和最终处置的安全，在废物处理系统的固化工段，将“湿”废物转化成稳定状态的固化体，将放射性核素固结，最大限度地阻挡其进入生物圈。现以一新设计的固化工段为例，就低中放湿废物固化工艺设计进行分析及优化。

1放射性核废水类型

放射性废水是核反应堆运行和核电站应用放射性同位素过程中产生的，产生的废物的化学成分和放射性水平取决于所进行的操作。核废水按照放射性浓度的高低主要分为两类：一类是具有中低放射性的核废水；另一类是具有高放射性的核废水，两者所含核素及来源均有所区别。核废水类型是核电站针对性设计废水处理系统的主要依据。

2放射性湿废物主要来源

放射性湿废物产生于含放射性物质矿冶开采、燃料元件生产、反应堆运行及乏燃料后处理等核燃料循环阶段，以及核设施退役、放射性同位素生产及应用等多个场所。高放废液主要产生于乏燃料后处理过程，蒸发浓缩液和沉淀泥浆主要来源于低放射性废液处理过程，含硼废液产生于部分堆型的运行和检修过程。放射性废树脂主要来自核反应堆一回路净化系统、蒸汽发生器排污系统、硼回收系统、乏燃料水池冷却系统以及放射性废液离子交换处理系统等。

3放射性湿废物固定化处理技术展望

3.1高含盐放射性废水处理工艺可行性

通过上述讨论比较可知，常规高盐废液和放射性高盐废液的处理工艺有相通之处，皆是先预处理（吸附、絮凝沉淀、超滤／蒸发、冷冻）满足反渗透进水要求，然后采用反渗透装置。其中，分离出的淡水排放。而浓水采用结晶或沉淀工艺固化。针对常规高盐废水的浓缩水固化工艺略显复杂，主要是因为由于盐分复杂需要多加一步分盐工艺然后分别结晶出不同高纯度产品级盐分。而对于放射性废液，浓缩水个人理解即使盐分复杂也可以不用分盐，符合条件的浓缩水可直接接入到桶内干燥，成盐便可以完成固化目标。或者浓缩水采用水泥固化的方法进行固化处理。然后对固化的含放射性元素的固体进行隔离处理，就能完成高含盐放射性废水的处理过程。综上，采用以膜处理高含盐放射性的技术是可行的。

3.2中低放射性废水处理技术评价

对于中低放射性的核废水处理技术，目前发展的瓶颈主要是新材料的开发，传统材料的优势主要在于生产使用方面较为成熟，价格较为低廉。近年来，生物及化工技术的发展为新材料的开发提供了更多的可能性，将来可针对综合性能及经济价值，选取合适的新材料进行大规模生产，在提高效率的同时降低成本。

3.3干燥成盐技术

放射性浓缩液常规水泥固化法处理，增容比大，不符合废物最小化发展要求，针对此，国际上开发了干燥成盐技术，典型的如桶内干燥工艺。桶内干燥工艺采用蒸汽、热风、电加热、微波、热油等作为外热源，通过桶壁传热或直接作用于桶内湿废物，对其进行蒸发干燥。法国、德国、美国等进行了比较成功的技术开发，并实现了工程应用，我国自主研发干燥成盐技术目前尚处于实验室开发和工程试验阶段，从国外引进技术已在浙江三门核电AP1000项目中得到成功应用。干燥成盐技术处理放射性湿废物具有减容比大、工艺系统构成简单、占用空间小等优点。干燥成盐技术的缺点是干燥过程中热场变化复杂，易形成过热或干燥不完全现象，导致产品内部膨胀或含水率过高，因而外热源结构设计复杂，同时产品内部结构不紧密，多需配套进行超压和灌浆固定处理等。

3.4复合微珠性能对比

对于微珠的固定床应用，除常规水处理要求的饱和吸附量大、机械强度高及耐酸碱等特性外，在核工业LILW固定床处理应用中还有一些特殊要求。LILW中核素质量浓度极低，吸附剂会暴露在放射性环境中热态运行较长时间才会达到吸附饱和，对吸附剂耐热、耐辐射稳定性要求高。为响应放射性固废最小化的行业要求，对携带大量核素的失效吸附剂的减容潜力要求高。对不同载体复合微珠对比分析可见，无机骨架复合微珠具有成本低廉、机械强度高、比表面积大、吸附速度快等优点，对核心吸附剂固定能力弱及担载量低等问题需进一步研究。其中，活性炭基复合吸附材料因融合自身和所担载芯材的吸附性能，具有去除多种核素的能力，饱和后可通过焚烧或熔融等方式实现有效减容，二次废物产生量极低，在LILW处理中应用具有明显优势。硅钛酸盐微珠对核素具有永久固定能力且饱和吸附量高，应用性能突出，但应用成本过高。聚合物载体微珠中，有机载体对活性成分固定能力强，应用形式多样，但吸附速率相对较慢。生物质载体对活性成分包容量大、微珠尺寸大、饱和吸附量高，但机械强度及耐热、耐酸碱等稳定性相对较弱。磁性微珠可依靠磁性快速分离，在静态吸附及固定床吸附方面均有较好的应用前景。制备方式方面，静电喷射等新兴技术因形成的聚合微珠稳定性和均一性好，易于工业生产，成为更受欢迎的聚合微珠的制备方式。从吸附机理角度分析，芯材主要通过离子交换去除放射性核素，活性炭及矿物等载体可为复合材料增加表面吸附作用，新型生物炭含有芳香环和生物质，也可增加化学吸附能力。有机聚合物载体可以依靠官能团提供范德华力作用、多层吸附及化学吸附等作用增加核素去除能力。

3.5高放射性废水处理技术评价

与中低放射性废水的处理方式不同的是，在对高放射性废水进行预处理时，对吸附剂、沉淀剂等材料的选择性、抗辐照性能以及使用效率等方面具有更加严格的要求。对于该技术中较为核心的固化工艺，所使用的材料成本普遍较低，其主要步骤在于配方的研发，原材料的选择与配比将对固化工艺的效果产生较大的影响。高放射性核废水处理技术有着更为广阔的发展空间。

结语

目前，我国放射性湿废物固定化处理技术主要采用水泥固化等粗犷模式，人造岩石固化技术尚处于机理研究阶段，玻璃固化技术刚投入工程应用，干燥成盐技术、含硼废液超浓缩技术、蒸汽重整技术开展了工程样机研制，但均暂未投入工程应用，不符合核能行业环保、可持续发展的长远要求。国际上现有工程应用的新处理技术，国内虽多有研发，但多为实验室探究，工程转化较少。针对放射性湿废物固定化处理技术，国内可多开展工程应用开发及工程设备研发等，主要研发方向可着眼于复杂源项处理工艺研究、高减容及产品高稳定性处理工艺研究、特种反应设备开发、高可靠性智能控制系统和测控设备研发等。

参考文献

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