余迎++陳海橋

摘 要：核電站的運行與維護產(chǎn)生的放射性廢物采用水泥固化線進行處理，由于放射性廢物處理的特殊性和水泥固化工藝的復雜性，水泥固化線必須具有高度的可靠性和安全性。通過對核電站桶內混合式和桶外混合式水泥固化線的安全性和可靠性進行分析，提出了相應的改進措施。

關鍵詞：核電站 放射性廢物 水泥固化 分析 改進

中圖分類號：TL941 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0063-02

核電廠的運行與維護會產(chǎn)生相應的放射性廢物，包括蒸殘液、廢樹脂及廢過濾器芯等，這些放射性廢物經(jīng)過處理，在核電廠儲存一段時間后送至放射性處置場處置。核電廠通常采用的處理方法是水泥固化法。目前，國內已運行的及在建的所有壓水堆核電站都采用了水泥固化技術處理放射性廢物。

1 水泥固化原理

水泥固化法是以硅酸鹽水泥基材作為放射性廢料的固化材料，通過機械固化、吸附固化和化學固化對廢料中核素離子起到固化作用。固化放射性廢物的水泥固化體是一個不均勻的多相體系，由固相、少量液體和空氣組成。其中，固相主要由各種水化產(chǎn)物、殘余熟料和廢物等構成，而少量液體則存在于體系的孔隙中。整個體系對于核素的滯留作用主要有三種：固溶作用、吸附作用和包容作用。水泥固化法具有處理過程簡單，加工技術良好，固化產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和生物化學穩(wěn)定性良好等優(yōu)點。

2 水泥固化處理工藝

國內已運行及在建的核電廠均采用水泥固化線進行放射性廢物的固化處理，實現(xiàn)了放射性廢物固化處理的自動化，按照水泥固化處理工藝的不同，可以分為桶內攪拌水泥固化線和桶外攪拌水泥固化線。桶內攪拌水泥固化線和桶外攪拌水泥固化線的原理示意圖見圖1。

2.1 桶內攪拌固化線

桶內攪拌是將廢物、水泥和添加劑分別加入到廢物桶內，放入攪拌槳進行攪拌。充分攪拌均勻后提出攪拌槳，然后蓋上桶蓋。整條固化線由7段不同的輥道組成，裝有水泥的鋼桶從起始工位經(jīng)過渡工位被輸送到取封蓋工位，揭去桶蓋后，送到攪拌工位，加入放射性廢液[1]。放射性廢液經(jīng)計量罐逐罐計量，借助重力作用進入桶中，與添加劑混合均勻。由螺旋輸送器將干料，逐漸加入桶中，與廢液在桶內混合均勻。為避免廢液因來不及被水泥吸收而溢出，廢液的添加分3～4次進行。每次加完廢液后，插入攪拌槳進行攪拌。隨著廢液的增加，逐漸增加攪拌槳的插入深度。最后一次加廢液后，攪拌槳浸沒在液面之下并高速旋轉，將廢液與水泥充分混合均勻?；旌蠌U樹脂時，還要加入除鹽水。攪拌完畢，將攪拌槳置入廢物桶中一起固化[2]。

2.2 桶外攪拌固化線

桶外攪拌是將廢物、水泥和添加劑在專門的混合容器中以一定的比例混合均勻后注入廢物桶中。水泥固化線采用桶外混合方式處理廢液，待固化的濃縮液貯存在濃縮液貯槽內，廢樹脂貯存在廢樹脂貯槽內，固化濃縮液和廢樹脂及固定廢過濾器芯用的濕混合料配制在水泥固化線的混合容器中進行。固化濃縮液或廢樹脂時，先將經(jīng)過計量的濃縮液或廢樹脂送入混合器，加入干的混合料混合均勻，然后裝入包裝容器[3]。

2.3 桶外攪拌技術與桶內攪拌技術的比較

桶外攪拌技術與桶內攪拌技術的對比情況。

桶內攪拌技術有較多的工程應用經(jīng)驗，關鍵設備技術成熟可靠，是目前國內核電廠水泥固化采用較多的一種技術，無論從設備可運行性、可檢修性均得到驗證，具有較好的應用經(jīng)驗，運行操作人員對桶內攪拌運行操作相對熟悉，有較多的可借鑒的操作經(jīng)驗。

桶外攪拌技術目前在國內核電廠還沒有可以借鑒的工程運行經(jīng)驗，設備的調試、配方的優(yōu)化還需要進一步完善，調試過程中暴露出的問題還需要進一步整改，國內可借鑒的運行經(jīng)驗較少。

3 水泥固化線技術分析

3.1 主要結構

桶內攪拌水泥固化線由攪拌電機、振動電機等傳動件，以及攪拌槳、振動電機、干料下料管、通風管等組件組成。振動電機用于振動去污。安全措施包括應急升降裝置用以提升攪拌槳設備；儀表主要有公轉限位和安全位開關、升降上下限位和安全位開關、鋼桶與密封罩貼合限位、安全位開關、液位檢測儀表等組成。

桶外攪拌水泥固化線由攪拌電機、攪拌槳、混合器桶體、包含旋轉和升降電機的沖洗裝置、干混料進料裝置和排料裝置等組成。攪拌槳為S形平底結構，與攪拌軸采用花鍵連接，攪拌軸由主電機減速機帶動旋轉，并配備備用電機；安全措施包括備用攪拌電機、下料閥門手動打開裝置；儀表主要有液位檢測儀表、沖洗升降上下限位開關、干混料、排料閥開關狀態(tài)反饋信號開關、鋼桶頂升限位和安全位開關等組成。

3.2 安全性

（1）桶內攪拌。

由于桶內攪拌是在廢物桶內進行攪拌，水泥漿的流動性引起的安全風險相對較小；流動度較低或較粘稠會產(chǎn)生槳葉旋轉困難以及槳葉變形等風險，但其維修工作量相對較低。應急處理相對較簡單，可以通過提升槳葉來將廢物桶運出后來處理；在電源失電狀況下應急處理措施相對簡單，可以通過手搖將槳葉提離廢物桶。

（2）桶外攪拌。

由于桶外攪拌是在桶外進行攪拌，結束后灌入桶內，所以要求水泥漿必須有好的流動性，流動度較低或較粘稠對排料的順暢性不利，會產(chǎn)生排料不完全或不暢的風險，極端情況下的處理相對較復雜；在電源失電狀況下應急處理措施相對復雜，需增加一路備用電源作為保障，并需固化配方在應急處理時間內保持的流動性。

3.3 可靠性

（1）桶內攪拌。

在桶底部和四周都會存在攪拌死區(qū)，若水泥漿粘度高，會存在攪拌不充分現(xiàn)象。若干混料內有異物，可能造成槳葉憋死、變形，螺帶槳與鋼桶加強環(huán)卡死無法提升現(xiàn)象。若出現(xiàn)濕混料初凝速度快情況，由于其攪拌時間較長，在攪拌過程中會造成槳葉凝固在桶內，需要切割或拆卸槳葉處理。切割或拆卸槳葉時，需先將槳葉上部圓形筒拆除或切割處理后，才能進行槳葉的拆除工作。槳葉清洗去污困難，利用高壓水進行清洗，會造成其它設備污染，只能采取槳葉振動或攪拌清水自清洗，一方面澄清桶內積累一定量的泥漿后必須更換澄清桶，否則槳葉無法沒入水中清洗，將產(chǎn)生大量廢水，且桶內沉積水泥厚度無法監(jiān)測，也增大了廢物量；另一方面攪拌槳上也會有淤積水泥，無法清理徹底，水泥會越積越厚，最后只能人工清理。endprint

（2）桶外攪拌。

混合器攪拌槳高速轉動下，會將濕混料甩至混合器上部，濕混料凝固后，會堵塞濕料、干料的下料口，導致混合器無法進行固化，一旦堵塞只能將整個下料閥拆除，進行疏通。每次進行固化后，混合器排料口會殘存一定的濕混料，使得排料閥無法關到位，造成混合器內液體流失。如長期運行，排料閥無法保證密封?；旌掀鞯臎_洗效果不佳，每次完成固化操作，沖洗后攪拌槳上始終會殘存一部分濕混料，殘存的固化物累積無法保證壽期內混合器一直可用?；旌掀髋c其他設備、管道的連接處采用的是橡膠墊片，易老化導致密封失效。桶外混合器對水泥干混料的加料速度有一定的要求，干料加入速度過快易造成混合不均或形成大的濕水泥塊，出現(xiàn)“水包泥”的現(xiàn)象，會影響固化體性能。桶外攪拌對設備計量精度的要求高，易因配比的波動，導致濕混料的凝固變快，發(fā)生濕混料凝固在混合器內的事件。

4 改進措施

4.1 桶內攪拌固化線的改進措施

桶內攪拌固化線技術上相對成熟，主要的改進措施是對攪拌槳進行改進。秦山核電廠放射性廢液水泥固化系統(tǒng)原設計采用平面型攪拌槳，用這種攪拌槳混合的固化體的均勻性差，分層現(xiàn)象較為嚴重，而且攪拌過程中廢液容易從桶中溢出來。由于出現(xiàn)飛濺問題，桶內放射性廢物裝填率只有約70%。改進采用自潔凈行星式雙螺旋結構的攪拌裝置，攪拌槳繞著桶中心既有自轉又有公轉，還可以上下移動，保證桶內的每個地方都能被攪拌，并設有應急提升機構，停電時，可以手動將攪拌槳從桶中提升起來，避免被水泥漿凝固在桶中。該攪拌裝置結構合理，攪拌過程中廢液飛濺小，自身體積較小，不但解決了廢物的均勻性問題，而且將最終廢物的裝填率提高到了95%左右。

4.2 桶外攪拌固化線的改進措施

桶外攪拌技術具有攪拌效率高、攪拌均勻、填充率高等優(yōu)勢，但由于其自身特點，對水泥漿流動性要求較高，否則會引起混合物料排出不完全風險?；谏鲜鲈颍幸韵赂倪M措施：

（1）雙路供電電源。

增設一路供電電源，并實現(xiàn)自動切換功能，保證設備用電的安全性。

（2）攪拌備用電機。

水泥固化線混合器除了正常運行的攪拌電機外，配備一臺備用電機，如主電機運行過程中出現(xiàn)故障，可切換至備用電機完成物料排出操作。

（3）手動下料應急裝置。

混合器下料閥設計手動打開裝置，如混合器在攪拌完成后，排料閥出現(xiàn)故障無法打開時，可通過設置手動裝置打開下料閥，完成排料操作。

（4）計量裝置。

增加混合器液位計，在混合器內液體量加入到位后、干混料加入到混合器前，通過液位計的測量值對實際加入的液體量進行再次確認，更加可靠地確保實際液體加入量滿足配方設計要求，避免液體量少而出現(xiàn)混合物粘稠排料不完全的風險。

（5）攪拌器桶體分段設計。

混合器桶體和攪拌槳軸組件采用模塊化的分段設計，一旦發(fā)生物料排出不完全的極端事故時，可將包含物料的桶體模塊快速拆出并釋放在輥道上的專用運輸托盤上；利用手動卷揚裝置將桶體模塊拉出，并運輸至廢物暫存庫儲存。

（6）冗余設計。

旋轉輥道、升降機構采用雙電機冗余設計，設置手動拖拽系統(tǒng)以應對輥道無法運行的工況，以便將廢物桶移出后對設施進行維修。

5 結語

核電站的運行與維護產(chǎn)生的放射性廢物采用水泥固化線進行處理，由于放射性廢物處理的特殊性和水泥固化工藝的復雜性，水泥固化線必須具有高度的可靠性和安全性。國內核電站放射性廢物水泥固化線主要有桶內攪拌工藝和桶外攪拌工藝，從發(fā)展趨勢看，桶外混合攪拌工藝將逐漸占主導地位。通過對核電站桶內混合式和桶外混合式水泥固化線的技術分析，從安全性和可靠性方面提出了相應的改進措施，為核電廠放射性廢物水泥固化線的設計改進提供了可借鑒的經(jīng)驗。

參考文獻

[1] 陳良，陳莉，李均華.壓水堆核電站放射性廢液水泥固化技術分析[J].核動力工程，2009，30（2）：113.

[2] 黃來喜，何文新，陳德淦.大亞灣核電站放射性固體廢物管理[J].輻射防護， 2004，24（3）：211.

[3] 李洪輝，范智文.核電站放射性廢物水泥固化處理[J].輻射防護通訊，2010，30（3）：34.endprint

（2）桶外攪拌。

混合器攪拌槳高速轉動下，會將濕混料甩至混合器上部，濕混料凝固后，會堵塞濕料、干料的下料口，導致混合器無法進行固化，一旦堵塞只能將整個下料閥拆除，進行疏通。每次進行固化后，混合器排料口會殘存一定的濕混料，使得排料閥無法關到位，造成混合器內液體流失。如長期運行，排料閥無法保證密封?；旌掀鞯臎_洗效果不佳，每次完成固化操作，沖洗后攪拌槳上始終會殘存一部分濕混料，殘存的固化物累積無法保證壽期內混合器一直可用?；旌掀髋c其他設備、管道的連接處采用的是橡膠墊片，易老化導致密封失效。桶外混合器對水泥干混料的加料速度有一定的要求，干料加入速度過快易造成混合不均或形成大的濕水泥塊，出現(xiàn)“水包泥”的現(xiàn)象，會影響固化體性能。桶外攪拌對設備計量精度的要求高，易因配比的波動，導致濕混料的凝固變快，發(fā)生濕混料凝固在混合器內的事件。

4 改進措施

4.1 桶內攪拌固化線的改進措施

桶內攪拌固化線技術上相對成熟，主要的改進措施是對攪拌槳進行改進。秦山核電廠放射性廢液水泥固化系統(tǒng)原設計采用平面型攪拌槳，用這種攪拌槳混合的固化體的均勻性差，分層現(xiàn)象較為嚴重，而且攪拌過程中廢液容易從桶中溢出來。由于出現(xiàn)飛濺問題，桶內放射性廢物裝填率只有約70%。改進采用自潔凈行星式雙螺旋結構的攪拌裝置，攪拌槳繞著桶中心既有自轉又有公轉，還可以上下移動，保證桶內的每個地方都能被攪拌，并設有應急提升機構，停電時，可以手動將攪拌槳從桶中提升起來，避免被水泥漿凝固在桶中。該攪拌裝置結構合理，攪拌過程中廢液飛濺小，自身體積較小，不但解決了廢物的均勻性問題，而且將最終廢物的裝填率提高到了95%左右。

4.2 桶外攪拌固化線的改進措施

桶外攪拌技術具有攪拌效率高、攪拌均勻、填充率高等優(yōu)勢，但由于其自身特點，對水泥漿流動性要求較高，否則會引起混合物料排出不完全風險?；谏鲜鲈颍幸韵赂倪M措施：

（1）雙路供電電源。

增設一路供電電源，并實現(xiàn)自動切換功能，保證設備用電的安全性。

（2）攪拌備用電機。

水泥固化線混合器除了正常運行的攪拌電機外，配備一臺備用電機，如主電機運行過程中出現(xiàn)故障，可切換至備用電機完成物料排出操作。

（3）手動下料應急裝置。

混合器下料閥設計手動打開裝置，如混合器在攪拌完成后，排料閥出現(xiàn)故障無法打開時，可通過設置手動裝置打開下料閥，完成排料操作。

（4）計量裝置。

增加混合器液位計，在混合器內液體量加入到位后、干混料加入到混合器前，通過液位計的測量值對實際加入的液體量進行再次確認，更加可靠地確保實際液體加入量滿足配方設計要求，避免液體量少而出現(xiàn)混合物粘稠排料不完全的風險。

（5）攪拌器桶體分段設計。

混合器桶體和攪拌槳軸組件采用模塊化的分段設計，一旦發(fā)生物料排出不完全的極端事故時，可將包含物料的桶體模塊快速拆出并釋放在輥道上的專用運輸托盤上；利用手動卷揚裝置將桶體模塊拉出，并運輸至廢物暫存庫儲存。

（6）冗余設計。

旋轉輥道、升降機構采用雙電機冗余設計，設置手動拖拽系統(tǒng)以應對輥道無法運行的工況，以便將廢物桶移出后對設施進行維修。

5 結語

核電站的運行與維護產(chǎn)生的放射性廢物采用水泥固化線進行處理，由于放射性廢物處理的特殊性和水泥固化工藝的復雜性，水泥固化線必須具有高度的可靠性和安全性。國內核電站放射性廢物水泥固化線主要有桶內攪拌工藝和桶外攪拌工藝，從發(fā)展趨勢看，桶外混合攪拌工藝將逐漸占主導地位。通過對核電站桶內混合式和桶外混合式水泥固化線的技術分析，從安全性和可靠性方面提出了相應的改進措施，為核電廠放射性廢物水泥固化線的設計改進提供了可借鑒的經(jīng)驗。

參考文獻

[1] 陳良，陳莉，李均華.壓水堆核電站放射性廢液水泥固化技術分析[J].核動力工程，2009，30（2）：113.

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[3] 李洪輝，范智文.核電站放射性廢物水泥固化處理[J].輻射防護通訊，2010，30（3）：34.endprint

（2）桶外攪拌。

混合器攪拌槳高速轉動下，會將濕混料甩至混合器上部，濕混料凝固后，會堵塞濕料、干料的下料口，導致混合器無法進行固化，一旦堵塞只能將整個下料閥拆除，進行疏通。每次進行固化后，混合器排料口會殘存一定的濕混料，使得排料閥無法關到位，造成混合器內液體流失。如長期運行，排料閥無法保證密封。混合器的沖洗效果不佳，每次完成固化操作，沖洗后攪拌槳上始終會殘存一部分濕混料，殘存的固化物累積無法保證壽期內混合器一直可用?；旌掀髋c其他設備、管道的連接處采用的是橡膠墊片，易老化導致密封失效。桶外混合器對水泥干混料的加料速度有一定的要求，干料加入速度過快易造成混合不均或形成大的濕水泥塊，出現(xiàn)“水包泥”的現(xiàn)象，會影響固化體性能。桶外攪拌對設備計量精度的要求高，易因配比的波動，導致濕混料的凝固變快，發(fā)生濕混料凝固在混合器內的事件。

4 改進措施

4.1 桶內攪拌固化線的改進措施

桶內攪拌固化線技術上相對成熟，主要的改進措施是對攪拌槳進行改進。秦山核電廠放射性廢液水泥固化系統(tǒng)原設計采用平面型攪拌槳，用這種攪拌槳混合的固化體的均勻性差，分層現(xiàn)象較為嚴重，而且攪拌過程中廢液容易從桶中溢出來。由于出現(xiàn)飛濺問題，桶內放射性廢物裝填率只有約70%。改進采用自潔凈行星式雙螺旋結構的攪拌裝置，攪拌槳繞著桶中心既有自轉又有公轉，還可以上下移動，保證桶內的每個地方都能被攪拌，并設有應急提升機構，停電時，可以手動將攪拌槳從桶中提升起來，避免被水泥漿凝固在桶中。該攪拌裝置結構合理，攪拌過程中廢液飛濺小，自身體積較小，不但解決了廢物的均勻性問題，而且將最終廢物的裝填率提高到了95%左右。

4.2 桶外攪拌固化線的改進措施

桶外攪拌技術具有攪拌效率高、攪拌均勻、填充率高等優(yōu)勢，但由于其自身特點，對水泥漿流動性要求較高，否則會引起混合物料排出不完全風險?；谏鲜鲈?，有以下改進措施：

（1）雙路供電電源。

增設一路供電電源，并實現(xiàn)自動切換功能，保證設備用電的安全性。

（2）攪拌備用電機。

水泥固化線混合器除了正常運行的攪拌電機外，配備一臺備用電機，如主電機運行過程中出現(xiàn)故障，可切換至備用電機完成物料排出操作。

（3）手動下料應急裝置。

混合器下料閥設計手動打開裝置，如混合器在攪拌完成后，排料閥出現(xiàn)故障無法打開時，可通過設置手動裝置打開下料閥，完成排料操作。

（4）計量裝置。

增加混合器液位計，在混合器內液體量加入到位后、干混料加入到混合器前，通過液位計的測量值對實際加入的液體量進行再次確認，更加可靠地確保實際液體加入量滿足配方設計要求，避免液體量少而出現(xiàn)混合物粘稠排料不完全的風險。

（5）攪拌器桶體分段設計。

混合器桶體和攪拌槳軸組件采用模塊化的分段設計，一旦發(fā)生物料排出不完全的極端事故時，可將包含物料的桶體模塊快速拆出并釋放在輥道上的專用運輸托盤上；利用手動卷揚裝置將桶體模塊拉出，并運輸至廢物暫存庫儲存。

（6）冗余設計。

旋轉輥道、升降機構采用雙電機冗余設計，設置手動拖拽系統(tǒng)以應對輥道無法運行的工況，以便將廢物桶移出后對設施進行維修。

5 結語

核電站的運行與維護產(chǎn)生的放射性廢物采用水泥固化線進行處理，由于放射性廢物處理的特殊性和水泥固化工藝的復雜性，水泥固化線必須具有高度的可靠性和安全性。國內核電站放射性廢物水泥固化線主要有桶內攪拌工藝和桶外攪拌工藝，從發(fā)展趨勢看，桶外混合攪拌工藝將逐漸占主導地位。通過對核電站桶內混合式和桶外混合式水泥固化線的技術分析，從安全性和可靠性方面提出了相應的改進措施，為核電廠放射性廢物水泥固化線的設計改進提供了可借鑒的經(jīng)驗。

參考文獻

[1] 陳良，陳莉，李均華.壓水堆核電站放射性廢液水泥固化技術分析[J].核動力工程，2009，30（2）：113.

[2] 黃來喜，何文新，陳德淦.大亞灣核電站放射性固體廢物管理[J].輻射防護， 2004，24（3）：211.

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