劉紅坤，董 亮，劉 妍，唐 輝

(華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京 100036)

核能作為一種綠色能源，日益得到重視和發(fā)展。核電與火電、水電一起構(gòu)成了世界能源的三大支柱，在世界能源結(jié)構(gòu)中有著重要地位[1]。根據(jù)IAEA預(yù)測，2030年全球核電裝機(jī)容量將增加到7.40億千瓦，2050年將達(dá)到11.37億千瓦[2]。

當(dāng)前，AP1000、“華龍一號”、CAP1400、法國核電技術(shù)(EPR)以及俄羅斯核電技術(shù)(WWER1000)是我國已采用的5種第三代核電技術(shù)[3]，其中具有自主知識產(chǎn)權(quán)的是“華龍一號”和CAP1400?！叭A龍一號”正處于示范工程建設(shè)和向國內(nèi)外市場批量化推廣的關(guān)鍵時(shí)期，CAP1400也已有機(jī)組在建。

世界主要核電國家，如美國、法國等，內(nèi)陸核電廠占比都在50%以上[4]。目前，許多研究機(jī)構(gòu)均對我國中長期核電發(fā)展情景進(jìn)行了預(yù)測，在我國核電發(fā)展過程中，單靠沿海核電的裝機(jī)容量將無法滿足電力需求，發(fā)展內(nèi)陸核電對滿足未來電力需求有著重要意義。國務(wù)院《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)》指出：“在采用國際最高安全標(biāo)準(zhǔn)、確保安全的前提下，適時(shí)在東部沿海地區(qū)啟動(dòng)新的核電項(xiàng)目建設(shè)，研究論證內(nèi)陸核電建設(shè)。到2020年，核電裝機(jī)容量達(dá)到5 800萬千瓦，在建容量達(dá)到3 000萬千瓦以上?！睆?004年開始，國內(nèi)各大核電集團(tuán)在沿海和內(nèi)陸省份都開展了大規(guī)模的核電廠選址工作[5]。截至目前，我國有超過20個(gè)省份的內(nèi)陸核電廠址開展可行性研究工作[6]，湖南桃花江、江西彭澤和湖北咸寧等內(nèi)陸廠址前期開展了大量論證工作。

內(nèi)陸廠址液態(tài)流出物的受納水體大多是居民用水、農(nóng)田灌溉、漁業(yè)養(yǎng)殖、娛樂活動(dòng)和工業(yè)用水來源等[7]，內(nèi)陸核電面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題就是流出物排放[3，8]。

未來內(nèi)陸核電建設(shè)中，三代壓水堆必將扮演重要角色。因此本文通過分析三代壓水堆液態(tài)流出物排放，探究三代壓水堆能否滿足內(nèi)陸核電廠址相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，并提出合理化改進(jìn)建議，以期為三代壓水堆未來內(nèi)陸廠址建設(shè)提供參考。

1 三代壓水堆液態(tài)流出物設(shè)計(jì)條件

1.1 三代壓水堆設(shè)計(jì)

三代壓水堆設(shè)計(jì)分為核島液態(tài)流出物排放和常規(guī)島液態(tài)流出物排放，由于三代壓水堆排氚廢液通過核島液態(tài)流出物排放；除氚、14C外其他放射性核素主要通過核島液態(tài)流出物排放，常規(guī)島液態(tài)流出物排放占2%左右。因此本文僅分析核島液態(tài)流出物排放。圖1示意了某三代壓水堆核島液態(tài)流出物主要來源和處理工藝。

圖1 核島液態(tài)流出物主要來源和處理工藝Fig.1 The main source and processing technology of liquid radwaste discharge

1.2 內(nèi)陸廠址條件

三代壓水堆尚未開展內(nèi)陸廠址設(shè)計(jì)，因此本文結(jié)合內(nèi)陸核電廠的大量前期工作做如下假定設(shè)計(jì)：

(1)內(nèi)陸核電設(shè)計(jì)采用二次循環(huán)方案，處理合格的放射性廢液通過槽式排放系統(tǒng)與電廠冷卻塔溫排水混合后排出。根據(jù)國內(nèi)外內(nèi)陸核電廠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其單臺機(jī)組溫排水量為10-1m3/s量級[9]，本文結(jié)合表1，假設(shè)三代壓水堆單機(jī)組內(nèi)陸廠址冷卻塔溫排水量為0.3 m3/s。

表1 國內(nèi)內(nèi)陸核電廠(部分)溫排水設(shè)計(jì)值[10-11]Tab.1 China inland nuclear power plants(partial) thermal discharge[10-11]

(2)根據(jù)調(diào)研，內(nèi)陸28個(gè)濱河初選廠址中，大多數(shù)河流97%的枯水量在100 m3/s以上，少數(shù)河流97%的枯水量在40 m3/s以上[12]。因此，保守考慮取液態(tài)流出物受納水體流量為40 m3/s進(jìn)行計(jì)算。

(3)核島液態(tài)流出物經(jīng)槽式排放口進(jìn)入排放構(gòu)筑物后，與電廠冷卻塔溫排水混合，經(jīng)排放構(gòu)筑物排入受納水體，在排放口下游1 km前達(dá)到完全混合狀態(tài)。

2 內(nèi)陸三代壓水堆放射性物質(zhì)排放問題

2.1 三代壓水堆現(xiàn)有設(shè)計(jì)分析

核電廠液態(tài)流出物中的放射性核素通常劃分為氚、14C和除氚、14C外其他放射性核素三類。14C的主要排放途徑是氣態(tài)，液態(tài)排放量較小[7]。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《核動(dòng)力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》(GB 6249—2011)[13]規(guī)定了內(nèi)陸核電廠液態(tài)放射性年釋放量以及“對于內(nèi)陸廠址，槽式排放出口處的放射性流出物中除氚、14C外其他放射性核素濃度不應(yīng)超過100 Bq/L，并保證排放口下游1 km處受納水體中總β放射性不超過1 Bq/L，氚濃度不超過100 Bq/L?！?/p>

三代壓水堆現(xiàn)有設(shè)計(jì)按照內(nèi)陸廠址條件進(jìn)行分析，則某三代壓水堆核島液態(tài)流出物核素總量和濃度列于表2。

通過分析表2的數(shù)據(jù)可知，某三代壓水堆目前設(shè)計(jì)中槽式排放口的除氚、14C外其他放射性核素槽式排放口濃度和受納水體氚濃度不能滿足內(nèi)陸廠址要求。

表2 核島液態(tài)流出物核素總量和濃度(單機(jī)組)Tab.2 Total nuclides and concentrations of liquid radwaste discharge from nuclear island / per unit

2.2 三代壓水堆內(nèi)陸廠址液態(tài)流出物排放改進(jìn)建議

2.2.1除氚、14C外其他放射性核素

目前三代壓水堆的設(shè)計(jì)滿足槽式排放口的除氚、14C外其他放射性核素濃度沿海廠址1 000 Bq/L的要求，不能滿足內(nèi)陸廠址100 Bq/L的要求。

放射性廢液處理工藝有過濾、蒸發(fā)、離子交換等傳統(tǒng)技術(shù)，也有化學(xué)絮凝、反滲透、熱泵蒸發(fā)等新應(yīng)用的工藝[14-15]。

過濾的去污效果有限，一般不單獨(dú)使用，通常作為離子交換、蒸發(fā)等工藝之前的預(yù)處理。

蒸發(fā)工藝具有較高的去污因子(DF>103)，技術(shù)成熟，產(chǎn)生的二次廢物可直接水泥固化或桶內(nèi)干燥成鹽餅。熱泵蒸發(fā)較普通蒸發(fā)具有節(jié)能優(yōu)勢。

離子交換工藝，即除鹽床，去污因子10

化學(xué)絮凝配合活性炭過濾工藝對膠體核素的去除率大于90%[16]，產(chǎn)生的二次廢物的廢活性炭可直接水泥固化。

反滲透去污因子10

因此，在現(xiàn)有過濾、蒸發(fā)、離子交換處理工藝基礎(chǔ)上，根據(jù)上述工藝特點(diǎn)并結(jié)合陽江3、4號機(jī)組工程經(jīng)驗(yàn)，增加化學(xué)絮凝、離子交換床和反滲透處理裝置。其中化學(xué)絮凝去除膠體、離子交換床去除核素、反滲透處理裝置作為精處理設(shè)施，使得處理后廢液滿足內(nèi)陸廠址100 Bq/L的要求。工藝廢液經(jīng)化學(xué)絮凝、除鹽床處理后滿足排放要求的送監(jiān)測箱，不能滿足排放要求的送反滲透裝置進(jìn)行精細(xì)處理(精處理)?；瘜W(xué)廢液經(jīng)蒸發(fā)工藝處理后滿足排放要求送監(jiān)測箱，不能滿足排放要求的送反滲透裝置精處理。第一級反滲透裝置的透過液送往監(jiān)測箱監(jiān)測排放，濃縮液送往第二級；第二級反滲透裝置透過液送往監(jiān)測箱監(jiān)測排放，濃縮液送往化學(xué)廢液罐。工藝流程示意圖示于圖2。

圖2 內(nèi)陸廠址核島液態(tài)流出物處理工藝示意圖Fig.2 The treatment process of the liquid effluent from inland third-generation PWR nuclear island

2.2.2氚排放

根據(jù)三代壓水堆現(xiàn)有氚排放設(shè)計(jì)值，且滿足內(nèi)陸廠址排放口下游1 km處氚濃度不超過100 Bq/L的要求，根據(jù)本文1.2節(jié)內(nèi)陸廠址條件受納水體流量估算，能滿足2臺某三代壓水堆機(jī)組氚排放要求，但不能滿足3臺機(jī)組氚排放。由于現(xiàn)有廢液處理工藝均不能去除廢液中的氚，因此氚排放問題將成為制約內(nèi)陸廠址獲批的重要因素之一。

為滿足內(nèi)陸廠址氚排放要求，需要充分利用受納水體氚容量，通過設(shè)置貯存罐，根據(jù)受納水體流量調(diào)整排氚廢液流量，同時(shí)為保證排氚廢液與受納水體充分混合，應(yīng)設(shè)置擴(kuò)散器[17]。經(jīng)計(jì)算，2臺某三代壓水堆機(jī)組按照全年平均排放含氚廢液，則下游1 km處氚濃度為71 Bq/L。同時(shí)需要盡快研發(fā)壓水堆氚處理裝置[18]，以滿足內(nèi)陸廠址建設(shè)多機(jī)組的需求。

根據(jù)排氚廢液的年產(chǎn)生量，按照全廠6臺機(jī)組考慮，需要配置年處理能力18 000 m3/a的氚處理裝置。排氚廢水氚濃度約為1.49×107Bq/L，與內(nèi)陸廠址受納水體氚濃度要求相差5個(gè)數(shù)量級，考慮受納水體的稀釋能力，建議研發(fā)去污因子達(dá)到10～100的氚處理裝置[18]。

氚處理工藝在重水堆應(yīng)用比較成熟，常見的工藝有蒸汽催化交換(VPCE)、液相催化交換(LPCE)、聯(lián)合電解催化交換(CECE)、水精餾(WD)、色譜法(GC)等[19]。VPCE工藝分離氚只是實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換，即將氚或氫由水蒸氣相交換到氣相。進(jìn)入氣相的氚、氫需利用氫同位素技術(shù)進(jìn)行濃集分離，其效率低、能耗大。自疏水催化劑被研發(fā)出來以后，液相催化交換LPCE得到重視，仍需要與其他技術(shù)聯(lián)合使用才能完成氫同位素的濃集和分離，綜合能耗與蒸汽催化交換VPCE相當(dāng)[20]。近年來，加拿大、美國、日本、韓國以及我國等對CECE工藝進(jìn)行了大量的研究，證明其優(yōu)勢明顯[20]。CECE其最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了氫氣與液態(tài)水催化交換過程中重組分向液態(tài)水中轉(zhuǎn)移的方向，與電解過程中重組分向電解液中濃集的方向一致，這使得CECE的分離因子可以達(dá)到幾千甚至上萬，CECE在含氚輕水和重水的氚提取方面，具有較好的應(yīng)用前景。水精餾是一種最簡單的能實(shí)現(xiàn)含氚廢水預(yù)濃集的方法，已工業(yè)化應(yīng)用于重水生產(chǎn)與升級。

相比常見的重水堆除氚的處理工藝，三代壓水堆含氚廢水的處理具有排氚廢水氚濃度低、排放量大的特點(diǎn)。建議采用水精餾+聯(lián)合電解催化交換方法，達(dá)到分離含氚廢水中氚的目的。利用水精餾工藝對大量含氚水進(jìn)行預(yù)濃集，將預(yù)濃集后的濃氚廢液利用聯(lián)合電解催化交換進(jìn)一步濃集。建議的工藝流程示意圖示于圖3。

圖3 內(nèi)陸廠址氚處理裝置工藝示意圖(建議)Fig.3 The tritium treatment device from inland third-generation PWR nuclear island ( recommendation )

水精餾+聯(lián)合電解催化交換方法是基于當(dāng)前氚處理技術(shù)的現(xiàn)狀，選擇能耗相對較低的CECE工藝。利用水精餾工藝具有處理容量大的特點(diǎn)，首先對大量含氚水進(jìn)行預(yù)濃集，再利用CECE工藝對含氚水濃集效率高的特點(diǎn)，將經(jīng)過水精餾預(yù)濃集的含氚水(小體積)輸送到CECE單元進(jìn)行進(jìn)一步濃集。該方法可為內(nèi)陸電廠6臺機(jī)組共用，其運(yùn)行成本預(yù)期可接受，但仍需關(guān)注新的氚處理工藝研發(fā)進(jìn)展。

3 結(jié)論

通過對比分析三代壓水堆內(nèi)陸廠址液態(tài)流出物與現(xiàn)有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀，對不能滿足內(nèi)陸廠址排放要求的指標(biāo)，提出改進(jìn)建議，得到如下結(jié)論：

1)三代壓水堆現(xiàn)有設(shè)計(jì)中放射性物質(zhì)除氚、14C外其他放射性核素和氚排放均不能滿足內(nèi)陸廠址要求。

2)對于除氚、14C外其他放射性核素，建議增加化學(xué)絮凝、離子交換床和反滲透處理裝置以滿足內(nèi)陸廠址排放要求。

3)對于氚排放，通過調(diào)整排放方式能夠滿足2臺機(jī)組排放要求；如需滿足多機(jī)組氚排放需求，建議采用水精餾+聯(lián)合電解催化交換方法進(jìn)行氚處理。