摘 要:M310 機(jī)組是國內(nèi)早期引進(jìn)的核電機(jī)組,其放射性廢液處理系統(tǒng)雖然運(yùn)行穩(wěn)定,但存在運(yùn)行成本高、效率不穩(wěn)定、去污因子較低、二次固廢產(chǎn)生量大等問題,尤其是去污因子較低,目前的工藝和設(shè)備已無法滿足進(jìn)一步降低向環(huán)境排放的放射性核素總量的需求,與先進(jìn)國家和地區(qū)相比仍有不小的差距。本文將從目前的運(yùn)行現(xiàn)狀出發(fā),結(jié)合目前國內(nèi)外成熟的廢液處理工藝,詳細(xì)闡述M310 核電機(jī)組放射性廢液處理系統(tǒng)優(yōu)化方向和建議。
關(guān)鍵詞:M310 機(jī)組;核電;放射性廢液; 去污因子
中圖分類號:X703;TL941+ . 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
在國內(nèi)“雙碳”戰(zhàn)略的引領(lǐng)下,核電作為重要清潔能源之一,具有低碳、高效的技術(shù)優(yōu)勢。然而,核電在發(fā)電過程中也必然會產(chǎn)生工業(yè)廢物,稱之為“核三廢”(放射性廢液、廢氣、固體廢物),三廢的處理和排放必須滿足國家環(huán)保和核電行業(yè)的法律法規(guī)[1] 。隨著核電的快速發(fā)展,核廢物減量化、最小化的要求也越來越高。2016 年10 月21日國家核安全局批準(zhǔn)發(fā)布的《核設(shè)施放射性廢物最小化》(HAD 401/ 08—2016)明確指出,“放射性廢物最小化目標(biāo)值應(yīng)通過采取切實(shí)可行的設(shè)計(jì)和管理措施,并與國際最佳實(shí)踐相比對,使得核設(shè)施放射性固體廢物年產(chǎn)生量可合理達(dá)到盡量低” [2] ;2018 年1 月1 日正式生效的《中華人民共和國核安全法》以較大篇幅描述了核廢物的相關(guān)規(guī)定,其中第41 條明確提出“核設(shè)施營運(yùn)單位、放射性廢物處理處置單位應(yīng)當(dāng)對放射性廢物進(jìn)行減量化、無害化處理、處置,確保永久安全”的要求[3] ,這對早期的M310 機(jī)組提出了更大的挑戰(zhàn)。
M310 機(jī)組是法國法碼通公司設(shè)計(jì)和制造的第二代壓水堆核電技術(shù),是國內(nèi)核電早期發(fā)展的重要堆型之一。在M310 技術(shù)基礎(chǔ)上,通過“引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新”,成功開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CPR1000、ACPR1000、HPR1000 等核電機(jī)型[4-6] 。新一代核電堆型的三廢處理系統(tǒng)均做出了改進(jìn)和提升,“老機(jī)組”的改進(jìn)方案也應(yīng)重點(diǎn)考慮。本文從國內(nèi)某百萬千瓦級的M310 核電機(jī)組(下文簡稱D 電廠)近30 年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)出發(fā),總結(jié)目前D 電廠放射性廢液處理的現(xiàn)狀和未來需求,同時(shí)結(jié)合國內(nèi)外成熟的先進(jìn)處理工藝,為現(xiàn)有M310 核電機(jī)組放射性廢液處理系統(tǒng)的改造和工藝優(yōu)化提供方向和建議。
1 M310 機(jī)組放射性廢液處理工藝現(xiàn)狀分析
1. 1 放射性廢液處理系統(tǒng)和工藝介紹
D 電廠在20 世紀(jì)80 年代引進(jìn)兩臺M310 機(jī)組,其中的三廢處理系統(tǒng)作為公用系統(tǒng)同時(shí)為兩臺核電機(jī)組服務(wù),負(fù)責(zé)對核電廠正常運(yùn)行和大修期間產(chǎn)生的放射性廢液、廢氣和固體廢物進(jìn)行處理。其中放射性廢液分為可復(fù)用廢液和不可復(fù)用廢液,不可復(fù)用廢液又根據(jù)不同成分和來源分為工藝廢液、地板廢液和化學(xué)廢液。根據(jù)三種不可復(fù)用廢液的來源和特點(diǎn),按表1 所述原則送至放射性廢液處理系統(tǒng)(以下簡稱TEU)進(jìn)行貯存、監(jiān)測和處理。放射性廢液處理過程產(chǎn)生的二次廢物,如濃縮液、舊濾芯、廢樹脂等送往放射性廢物處理系統(tǒng)(以下簡稱TES) 進(jìn)行固化處理,基本處理流程如圖1 所示。
經(jīng)TEU 系統(tǒng)處理后的廢水滿足三級排放標(biāo)準(zhǔn)后送往放射性廢水排放系統(tǒng)(以下簡稱TER)。目前D 電廠執(zhí)行的是三級排放管控[7] (國家限值活度濃度≤1 000 Bq/ L,電廠內(nèi)控值≤500 Bq/ L,卓越值≤100 Bq/ L)。根據(jù)該電廠2018—2023 年的運(yùn)行實(shí)踐,99%的廢水處理后可以滿足≤100 Bq/ L的卓越排放要求,處理標(biāo)準(zhǔn)的提高并沒有導(dǎo)致二次廢物的增加。
1. 2 現(xiàn)狀分析
目前D 電廠的TEU 系統(tǒng)已運(yùn)行30 年,整體運(yùn)行良好,能滿足D 電廠三級排放管控要求,但目前仍存在處理深度不足、效率不穩(wěn)定、運(yùn)行成本高、二次固廢產(chǎn)生量大等問題。尤其是處理深度不足,目前的工藝和設(shè)備已經(jīng)無法進(jìn)一步降低液態(tài)除氚核素總量,與先進(jìn)國家機(jī)組相比仍有不小的差距,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)處理深度不足。TEU 系統(tǒng)采用的過濾、除鹽和蒸發(fā)單元互相獨(dú)立,無法組合使用?,F(xiàn)有小于100 Bq/ L 的處理水平,與全球先進(jìn)機(jī)組仍有一些差距,尤其是亞洲近鄰韓國Yonggwang-5amp;6 號核電機(jī)組已能將廢液處理至小于18. 5 Bq/ L 的超低水平[8] 。
(2)處理效率不穩(wěn)定。蒸發(fā)單元沒有前置預(yù)處理裝置,極易受源項(xiàng)有機(jī)物和表面活性劑的影響,會導(dǎo)致蒸發(fā)單元內(nèi)濃縮液大量發(fā)泡,進(jìn)而影響處理效率。根據(jù)D 電廠30 年運(yùn)行實(shí)踐,當(dāng)TEU 濃縮液放射性活度濃度大于30 000 MBq/ m3 時(shí),會導(dǎo)致蒸餾水超過500 Bq/ L[9] 。
(3)處理手段單一。TEU 系統(tǒng)采用的除鹽單元僅配置兩臺串聯(lián)的樹脂床,級數(shù)較少,缺乏預(yù)處理和選擇性處理能力,導(dǎo)致凈化時(shí)間偏長。一般一罐30 m3 的工藝廢水需要7~30 天的凈化時(shí)間;若凈化不合格則需被迫進(jìn)行蒸發(fā)處理,而蒸發(fā)處理則因其廢水含硼量較高會產(chǎn)生大量不必要的二次固體廢物[9] 。
(4)二次固廢產(chǎn)生量大。TEU 蒸發(fā)單元和除鹽單元產(chǎn)生的二次濃縮液和二次廢樹脂,原設(shè)計(jì)中經(jīng)TES 系統(tǒng)水泥固化后的增容比分別為1 ∶5. 26、1 ∶ 6. 04,即4 m3 的濃縮液會產(chǎn)生約21 m3的廢物貨包,二次廢物增容較大[10] ;2017 年D 電廠經(jīng)過固化桶技術(shù)改進(jìn)后TEU 濃縮液增容比降至1 ∶ 3,廢樹脂不變。
(5)運(yùn)行成本高。TEU 蒸發(fā)單元采用強(qiáng)制循環(huán)設(shè)計(jì),正常運(yùn)行和熱備用期間耗費(fèi)大量蒸汽和動力電源。從D 電廠蒸汽/ 電力等效發(fā)電量成本、設(shè)備預(yù)防性維修成本、二次廢物成本綜合計(jì)算,每噸廢水的平均處理成本約3 萬元,平均年處理成本約2 100 萬元。
(6)劑量成本較高。TEU 蒸發(fā)單元濃縮液硼濃度達(dá)到固化要求時(shí)(硼濃度40 000 ppm,1 ppm = 1×10-6 )啟動轉(zhuǎn)移并固化,此時(shí)蒸發(fā)單元內(nèi)已累積較多放射性核素。核素在局部流動死區(qū)沉積后會導(dǎo)致輻射劑量顯著升高。在過去的30 年運(yùn)行中,根據(jù)被處理廢水的不同活度水平,TEU 濃縮液活度濃度一般在1 000~10 000 MBq/ t 之間波動,對應(yīng)局部熱點(diǎn)接觸劑量峰值高達(dá)1~10 mSv/ h,在該階段的糾正性維修工作會產(chǎn)生較高維修集體劑量代價(jià)[10] 。
(7)冗余設(shè)計(jì)不足。TEU 蒸發(fā)單元均是單一設(shè)計(jì)、無冗余備用,如果設(shè)備故障無法及時(shí)恢復(fù),將影響兩臺機(jī)組的正常運(yùn)行;法國電力公司某電廠曾因氯離子腐蝕問題導(dǎo)致電站兩臺TEU 蒸發(fā)器長達(dá)2年無法運(yùn)行,需借助其它外部資源完成廢液處理。
2 先進(jìn)放射性廢液處理技術(shù)
2. 1 國內(nèi)外先進(jìn)廢液處理工藝簡介
目前,放射性廢水處理方法主要有: 離子交換技術(shù)、膜分離技術(shù)、化學(xué)沉淀技術(shù)、蒸發(fā)濃縮技術(shù)、吸附技術(shù)等[11] 。相比D 電廠現(xiàn)有工藝,無機(jī)吸附、多級離子交換、活性炭吸附、精細(xì)過濾、超濾、反滲透膜、連續(xù)電除鹽技術(shù)等工藝及技術(shù)較為先進(jìn),其特點(diǎn)如表2 所示。為進(jìn)一步提高廢液處理深度、提高處理效率,同時(shí)不增加處理成本,目前核電行業(yè)先進(jìn)廢液處理系統(tǒng)多采用組合工藝,按工藝先后可分為預(yù)處理、主處理和精處理。
2. 2 部分先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和熱試結(jié)果
(1) 活性炭吸附。美國DiabLo Canyon 核電廠、Comanche Peak 核電廠等的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,活性炭吸附對廢液中的微量有機(jī)物和顆粒都具有很好的去除效果,去污因子可達(dá)到10[12] 。為了增強(qiáng)活性炭對膠體的去除效果,可在活性炭吸附的上游增設(shè)化學(xué)絮凝處理工藝。國內(nèi)的陽江3amp;4 號機(jī)組采用了絮凝+活性炭吸附+6 臺離子交換串聯(lián)+反滲透膜的處理工藝[14] ,根據(jù)其近5 年的運(yùn)行實(shí)踐,系統(tǒng)整體運(yùn)行效果良好,活性炭床能很好的保護(hù)下游主處理設(shè)備。同時(shí),針對M310 機(jī)組普遍存在的膠體110m Ag 污染問題,高瑞發(fā)[18] 在利用活性炭吸附技術(shù)處理膠體污染問題的研究中,通過絮凝+活性炭的組合,實(shí)現(xiàn)了13. 2 的平均去污因子。
(2)多級離子交換床。該技術(shù)已經(jīng)作為主處理工藝在國內(nèi)外核設(shè)施上有廣泛和成熟的應(yīng)用,D電廠現(xiàn)有工藝采用兩臺混床串聯(lián),能將正常工藝廢水處理至lt;500 Bq/ L 的水平。國內(nèi)某AP1000機(jī)組,其放射性廢液處理系統(tǒng)采用3 臺串聯(lián)離子交換床(1 臺陽床+2 臺混床),當(dāng)特殊工況發(fā)生時(shí)可在廢液處理系統(tǒng)下游串聯(lián)投入2 臺離子交換床或經(jīng)移動式設(shè)備處理;國內(nèi)陽江3amp;4 號機(jī)組則采用6 臺串聯(lián)離子交換床(2 臺陽床+1 臺陰床+1 臺混床+2 臺選擇性離子交換床)的設(shè)計(jì)[14] ,根據(jù)其近5 年的運(yùn)行實(shí)踐,在不投運(yùn)反滲透膜單元的情況下,該工藝能將廢液處理至lt;200 Bq/ L 的水平。在水質(zhì)較復(fù)雜的情況下,為保護(hù)6 個(gè)離子交換床的使用壽命以及提高核素去除效率,該工藝必須搭配預(yù)處理單元串聯(lián)組合使用。
(3)超濾。超濾技術(shù)做為一種膜分離技術(shù)在民用水處理中廣泛應(yīng)用[19] ,在核廢水處理領(lǐng)域中,匈牙利Paks 核電站使用超濾技術(shù)在硼回收系統(tǒng)上,實(shí)現(xiàn)了45 倍的體積減少率和10 ~ 100 去污因子[20] 。超濾也可以作為前置預(yù)處理單元使用,減輕后續(xù)工藝的處理壓力[21-22] ,在秦山開展的超濾+離子交換的工程研究試驗(yàn)中,機(jī)組正常產(chǎn)生的工藝廢水經(jīng)處理后的活度濃度低于20 Bq/ L[18] ;在D 電廠與國內(nèi)某高校合作的《新型放射性廢液處理技術(shù)及裝置研制》[23] 項(xiàng)目中超濾做為預(yù)處理單元也成功熱試,配合下游的兩級反滲透+一級連續(xù)電除鹽技術(shù),實(shí)現(xiàn)綜合出水活度濃度lt;4. 7 Bq/ L的超低水平;同時(shí),在處理100 m3 的化學(xué)廢水后超濾本體未產(chǎn)生明顯放射性劑量累積。
(4)無機(jī)吸附。無機(jī)離子吸附在福島核電廠事故后的廢水處理中發(fā)揮重要作用[24] ,以沸石為代表的無機(jī)吸附材料大量應(yīng)用于福島事故后放射性廢水中Cs 的去除工作。同時(shí),無機(jī)吸附劑可以在現(xiàn)有的有機(jī)離子交換床內(nèi)裝填,與多級有機(jī)離子交換床組合使用實(shí)現(xiàn)特定功能,如陽江3amp;4 號機(jī)組采用的6 臺串聯(lián)離子交換床中的最后兩臺可以選裝除Cs 或Co 的無機(jī)吸附劑。D 電廠也在過去的三廢實(shí)踐中,采用國外NERUS 技術(shù),將選擇性除Co 的無機(jī)吸附單元置于現(xiàn)有兩臺離子交換床之后,作為精處理裝置使用,綜合計(jì)算Co 的去除因子達(dá)到2~10。
(5)連續(xù)電除鹽。連續(xù)電除鹽在半導(dǎo)體行業(yè)制備超純水方面有著成熟的應(yīng)用,同時(shí)在核電行業(yè)中可以做為精處理單元處理痕量核素。美國Braidwood 核電廠采用EDI 技術(shù)去除廢液中的硼酸和放射性核素,處理后水質(zhì)能夠滿足復(fù)用要求[25] ;比利時(shí)Doel 核電廠采用EDI 技術(shù)處理活度濃度為50 000 Bq/ L 的廢水,處理后活度濃度降至20 Bq/ L[26] ;清華大學(xué)核能院在EDI 技術(shù)上也有雄厚的技術(shù)儲備[27] ,同時(shí)在《新型放射性廢液處理技術(shù)及裝置研制》項(xiàng)目中,連續(xù)電除鹽作為精處理單元成功熱試,聯(lián)合一二級反滲透膜將100 m3的化學(xué)廢水處理至lt;4. 7 Bq/ L 的超低水平。
3 M310 機(jī)組放射性廢液處理技術(shù)優(yōu)化方向和建議
針對目前D 電廠放射性廢液的現(xiàn)狀,采用先進(jìn)廢液處理工藝對現(xiàn)有工藝進(jìn)行升級替代,既能進(jìn)一步提高核電廠對環(huán)境和公眾的友好度,又能解決老機(jī)組現(xiàn)有工藝的諸多問題。改進(jìn)目標(biāo)為:
減排目標(biāo):處理后的廢液活度濃度要求小于18. 5 Bq/ L,達(dá)到世界先進(jìn)水平;
二次廢物:產(chǎn)生的二次廢物有能力處理,且處理后的產(chǎn)生量低于原工藝;
技術(shù)提升:采用目前世界主流的、成熟處理工藝及設(shè)備,完全替代目前現(xiàn)有的過濾、除鹽、蒸發(fā)工藝;
系統(tǒng)集成:新系統(tǒng)的接口應(yīng)考慮與現(xiàn)有系統(tǒng)融合;
維修方便:系統(tǒng)各模塊備件的更換、設(shè)備維修應(yīng)盡量方便維修作業(yè)人員;
高度自動化:使用自動控制技術(shù),盡量減少運(yùn)行人員的現(xiàn)場操作和監(jiān)控。
3. 1 廢液處理優(yōu)化技術(shù)路線
根據(jù)2. 2 節(jié)所述的D 電廠目前廢液處理的現(xiàn)狀,為達(dá)到更低的廢液排放水平,同時(shí)兼顧考慮二次廢物的合理平衡,按“組合工藝、分級凈化”的原則,設(shè)計(jì)“預(yù)處理+主處理+精處理” 的技術(shù)路線。根據(jù)國內(nèi)外主流的先進(jìn)處理技術(shù),選擇使用活性炭(預(yù))+超濾(預(yù))+4 個(gè)有機(jī)吸附床(主) +2 個(gè)無機(jī)吸附(主)+一級反滲透(精) +一級連續(xù)電除鹽(精)的方式來代替現(xiàn)有廢液處理技術(shù),其主要工藝流程如下所述,基本流程圖如圖2 所示。
1)預(yù)處理:預(yù)處理單元由預(yù)處理床和超濾單元共同組成,預(yù)處理床可以裝填活性炭或大孔樹脂;上游廢液收集后,首先進(jìn)入預(yù)處理床,對大部分膠體、有機(jī)物進(jìn)行吸附去除后,再進(jìn)入超濾單元,利用超濾膜的分離能力,進(jìn)一步將廢液中濃縮液(部分膠體、大分子有機(jī)物) 等返回至活性炭床再次吸附處理,分離的清液則送入下游主處理單元。
2)主處理:主處理單元由6 個(gè)除鹽單元串聯(lián)組成,其中末尾的兩個(gè)可以裝填選擇性除Co、Cs、Sr 的無機(jī)吸附劑,負(fù)責(zé)處理設(shè)計(jì)源項(xiàng)中的核素。經(jīng)過預(yù)處理的放射性廢液中理論上僅存留離子態(tài)和膠體態(tài)的核素組分,進(jìn)入主處理單元后進(jìn)行離子態(tài)核素的去除,出水活度濃度若滿足新工藝減排目標(biāo)時(shí)可以直接向TER 排放。
3)精處理:精處理單元由反滲透膜單元和連續(xù)電除鹽單元組成;當(dāng)主處理水不滿足新工藝減排目標(biāo)時(shí),可以利用精處理單元的反滲透膜和連續(xù)電除鹽再次進(jìn)行深度凈化,進(jìn)一步降低放射性活度濃度,使最終產(chǎn)水活度濃度低于18. 5 Bq/ L。精處理單元產(chǎn)生的濃縮液返回至主處理進(jìn)行二次處理。
該系統(tǒng)處理過程所產(chǎn)生的二次廢物有廢樹脂、廢活性炭、廢濾芯、廢濾膜等,可被現(xiàn)有固廢廢物處理系統(tǒng)處理。
3. 2 新舊工藝路線對比
在國內(nèi)核電同行評審過程中,除了排放濃度和排放總量外,放射性廢液處理的二次廢物產(chǎn)生量和因運(yùn)行和維修的輻射防護(hù)劑量代價(jià)是重要的參考指標(biāo),因此從這兩個(gè)角度進(jìn)行新舊工藝的對比。
3. 2. 1 二次廢物產(chǎn)生量對比
新技術(shù)由于工藝完全改變,其產(chǎn)生的二次廢物與原技術(shù)對比,每年預(yù)計(jì)減少約20 m3 的二次廢物產(chǎn)生量,具體對比如表3 所示。
3. 2. 2 輻射防護(hù)對比
新工藝相比舊工藝,總的去污因子有一個(gè)數(shù)量級的提升,如表4 所示。舊工藝因核素濃縮聚集容易產(chǎn)生輻射熱點(diǎn),而新工藝則從核素集中處理轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑻幚?,這更有利于避免核素集中產(chǎn)生的輻射熱點(diǎn),對于單一設(shè)備的運(yùn)行操作和維修劑量會更低。新工藝的布置仍然需參考該核電機(jī)組放射性廢液設(shè)計(jì)源項(xiàng)進(jìn)行輻射防護(hù)分區(qū)設(shè)置。
綜上所述,新的廢液處理工藝中所用到的各種技術(shù)和工藝已經(jīng)得到成熟應(yīng)用,未來按照“分級凈化、組合工藝” 的原則進(jìn)行改進(jìn),可以解決1. 2節(jié)中所述的該電廠目前處理深度不足、效率不穩(wěn)定、無冗余設(shè)計(jì)、二次廢物產(chǎn)生量大等問題。同時(shí)該技術(shù)從集中處理改為分部處理,進(jìn)一步降低了運(yùn)行和維修過程的劑量代價(jià)。
4 總結(jié)和展望
本文從該電廠的放射性廢液處理系統(tǒng)的運(yùn)維現(xiàn)狀出發(fā),結(jié)合國內(nèi)外的先進(jìn)處理技術(shù)和實(shí)際應(yīng)經(jīng)驗(yàn),提出了在運(yùn)M310 機(jī)組的廢液處理改進(jìn)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)路線。該技術(shù)路線的制定按“分級凈化、組合工藝” 的原則,符合核電廠廢液源項(xiàng)的特征,所采用的處理工藝均有實(shí)際應(yīng)用和熱試結(jié)果支撐,具有一定的可行性和先進(jìn)性。不僅可以作為該電廠的中長期改造規(guī)劃的前期輸入并進(jìn)行詳細(xì)論證,也可為國內(nèi)其它M310 核電、甚至內(nèi)陸核電廠放射性廢液處理系統(tǒng)的改進(jìn)作參考。
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