田湾核电站水泥固化系统的改进探讨

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1、田湾核电站水泥固化系统的改进探讨田湾核电站水泥固化系统的改进探讨 摘 要 介绍了田湾核电站一期工程水泥固化系统的设计功能，分析了系统设计存在 的问题，对系统的改进方案进行了讨论，重点对 200 L 钢桶固化方案的优点和采用 200 L 钢桶固化方案替代混凝土桶固化方案的可行性进行了说明，并提出了对田湾核 电二期工程的改进意见。 关键词 水泥固化 功能 缺陷 效益 改进意见 AbstractAbstract The article introduced the design function of radwaste solidification system of TNPS first phas

2、e project, analyzed the existing problems, discussed the scheme for the system improvement, stressed the advantages of solidification scheme by using 200 liter steel cask and the feasibility of solidification scheme that replaces concrete cask by using 200 liter steel cask, and presented the improve

3、ment ideas to TNPS second phase project. Key wordsKey words Radwaste solidification Function Problem Benefit Improvement idea 1 系统的设计功能 1.1 概述 田湾核电站一期工程水泥固化系统是由德国 NUKEM 公司负责设计和设备制造 供货，并负责指导该系统的安装和调试。 该系统主要用于固化田湾核电站运行过程中产生的液体放射性废物，包括放射 性废液处理系统产生的蒸残液、泥浆和废树脂，处理能力为蒸残液和泥浆 80 m3/a， 中放废离子交换树脂 25 m3/a。固化后产生

4、的放射性固体废物贮存在放射性固体废物 贮存库。 1.2 系统功能 通过水泥与液体放射性废物中的水的化合作用使废物由液体状态转变为固体 状态，将田湾核电站一期运行中产生的放射性废液通过液体放射性废物处理系统 （KPF 系统）的蒸发浓缩和离子交换树脂得到的浓缩液体放射性废物（蒸残液和废树 脂）固化包容在混凝土废物桶中，以便于放射性废物的贮存、运输和处置。 根据功能划分，本系统分为水泥贮存及水泥浆制备、废树脂的准备、蒸残液的 准备和桶内搅拌、废物桶的封盖、废物桶的监测和吊运、过程控制及仪表 6 个子系 统。水泥贮存及水泥浆制备子系统用于水泥的接收和贮存、水泥的装桶和水泥砂浆 的制备；废树脂的准备子系

5、统用于废树脂的接收和贮存、废树脂的混合和蒸残液的 循环；蒸残液的准备和桶内搅拌子系统用于蒸残液（和泥浆）的接收和贮存、废液 （蒸残液、泥浆和废树脂）的固化以及固化后混凝土废物桶的输送和养护；废物桶 的封盖子系统是采用水泥砂浆对固化养护后的混凝土废物桶进行封盖，以屏蔽桶内 的放射性；废物桶的监测和吊运子系统用于测量废物桶的剂量率（废物表面和距废 物桶表面 1 m 处）、将测量的结果录入数据库并进行处理以及将监测后的废物桶运 送到吊装工位，以便吊入固体放射性废物库贮存；过程控制及仪表子系统用于控制 相关的设备及工艺过程，显示设备的工艺状态。 2 系统设计潜在的改进课题 目前，田湾核电站一期工程水泥

6、固化系统主要存在以下问题： （1）采用混凝土废物桶固化方案时，混凝土桶实际装载的废物固化体体积与固化最 终形成废物包的体积百分比较小，废物包体积增容比大，容器的容积有效利用率低， 固化过程中产生的固体废物量大； （2）在系统设计、设备设计和制造以及系统运行等方面尚缺乏经验。国内有许多单 位如秦山一期、核动力院和中国原子能研究院也采用了水泥固化方案，他们采用的 水泥固化方案和田湾核电站采用的水泥固化方案类似，固化的主要过程和装备基本 相同，所不同的是上述单位采用的是 200 L 钢桶，主要装备的尺寸和规模都较小， 而田湾核电站采用的是直径为 1.4 m、高 1.3 m、壁厚 150 mm、重量为

7、 2.5 t 的混凝 土桶（固化废物后总重为 5.5 t），主要装备的尺寸和规模都比较大，缺乏相关设计、 制造和运行经验。大亚湾核电站尽管也采用混凝土桶固化方案，但他们采用的是法 国核电站比较广泛使用的、有成熟的设计、制造和使用经验的混凝土桶水泥固化生 产线，运行情况较好。但为了减少废物体积，他们也在考虑采用 200 L 钢桶进行水 泥固化方案改造的可行性。 （3）废树脂贮槽和浓缩液贮槽封头布置在楼板下面，以及贮槽和浓缩液贮槽密封在 各自的隔离间，但没有为它们的安装和今后的检修、更换设置成可拆卸或可活动的 屏蔽墙，不便于设备的检修和更换，势必使作业量增大，造成人员受照剂量多； （4）每台机组各

8、自设置一套水泥固化系统，增加了电站的投资，增加了电站的运行、 维修工作量和作业的集体剂量，增加了电站的运行成本。 3 系统改进方案探讨 鉴于田湾核电一期工程中水泥固化系统存在上述问题，为了有利于电站的运行、维 修，提高电站的经济性和对环境保护的贡献，建议在田湾核电二期工程中作以下改 进。 3.1 采用 200 L 钢桶固化方案替代目前的混凝土桶固化方案 这主要是基于 200 L 钢桶固化方案的成熟性和经济性来进行考虑的。与混凝 土桶固化方案对比，200 L 钢桶固化方案具有以下优点： （1）减少固化废物的体积，有利于环境保护 由于核电站最终送往处置场处置的低、中水平放射性废物的体积（包括包装

9、容器本身在内的总体积）在一定程度上反映了核电站的运行和维修管理水平，同时 为了降低放射性固体废物的最终处置费用，尽量减少废物处置对环境可能造成的不 利影响，核电站废物最少化已经越来越引起核电界的重视。WANO（世界核运行者协 会）已经将核电站每台机组每年最终所产生的放射性固体废物体积与机组能力因子、 非计划停堆次数、安全系统性能等并列为核电站运行业绩考核的十大指标之一。 同时，在废物处理过程中，选择适当的处理工艺和固化配方，减少废物产生量，使 放射性废物的产生最少化也是国家有关放射性废物管理的要求。 国标 GB 14500-2002放射性废物管理规定明确提出，放射性废物管理的主 要目标是“控制

10、废物的产生量，尽可能减少所产生废物的活度和体积，达到最优化， 使其在放射性活度和体积两方面都保持在实际可达到的最少量”。 1）采用混凝土桶作固化包装容器，混凝土桶实际装载的废物固化体体积与固化最终 形成废物包的体积百分比较小，废物包体积增容比大，容器的容积有效利用率低。 大亚湾核电站 TES 系统采用型、型、型和型 4 种型号的混凝土桶固化放射 性废液和废过滤器芯子等。混凝土桶型号及外形尺寸如表 1 所示。 上述各类混凝土桶装载废物后最终形成废物包的体积以及其实际装载的废 物固化体的体积见表 2。 由表中数据可以看出，对型和型混凝土桶，其中装载的固化体体积只占 47.5% 40%，其它 52.

11、5%60%的体积实际是混凝土的体积。如果采用型和型混凝土桶， 其中装载的固化体体积就更减少到 17.5%和 7%，其它 82.2%和 93%都是混凝土体积。 这就是采用混凝土桶方案的不合理之处。 大亚湾核电站近几年来 TES 系统采用的主要是型和型混凝土桶，未采用壁厚较 大的型和型，目的也是为了提高废物体在废物包中所占体积百分比，减少所形 成的废物的总体积。田湾核电站目前水泥固化系统采用的混凝土桶尺寸与大 表 1 大亚湾核电站 TES 系统所采用的混凝土桶型号及外形尺寸 混凝土桶型号 外径，m 内径，m 壁厚，m 总高，m 型 1.40 1.10 0.15 1.3 型 1.40 0.8 0.3

12、 1.3 型 1.40 0.6 0.4 1.3 型 1.10 0.8 0.15 1.3 表 2 各类混凝土桶装载废物后最终形成废物包/实际装载的废物固化体的体积 项 目 型 型 型 型 装载废物后形成废物包总体积，m3 2 2 2 1.24 实际装载的废物固化体体积，m3 0.95 0.35 0.14 0.5 混凝土桶本身所占净体积，m3 1.05 1.65 1.86 0.74 废物体在废物包中所占体积百分比，% 47.5 17.5 7 40 亚湾核电站型相同，其装载的固化体体积占装载废物后形成废物包总体积 的百分比只有 47.5%，即采用这种型号的混凝土桶固化，其容积有效利用率 47.5%，

13、 废物包的体积增容比为 2.1：1。这意味着在水泥固化所形成的废物包中，有 52.5% 的体积被浪费，没有得到有效利用，或者说在所产生的 2.1 m3 废物中，由废物桶本 身所产生的废物的体积就占了 1.1 m3，比其所包容的固化废物体的体积（1.0 m3） 还多，也即在用混凝土桶固化的过程中，由混凝土桶产生了大量的废物，这是采用 混凝土桶固化方案的一大缺陷，需要加以研究和改进。采用 200 L 钢桶固化方案则 能有效解决这一问题。 2）采用 200 L 钢桶固化方案废物包的体积增容比较小（1%都不到），容器的容积有 效利用率较高。 标准 200 L 钢桶的直径为 560 mm，高度为 860

14、 mm，壁厚为 1.21.25 mm， 加厚型钢桶的壁厚为 1.5 mm（EJ1042-1996）。由于壁厚很薄，由钢桶底板和桶壁所 占据的体积份额很小。因此，采用 200 L 钢桶固化方案，基本上不会因为钢板的壁 厚而增加废物包的体积，即废物包的体积基本上接近废物固化体的体积。采用桶内 搅拌装置搅拌混合时，桶的装填系数可以达到接近 95%（秦山一期为 94%）。在考虑 钢桶壁厚这一因素，其装载的固化体体积占装载废物后形成废物包总体积的百分比 可以达到 93%，废物包的体积增容比小于 1.08：1。与混凝土废物桶相比，采用 200 L 钢桶固化方案后可以减少将近一半（49%）固体放射性废物的体

15、积（由蒸残液和废树 脂固化所形成）。 以田湾核电站设计资料为例，采用混凝土桶固化方案，正常运行后每年 由蒸残液和废树脂固化所产生的废物量是 140 个混凝土废物桶，每个混凝土废物桶 的体积是 2 m3，固化后废物包的总体积为 280 m3。如以混凝土废物桶固化的有效容 积利用率为 0.475、钢桶固化的有效容积利用率为 0.93 进行计算，采用 200 L 钢桶 固化方案所产生的废物包的体积为 2800.475/0.93=143 m3，与混凝土桶固化方案 相比，废物体积可以减少 137 m3。 （2）有利于提高系统运行的经济性 与混凝土桶固化方案对比，采用 200 L 钢桶固化方案可以减少废物

16、产生量、 降低系统对设备尺寸和动力功能的要求，减少系统建造、运行、维修和所产生的放 射性固体废物的处置费用，提高系统运行的经济性。 1）可以节省的废物桶购置费用 根据俄方设计文件， 正常每台机组每年由蒸残液和废树脂固化所产生的废物量是 140 桶，取混凝土废物桶价格为 6 000 元/个、200 L 钢桶价格为 350 元/个、钢桶固化的 有效容积利用率为 0.93 进行计算。 根据前面的计算， 用钢桶固化同样数量蒸残液和废树脂所产生的废物包的体积为 143 m3，按照每个钢桶的体积 200 L 计算，需要的钢桶数量为： 1430.2=715（个） 采用混凝土桶固化方案采购混凝土桶需要的费用为： 140 个6 000 元/个=840 000 元 采用 200 L 钢桶固化方案采购钢桶需要的费用为： 715 个350 元/个=250 250 元 因此，采用 200 L 钢桶固化方案每台机组每年可以节省的废物桶购置费用为： 840 000250 250 = 589 750（元） 将近 60 万元