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快堆放射性废液零排放研究

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：韩永红

[导读] 摘要：通过分析BN-800放射性废液来源，优化控制区工作人员专用工作服去活性后的污水、控制区放射性核素含量超出规定水平时卫生通道的淋浴水俩项来源，降低废液总量，放射性废水净化、固化容量满足废水处理要求，净化水可全部回收、厂内复用，可以实现“放射性废液零排放”。

        福建三明核电有限公司福建宁德 355100
        摘要：通过分析BN-800放射性废液来源，优化控制区工作人员专用工作服去活性后的污水、控制区放射性核素含量超出规定水平时卫生通道的淋浴水俩项来源，降低废液总量，放射性废水净化、固化容量满足废水处理要求，净化水可全部回收、厂内复用，可以实现“放射性废液零排放”。
        关键词：快堆；放射性废液；零排放
        一、研究内容和目的
        1.1 研究内容
        BN-800机组用于发电和生产二次核燃料，包括一个快中子反应堆，三组模块式蒸汽发生器和一个汽轮发电机装置。反应堆为池式结构，堆芯采用MOX燃料，堆芯燃料组件的连续工作时间为465EFPD，分三次循环换料，换料周期为155EFPD，最大燃耗为 9.4%重原子，平均燃耗6.5%重原子。机组的热功率为2100MW，电功率为880MW°BN-800 机组包括三个回路的热工流程，一、二回路的冷却剂为液态钠，三回路为水汽回路。
        所有一回路设备布置在堆容器内。堆内布置反应堆控制保护系统和换料系统。钠在反应堆中的循环分三个环路，每个环路可以相互独立地工作。为提高安全性，反应堆还配备有专门的保护容器，其内充有惰性气体。
        二（中间）回路由三个环路组成，每个环路包括一•台二回路主循环泵、二台“一回路钠-二回路钠”中间热交换器、一组模块式直流蒸汽发生器以及钠缓冲罐。
        三（蒸汽）回路由三组蒸汽发生器汇集来的蒸汽进入总管中，并供给一台汽轮机。
        通过分析BN-800放射性废液来源，优化控制区工作人员专用工作服去活性后的污水、控制区放射性核素含量超出规定水平时卫生通道的淋浴水俩项来源，降低废液总量。研究的项目有以下3项：
        （1）研究控制区淋浴系统改进替代方案；
        （2）研究控制区工作服水洗系统改进替代方案；
        （3）从干净水重复使用量进行理论分析研究、验证BN-800的容量设置合理性。
        1.2研究必要性
        本课题研究基于项目属于内陆核电的特点。中国人口密度大，内陆河流常常伴随有农业、养殖等产业。内陆核电厂放射性废液不排放到环境，能最大化的消除流域居民对核电厂对水体污染的顾虑，促进内陆核电的可持续发展。
        本课题研究顺应环保要求。随着互联网的发展，各种反核、恐核等势力肆意传播，核电厂的建设、运营面临更大挑战；同时国家对环保的严格要求，放射性流出物的排放提出了更高要求；内陆核电厂降低放射性核素向环境的排放甚至零排放是核电发展的必然趋势。
        本课题研究适应技术进步的要求。三明核电拟建的BN-800钠冷快堆属于第四代反应堆，与国内运营的核电厂相比，其安全性大幅度提高。钠冷快堆运行过程中产生的放射性废液的类型和源项均不同「压水堆机组，国内对于钠冷快堆放射性废物管理的经验不足，有必要分析BN-800放射性废液来源，探讨采用新技术、新工艺以及新的管理措施，研究实现放射性废液零排放的可行性。
        1.3研究目的
        本课题研究期望形成BN-800系统最优化配置，实现放射性废液不排放到环境。
        2系统配置分析
        2.1废水相关系统
        根据《中国示范快堆工程预先设计文件》，与放射性废水相关的系统主要包括：
        （1）特排系统
        （2）乏燃料组件储存水池净化系统
        （3）污水净化系统
        （4）专用洗衣房水臭氧处理系统
        （5）专用洗衣房水净化系统
        （6）液态放射性废物暂存系统
        （7）液体放射性废物水泥固化系统
        （8）去污液制备和供应系统
        （9）泵密封水中间回路系统
        从功能角度看，这些系统可分为放射性废水的收集、暂存、处理和复用等；从与堆运行相关性角度看，这些系统涉及的放射性废水属于反应堆运行的工艺废水或辅助厂房、生活厂房产生的淋浴水、洗衣水等。
        2.2废水收集
        核电厂运行时产生的放射性废水需要收集和处理，放射性废水主要包括以下儿类：
        （1）清洗乏燃料的水。
        （2）无钠设备、管道、阀门和去污水以及房间冲洗水。
        （3）来自污水净化系统过滤器的再生水和清洗水。
        （4）来自放射性化学实验室的废水。
        （5）控制区工作人员专用工作服洗涤水。
        （6）控制区放射性核素超标时卫生通道的淋浴水。
        这些放射性废水由特排系统收集后净化处理。经过净化处理后的水供电厂复用，不向环境排放。特排系统用于收集设备检修时控制区内的设备疏水、设备和房间去污和清洗液以及设备、管道和阀门破损时的泄漏，并将其送往处理系统进一步处理。
        特排系统包括以下子系统：
        （1）核岛厂房特排系统
        （2）专用厂房特排系统
        （3）淋浴水收集和监测系统
        核岛厂房特排系统是用于收集控制区无钠房间污水的。进入特排系统的还有无钠设备、管道和阀门事故破损时的有组织的排放物和泄漏物。特排系统山排水孔、管网、集流管、竖管等组成。控制区下标高的房间配备有一些小坑，用蠕动泵将此处的泄漏物排出。非维护房间和定期维护房间的污水收集区别于维护房间单独进行。
        为收集污水，设置了两个收集罐，分别用于相对“脏的”和相对“干净的”特排系统，他们是可相互替换的。
        专用厂房特排系统设计时分为相对“脏的”和相对“干净的”污水特排系统。不需要维护的房间装有相对“脏的”特排管线；需要人员经常维护的房间设有相对“干净的” 污水特排管道。定期维护的房间特排系统定为工作房间或可能被污染的房间。未规定对进入特殊管'线的放射性活度进行检查。控制区的自流污水管网，顺着敷设在“脏”管沟中的集流管，排入核岛厂房特排系统的罐中。
        专用生活厂房卫生通道卫生通道的淋浴水通过自流管道系统排入淋浴水监测槽中，经过放射性监测确定其去向。超标淋浴水需在专用洗衣房水处理系统经臭氧处理装置、蒸发装置、再蒸发装置以及后续的过滤器处理后复用。若放射性活度浓度低于排放限值，则送往非放淋浴水处理装置。
        2.3源项
        根据选址阶段的环境影响报告书及运行经验估计，三明核电一期两台BN-800机组一年产生的各类水源项如下：
        （1）核岛厂房地漏水
        ——乏燃料组件冲洗水：300m3/a，3X107Bq/kg；
        回路设备冲洗水：1000m3/a，107Bq/kg；
        ——防护室中操作用水：lOOm’/a，3.7X107Bq/kg；
        ——放射性化学实验室用水：150m3/a，3.7X106Bq/kg；
        ——厂房/机加车间控制区冲洗用水：300m3/a，6X104Bq/kg；
        ——卫生通道和洗脸池和其它的低放射性水：2550m3/a，3.7X 103Bq/kgo 以上废水共计4400n）3/a。
        （2）专用厂房地漏水
        专用厂房的地漏放射性水：2700m3/a，104Bq/kgo
        （3）专用生活厂房地漏水
        专用生活厂房的地漏放射性水：4400m3/ao
        （4）专用厂房的洗衣水
        专用厂房的洗衣水：lOOOOm'/a。
        （5）专用生活厂房的超标淋浴水
        专用生活厂房的超标淋浴水：500m3/a（估计）。
        其中，核岛厂房、专用厂房和专用生活厂房的地漏水合计约11500m3，经过地漏水净化系统进行处理；专用厂房的洗衣水和专用生活厂房的超标淋浴水合计约10500m3，依次经专用洗衣房水臭氧处理系统和专用洗衣房水净化系统进行处理。
        2.4废水处理
        地漏水净化系统用于处理含盐的液态放射性介质，主要包括去污水、再生水、清洗水和污水，处理后的水主要用于清洗设备和房间、制备去污和再生溶液。系统处理能力为3.5〜6t/h，对放射性核素的净化系数不低于10、净化过的蒸馅水用于二次厂用。
        专用洗衣房水处理系统主要用于处理超标淋浴水和洗衣水。为了防止蒸发装置泡沫增加和稳定工况，在处理专用洗衣房水和超标淋浴水时设计专用的预先臭氧处理装置，该装置能酸化清洗溶液表面的活性物质，使其成为碳酸，可减少泡沫形成。蒸发装置和再蒸发装置运行产生的蒸发冷凝水在去脂过滤器和离子交换过滤器中进行再净化。专用洗衣房水处理系统处理能力为3.5〜6t/h。本系统的主要工艺设备与地漏水净化系统相同，可互为备用。
        专用洗衣房水处理系统蒸发运行产生蒸发残渣和蒸发冷凝水，蒸发残渣经水泥固化形成可处置的包装体，蒸发冷凝水经检测剂量率合格后送往化学水净化系统，净化后的水用在核电厂三回路中。
        2.5净化水复用
        本项目产生的净化水考虑全部复用。根据中国示范快堆工程预先设计文件，地漏水经过处理后产生的净化水可全部用于产生这些地漏水的系统，即用于第4.3节中提及的乏燃料冲洗、一回路设备冲洗、防护室中操作用水、放射性化学实验室用水、厂房/机加车间控制区冲洗用水、卫生通道、专用厂房和专用生活厂房等相关系统用水的补给。洗衣水和超标淋浴水经过净化处理后作为化学水净化系统的补给水进行复用，经过化学水净化系统后用于三回路中。
        3容量分析
        3.1水平衡估算
        地漏水放射性活度浓度相对较高，经过一段时间的贮存衰变后，短周期的核素大量减少，放射性活度水平迅速降低。根据目前核电厂的运行经验，两级蒸发装置综合浓缩倍数按照200计算，加上处理过程中二次蒸汽不完全凝结等其它损耗，预计废水收集、处理过程中水损耗约为2%。超标淋浴水和洗衣水放射性活度浓度相对较低，蒸发处理浓缩倍数较高，按照平均浓缩倍数350 ih加上处理过程中二次蒸汽不完全凝结、臭氧处理过程等其它损耗，预计废水收集、处理过程中水损耗约为1.5%。
        根据预先设计文件，净化水可用于给产生地漏水的系统补水，超标淋浴水和洗衣水处理产生的净化水用于给化学水净化系统补水，并最终用于三回路中。由于BN-800快堆三回路相当于压水堆机组的二回路，调研秦山核电、大亚湾核电的运行情况得知单机组二回路泄漏率和蒸发器排污约为二回路总水量的1%左右，因此二回路补水量为22~ 50m3/ho取三明核电单台BN-800机组三回路水损耗为22m3/h，按照年正常运行300天计，两台机组的三回路每年需补水约320000m3，远大于处理超标淋浴水和洗衣水所产生的净化水量。因此，产生的净化水只要满足相关系统补水水质要求就可以完全复用。
        根据上述计算条件，可形成放射性水收集、处理、复用平衡图如下。

        3.2结论
        由图1可见：
        （1）全厂放射性排水处理后产生的净化水可全部实现厂内复用。与压水堆不同，BN-800钠冷快堆运行过程不产生笊和碳-14等难以去除的核素，净化水的比活度很低，这使得净化水全部复用成为可能。
        （2）预先设计文件对净化水复用途径的设计是合理的。一方面，净化水不送往洗衣房复用，避免工作人员产生心理恐慌；另一方面，“多余的”净化水能在化学水净化系统全部复用。
        （3）蒸发过程产生的残渣约87.5m3，如采用水泥固化进行处理，每年将产生400L的水泥固化体约438桶。
        （4）蒸发器处理能力为3.5〜6t/h，按照年正常运行200天计，单套处理装置•年处理的放射性废水不低于16000m3，均满足相应废水的处理要求。
        （5）考虑到化学水净化系统需水量大，复用水槽设计总容量300m3满足电厂净化水收集、复用要求。
        因此，三明核电 BN-800快堆放射性废水净化、固化容量满足废水处理要求，净化水可全部回收、厂内复用，可以实现“放射性废液零排放”。
        3.3建议
        （1）由于源项中核岛厂房地漏水活度浓度水平很高，经贮存衰变后蒸发浓缩倍数仍然有限，导致蒸发残渣量大，经估算预计两台BN-800机组年产生175n?的水泥固化体，该值远大于目前国内在运核电厂。建议在后续设计过程中，进一步核实各类水的源项，并采用桶内干燥等高减容技术处理蒸发残渣，以降低待处置包装体体积。
        （2）放射性废液除了废水外，还包括其他含有放射性核素的废有机溶剂、废机油等，这些废物的处理方式主要为焚烧和乳化固化，处理过程不会生成洁净溶剂或机油，处理后放射性核素最终包容于废物货包，因此不存在液态形式排放的问题，本研究课题不再另行讨论。
        （3）“放射性废液零排放”是环境保护的有力举措，具有良好的社会效益。另一方面，为了实现净化水全部复用，各类含有放射性核素的排水处理范围广、程度深，处理装置的构建和运行成本高昂，水处理运行产生的后续废物包装体体积较大。建议放射性废物的处理和管控要平衡环境保护、社会效益和企业成本三个方面的因素，既不能防护不力，也不宜“防护过当”。
        参考文献：
        [1] GB 6249-2011核动力厂环境辐射防护规定
        [2] GB 18871-2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准
        [3] GB 8978-1996污水综合排放标准
        [4] GB 5749-2006生活饮用水卫生标准
        [5] HAD401/01核电厂放射性排出流和废物管理
        [6] HAD401/04放射性废物的分类