丁爽
福建福清核电有限公司 福建省福清市 350318
摘要：国内核电厂的放射性固体废物处理广泛采用水泥固化技术，其中放射性废树脂是产量最大的工艺废物之一，其固化工况相较其他工艺废物更为复杂。对于核电厂放射性废物处理工艺，如何在多种工况下保证实际产生的水泥固化体始终与理论配方一致，是需要设计人员和运行人员共同思考的问题。本报告通过对水泥固化配方的实际应用过程分析研究，探讨废树脂水泥固化工作开展中存在的疑难问题，并给出建议，以实现不同工况下废树脂水泥固化配方的准确配比，保证实际废树脂固化产物的性能稳定、可靠。
关键字：水泥固化技术；放射性废物处理；放射性废树脂
1.前言
国内核电站普遍采用水泥固化技术处理低、中水平放射性固体废物，其中水泥固化配方对于放射性废物固化体的性能表现至关重要。核电厂工程应用中，如何选用合适的方法使得固化体实际配比尽可能符合水泥固化配方要求，是提高废物固化体性能水平的关键之一。
2.废树脂水泥固化配方解析
废树脂处理普遍采用水泥固化技术，简单来讲就是按指定配方将废树脂与固化材料（水泥、石灰、添加剂等）按比例混合搅拌，最终形成稳定的废树脂水泥固化体。通常废树脂水泥固化配方中都会包含水泥、石灰、添加剂、水、废树脂源项、废物包容率、水灰比等详细数据。
水灰比：即水和水泥的比值，水灰比过低，则水泥混合搅拌困难，固化体均匀性差；水灰比过高，则树脂与水泥浆可能会分离并出现较多游离水。
氢氧化钙：压水堆废液中存在的硼酸（H3BO3）和硼酸根离子（B4O72-）有延缓水泥凝固的作用，需通过添加氢氧化钙进行克服以改进固化体性能。理论上氢氧化钙的添加量应和废物源项中的含硼量呈正相关。
废物包容率：单位体积固化体中的废物体积，废物包容率越高，意味着同体积废树脂产量下的最终废物产量越小，固化后的经济效益越高。
为了实现配方中的物料配比，需设计多个工艺环节、设备，以实现对各类物项的准确计量。除此之外，由于废树脂本身性状的一些特殊性，实际固化生产过程中尚存在部分疑难需要具体分析：
(1)固化配方中氢氧化钙的添加针对的是含硼树脂，需考虑不同阴阳树脂比例下的树脂含硼状态变化以及工艺系统环境硼浓度对固化体性能的影响。
(2)不同废树脂的含水率可能存在差异，将影响到实际固化时的水灰比计算、固化体流动性。
(3)根据固化线生产工况需求，实际的废树脂包容率会有所波动，需考虑废树脂包容率不同对固化体性能造成的影响。
3.废树脂含硼量影响
通常认为废树脂水泥固化配方中Ga(OH)2的添加量仅与树脂本身含硼量呈正相关，以抑制硼酸（H3BO3）和硼酸根离子（B4O72-）对水泥浆的缓凝作用，改善固化体性能。
实际工艺系统中同时包含了阳树脂与阴树脂，阳树脂理论上含硼量近似等于零；阴树脂含硼量则为29.5%（引用自某配方研制报告），由此导致实际生产时视具体的阴阳树脂比例变化，固化体中的钙硼比例会有所波动。
故为保证工程应用时固化效果尽量稳定，一方面调试试验时采用的阴阳树脂比例应尽量符合平均工况条件；另一方面实际工程应用时，应尽量保持阴阳树脂比例在合理区间（1/2至2/1之间），避免极端工况比例出现。除此之外，以M310机组为例除盐床树脂的整体环境硼浓度通常在2100-2500ppm之间。这部分多余的环境含硼量不在配方计算范围内，一旦进入固化过程中将引起实际含硼量上升。
针对上述情况，为了排除不同阴阳树脂比例以及工艺系统环境含硼量对固化体性能的影响，运行部门可以采取以下措施。
(1)废树脂从工艺系统排至下游废树脂贮槽的过程中，应使用除盐水冲洗废树脂，稀释、替换环境中的含硼水，降低环境硼浓度对固化体的影响，使固化生产时仅有树脂本身包含的硼酸。
(2)阳树脂含硼率几乎为零，运行阶段应尽可能避免出现全部阳树脂的极端混合比例。
当下游废树脂贮槽内仅有阳树脂时，应对阳树脂进行暂存，待其他类型的废树脂失效时一起排入，形成混合树脂后再固化处理。
(3)长期贮存的废树脂在水泥固化开始前需通过压缩空气、除盐水进行反冲，避免单一类型树脂长期贮存过程中出现分层现象。
(4)长期运行状态下核电厂产生的阴、阳树脂比例应逐渐趋近于设计值，故调试试验时应采用贴近工艺系统设计值的阴阳树脂比例或采取多种阴阳树脂比例开展试验，以充分验证配方性能。
4.废树脂含水率影响
水泥固化配方中水灰比W/C是最重要的参数之一，无论源项、材料、工艺流程如何变化，水灰比应始终保持不变。“灰”的质量包括水泥、矿物类添加物；“水”的质量包括系统计量的除盐水、废树脂含水。实际应用时，水泥、添加物、除盐水的变化均可通过计量设备直接测量，但废树脂含水率变化则相对复杂。
计算脱水树脂含水率时，先称重干燥状态的树脂质量，将称量后的树脂进行充分浸泡湿润，随后将浸泡后的树脂置于滤网上，利用重量完成自脱水。对比脱水前后树脂增加的重量，即为脱水树脂中残留的含水量。根据脱水树脂含水率数据，运行人员在实际固化时调整补充的计量水量，保持实际水灰比和配方要求一致。
当废树脂水泥固化体流动性出现明显变化时，运行人员在排除其他因素后应考虑到是否为树脂含水率发生了明显变化。
5.废树脂包容率影响
国内电厂的废树脂固化配方废物包容率通常在30%到45%之间，理论上在保证水泥固化体性能的前提下，废物包容率越高越好。这里必须考虑到废物包容率过高情况下的固化体自屏蔽效果降低及废树脂颗粒对固化体强度的影响。
自屏蔽效果：随着单位固化体内的放射性废树脂含量上升，自然会导致固化体的自屏蔽效果下降。
废树脂颗粒：废树脂颗粒在固化基地中会发生溶胀作用，对水泥基材施加伸张压力，如废树脂包容率过高则会显著降低固化体抗压强度，可能导致固化体龟裂或破损。
同一水泥固化配方下，水泥固化体中包含的废树脂量越低则固化体性状越好。为了保证所有废树脂包容率下的固化体性能均符合标准要求，在固化体调试试验时应选择废树脂包容率最高、理论上性能强度测试最差的模式进行取样测试，以向下包络较低废树脂包容率的性能试验结果。
6.总结
通过对废树脂水泥固化配方和核电厂工程实践过程的分析研究，对上述树脂固化存在的问题有以下结论、建议：
(1)阴阳树脂混合比例问题
运行人员应使用通过压缩空气、除盐水反冲等手段尽量保持阴阳树脂比例在合适区间（1/2至2/1），避免极端比例出现。
配方研制、试验过程中应选用符合电厂实际工况的阴阳树脂比例作为源项，或采用不同比例的阴阳树脂开展多组试验。
(2)工艺系统环境含硼问题
废树脂冲排、收集过程中应使用大量除盐水冲洗，稀释、替换含硼水，降低环境含硼对固化体性能的影响。
(3)废树脂含水率问题
配方研制、试验过程中应测量废树脂含水率，并考虑到水灰比计算过程中。
当固化体流动性发生明显变化，特别是当废树脂源项发生较大变化时（如换型），应重新测量废树脂含水率。
(4)废树脂包容率问题
配方研制、试验过程中应在保证固化体性能基础的前提下，尽量提高废树脂包容率。
工程规模的固化体性能试验中，应选取废树脂包容率最高的工艺模式进行取样测试，以充分证明配方可靠性。
7.参考文献
[1]废离子交换树脂的优化处理，罗上庚，《核科学与工程》2003年第23卷第2期。
[2]核电厂低中放废树脂处理工艺，陈斌，《辐射防护通讯》2010年第30卷第1期。