核电站用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的 核燃料在一种叫“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量 热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器 内产生蒸汽，蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转，电就 源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。这就是 最普通的压水反应堆核电站的工作原理

周顺科 （江苏核电有限公司，江苏连云港，222042）
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
Abstract The article introduced the design function of radwaste solidification system of TNPS first phase 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 improvement ideas to TNPS second phase project.
Key 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Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ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Ⅰ型和Ⅳ型混凝土桶，其中装载的固化体体积只占47.5%～40%，其它52.5%～60%的体积实际是混凝土的体积。如果采用Ⅱ型和Ⅲ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Ⅰ型和Ⅳ型混凝土桶，未采用壁厚较大的Ⅱ型和Ⅲ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 Ⅰ型 1.40 1.10 0.15 1.3 Ⅱ型 1.40 0.8 0.3 1.3 Ⅲ型 1.40 0.6 0.4 1.3 Ⅳ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 Ⅰ型 Ⅱ型 Ⅲ型 Ⅳ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Ⅰ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%，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 mm，壁厚为1.2～1.25 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280×0.475/0.93=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： 143÷0.2=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： 840 000－250 250 = 589 750（元） 将近60万元。
2）可以节省的废物包处置费用 广东核电合营有限公司曾经对废物包的处置费用进行过测算，考虑废物处置场的建设费、处置场的运行和管理费（包括废物运输费，工作人员劳务费和维修、动力费用）和处置场关闭后建造覆盖层费用以及长期监视维护费用，1 m3废物包的处置总费用约需1.3万元。根据这一测算，采用混凝土桶固化方案处置每台机组每年所产生的废物所需的废物处置费为： 280 m3×1.3万元/ m3=364万元 而采用200 L钢桶固化方案处置每台机组每年所产生的废物所需的废物处置费为： 143 m3×1.3万元/ m3=185.9万元 因此，与混凝土桶固化方案相比，采用200 L钢桶固化方案每台机组每年可节省的废物处置费为： 364–185.9 =178.1（万元）
3）可以节省的总费用 本处所述可以节省的总费用仅仅是上述两项费用之和，不包括由于采用200 L钢桶方案使所需的固化系统设备的规模减小、造价降低而节省的项目投资等费用（因为不了解相关设备的相应的合同价格，所以不对此进行计算）。 采用混凝土桶固化方案每台机组每年所需的总费用为： 84＋364=448（万元） 采用200 L钢桶固化方案每台机组每年所需的总费用为： 25＋185.9 = 210.9（万元） 因此，仅考虑废物桶的购置费和废物处置费两项，采用200 L钢桶固化方案每台机组每年可以节省的总费用为： 448－210.9 = 237.1（万元）
两台机组每年可以节省将近500万元的费用（474.2万元）。 如果再考虑200 L钢桶固化方案所需的系统设备的

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