AP1000與CPR1000放射性廢液處理系統(tǒng)的比較研究

邱志超

摘? ?要：AP1000與CPR1000在放射性廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上存在較大差異。本文從設(shè)計(jì)思路、處理模式、處理工藝等方面對(duì)兩者進(jìn)行了比較研究。CPR1000放射性廢液處理系統(tǒng)基本延用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和處理工藝，凈化效果更佳，但仍存在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺陷，如采用系統(tǒng)復(fù)雜且維護(hù)困難的蒸發(fā)濃縮工藝。相比之下，AP1000放射性廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念更先進(jìn)，采用單機(jī)組設(shè)計(jì)與全廠址共用相結(jié)合的處理模式及以離子交換為核心的處理工藝，兼顧了安全、經(jīng)濟(jì)、高效等多方面的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：AP1000? CPR1000? 放射性廢液處理系統(tǒng)? 蒸發(fā)濃縮? 離子交換

中圖分類號(hào)：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（a）-0094-03

核電廠在運(yùn)行和檢修期間都會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的放射性廢液。為保證這些廢液達(dá)標(biāo)排放，避免對(duì)公眾、環(huán)境造成不利影響，核電廠均設(shè)計(jì)有放射性廢液處理系統(tǒng)。核電廠采用的技術(shù)路線不同，放射性廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也會(huì)有所不同。本文選取AP1000與CPR1000這兩種國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的核電廠，從設(shè)計(jì)思路、處理模式、處理工藝與設(shè)備等方面對(duì)它們的放射性廢液處理系統(tǒng)進(jìn)行了比較研究。

1? AP1000放射性廢液處理系統(tǒng)

AP1000放射性廢液處理系統(tǒng)（WLS）設(shè)計(jì)用于控制、收集、處理、輸送、儲(chǔ)存和排放處置電廠正常運(yùn)行及預(yù)期運(yùn)行事件下產(chǎn)生的放射性廢液。系統(tǒng)預(yù)留設(shè)計(jì)接口，對(duì)異常工況（如燃料包殼破損率≥0.25%或蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂）產(chǎn)生的放射性水平較高的廢液，可通過接入廠址廢物處理設(shè)施SRTF的移動(dòng)式處理設(shè)施進(jìn)行處理[1]。

WLS系統(tǒng)為單機(jī)組設(shè)計(jì)。多機(jī)組共用同一廠址時(shí)，每臺(tái)機(jī)組都需要獨(dú)立的WLS系統(tǒng)，同時(shí)共用SRTF處理化學(xué)成分復(fù)雜、放射性水平高的極少部分廢液。

AP1000核電廠產(chǎn)生的放射性廢液主要包括四類：反應(yīng)堆冷卻劑流出液、地面和設(shè)備疏水、洗滌劑廢液和化學(xué)廢液。這些廢液均采用不復(fù)用的處理方式，但對(duì)于不同類型的放射性廢液，處理工藝各有不同。

1.1 反應(yīng)堆冷卻劑流出液

含硼和氫的反應(yīng)堆冷卻劑流出液來自兩路：化容系統(tǒng)CVS下泄流和反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱，這兩路廢液共用CVS下泄管線。CVS下泄流主要由反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)加熱、硼濃度變化和RCS回路疏水運(yùn)行所產(chǎn)生。反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱用于接收各類安全殼內(nèi)一回路系統(tǒng)和設(shè)備的泄漏水和疏水。

所有反應(yīng)堆冷卻劑流出液，都可能含氫和溶解性的放射性氣體。因此，在進(jìn)入流出液暫存箱之前，需通過真空脫氣裝置脫氣。脫除的溶解氫和裂變氣體排往放射性廢氣處理系統(tǒng)，脫氣塔排放泵將流出液送到指定的流出液暫存箱中。流出液暫存箱內(nèi)液體可循環(huán)取樣，送回真空脫氣裝置進(jìn)一步脫氣，或經(jīng)CVS補(bǔ)水泵送回反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，或經(jīng)化學(xué)絮凝、前過濾器、離子交換床（共4臺(tái)）和后過濾器進(jìn)一步處理，之后通過監(jiān)測(cè)箱取樣和稀釋排放[1]。

1.2 地面和設(shè)備疏水

具有潛在高懸浮固體顆粒雜質(zhì)的地面和設(shè)備疏水收集在廢液暫存箱中。廢液暫存箱可通過添加化學(xué)試劑改善過濾和離子交換處理性能。當(dāng)廢液暫存箱充滿后，廢液暫存箱泵將廢液輸送往系統(tǒng)處理，處理方法除無化學(xué)絮凝外，同反應(yīng)堆冷卻劑流出液的一致[1]。

1.3 洗滌劑廢液

洗手廢液箱收集所有含有肥皂水和洗滌劑的放射性廢液，主要包括電廠熱去污水槽、洗手槽、熱淋浴器和一些清洗、去污工藝。洗手廢液不適合用活性炭和離子交換樹脂處理。這類廢液可能含有較高的溶解性固體顆粒，但通常放射性濃度很低，可不經(jīng)處理直接監(jiān)測(cè)排放。如有必要，洗滌劑廢液由特殊的屏蔽箱體送往SRTF或由SRTF的移動(dòng)式處理設(shè)施來處理[1]。

1.4 化學(xué)廢液

化學(xué)廢液收集在化學(xué)廢液箱內(nèi)，產(chǎn)生量很少，主要來自放化實(shí)驗(yàn)室水槽疏水。這類廢液只收集而不進(jìn)行處理。在化學(xué)廢液箱中添加化學(xué)試劑調(diào)節(jié)pH值等化學(xué)性質(zhì)。如果放射性濃度能滿足排放要求，則將其中和后送入監(jiān)測(cè)排放管線進(jìn)行排放，否則通過屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器將其送往SRTF進(jìn)行處理[1]。

2? CPR1000放射性廢液處理系統(tǒng)

CPR1000對(duì)放射性廢液的分類包括可復(fù)用廢液和不可復(fù)用廢液，分別采取不同的收集、處理方法[2]。

2.1 可復(fù)用廢液的處理方式

可復(fù)用廢液由硼回收系統(tǒng)TEP進(jìn)行處理，廢液來自化容系統(tǒng)RCV和核島排氣和疏水系統(tǒng)RPE的含氫反應(yīng)堆冷卻劑?？蓮?fù)用廢液處理方法如下圖所示：TEP的前置貯存、過濾除鹽和除氣子系統(tǒng)設(shè)有2個(gè)獨(dú)立系列，各服務(wù)于一臺(tái)機(jī)組，有連接管道可相互備用，其余部分為兩臺(tái)機(jī)組共用。

過濾器為細(xì)網(wǎng)眼機(jī)械過濾器;除鹽裝置由陽床和混床組成。陽床用以去除陽離子雜質(zhì)，并對(duì)銫具有高選擇性能和較好的攔截能力?；齑簿哂休^徹底地去除弱堿性陰離子的能力。脫氣裝置用來去除溶解在排出液中的氫、裂變氣體和其他氣體，采用熱力除氣法，熱源來自輔助蒸汽。

蒸發(fā)裝置通過熱力蒸餾的方式，將可復(fù)用的一回路排水分離成硼含量低于5×10-6，氧含量低于0.1×10-6的蒸餾水和硼含量為7000×10-6的濃硼酸溶液，分別送往蒸餾液和濃縮液監(jiān)測(cè)槽，取樣合格后重復(fù)利用[2]。

2.2 不可復(fù)用廢液的處理方式

不可復(fù)用廢液由廢液處理系統(tǒng)T E U進(jìn)行處理，廢液來自于幾部分：

（1）工藝排水箱：接收不能回收的一回路冷卻劑的泄漏水、設(shè)備疏排水、樹脂沖洗水、T E P系統(tǒng)不能回收的濃縮液和固體廢物處理系統(tǒng)廢樹脂清洗水等;

（2）地面排水箱：接收地面疏排水和洗衣房排水;

（3）化學(xué)排水箱：接收化學(xué)取樣和實(shí)驗(yàn)室廢水。

TEU為上述廢液提供獨(dú)立的前端貯存、檢測(cè)和處理。TEU將高放廢液與低放廢液分開處理，低放廢液可經(jīng)過濾后直接排放，而高放廢液的化學(xué)含量低時(shí)，經(jīng)過除鹽處理，如果化學(xué)含量高，則進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，蒸發(fā)器的工作原理和TEP系統(tǒng)相類似，濃縮液送往固體廢物處理系統(tǒng)TES固化和裝桶。TEU系統(tǒng)包括六個(gè)單元：前貯存單元、化學(xué)中和單元、蒸發(fā)凈化單元、除鹽凈化單元、過濾凈化單元、監(jiān)測(cè)排放單元，為兩臺(tái)機(jī)組共用。

化學(xué)中和單元由兩套相同的裝置組成：一個(gè)用作酸中和，另一個(gè)用作堿中和。采用的分別是硝酸和氫氧化鈉溶液。氫氧化鈉溶液可以保證廢液在蒸發(fā)器中蒸發(fā)濃縮后，常溫下不致結(jié)晶。硝酸和氫氧化鈉溶液用于調(diào)節(jié)廢液貯存箱中的酸堿度，從而增加濃縮液的溶解度，改善廢液的質(zhì)量，以利于水泥固化;同時(shí)，可以為直接排放的廢液調(diào)節(jié)pH值，使其在可接受的排放限值以內(nèi)[2]。

3? 兩種放射性廢液處理系統(tǒng)的比較分析

3.1 設(shè)計(jì)思路的差異

除專設(shè)安全系統(tǒng)、建造模式等外，AP1000與CPR1000在堆芯設(shè)計(jì)、反應(yīng)堆控制方式、廠房布置等方面也有較大差異。這些決定了兩者在放射性廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路上同樣存在較大差別。

3.1.1 反應(yīng)堆冷卻劑流出液的處理

對(duì)于反應(yīng)堆冷卻劑流出液，CPR1000延用傳統(tǒng)壓水堆核電廠的處理方式，即由硼回收系統(tǒng)采用蒸餾的方式回收濃硼酸，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)復(fù)用。而AP1000在設(shè)計(jì)上取消了硼回收系統(tǒng)，采用反應(yīng)堆冷卻劑流出液不予回收的運(yùn)行方式。這一設(shè)計(jì)特點(diǎn)決定了APl000的WLS系統(tǒng)必須承擔(dān)此類廢液的處理，使WLS系統(tǒng)需要處理的廢水量更大，但成熟高效的脫氣、過濾、離子交換工藝保證了良好的處理效果。

3.1.2 處理模式與系統(tǒng)布置

CPR1000放射性廢液處理系統(tǒng)中除TEP系統(tǒng)的前置貯存、過濾除鹽、除氣三個(gè)單元為單機(jī)組獨(dú)立設(shè)置外，其他處理單元均設(shè)計(jì)為兩臺(tái)機(jī)組共用。此外，CPR1000所有的放射性廢液處理工藝都布置在核島區(qū)域。

AP1000放射性廢液的處理模式設(shè)計(jì)為單機(jī)組獨(dú)立設(shè)置與全廠址共用相結(jié)合。多機(jī)組共用同一廠址時(shí)，每臺(tái)機(jī)組都需要獨(dú)立的WLS系統(tǒng)，處理正常運(yùn)行及預(yù)期運(yùn)行事件下產(chǎn)生的放射性廢液，廠址所有機(jī)組同時(shí)共用獨(dú)立的離島子項(xiàng)SRTF處理異常工況下產(chǎn)生的化學(xué)成分復(fù)雜或放射性水平高的少部分廢液。

AP1000各機(jī)組的WLS系統(tǒng)與SRTF有序配合，不僅簡(jiǎn)化了放射性廢液系統(tǒng)的工藝和布置，提高了設(shè)備利用率，也形成了一系列可觀的共享資源。由于異常工況的發(fā)生概率低，廠址所有機(jī)組只需配備一套移動(dòng)處理設(shè)施，其處理工藝為多個(gè)處理模塊的組合，靈活通用，可滿足任何一臺(tái)機(jī)組的需求[1]。

3.1.3 含油廢液和蒸汽發(fā)生器排污廢液的處理

對(duì)于含油的放射性廢液，CPR1000只在核島相關(guān)區(qū)域收集，尚未設(shè)置專門的處理工藝，而AP1000提供了一定的處理手段。AP1000的WLS系統(tǒng)中，前過濾器內(nèi)的吸油性聚丙烯過濾袋和第一臺(tái)離子交換床頂部的活性炭承擔(dān)了離子交換處理前的油水分離功能。

對(duì)于蒸汽發(fā)生器排污水，AP1000一般由蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)收集處理，當(dāng)出現(xiàn)蒸汽發(fā)生器傳熱管泄漏導(dǎo)致二回路放射性不合格時(shí)，蒸汽發(fā)生器排污水將被轉(zhuǎn)送至WLS系統(tǒng)處理并排放。而在CPR1000中，蒸汽發(fā)生器排污水無論放射性是否合格均暫存到常規(guī)島廢液排放系統(tǒng)的儲(chǔ)存槽，槽內(nèi)廢液最終都轉(zhuǎn)至放射性廢液處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，這無疑增加了系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷和廢物處理量，不符合廢物最小化原則[3]。

3.2 處理工藝的比較

可以看出，無論是AP1000還是CPR1000，放射性廢液的處理工藝都是多種方法的聯(lián)合應(yīng)用，但核心處理工藝有根本區(qū)別，AP1000為離子交換，CPR1000為蒸發(fā)濃縮。

理想的放射性去污工藝包括三項(xiàng)要素：最大的去污因子和濃縮倍數(shù)、最少的二次廢物和最小的受照劑量和環(huán)境影響。就第一項(xiàng)而言，蒸發(fā)濃縮法優(yōu)于離子交換法，但后兩項(xiàng)上明顯差于離子交換法。蒸發(fā)濃縮法的去污因子和濃縮倍數(shù)均比離子交換法高一個(gè)以上數(shù)量級(jí)，凈化效果更佳，但所使用的蒸發(fā)器體積大、復(fù)雜、昂貴，而且維護(hù)要求高，同時(shí)需考慮人員的輻射防護(hù)問題。另外，蒸發(fā)的殘?jiān)ɑ驖饪s液）還會(huì)產(chǎn)生更多的放射性固體廢物。美國(guó)URD文件已經(jīng)不允許輕水堆核電廠使用蒸發(fā)處理工藝[1]。

對(duì)于核電廠所產(chǎn)生的放射性廢液（基本上是低、中放），離子交換法比蒸發(fā)濃縮法更適用。但對(duì)于異常工況下產(chǎn)生的放射性水平較高的廢液，AP1000主要依靠臨時(shí)接入的移動(dòng)處理設(shè)施，能否進(jìn)行有效處理，需待依托項(xiàng)目運(yùn)行驗(yàn)證。

3.3 放射性物質(zhì)排放的比較

由下表可看出，AP1000雖然不復(fù)用放射性廢液，但由于正常運(yùn)行期間放射性廢液的產(chǎn)生量較小，所以放射性物質(zhì)的排放量并不高，部分核素的排放量相比CPR1000還要低一些[2]。

3.4 濕廢物產(chǎn)生量的比較

由下表可看出，AP1000由于沒有采用蒸發(fā)濃縮法，不產(chǎn)生蒸發(fā)濃縮液，濕廢物產(chǎn)生量明顯低于CPR1000。此外，CPR1000廢液處理系統(tǒng)的蒸發(fā)裝置的日常維修活動(dòng)還會(huì)增加額外的干廢物[2]。

4? 結(jié)語

經(jīng)比較，CPR1000放射性廢液處理系統(tǒng)基本延用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和處理工藝，凈化效果更佳，但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺陷仍然存在，如采用系統(tǒng)復(fù)雜且維護(hù)困難的蒸發(fā)裝置。相比之下，AP1000放射性廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念更先進(jìn)，兼顧了安全、經(jīng)濟(jì)、高效等多方面的優(yōu)勢(shì)，采用單機(jī)組設(shè)計(jì)與全廠址共用相結(jié)合的處理模式及以離子交換為核心的處理工藝，取消了硼回收系統(tǒng)和蒸發(fā)裝置，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)和設(shè)備，同時(shí)明顯減少了廢物產(chǎn)生量，提高了設(shè)備利用率，但由于依托項(xiàng)目機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間不長(zhǎng)，革新型設(shè)計(jì)理念和處理效果需在運(yùn)行實(shí)踐中加以驗(yàn)證。

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