劉新華,鄧治國,張志銀,王曉亮,劉建輝,熊章輝,葉欣楠, 姚沛林,朱 好,陳 誠,邢 磊,楊永春
(1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082;2.中核遼寧核電有限公司,遼寧 興城 125100;3.中國核電工程有限公司,北京 100840)
本文以冀東核電廠址和國內(nèi)某典型內(nèi)陸廠址為例,從液轉氣排放源項、排放工藝和環(huán)境影響評價等方面,探討內(nèi)陸核電廠液態(tài)流出物液轉氣排放的可行性,為我國缺乏受納水體區(qū)域核電廠的選址、建設和監(jiān)管提供參考。
結合國內(nèi)核電廠規(guī)劃情況,本文主要針對“華龍一號”(HPR1000)和AP1000兩種堆型進行分析。
對于“華龍一號”堆型,本文取0.1 GBq/t的131I當量作為一回路冷卻劑現(xiàn)實源項[3,4],采用這套源項對應的一回路核素譜計算現(xiàn)實排放量。
廢液處理系統(tǒng)工藝方案為“過濾+節(jié)能蒸發(fā)+離子交換”,或者“絮凝注入/活性炭吸附+離子交換+超濾+反滲透+節(jié)能蒸發(fā)”。硼回收系統(tǒng)工藝方案為“過濾+除鹽+熱力除氣+蒸發(fā)”。相比于沿海廠址“華龍一號”電廠,本文的研究增加了廢液處理系統(tǒng)和硼回收系統(tǒng)的處理工藝,以提高去污因子。
“華龍一號”液轉氣排放源項計算結果如下:現(xiàn)實工況下核島液轉氣廢液排放體積為7 250 m3/a.機組,除氚和14C外其余核素的排放量為3.81×107Bq/a.機組,排放濃度為5.3 Bq/L。
對于氚和14C,由于其特殊的化學性質,現(xiàn)有的處理工藝不能去除廢液中的氚,對于14C的去除作用也十分有限。因此在計算排放量時,保守的認為一回路冷卻劑中產(chǎn)生的氚和14C全部通過液轉氣途徑排放到環(huán)境中。氚和14C的排放量(見表1)。
表1 液轉氣廢液排放體積和排放量
對于AP1000堆型,現(xiàn)實工況下一回路冷卻劑、二回路冷卻劑液相和汽相中的主要核素濃度取自ANSI/ANS 18.1—1999[5],由于134Cs和137Cs等核素的活度濃度未能包絡美國核電廠2001—2004年間的運行數(shù)據(jù),對于這些核素的活度濃度仍然取ANSI/ANS 18.1—1984[6]中的數(shù)據(jù)。
廢液處理系統(tǒng)工藝方案為“過濾+離子交換+節(jié)能蒸發(fā)”,或者“超濾+反滲透+連續(xù)電除鹽+離子交換+蒸發(fā)”。相比于沿海廠址AP1000電廠,本文的研究增加了廢液處理系統(tǒng)處理工藝,以提高去污因子。AP1000堆型無硼回收系統(tǒng)。
AP1000液轉氣排放源項計算結果如下:現(xiàn)實工況下核島液轉氣廢液排放體積為2 945 m3/a.機組,除氚和14C外其余核素的排放量為1.38×107Bq/a.機組,排放濃度為4.7 Bq/L。氚和14C的排放量,參見表1。
兩種堆型放射性廢液經(jīng)處理后,除氚和14C外其余核素的排放濃度均小于10 Bq/L,也小于GB 6249—2011中規(guī)定的內(nèi)陸核電廠排放濃度限值(100 Bq/L)。
本節(jié)以冀東核電廠址為例,對空冷塔、天然蒸發(fā)池、水冷塔、煙囪、單建排放設施、中水蓄水池蒸發(fā)排放與空冷塔排放結合,共六種可能的液轉氣排放方案進行介紹。
本文以“華龍一號”和AP1000堆型作為設計依據(jù),以兩種堆型電廠核島液態(tài)流出物排放系統(tǒng)為設計接口。對于需要進行液轉氣排放的廢液體積,根據(jù)第2節(jié)的研究并參考國內(nèi)電廠運行數(shù)據(jù),按照單臺機組10 000 m3設計,可滿足“華龍一號”和AP1000兩種堆型廢液排放量要求。本節(jié)研究中全廠址按建設4臺機組考慮,液轉氣排放廢液總量取40 000 m3/a。
對于水資源短缺地區(qū),為了節(jié)約用水,核電廠常規(guī)島冷卻系統(tǒng)可采用帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)。結合場地布置條件,冀東核電廠址采用“一機兩塔”的空冷塔布置方案。
液態(tài)流出物通過排放泵從排放系統(tǒng)貯槽內(nèi)有控制地輸送至空冷塔內(nèi)的排放裝置,在空冷塔內(nèi)壁高于散熱器位置(距地面約50 m高)設置噴霧排放裝置,噴嘴斜向上安裝。液態(tài)流出物通過霧化輔助裝置霧化后分散到塔內(nèi)空氣中,利用塔內(nèi)與外界環(huán)境比較相對較高的溫度、較大的風速以及霧化后巨大的氣液接觸面積,完全蒸發(fā)為氣態(tài),并通過空冷塔出風口排入大氣環(huán)境,工藝簡圖如圖1所示。
圖1 空冷塔液轉氣排放工藝簡圖Fig.1 Schematic of liquid-to-gasconversion discharge via air cooling tower
計劃在兩座空冷塔內(nèi)安裝霧化裝置實現(xiàn)液轉氣蒸發(fā)排放,一用一備。利用冀東廠址區(qū)域氣象條件分析,空冷塔內(nèi)全年無結冰,排除降水、大風等不利于蒸發(fā)的天氣影響,保守按全年排放250天計算,單臺機組排放速率為0.5 L/s。利用空冷塔內(nèi)環(huán)境參數(shù)計算得出,廠址區(qū)域如果滿足4臺機組2 L/s的蒸發(fā)速率,大約需要水面蒸發(fā)面積為20 000 m2。為滿足所需的蒸發(fā)面積,至少需要利用噴嘴將流出物霧化成顆粒直徑11 μm。
核電廠液態(tài)流出物經(jīng)過收集后貯存在核島液態(tài)流出物排放系統(tǒng)貯槽內(nèi),待環(huán)境排放條件允許時,通過排放泵有控制地輸送到蒸發(fā)池,再通過自然蒸發(fā)的方式將液態(tài)流出物轉化成氣態(tài)排入大氣。為了保證蒸發(fā)池合理利用,蒸發(fā)池設置高高液位報警與排放泵閥聯(lián)鎖,建立槽式排放系統(tǒng)和蒸發(fā)池注水統(tǒng)一協(xié)調(diào)機制。
根據(jù)排放計劃及冀東核電廠址氣象觀測資料分析,4臺機組核電廠液態(tài)流出物在蒸發(fā)條件相對不好的7~10月蒸發(fā)排放,需要水面面積4.17萬m2。擬在廠區(qū)內(nèi)建設4座天然蒸發(fā)池(3用1備),每座蒸發(fā)池尺寸150 m(長)×100 m(寬)×2 m(深)。每座蒸發(fā)池面積1.5萬m2,總面積6萬m2,總有效容積9.6萬m3。
蒸發(fā)池設計能承受地震應力,排放管道安裝在管溝內(nèi),便于檢查管道的密封性。蒸發(fā)池內(nèi)表面做防滲處理。蒸發(fā)池的四周,特別是在地下水水流方向的下游設置觀測井,抽取不同地層的水樣以便監(jiān)測滲漏情況。本設施設置自動清砂裝置。根據(jù)需要,通過清砂裝置的抓具可將池底積砂包裝后送至極低放固體廢物填埋場處理。池水放射性濃度達到設計限值時,本設施可將天然蒸發(fā)濃縮的池水返回低放廢液蒸發(fā)處理系統(tǒng)進行處理。
國內(nèi)火電廠多采用濕冷系統(tǒng),國內(nèi)外部分核電站的常規(guī)島循環(huán)冷卻水系統(tǒng)也采用帶二次循環(huán)冷卻塔的水冷系統(tǒng)。因此,本方案采用水冷塔實現(xiàn)液轉氣排放。
首先,液態(tài)流出物通過排放泵從排放系統(tǒng)貯槽內(nèi)有控制地輸送至冷卻塔內(nèi)的噴霧排放裝置,液態(tài)流出物通過噴霧排放裝置霧化后分散到塔內(nèi)空氣中,并隨冷卻塔的抽吸作用排入大氣環(huán)境。噴霧排放裝置安裝在配水槽以上(距地面約170 m高),避免受循環(huán)水淋水影響。
排放時,霧化為細小顆粒的流出物與冷卻塔蒸發(fā)水混合,一同排入大氣環(huán)境。霧滴受到的風壓力約為液滴自重的7倍,且排放高度距離塔口較近,因此,液滴很容易被帶出冷卻塔。水冷塔正常運行時蒸發(fā)水量為0.772 m3/s。液態(tài)流出物排放流量為1.268×10-3m3/s。蒸發(fā)水量約為流出物排放流量的600倍,流出物得到了充分的稀釋。由于液態(tài)流出物排放量小,對冷卻塔內(nèi)外的相對濕度影響很小,幾乎可以忽略不計。
對于華龍一號堆型:可通過硼回收系統(tǒng)或廢液處理系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器將液態(tài)流出物轉化為蒸汽,蒸汽經(jīng)凈化后,將蒸汽輸送至核島通風系統(tǒng)的煙囪。核島排風與蒸汽混合吸濕后高架排放。蒸汽排放管道上設置有監(jiān)測儀表,對排放蒸汽進行監(jiān)測和記錄,如監(jiān)測到蒸汽不滿足排放要求,則冷凝后重新送回供料槽重新進行蒸發(fā)。分別在蒸汽輸送管道低點設置疏水閥,在煙囪底部設排水地漏,收集冷凝液返回供料槽重新蒸發(fā)。
對于AP1000堆型:可利用蒸汽發(fā)生器將AP1000液態(tài)流出物轉化為蒸汽,通過核島煙囪進行排放。因為AP1000堆型未設計廢液蒸發(fā)處理裝置,所以要增加3臺3.5 t/h的蒸汽發(fā)生器,蒸汽發(fā)生器放置在核島或者靠近核島的廠房內(nèi)。
“華龍一號”和AP1000核島煙囪均為單堆設計。
本方案可采用霧化和蒸發(fā)兩種排放工藝,將液態(tài)流出物從單建排放煙囪中高架排放。
霧化排放工藝:液態(tài)流出物通過排放泵進入霧化室,經(jīng)噴霧裝置形成均勻細密的小液滴。同時,在引風機的抽吸作用下,空氣慣性除塵后通過加熱器加熱到所需溫度后進入高壓噴霧室。在霧化室內(nèi)高溫空氣與霧化液滴充分混合增濕后,送往排放煙囪高架排放。排放煙囪底部設有集液盤收集冷凝液送往廢液處理系統(tǒng)進行處理。
蒸發(fā)排放工藝:通過單建排放設施內(nèi)的蒸汽發(fā)生器將液態(tài)流出物轉化為蒸汽后排放。蒸汽排放管道上設置有監(jiān)測儀表,對排放蒸汽進行監(jiān)測和記錄,如監(jiān)測到蒸汽不滿足排放要求,則冷凝后重新送回供料槽進行再蒸發(fā)。同時,引風機將空氣經(jīng)慣性除塵、空氣過濾器后引入排放煙囪。分別在蒸汽輸送管道低點設置疏水閥,在煙囪底部設排水地漏,收集冷凝液返回供料槽重新蒸發(fā)。
中水蓄水池用于收集常規(guī)島輔機和廠用水系統(tǒng)機械通風冷卻塔的排污水、廠區(qū)內(nèi)非放射性生產(chǎn)廢水,處理后回收利用。還用于貯存核電廠15天正常生產(chǎn)用水量,同時再生水原水池有效容積滿足停堆后核電廠廠用水系統(tǒng)機械通風冷卻塔30天補水量的要求。中水水質為一級A。中水蓄水池中的中水經(jīng)處理后用于輔機冷卻塔補水、(重要)廠用水系統(tǒng)冷卻塔補水、廠區(qū)綠化、道路澆灑、洗車用水、除鹽水處理廠房等,且一直循環(huán)使用。
“華龍一號”四臺機組中水蓄水池設置兩座,單座中水蓄水池大小為(150×84×9)m,單座有效容積約為11.5萬m3。AP1000四臺機組中水蓄水池設置兩座,單座中水蓄水池大小為(123×95×12.5)m,單座有效容積約為14.5萬m3。運行過程中水蓄水池水位基本保持不變。
根據(jù)計算,中水蓄水池不能完全容納4臺機組同時運行時排放的液態(tài)流出物,剩余的液態(tài)流出物利用空冷塔進行排放。需要建設核島液態(tài)流出物排放廠房到中水蓄水池的管溝和排放管道,同時還需建設一套空冷塔排放系統(tǒng)用于剩余液態(tài)流出物的排放。
六種液轉氣排放方案比較表如表2所示。
表2 六種液轉氣排放方案比較表Table 2 Comparison of six liquid-to-gas conversiondischarge processes
基于第2節(jié)液轉氣排放源項和第3節(jié)液轉氣排放方案,本節(jié)結合冀東廠址氣象、人口分布等環(huán)境條件,分別對6種液轉氣排放方案采用CALPUFF模式進行大氣彌散計算和公眾輻射影響評價。為了對比分析,還開展了某典型內(nèi)陸廠址的液態(tài)流出物直接排放的輻射影響評價。
兩廠址的氣象要素統(tǒng)計值如表3所示。從表3可知,兩廠址的年均風速和靜風頻率相當,低風速出現(xiàn)頻率較高,大于6 m/s的大風出現(xiàn)頻率很低。鑒于兩廠址的降水量差異較大,在計算濕沉積時,根據(jù)年降水量進行了相應的折算。從大氣彌散的角度,某典型內(nèi)陸廠址的氣象條件與冀東廠址相似。
表3 兩廠址氣象要素統(tǒng)計值對比Table 3 Meteorological parameters of two sites
表3中冀東廠址0.5~2.0 m/s的風頻和大于6.0 m/s的風頻,是根據(jù)廠址代表性氣象站青龍站2012—2013年的氣象資料統(tǒng)計得到,其他氣象要素則根據(jù)青龍站自建站至2013年多年氣象觀測值統(tǒng)計得到。某典型內(nèi)陸廠址的氣象要素根據(jù)廠址現(xiàn)場氣象觀測統(tǒng)計計算。
由于冀東廠址與某典型內(nèi)陸廠址的年平均風速低、小靜風頻率高,為了能夠更好地反映低風速下大氣彌散特征,本文采用了美國環(huán)保署推薦的CALPUFF模式來計算氣載放射性流出物及液轉氣的大氣彌散和沉積。該模式經(jīng)過調(diào)試和野外示蹤物實驗驗證,適用于內(nèi)陸風速低、小靜風頻率高廠址的大氣彌散模擬。
CALPUFF是一個多層、多物種、非穩(wěn)態(tài)拉格朗日煙團擴散模式,通過跟蹤從排放源釋放的離散煙團的運行來模擬煙團移動路徑上的擴散、轉化和清除,直至煙團離開模擬區(qū)域。此外,煙團的擴散過程中顯式地考慮氣象條件的時空變化。非穩(wěn)態(tài)擴散的一個重要作用是煙團可以隨著風向的改變而改變移動路徑,煙團在移動過程中響應空間變化的地表特征,如地表粗糙度、土壤含水量等。CALPUFF能模擬從幾十米到幾百公里中等尺度范圍,以及一些非穩(wěn)態(tài)情況(如小靜風、熏煙、環(huán)流、地形和海岸效應等),適合于復雜地形的模擬。CALPUFF模式采用美國地質勘探局(USGS)提供的約90 m分辨率的地形高程資料和900 m分辨率的全球土地覆蓋數(shù)據(jù),以及廠址周圍各氣象站的逐時地面觀測資料和探空資料。
在某典型內(nèi)陸廠址開展了大氣擴散試驗,通過對CALPUFF模式進行本地化修正和改進,將CALPUFF模擬濃度與實測示蹤物濃度進行了對比,結果表明改進后的模式能夠很好地模擬小風條件下煙流的擺動和偏轉,模擬的峰值濃度與實測值吻合很好。表明CALPUFF煙團模式適合于內(nèi)陸小靜風、復雜地形廠址的大氣擴散模擬。
本文針對“華龍一號”和AP1000兩種堆型,計算4臺機組氣載放射性流出物的大氣彌散因子和干、濕沉積因子,以及各種液轉氣方案的大氣彌散因子和沉積因子。針對各方案,選取的模擬區(qū)域為以1號核島煙囪為中心,10 km×10 km及160 km×160 km的兩套區(qū)域。大氣彌散計算的水平網(wǎng)格距分別為50 m和1 km,以更好地模擬近場的高濃度分布,垂直方向自地面至3 000 m不等距地分為10層。
由評價結果可得以下幾點。
(1)由于空冷塔和水冷塔排放高度很高、通風流量大、風速高、空氣出口溫度較高,其對于氣載流出物的排放彌散十分有利,雖然廠址地區(qū)大氣彌散情況較差,但通過空冷塔排放后廠址附近各子區(qū)的大氣彌散因子依然很小,大氣彌散因子最大值出現(xiàn)的方位也較遠,但由于水冷塔還涉及核素在塔內(nèi)的累積、放射性核素與排出塔外霧滴相互作用等不確定因素,還需開展較多的研究加以明確。
(2)天然蒸發(fā)池排放方案為地面排放的面源,受到廠址大氣彌散條件較差的限制,蒸發(fā)池附近的大氣彌散因子較大,氣載流出物的彌散情況較差。
(3)對于利用核島煙囪和單建排放設施排放的方案,其氣載流出物的大氣彌散情況介于空冷塔和蒸發(fā)池排放方案之間,由于擬定的單建排放設施方案的排放口更高,其大氣彌散情況稍好于利用核島煙囪排放方案。
(4)對于通過中水蓄水池排放方案,由于考慮其放射性核素通過廠區(qū)綠化、蓄水池水面蒸發(fā)等途徑排放,所以對其按照地面面源考慮,其大氣彌散情況與天然蒸發(fā)池排放方案相近,但由于目前對于中水蓄水池排放方案中具體在哪些位置會產(chǎn)生蒸發(fā)、通過哪些設冷水的冷卻塔蒸發(fā)排放等參數(shù)不明確,因此其大氣彌散的估算結果還很粗糙。
綜合比較而言,空冷塔和水冷塔排放方案的彌散情況要遠優(yōu)于天然蒸發(fā)池和中水蓄水池排放方案,核島煙囪和單建排放設施排放的方案介于之間。
核電廠運行時,氣載流出物釋放到環(huán)境后對公眾的照射途徑可歸納為:空氣浸沒外照射、地表沉積外照射、吸入空氣內(nèi)照射和食入農(nóng)牧產(chǎn)品內(nèi)照射。液態(tài)流出物釋放到環(huán)境后對公眾的照射途徑可歸納為:飲用水內(nèi)照射,食入農(nóng)牧產(chǎn)品內(nèi)照射,食入水產(chǎn)品內(nèi)照射,岸邊沉積外照射以及游泳、劃船和從事水上作業(yè)時受到的外照射。氣載流出物對公眾造成的輻射劑量的估算采用AIRDOS-EPA程序計算。
對于冀東廠址,根據(jù)目前廠址人口分布情況,計算了六種液態(tài)流出物液轉氣排放對公眾造成的最大個人劑量(見圖2和圖3)。
圖2 冀東廠址液轉氣排放對公眾造成的最大劑量Fig.2 Max public exposure caused by liquid-to-gasconversion discharge around Jidong site
圖2為液態(tài)流出物液轉氣排放部分所致的公眾劑量。圖3為所有氣態(tài)流出物排放所致的公眾劑量,即包括液轉氣排放的氣態(tài)流出物,以及原設計中通過煙囪排放的氣態(tài)流出物所致的公眾劑量。煙囪氣態(tài)流出物排放源項取自設計文件[3,4,6]。
對于選取的某典型內(nèi)陸廠址,根據(jù)目前廠址人口分布情況,計算了三種液態(tài)流出物排放對公眾造成的最大個人劑量(圖4和圖5)。
圖3 冀東廠址所有氣態(tài)流出物排放對公眾造成最大劑量Fig.3 Max public exposure caused by by all gaseouseffluent discharges around Jidong site
圖4 某典型內(nèi)陸廠址液轉氣排放對公眾造成最大劑量Fig.4 Max public exposure caused by liquid-to-gasconversion discharge around a typical inland site
圖5 某典型內(nèi)陸廠址所有氣態(tài)流出物排放對公眾造成的最大劑量Fig.5 Max public exposure caused by all gaseouseffluent discharges around a typical inland site
圖4液態(tài)流出物液轉氣排放部分所致的公眾劑量。圖5為所有氣態(tài)流出物排放所致的公眾劑量,即包括液轉氣排放的氣態(tài)流出物,以及原設計通過煙囪排放的氣態(tài)流出物所致的公眾劑量。為便于比較,圖中還給出了“直排”方案,即液態(tài)流出物直接排入受納水體時對公眾造成的最大劑量。
從圖2至圖5可知,無論是“華龍一號”還是AP1000堆型,廠址四臺機組運行時,若液態(tài)流出物通過液轉氣排放,氣態(tài)流出物通過核島煙囪排放,二者綜合對廠址周圍公眾所致的最大個人有效劑量均遠小于GB 6249—2011中規(guī)定的劑量約束值(0.25 mSv/a)。
(1)通過空冷塔、水冷塔、核島煙囪和單建排放設施進行液轉氣排放后廠址周圍公眾所受到的最大個人有效劑量均低于豁免劑量準則所規(guī)定的10 μSv/a劑量水平,其中空冷塔、和水冷塔排放方案小于1 μSv/a量級,冀東廠址空冷塔排放方案甚至小于0.1 μSv/a。
(2)蒸發(fā)池和中水蓄水池排放方案所造成的公眾最大個人有效劑量超過了解控劑量準則所規(guī)定的10 μSv/a劑量水平,公眾受到的最大個人有效劑量達到了公眾劑量約束值的50%左右,同時如若考慮蒸發(fā)池附近有長期居住的居民的話,其所受到的最大個人有效劑量有可能超過劑量約束值的要求。
(3)與氣載流出物排放造成的輻射影響相比,各液轉氣排放方案的劑量評價結果中,空冷塔排放方案所造成的劑量比氣載流出物排放低2個量級,蒸發(fā)池和中水蓄水池排放方案則要比氣載流出物排放高1個到2個量級;其他液轉氣排放方案造成的劑量與氣載流出物排放造成的輻射影響相當。
(4)由于除氚和14C外其余核素經(jīng)凈化后已經(jīng)達到了非常低的水平,因此對于公眾的輻射劑量貢獻主要為氚,達到了總劑量貢獻的90%以上,但從輻射影響的總量來看,除蒸發(fā)池和中水蓄水池排放方案外,其他各液轉氣排放方案對公眾造成的輻射影響是很低的。
本文針對我國缺乏受納水體區(qū)域核電廠選址和建設的瓶頸問題,對液轉氣排放的源項、工藝及環(huán)境影響開展了初步研究,為我國缺乏受納水體區(qū)域核電廠的選址、建設和監(jiān)管提供了技術支持。
本文研究表明,通過空冷塔和水冷塔進行液轉氣排放,導致的公眾個人劑量小于1 μSv/a;通過核島煙囪或者單建排放設施方案進行液轉氣排放排放,導致的公眾個人劑量在1 μSv/a量級水平;通過蒸發(fā)池或者中水蓄水池進行液轉氣,導致的公眾個人劑量在10 μSv/a量級水平。本文從公眾劑量評價的角度,進一步論證了液轉氣排放技術路線的可行性,也說明了將1 μSv量級作為液轉氣近零排放指標的合理性。
需要說明的是,受時間、技術手段、工程技術原理等方面的限制,對于諸如水冷塔內(nèi)的放射性核素的累積、水冷塔周圍的濕沉積、中水蓄水池內(nèi)的核素累積、含有氣化水的氣載流出物的照射途徑等問題沒有開展深入研究,采用了較為保守的假設,這些問題在后續(xù)工程應用中還需要開展深入研究。
建議盡快研究制定或修訂相關標準或導則,明確規(guī)定缺乏受納水體區(qū)域核電廠液轉氣排放的排放總量控制值等具體管理要求。同時,建議深入開展核電廠液態(tài)流出物液轉氣排放方式的工程應用研究,為我國缺乏受納水體區(qū)域核電廠選址和建設提供基礎。