放射性废物固化研究进展

放射性废物固化研究进展
摘要：放射性废物的固化是目前有害废物的研究热点。

随着科学技术的不断发展，核能技术已广泛地应用于军事、工业、农业、医学、研究、勘探等各个领域，并且产生了种类繁多、形态各异、数量不等、贮存分散的放射性。

水泥固化是放射性废物处理的一种常用的方法，它为放射性废物以安全稳定的固体状态封存提供了一种经济有效的办法。

关键词：放射性废物，水泥固化，磷酸镁水泥固化
放射性废物的处理在核能的使用中是尤为重要的一环，自1954 年前苏联在世界上建成第一座核电站并投入运行以来，至今核电己有近60 年的历史，虽然核电发展受美国三里岛核电站、前苏联切尔诺贝利核电站以及2011 年由于地震造成的日本福岛核电站等重大事故的影响，仍有不少国家将核电作为解决能源问题的手段之一。

但是，核能生产过程中必然产生一定的核废料，如核电站在运行中会产生大量的高、中、低放射性废物。

在全球范围内，中、低放射性废物(ILW、LLW)占废物总量超过95 %，分别达到163000 m3和1490000 m3。

我国在核电运行以及早期核技术的开发和应用过程中，已累积了大量的放射性核废物待处理和处置。

据统计，仅就核电产生的中低放射性废物，至2010 年底，目前运行的13 个核电机组累计产生约8000 多立方米，而根据我国的核电发展规划，到2020 年，核电厂运行产生的低中放射性废物量累计可达到约 3.6 万立方米。

中低放射性废物是核能开发应用中产生量最大的废物，因此，其安全处理与处置与否成为制约核能开发和利用的主要障碍。

而我国的核电放射性废物的固化方式多为利用水泥固化，水泥固化处理的优点包括:处理过程简单,低温；加工技术良好；固化产品的热稳定性(不易燃烧)、化学稳定性和生物化学稳定性良好；固化形式是可将放射性废物包容在固化体中,也可通过浇注水泥将其封存起来。

国内开展水泥固化处理研究的主要对象包括：动力堆乏燃料后处理产生的中放废液、小型实验研究反应堆中废液、低中水平放射性废液、去污有机废液、核电运行产生的废液（浓缩废液和废树脂等）、模拟核电含硼废液、模拟废树脂等。

1.水泥固化工艺
秦山核电站采用先加水泥后加废液并在桶内搅拌混合的工艺。

整条固化线由7段不同的辊道组成。

装有水泥的钢桶从起始工位经过渡工位被输送到取/封盖工位，揭去桶盖后，送到搅拌工位，加入放射性废液。

为避免废液因来不及被水泥吸收而溢出，废液的添加分3~4次进行。

每次加完废液后，插入搅拌桨进行搅拌。

随着废液的增加，逐渐增加搅拌桨的插入深度。

最后一次加废液后，搅拌桨浸没在液面之下并高速旋转，将废液与水泥充分混合均匀。

大亚湾核电站的放射性废液经计量罐逐罐计量，借助重力作用进入桶中,与添加剂混合均匀。

由螺旋输送器将干料(水泥+砂子)逐渐加入桶中,与废液在桶内混合均匀。

混合废树脂时，还要加入除盐水。

搅拌完毕,将搅拌桨置入废物桶中一起固化。

田湾核电站的搅拌装置为行星式搅拌装置带两组并列的双螺旋形搅拌桨。

在空桶中装入一定量的水泥，并加入一定量的添加剂后,用吊车将桶放在起始工位上，用辊道输送到搅拌工位。

由液压抬升装置抬升起来,与搅拌装置对接好,将搅拌桨插入水泥中,一边搅拌,一边连续不断地加入事先循环好的废液。

废液的计量由质量流量计与加料阀之间的联锁控制。

岭澳二期核电站的放射性废液水泥固化系统采用桶外混合方式处理废液空废物桶由运输小车送到混合器工位，废液与干料(水泥+砂子+石灰)在一个特制的混合器内预先混合均匀后再装入桶中。

桶外分批混合器每次混合190 L,混合时间约为10 min。

固化浓缩液或废树脂时，先将经过计量的浓缩液或废树脂送入混合器，加入干的混合料混合均匀，然后装入包装容器。

建设中的福清核电站一期与方家山核电工程的放射性废液水泥固化系统亦采用桶外混合方式处理废液，待固化的浓缩液贮存在浓缩液贮槽内，废树脂贮存在废树脂贮槽内。

浓缩液和废树脂的固化及废过滤器芯的固定用湿的混合料配制是在水泥固化装置的混合容器中
进行的。

日本采用的改进型水泥固化处理工艺（ACsolidification），是先将所需的一定量的熟石灰加入到含硼废液中，在一定温度下进行长时间搅拌后，过滤，虑液经过蒸发、浓缩后与虑饼混合,进行水泥固化。

采用的高减容水泥固化工艺（HVRsolidification）是先将所需的熟石灰加入到含硼废液中，蒸干制粉，然后与普通硅酸盐水泥或矿渣水泥混合进行固化，减容可达50%~80%。

瑞典采用方型钢容器固化浓缩液和废树脂,用专用屏蔽容器来运输废物包，这种方型钢容器在最终处置时可以实现密集摆放，提高处置空间的利用率。

冷压水泥固化是在常温下加压（约175 MPa）制成密度较高的水泥固化体。

美国蒙特实验室用此法处理含超铀核素的焚烧灰，用波特兰Ñ型水泥或者高铝水泥冷压压成圆柱体产品，废物包容量达65%。

热压水泥固化处理是在较高温度（150e~400e）和压力（175~700 MPa）下进行水泥固化。

美国橡树岭实验室采用此法,用波特兰水泥压成高密度、高强度、低含水量、低空隙率和低透气性的固化体。

这种工艺设备条件要求较高,过程复杂,至今尚未在工程中得到应用。

德国NUKEM公司生产了一种移动式水泥固化处理装置，用简单、坚固和可靠的部件装配而成，操作简单。

水泥固化处理技术是在废物桶里（水泥预先装到桶里）进行。

该技术已应用于核电站固化处理放射性废物，如德国的Gundremmingen沸水堆核电站、Biblis 核电站以及Neckarwestheim核电站。

国内核电站放射性废物水泥固化处理工艺主要有桶内混合搅拌工艺和桶外混合搅拌工艺，从发展趋势看，桶外混合搅拌工艺逐渐占主导地位。

国外一些核电站采用了新型的水泥固技术及工艺，以达到放射性废物的减容及放射性废物最小化的目的。

在浓缩废液、含硼废树脂水泥固化体的配方研制过程中，石灰是配方中最常用的添加材料，为了保证固化体的性能，应对放射性废物水泥固化体进行性能检测。

2.磷酸镁水泥固化工艺
水泥固化技术目前也存在明显的缺点。

因此，为改善水泥固化体的性能，在固化过程中需视废物的性质和对产品质量的要求掺入适量的添加剂。

同时也加入沸石、蛭石等材料提高对放射性粒子的吸附性能。

但是，这些方法的采用，虽然能在一定程度上解决上述问题，传统水泥固化方法仍存在固化体对废物包容量较小、固化体凝结时间较长、低温或高温环境下材料的性能下降较快等诸多的问题。

尤其是目前社会各界对核安全的重视程度越来越高，特别是在核应急条件下如何能将放射性废物快速固定在较小的区域，防止污染物的扩散，对固化材料提出了更高的要求。

因此，对固化材料不仅仅要求其固化性能优异，同时还需要在极短的时间或较为恶劣的环境条件下实现废物的快速固化，传统的固化技术已很难满足这一要求。

因此基于以上需求，选择磷酸镁水泥作为固化材料基材，能达到快速固化、高包容量、耐久性好的目标。

对于放射性废物固化基材的选择，一般遵循两个原则：其一是基材必须具有足够的耐久性，其耐久性必须等于或大于放射性核素的；其二是基材在受到内辐射的情况下能保持稳定。

对于磷酸镁水泥固化放射性废物，目前主要的工作主要在对高放射性废物、废离子交换材料的固化，大件物体的包覆处理等方面，研究结果均显示磷酸镁水泥具有良好的固化性能，浸出率等也完全满足性能指标。

而对于核素的固化问题，则主要是对U、Pu、Tc、Ra、Cs 的固化。

大量的研究主要集中于宏观性能的研究，对于核素对磷酸镁水泥的性能影响以及核素固化机理等研究较少，如对于中低放射性废物中常见的Cs 和Sr，Cs 和Sr 以何种状态存在于固化体中以及Cs 和Sr 对磷酸镁水泥强度和水化有何影响等。

另外，磷酸镁水泥在核技术领域的潜在应用则是核应急技术方面的应用，可利用磷酸镁水泥的快凝和快硬、温度适应性强的特点，对废物或建筑物进行快速固化、快速屏蔽或快速修补，目前也缺乏磷酸镁水泥在这方面相关性能的研究。

因此，对于磷酸镁水泥固化放射性废物的研究，今后的工作仍需要加强基础理论的研究，对核素以及其它离子对磷酸镁水泥的水化或强度发展进行相关的
理论探讨；另外，结合磷酸镁水泥快凝快硬的特点，在核应急领域加强快速固化以及快速屏蔽材料的研究，防止放射性废物的固化；同时在特殊环境方面，如高温和低温环境条件下，也可以利用磷酸镁水泥的良好温度稳定性，开发相关的固化材料。

总结：国际上在废物减容方面开展了很多工作,但是采取更先进的废物固化处理技术、针对不同废液采取适当的水泥固化处理配方是提高废物包容量及固化体质量的关键。

磷酸镁水泥具有快凝快硬，温度稳定性好等诸多优点，在放射性废物的固化方面虽已有一定研究，但目前在基础理论方面以及利用磷酸镁水泥快凝快硬以及低温强度发展较好，高温稳定性方面仍缺乏足够的研究。

因此，后续研究在磷酸镁水泥固化的基础理论和应用方面应加强，以提高固化材料的性能。

参考文献：
陈良，陈莉，李均华。

压水堆核电站放射性废液水泥固化技术分析。

核动力工程2009
李洪辉，范智文。

核电站放射性废物水泥固化处理。

辐射防护通讯2010
赖振宇，李倩。

磷酸镁水泥固化放射性废物研究现状。

广东化工2012。