放射性三廢處理技術(shù)發(fā)展概述

王沖 宋真

摘要：核能的發(fā)展給人類(lèi)帶來(lái)巨大好處，同時(shí)也帶來(lái)了對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境有害的放射性物質(zhì)。許多科技工作者對(duì)放射性廢物的研究做出了很多的貢獻(xiàn)。本文通過(guò)搜集國(guó)內(nèi)外廢物處理方法的相關(guān)資料，加以整理，為放射性廢物處理研究者們提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：放射性廢氣處理；放射性廢液處理；放射性固體處理

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)能源的需求越來(lái)越大，能源問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。核能是能量密度最高的能源，不釋放二氧化碳，應(yīng)用前景遠(yuǎn)大，大力核能發(fā)電，緩解當(dāng)前我國(guó)對(duì)能源需求的壓力和對(duì)節(jié)能減排的壓力，是一項(xiàng)巨大舉措。

發(fā)展核能，必然會(huì)產(chǎn)生放射性廢物，有些放射性物質(zhì)半衰期比較短，一段時(shí)間后處于很小的劑量水平，有些放射性物質(zhì)半衰期卻很長(zhǎng)，能長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年、數(shù)萬(wàn)年，乃至數(shù)百萬(wàn)年，因此必須對(duì)廢物進(jìn)行嚴(yán)格管理，在和平利用核能的同時(shí)，確保放射性廢物對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的危害降到最低點(diǎn)。

對(duì)廢物進(jìn)行管理，不外乎兩個(gè)方面，一是制度約束，二是技術(shù)手段。在制度建設(shè)方面，國(guó)際上有國(guó)際原子能組織對(duì)各個(gè)成員國(guó)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)督，在國(guó)內(nèi)有相關(guān)的法律、條例進(jìn)行規(guī)范，和專(zhuān)門(mén)的部門(mén)進(jìn)行行政管理，已經(jīng)建立了一套完備的放射性物質(zhì)管理機(jī)制；在技術(shù)手段上，從20世紀(jì)60年代以來(lái)，我國(guó)和世界上其他國(guó)家的科技工作者對(duì)此不斷進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)了很多有效的放射性廢物處理技術(shù)，盡最大努力減少了放射性廢物對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的影響，做出了杰出的貢獻(xiàn)。隨著國(guó)際上對(duì)放射性廢物處理的交流與合作越來(lái)越多，必將研究出更多更好的技術(shù)手段，對(duì)核能的和平利用產(chǎn)生巨大的影響。本文將放射性廢物處理進(jìn)行整理，介紹國(guó)內(nèi)外比較通用的技術(shù)手段，以及尚需發(fā)展的新技術(shù)。

2 放射性三廢處理技術(shù)

2.1 放射性廢氣處理技術(shù)

氣載放射性廢物一般屬于低中放水平。在鈾礦開(kāi)采、選礦及水冶、精煉和轉(zhuǎn)化、鈾同位素分離、核燃料元件制備、核反應(yīng)堆運(yùn)行、核燃料后處理、鈾钚加工、放射性廢物處理、同位素生產(chǎn)與應(yīng)用，及其他放射性物質(zhì)操作過(guò)程中，均可能產(chǎn)生含放射性微塵、放射性氣溶膠和放射性氣體的氣載放射性廢物。

氣載放射性廢物凈化處理的主要目的是去除或降低放射性污染物，保護(hù)工作人員、公眾和環(huán)境。

氣載放射性廢物凈化處理主要手段可以分為兩大類(lèi)：干法凈化和濕法凈化。

2.2 放射性液體處理技術(shù)

放射性液體處理技術(shù)用任何水處理方法都不能改變其固有的放射性衰變特性，其處理一般遵循兩個(gè)基本原則【5】：（1）將放射性廢水排入水體，通過(guò)稀釋和擴(kuò)散達(dá)到無(wú)害水平。主要適用于極低水平的放射性廢水的處理；（2）將放射性廢水濃縮后，將其濃縮產(chǎn)物與人類(lèi)的生活環(huán)境長(zhǎng)期隔離，任其自然衰減，對(duì)高、中、低水平放射性廢水均適用。目前國(guó)內(nèi)外普遍做法是對(duì)放射性廢水進(jìn)行濃縮處理后貯存或固化處理。下面將介紹國(guó)內(nèi)外對(duì)放射性廢水處理的一些方法。

2.3 放射性固體處理技術(shù)

2.3.1焚燒【14】

放射性廢物燃燒是將可燃性廢物氧化處理成灰燼或殘?jiān)??？扇夹詮U物包括纖維性物質(zhì)（織物、紙、木材）、塑料、橡膠、活性炭、石墨、動(dòng)物尸體、廢樹(shù)脂、廢有機(jī)溶劑、廢機(jī)油、廢有機(jī)閃爍液等，種類(lèi)繁多。對(duì)于低放射性可燃性廢物，焚燒是理想的高效減容技術(shù)，焚燒處理具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可獲得高度的減容和減重（減容20-100倍，減重10-80倍），減少貯存和處置所占場(chǎng)地以及運(yùn)輸、貯存和處置的費(fèi)用；

（2）實(shí)現(xiàn)廢物無(wú)機(jī)化轉(zhuǎn)變，免除熱分解、輻射分解、腐爛、發(fā)酵和著火可能性，提高廢物貯存、運(yùn)輸和處置的安全性；

（3）可回收239Pu和235U等貴重易裂變物質(zhì)。

焚燒工藝流程圖為：

焚燒工藝流程圖

焚燒工藝可分為：分揀、破碎、進(jìn)料、焚燒、排灰、煙氣冷卻、煙氣凈化等過(guò)程。

（1）分揀是挑出對(duì)焚燒爐設(shè)備和焚燒過(guò)程有害的物質(zhì)和使物料具有盡可能均勻的組成和相近的熱值。分揀的方法手工分揀、磁選、重力分選、風(fēng)選等。

（2）破碎是為了方便進(jìn)料和充分燃燒。廢物破碎可用切割機(jī)、錘磨機(jī)等。

（3）進(jìn)料：分為批式和連續(xù)進(jìn)料。

（4）焚燒：焚燒主體是燃燒室，燃燒室有立式、臥式之分。

（5）排灰：廢物燃燒之后70%～90%放射性物質(zhì)進(jìn)入灰中。

（6）煙氣冷卻：煙氣凈化除高溫過(guò)濾外，必須冷卻到一定溫度后才能允許進(jìn)入煙氣凈化系統(tǒng)，因此煙氣需要先冷卻。煙氣冷卻方法有冷空氣稀釋、噴水急冷和熱交換等。

（7）煙氣凈化：焚燒產(chǎn)生的煙氣需要凈化，達(dá)到允許限值之后才能向大氣排放。

2.3.1.1焚燒爐的類(lèi)型：

（1）過(guò)量空氣焚燒爐

是使用較早也是目前使用最多的爐型。通常只有一個(gè)燃燒室，爐體分為立式和臥式。一般控制過(guò)量空氣30%-100%，爐溫800～1100℃。這種爐的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是燃燒不全。

為解決這一個(gè)問(wèn)題，發(fā)展了高溫過(guò)濾技術(shù)。德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心的焚燒爐屬這種爐型。焚燒爐處理能力50～60Kg/h，廢物組成為：布、紙、木50%～70%，塑料30%～50%，其中：聚氯乙烯<5%，聚四氯乙烯<0.05%.廢物比活度β/γ<1×1011Bq/m3，α<5×107 Bq/m3，系統(tǒng)去污因子>1×105。

過(guò)量空氣焚燒爐爐型成熟，應(yīng)用廣泛。日本、奧地利、瑞士和我國(guó)臺(tái)灣省都建有這種類(lèi)型的爐子。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本的核設(shè)施就有幾十臺(tái)過(guò)量空氣焚燒爐。

（2）控制空氣焚燒爐

為了克服過(guò)量空氣焚燒爐燃燒不完全而采用兩個(gè)或多個(gè)燃燒室。這種爐的結(jié)構(gòu)有立式和臥式兩種。

美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室為處理超鈾廢物而建造的，采用了上、下兩個(gè)燃燒室，處理能力為45Kg/h。這種爐在美國(guó)愛(ài)達(dá)荷、薩凡那河各建一臺(tái)，處理能力都為180 Kg/h，用于焚燒β/γ廢物，煙氣凈化用干式濾袋加高效空氣過(guò)濾器過(guò)濾。我國(guó)臺(tái)灣省也采用過(guò)這種爐子。

（3）熱解焚燒爐

是控制空氣焚燒爐的一種。焚燒先在不足氧和不太高溫的第一燃燒室發(fā)生熱解，然后進(jìn)入第二燃燒室在過(guò)量空氣和高溫條件下得到完全燃燒。熱解爐特別適合燃燒塑料、橡膠物含量高的廢物，另外燃燒過(guò)程的釋熱速度不隨廢物熱值的不同而有較大的波動(dòng)，易于控制；一次空氣流量小，氣流的擾動(dòng)影響低，帶出的飛灰量低，煙氣凈化負(fù)擔(dān)減少。

中國(guó)輻射防護(hù)研究院開(kāi)發(fā)的熱解爐，在我國(guó)逐步推廣應(yīng)用。我國(guó)821廠已經(jīng)建立起一個(gè)熱解爐裝置。

（4）旋風(fēng)爐

旋風(fēng)爐是懸浮燃燒，廢物先必須經(jīng)過(guò)分揀、破碎，在攪拌的情況下，用高速氣流載帶碎塊，切向送入爐內(nèi)，廢物碎塊在高速旋轉(zhuǎn)的氣流中燃燒。這種爐的優(yōu)點(diǎn)是爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用性強(qiáng)，允許燃燒含較多塑料和橡膠的廢物。

荷蘭KEMA公司為Dodeward核電廠設(shè)計(jì)制造的旋風(fēng)爐處理能力為25Kg/h，旋風(fēng)爐直徑為570mm，高870mm，后燃燒室直徑390mm，高650mm。爐體分別為碳鋼和不銹鋼，都有耐火村里。

還有一些其他的爐型，如高溫熔渣爐主要用來(lái)焚燒含較多不可燃物的廢物，流化床爐和熔鹽爐主要用于要回收钚的廢物的燃燒，近年來(lái)還在發(fā)展等離子體焚燒爐等。

2.3.2壓縮【15】

壓縮是借助于機(jī)械力使廢物密實(shí)化，提高廢物的整體密度?？蓧嚎s的廢物種類(lèi)很多，除棉、紙、布、橡膠、塑料等軟質(zhì)廢物外，污染的木材、玻璃、金屬制造閥門(mén)、器皿、工具、電纜、廢過(guò)濾器、風(fēng)管，以及保溫材料、混凝土散塊等采用高壓或超高壓縮可使其達(dá)到或接近理論密度，也可以獲得減容。

壓縮減容的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）建造投資和運(yùn)行費(fèi)用低，對(duì)廠址要求不高

（2）設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，維護(hù)保養(yǎng)容易，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

（3）二次廢物極少

壓縮有兩種方式，分為桶內(nèi)壓縮和桶外壓縮。桶內(nèi)壓縮主要用于被污染的工作服、口罩、手套和紙張等“軟”廢物的減容，也可用于被放射性污染的玻璃器皿以及保溫材料等硬廢物的減容。桶內(nèi)壓縮操作簡(jiǎn)單，將廢物放入桶內(nèi)，壓縮機(jī)的壓頭沿桶內(nèi)壁，垂直方向加壓將廢物壓實(shí)，分幾次加入廢物，幾次壓實(shí)，直到桶內(nèi)廢物近滿(mǎn)后封蓋。減容比可以達(dá)到2～6，廢物在200L鋼桶內(nèi)壓實(shí)，壓頭壓力不能太大，一般為20～30t；桶外壓縮是將“硬”廢物連同廢物桶一起壓縮，壓縮后放入專(zhuān)門(mén)的包裝容器內(nèi)。

2.3.2.1超級(jí)壓縮技術(shù)

自1978年第一臺(tái)超級(jí)壓縮機(jī)投入運(yùn)行以來(lái)，在比利時(shí)、法國(guó)、荷蘭、德國(guó)、意大利、日本、英國(guó)、美國(guó)、中國(guó)的用戶(hù)越來(lái)越多。主要是采用超級(jí)壓縮機(jī)方式，壓頭壓力一般大于10000kN，對(duì)200L桶進(jìn)行壓縮，平均減容倍數(shù)達(dá)到10。目前投入應(yīng)用的超級(jí)壓縮機(jī)有：荷蘭Petten，壓力為15000kN；德國(guó)NUKEM公司的HPA車(chē)載式流動(dòng)壓縮機(jī)，壓力為20000kN，裝載在大卡車(chē)上，可以開(kāi)到需要的地方去服務(wù)；荷蘭Fontijine公司生產(chǎn)的可移動(dòng)超級(jí)壓縮機(jī)，壓力為20000kN，每小時(shí)可壓實(shí)20桶。

壓縮打包是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但是有幾個(gè)問(wèn)題需要重視：一是在壓縮過(guò)程中要控制釋放出來(lái)的廢氣和廢液；二是壓縮處理過(guò)程中應(yīng)設(shè)置足夠的輻射屏蔽措施；

2.3.3水泥固化

水泥固化是最早開(kāi)發(fā)和現(xiàn)在仍被廣泛使用的固化低中放廢物的方法。水泥是廣泛使用的建筑材料，用它來(lái)固化低中放射性廢物，對(duì)放射性核素具有很好的物理包容性和吸附性，還具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度和自屏蔽能力，耐輻照和耐熱性能也比較好。

水泥固化關(guān)鍵之處是配方，合理控制水灰比和鹽灰比，可以獲得最佳固化效果。

水泥固化工藝有兩種：桶內(nèi)攪拌和桶外攪拌。桶內(nèi)攪拌是將廢物、水泥和添加劑分別加入到桶內(nèi)，放入攪拌槳進(jìn)行攪拌，直至均勻混合，提出攪拌槳，蓋上桶蓋；桶外攪拌是將廢物、水泥和添加劑分別加入到攪拌機(jī)里，均勻混合后再灌入到桶里。兩種方式各有千秋，前者適合于少量廢物生產(chǎn)，效率低，但是清洗方便，檢修容易，后者適合大量廢物生產(chǎn)，效率高，但清洗復(fù)雜，檢修不便。

2.3.4瀝青固化

瀝青固化是將熔融瀝青或乳化瀝青同廢物均勻混合，同時(shí)蒸發(fā)除去水分，最后裝桶，冷卻獲得固化產(chǎn)品。

由于瀝青的可燃性以及瀝青固化產(chǎn)品受熱和輻照的影響很大，特別是瀝青固化氧化性硝酸鹽廢物，燃爆風(fēng)險(xiǎn)大，國(guó)內(nèi)外多次發(fā)生過(guò)著火爆炸事故/事件，今年來(lái)不少?lài)?guó)家已經(jīng)棄之不用。

2.3.5塑料固化【16】

塑料固化又稱(chēng)聚合物固化，具有廢物包容量高，核素浸出率低，對(duì)有機(jī)廢物相容性好特點(diǎn)。4m3蒸殘液若實(shí)行水泥固化，產(chǎn)生40桶（每桶200L）固化產(chǎn)品，總重為22t；若用塑料固化，僅有7桶，總重量為2t。塑料固化體抗浸出性比水泥固化體高1～3個(gè)量級(jí)。廢樹(shù)脂、廢溶劑、廢機(jī)油很適合塑料固化。

塑料固化存在的不足是：不適合固化高放射性物質(zhì)，不能承受高輻照和高釋熱作用，需要對(duì)廢物做脫水處理，固化的費(fèi)用也比較高。

3 結(jié)語(yǔ)

放射性廢物處理的最終目的是將廢物量減少到最少，盡可能的將廢物對(duì)人類(lèi)對(duì)環(huán)境的危害降低到最低。當(dāng)前廢物處理將沿著三個(gè)方向發(fā)展：（1）進(jìn)一步完善現(xiàn)有的工藝，發(fā)揮工藝的最佳效能；（2）將多種工藝進(jìn)行聯(lián)合處理研究，這樣可以做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮最大的效益；（3）積極研究新工藝的工程應(yīng)用，探索出廢物處理的新手段。隨著放射性三廢處理技術(shù)的交流越來(lái)越多，以及科技發(fā)展的推動(dòng)作用下，必然會(huì)產(chǎn)生更好的放射性廢物處理技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]～[4]羅上庚 放射性廢物處理與處置 中國(guó)環(huán)境出版社 2006，10

[5] 中國(guó)大百科全書(shū)環(huán)境科學(xué)編委會(huì)編.中國(guó)大百科全書(shū)·環(huán)境科學(xué)[M].北京：中國(guó)大百科全書(shū)出版社。2002：67.

[6]～[7]夢(mèng)文斌.低中水平放射性廢液的處理[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)發(fā)射醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)分冊(cè)，1989（13）：54—57.