第6部分：高放废物处理

放射性废物处理与处置2020202011111111年年年年4444月月月月哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学矫彩山矫彩山矫彩山矫彩山第6666章高放废物处理�高放废物特点及其处理概述•高放废物（HighLevelWasteHighLevelWasteHighLevelWasteHighLevelWaste，HLWHLWHLWHLW）的体积仅占各类废物总体积的3%3%3%3%，而高放废物的放射性活度却占各类废物总活度的95%95%95%95%。其特点是放射性比活度高,,,,释热率高,,,,含有一些半衰期长、生物毒性高的核素。•因此，它们的处理与处置技术复杂、难度大、费用高,,,,成为当今放射性废物治理的重点研究开发课题。第6666章高放废物处理�高放废物特点及其处理概述乏燃料比放射性与其离堆时间之间的关系乏燃料衰变热功率与其离堆时间之间关系后处理工艺工艺中，每处理1t1t1t1t乏燃料元件，产生将近5m5m5m5m3333的高放废液，经蒸发浓缩后，体积减少到0.4m0.4m0.4m0.4m3333左右。乏燃料中99.999.999.999.9％以上的裂变产物都进入高放废液。第6666章高放废物处理�高放废物特点及其处理概述（1111）放射性核燃料后处理产生的高放废液1AW1AW1AW1AW，放射性极强，经过4a4a4a4a的冷却，短半衰期核素虽已基本衰变掉了，其放射性活度依然很强：�生产堆高放废液：β----γ放射性1010101011111111~10~10~10~1013131313Bq/LBq/LBq/LBq/L，α放射性1010101010101010~10~10~10~1011111111Bq/LBq/LBq/LBq/L�动力堆高放废液：β----γ放射性1010101013131313~10~10~10~1015151515Bq/LBq/LBq/LBq/L，α放射性1010101012121212~10~10~10~1013131313Bq/LBq/LBq/LBq/L第6666章高放废物处理�高放废物特点及其处理概述（2222）毒性高放废液的化学组成十分复杂，且与乏燃料冷却时间有关。主要包括::::①裂变产物②总锕系元素，包括萃余的铀、钚和中子俘获而生成的次锕系元素等③设备材料的腐蚀产物及其活化产物④包壳材料，AiAiAiAi、MgMgMgMg、FeFeFeFe、ZrZrZrZr等⑤中子毒物，主要是GdGdGdGd、CdCdCdCd及BBBB等⑥化学试剂，如NONONONO3333----、SOSOSOSO44442-2-2-2-、POPOPOPO44443-3-3-3-、NaNaNaNa++++等及有机物。核素半衰期毒性放射体核素半衰期毒性放射体238238238238UUUU4.474.474.474.47××××101010109999aaaa低毒αααα131131131131IIII8.04d8.04d8.04d8.04d中毒ββββ----235235235235UUUU7.07.07.07.0××××101010108888aaaa低毒αααα3333HHHH12.3a12.3a12.3a12.3a低毒ββββ----234234234234UUUU2.462.462.462.46××××101010105555aaaa极毒αααα95959595NbNbNbNb34.991d34.991d34.991d34.991d中毒ββββ----233233233233UUUU1.61.61.61.6××××101010105555aaaa极毒αααα95959595ZrZrZrZr64d64d64d64d中毒ββββ----237237237237NpNpNpNp2.142.142.142.14××××101010106666aaaa高毒αααα144144144144CeCeCeCe284d284d284d284d高毒ββββ----239239239239PuPuPuPu2.42.42.42.4××××101010104444aaaa极毒αααα106106106106RuRuRuRu373.59d373.59d373.59d373.59d高毒ββββ----240240240240PuPuPuPu6.566.566.566.56××××101010103333aaaa极毒αααα85858585KrKrKrKr10.7a10.7a10.7a10.7a低毒ββββ----241241241241PuPuPuPu14.29a14.29a14.29a14.29a高毒ββββ----147147147147PmPmPmPm26.2a26.2a26.2a26.2a中毒ββββ----241241241241AmAmAmAm4.334.334.334.33××××101010102222aaaa极毒αααα90909090SrSrSrSr28.79a28.79a28.79a28.79a高毒ββββ----243243243243AmAmAmAm7.377.377.377.37××××101010103333aaaa极毒αααα137137137137CsCsCsCs30a30a30a30a中毒ββββ----242242242242CmCmCmCm162.8a162.8a162.8a162.8a极毒αααα14141414CCCC5.75.75.75.7××××101010103333aaaa低毒ββββ----99999999TcTcTcTc2.112.112.112.11××××101010105555aaaa低毒ββββ----126126126126SnSnSnSn2.482.482.482.48××××101010105555aaaa高毒ββββ----36363636ClClClCl3.03.03.03.0××××101010105555aaaa中毒ββββ----79797979SeSeSeSe1.131.131.131.13××××101010106666aaaa低毒ββββ----93939393ZrZrZrZr1.531.531.531.53××××101010106666aaaa低毒ββββ----135135135135CsCsCsCs2.32.32.32.3××××101010106666aaaa低毒ββββ----129129129129IIII1.611.611.611.61××××101010107777aaaa低毒ββββ----高放废液中主要的放射性核素第6666章高放废物处理�高放废物特点及其处理概述（3333）放热率高放废液中许多核素有高释热率，这使得高放废液早期的放热率可达20W/L20W/L20W/L20W/L。主要铀90909090SrSrSrSr和137137137137CsCsCsCs所贡献，经过10101010年衰变后释热率可降低到80%80%80%80%，经过100100100100年降低到60%60%60%60%，经过300300300300年降低到10%10%10%10%。（4444）酸及盐等化学品高放废液中酸度达到2~6mol/L2~6mol/L2~6mol/L2~6mol/L，具有较强的腐蚀性。此外，废液中还含有一定的盐分，有生产沉淀的可能。（5555）爆炸性气体由水及有机物辐照分解产生的HHHH2222、COCOCOCO、CHCHCHCH4444、CCCC2222HHHH6666及CCCC2222HHHH4444等气体产物，有引发爆炸的可能。高放废液固化处理流程方块图高放废液的预处理�高放废液的蒸发浓缩蒸发法浓缩高放废液流程示意图主要目的是减少废液体积；净化系数可达101010105555～101010106666；随着硝酸浓度的增加，沸点升高，碘、钌挥发严重，设备腐蚀加剧，必须进行破坏硝酸。澄清分离夹带有机溶剂高放废液的预处理�高放废液的蒸发浓缩当硝酸浓度为8mol/L8mol/L8mol/L8mol/L时：4HNO4HNO4HNO4HNO3333+HCHO+HCHO+HCHO+HCHO→4NO4NO4NO4NO2222↑+CO+CO+CO+CO2222↑+3H+3H+3H+3H2222OOOO当硝酸浓度为2222～8mol/L8mol/L8mol/L8mol/L时：4HNO4HNO4HNO4HNO3333+3HCHO+3HCHO+3HCHO+3HCHO→4NO4NO4NO4NO↑+3CO+3CO+3CO+3CO2222↑+5H+5H+5H+5H2222OOOO当硝酸浓度小于2mol/L2mol/L2mol/L2mol/L时：2HNO2HNO2HNO2HNO3333+HCHO+HCHO+HCHO+HCHO→HCOOHHCOOHHCOOHHCOOH+2NO+2NO+2NO+2NO2222↑+H+H+H+H2222OOOO2HNO2HNO2HNO2HNO3333++++HCOOHHCOOHHCOOHHCOOH→2NO2NO2NO2NO↑+3CO+3CO+3CO+3CO2222↑+4H+4H+4H+4H2222OOOO甲醛脱硝的最终产物都是挥发性气体和水，因而不会增加蒸残液的含盐量和其它杂质。高放废液的预处理�高放废液的储存目的：降低废液的比活度（短寿命核素）；降低衰变热。时间：20202020~30a30a30a30a容器：不锈钢储罐条件：•装在不锈钢衬里的混凝土（1m1m1m1m厚）地下室里；•每个储罐与一个等容积空罐相连，应急预案；•设置冷凝器，冷凝崩沸产生的蒸汽，使之回流到罐内；•配有压缩空气搅拌装置，携带辐解产生的氢气，避免颗粒物沉积底部引发崩沸。高放废液的储存�贮罐材质在早期，美国曾用碱中和酸性废液，然后采用碳钢槽贮存碱性和中性高放废液。汉福特和萨凡那河厂的183183183183个碳钢贮槽，发现有20202020多个发生了泄漏。美国、英国等国家贮存高放浓缩废液的运行经验表明，不锈钢槽贮存酸性高放废液是目前唯一获得大规模应用的中间贮存技术。所以，目前认为在不锈钢灌中贮存酸性废液比较安全。高放废液的储存�废液pHpHpHpH值中性废液由于金属离子的水解作用而会产生泥浆沉淀，这些泥浆载带有大部分的放射性核素。在汉福特厂用碳钢衬里的贮罐，直径为23m23m23m23m，深度为6666~12m12m12m12m，容量为1800180018001800~3700m3700m3700m3700m3333。如果固体物质沉降到罐底，会使无内部冷却装置的贮罐产生崩沸。崩沸时的蒸发速度为正常值的50505050倍。罐底放射性沉淀物的温度曾高达177177177177℃，观察到罐内最大压力达1.381.381.381.38×101010104444PaPaPaPa。高放废液的储存�空气搅拌为解决崩沸的问题，汉福特厂采用内部空气提升进行搅拌的方法，来缓和废液满罐以后的崩沸。使用压缩空气搅拌，一方面可以使废液中的沉淀物呈悬浮状态，避免沉淀；另一方面可以保持辐解生成的氢气得到充分的稀释，使氢浓度保持在允许浓度以下；此外，空气搅拌还有利于废液的自蒸发作用。朗JT.JT.JT.JT.核燃料后处理工程[M].[M].[M].[M].杨云鸿，译....北京：原子能出版社，1980.1980.1980.1980.高放废液的储存�冷却系统为防止高放浓缩废液沸腾并维持其温度在60606060℃以下，贮存装置必须配备有足够余量的冷却系统。通常罐内要设置两到三个独立的密闭冷却回路，保证在一个冷却回路失效时，温度仍可维持在85858585℃以下。为防止溶液暴沸事故，每个贮罐都带有冷凝器，由空气冷却，冷凝液流回贮罐。高放废液的储存�其它安全措施为防止可能发生的泄漏事故，必须采取两种安全措施：一是贮罐必须安放在能够容纳整个贮罐的不锈钢覆面的地下设备室里；二是正在使用的贮罐要与一个空罐相连接，以备发生泄漏时转移出废液。高放废液固化处理�技术发展历史定义：把