核电厂放射性废物水泥固化处理技术简介

核电厂放射性废物水泥固化处理技术简介

张茂林

（山东核电有限公司265116）

摘要：放射性废物是核能利用的必然产物，是指含有放射性物质或被放射性物质所污染，活度或活度浓度大于规定的情节解控水平，且所引起的照射未被排除的废弃物。我国的放射性废物主要来源于核电厂和核燃料循环设施。20世纪80年代初，我国开始关注和启动有关放射性废物水泥固化处理研究和应用。90年代中期，水泥固化处理技术日趋成熟，在秦山核电厂和大亚湾核电厂配套建设了低中水平放射性废物水泥固化系统。同期也编制并颁布实施了废物固化体性能要求和检验方法的相关标准。随着核电事业的快速发展，绝大多数核电厂配套建设了放射性废物水泥固化生产线，主要用于低中水平放射性浓缩液和废树脂的固化处理，以及其他固体废物的固化处理。

关键词：放射性；废物处理；水泥固化

一、工艺流程

放射性废物的固化处理，就是将废物加工成能满足废物储存、运输、处置要求的，具有一定机械性能且结构稳定的废物体。水泥固化通常是将放射性废物、水泥基料、外加水和其他固化外加剂混合搅拌为均匀的水泥浆体，在合适的养护条件下，经过不少于28天的养护后形成坚硬的废物固化体。水泥固化的工艺流程如下图所示：

可以看出，水泥固化的主要过程包括放射性废物废物和各种固化物料的计量，加料和混合搅拌，水泥浆体的凝结和养护。根据搅拌和加料方式的不同，水泥固化技术可以分为桶外搅拌、桶内搅拌。

桶内搅拌是以标准的废物桶作为混合容器，将废物、水泥、外加剂、水等按照规定的加料顺序加入废物桶后，按照设定的搅拌方式搅拌均匀。该方法有弃桨和提桨两种工艺。弃桨是指水泥浆搅拌完成后，将搅拌桨留在废物桶内不再复用，提桨是指搅拌完成后，将搅拌桨提起，冲洗后重复使用。该方法的优点不需要专门的混合容器，有利于搅拌桨的清洗和维护。缺点是对废物桶的填充率有要求，对加料顺序、加料量、搅拌方式和搅拌速率有一个相对严格的控制，既要防止搅拌时水泥浆的外溅，又要保证合适的废物填充率。

桶外搅拌是将水泥、外加剂、水等在混合容器内按照规定的加料顺序和搅拌方式，搅拌均匀后将水泥浆输送到废物桶。该方法的优点是搅拌桨的设计和搅拌方式的选择性良好，可以实现固化物料的均匀搅拌，混合容器也可用作装料器，从而减少固化过程中使用的设备。缺点是混合容器的清洗，搅拌桨的维护较复杂。需要注意的是，与桶内固化相比，桶外固化增加了水泥浆从混合容器向废物桶输送的过程，这就要求水泥浆须有较好的流动度和较长的初终凝时间，以防止输送过程中的堵塞或凝结。

与其他固化处理技术相比，水泥固化处理技术具有明显的优势，主要具有如下优点：

①设备简单，生产能力大，处理过程时间短；

②固化过程二次污染少；

③固化体结构密实，具有良好的机械性能；

④固化体的耐辐照和抗生物侵蚀性好；

⑤能够实现大多数液体废物和固体废物的固化处理；

⑥自屏蔽效应好。

鉴于在技术、经济和安全等方面具有明显的优势，水泥固化被广发应用于放射性废物的固化处理。但是，该处理技术最突出的不足是废物的包容量低，固化产生废物体增容较大。

二、固化用水泥基料

水泥基料的选择主要考虑以下几个方面：

（1）水泥基料与放射性废物的兼容性、相互作用机制；

（2）固化体的结构稳定性要求；

（3）固化体的浸出性；

（4）成本效益，主要考虑工艺的可实现性和物料的成本。

硅酸盐水泥因其具有良好的工程适用性和低廉的价格，在放射性废物处理中被广泛应用，国外统称波特兰水泥。硅酸盐水泥属于通用水泥，按照国家标准规定，硅酸盐水泥有六种，即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合水泥。目前，国内放射性废物固化处理中，使用最多的是标号42.5的普通硅酸盐水泥。

三、作用机制

水泥固化产物是一个密度大、孔隙率小的物理结构，其对放射性核素形成了有效的阻滞和屏蔽。放射性废物与水泥的作用机理可概括为三个过程：（1）水泥对废物的物理包容；（2）水泥对水合产物的吸附；（3）放射性废物在碱性条件下发生沉淀，之后被水泥水合产物吸附或被物理包容。一般情况下，这三个作用是同时存在的，对放射性废物，主要涉及物理包容和吸附。

通常，大多数废物均可以通过物理包容的方式进行水泥固化，物理包容中，放射性废物中的可溶性或微融性物质可能与水泥发生某种程度的反应。在水泥孔隙溶液中，许多磷酸盐、碳酸盐、硅酸盐、硫化物和氢氧化物的溶解性很小，一些具有火山灰活性（所谓火山灰是指火山灰中含有较高的活性二氧化硅或活性氧化铝等活性组分，这些组分可与水泥水化产物氢氧化钙反应，生成水化碳酸钙、水化硅酸钙或水化硫铝酸钙等，引起二次水化反应，称其使火山灰具有一定的天然活性）的微溶氧化物，如SiO2、Al2O3、等，也可以很快与水化产物发生反应，生成水泥胶凝产物。吸附是通过离子置换的形式发生的，置换程度取决于放射性废物中离子的电荷、尺寸和几何形状。

放射性废物的组分会对水泥水化过程产生干扰，影响废物的固化处理过程，如对固化产物的耐久性和抗侵出性等有明显的影响，因此应在固化配方研制中给予充分考虑。

四、外加剂引入对水泥水化过程的影响

水泥水化作用可简化为水泥颗粒表面的溶解和水化产物的沉淀及硬化，物理表现为凝结和硬化。外加剂的引入可能对水化作用产生如下干扰和影响：加速或催化凝结和硬化过程；延滞凝结或硬化；改变水的用量；增加或降低固化体的机械性能等。

水灰比，是水泥浆液配方的关键指标之一，水灰比过大将会增加氯离子的侵入，直接影响废物体的长期处置性能。因此，通常采用减水剂来优化水灰比，以调整水泥浆的性状和固化体的性能。减水剂是在水泥和水搅拌过程中，吸附在水泥颗粒的表面，这样增加了水泥颗粒表面的负电荷，靠静电斥力使水泥分散，减少用水量。常用的德国马斯夫公司生产的高性能减水剂为羧酸醚聚合物，可大大提高水泥的分散性，减少水泥固化的需水量，减少泌出水，提高抗渗性和耐化学腐蚀性能。