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高放废物的源项及其特征

发布日期:2019-04-29   来源:矿道网   投稿者:夏加国 陈文轩 王旭宏 李星宇 侯伟 杨球玉 吕涛   浏览次数:2114

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高放废物主要是指核反应堆的乏燃料在后处理过程中产生的高放废液及其固化废物, 另外, 未经处理的乏燃料也将其归为高放废物[14]。据GB9133—1995《放射性废物的分类》, 高放废物分为高放废液和高放固体废物两类。高放废液指的是放射性浓度大于4×1010Bq/L的废液。高放固体废物分为两种, 第1种高放固体废物核素半衰期大于5年, 但低于或等于30年, 释热率大于2 k W/m3或比活度大于4×1011Bq/kg;第2种高放固体废物的核素半衰期大于30年, 释热率大于2 k W/m3或比活度大于4×1010Bq/kg。

2.1 玻璃固化体及其特征

玻璃固化体是指将高放废液和玻璃原料在高温下进行熔融, 放射性核素以氧化物的形式结合在玻璃结构中, 将熔融的玻璃浇注在废物容器中, 最终形成稳定的玻璃固化体。

目前我国核设施内已存有较多的高放废液, 另外, 在压水堆核电站的乏燃料后处理过程中也将产生大量的高放废液。这些废液都将通过玻璃固化技术转化为高放玻璃固化体, 在地表暂存一段时间后 (通常不超过40年) , 运往处置库进行深地质处置。

现阶段, 高放废物容器的规格如表1所示, 其外部直径为430 mm, 在废物容器外部设计的处置容器材料初步考虑采用K55号钢, 其中外径为550 mm, 高1 650 mm, 厚度为55 mm, 在处置容器内壁与废物容器外壁之间预留5 mm的间隙用于废物放置的方便。

2.2 乏燃料及其特征

乏燃料指在反应堆内运行受辐照后从堆内卸出且未经处理不能在反应堆中继续使用的核燃料。我国目前主要的乏燃料类型有压水堆乏燃料、重水堆乏燃料以及后期将产生的高温气冷堆乏燃料。

2.2.1 压水堆乏燃料

我国投运、在建及拟建的核电站以压水堆为主, 该堆型借鉴吸收了国际上20世纪60—90年代在此方面的建造运行经验, 并在设计上做了较大的优化改进。秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的__座压水堆核电站, 现阶段我国已建成的压水堆堆型主要有M310、CNP300、CNP600、VVER、AP1000、EPR以及华龙一号。

我国历来重视核电厂乏燃料安全, 为了充分利用裂变材料资源以及实现废物最小化, 确立了该类乏燃料后处理的闭式核燃料循环政策。

2.2.2 重水堆乏燃料

秦山三期核电站是我国首座商用重水堆核电站, 该堆型引进了加拿大成熟的CANDU堆技术。由于重水堆使用重水作为慢化剂, 因而只需要天然铀而无需富集铀作为燃料, 燃料组件的制备也较为简单。重水堆组件断面为圆形, 直径和高分别为102.3 mm和495.3 mm, 因而其尺寸较一般的压水堆燃料相对较短。

重水堆核燃料的燃耗较压水堆低, 相应的乏燃料中产生的裂变产物也较少, 加之该燃料本身为天然铀, 因此该堆型的乏燃料具有较低的释热量和毒性, 故而需要的屏蔽标准较低, 相应处置操作也较为简单。同时重水堆乏燃料为天然铀使用后的燃料废物, 致使其后处理工作所需的成本较高, 对该类乏燃料进行后处理则需要进一步提高其经济效率, 且与国际铀价有着密切的联系。我国目前尚未有重水堆乏燃料后处理的计划, 目前计划将这些乏燃料经过暂存后, 直接送至深地质处置库进行处置。

2.2.3 高温气冷堆乏燃料

高温气冷堆作为第四代先进反应堆型之一, 有望在将来得到广泛应用。现阶段, 我国山东石岛湾以及福建万安正在积极开展相关的推进工作[15]。该堆型的燃料元件为球型, 由约8 300个包覆的燃料球弥散在石墨基底中压制而成, 单个乏燃料球的直径为60 mm、体积约113 cm3、质量约200 g。

在高温气冷堆中, 低富集度燃料的燃耗可超过80 000 MW·d/t, 其中初始铀 (U235) 和产生的可裂变钚的利用率亦可达80%~90%, 与进行后处理的轻水堆燃料利用率基本相当。由于该类燃料具有富集度低、燃耗程度深等特点, 直接处置对于核材料的丢失而造成的经济损失不大, 因而在选择处置方式方面, 美国、德国等国家均偏向于直接处置而不进行后处理的方案。然而一次通过的处置方式虽然较为经济, 但却不利于核能的可持续发展, 而后处理闭式循环的方式则能充分利用核资源以及减少最终地质处置的核废物量[15]

2.3 α废物及其特点

放射性固体废物中半衰期大于30年的α发射体核素的放射性比活度在单个包装中大于4×106Bq/kg的为α废物。该类废物主要来自乏燃料后处理厂和操作钚与其他超铀核素的设施或活动, 包括军工核设施、商用后处理设施、混合氧化物燃料元件制造厂相关活动中产生的阀芯、滤芯、管道、仪表、工具和手套等, 其具有半衰期长、毒性高、处理和处置费用大等特点。

 

α粒子是带有2个正电荷的氦核粒子, 在空气中运动时能够很快被电离, 致使绝大部分能量损失在空气中, 从而导致该类粒子的穿透性较差, 一般情况下通过一张纸就能将其很好地隔离。然而由于该类废物的毒性大、半衰期长, 例如铀238的半衰期可达4.5亿年之久, 因而该类废物一旦通过呼吸道吸入、消化道进入、皮肤伤口渗入等途径进入人体内, 则释放的射线和化学毒性会对人体器官造成终身的伤害。故而我国《中华人民共和国放射性污染防治法》要求对此类废物也应采用深地质处置。目前该类废物的处置容器为标准钢箱, 其外部尺寸为2 438 mm×1 968 mm×1 331 mm。

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