核废水处理技术

一、核废水来源及现状

 

        福岛核电站废水处理现状图|图源：TEPCO

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核废水来源及现状

      东京电力福岛第一核电站持续对2011年3月核事故中产生的熔融核燃料进行注水冷却，结果每天产生含有高浓度放射性物质的水（污染水）。此外，含高浓度放射性物质的污染水在反应堆厂房内滞留，也会与流入厂房的地下水、雨水混合而产生更多污染水。

     从2011年至今，福岛第一核电厂通过污水处理设施（包括多核素去除设备ALPS等），净化因事故而产生的污染水所含的放射性物质，经过ALPS处理水及锶处理水均储存在厂区内的储槽中。此外，厂区内共设有1073座储罐。截至2023年5月18日，ALPS处理水等的储罐1033座、锶处理水的储罐27座、海水淡化装置（RO）处理水12座、浓缩盐水1座，总量约133.4万吨。

     目前日本东电公司宣称：经多核素去除设备（ALPS）处理的水已去除大部分放射性核素（除氚以外），储存于储罐中。ALPS设备拥有去除放射性核素（不包括氚）的功能，使其达到以下3个标准：

   ①污染水的日本国家规定标准：厂区边界的有效剂量 1毫希沃特（mSv）/年；

   ②释放到环境中时的日本国家标准（告示浓度限度）：日本国家法令中规定的福岛第一核电厂将放射性物质释放到环境中时各核素的放射性浓度上限。

   ③告示浓度比总和小于1倍：释放多种放射性物质时，由于各核素告示浓度限度存在差异，需计算各告示浓度限度的比率，其合计值称为“告示浓度比总和”。

     但是，由于设备运转初期问题及处理时期运用方针的不同等，目前各告示浓度比总和的储存量如上图图所示。仅有35%，即41.85万方的经过ALPS处理的废水的告示浓度比总和小于1倍。

 

 

二、污水处理工艺流程

 

 

   工艺流程图|图源：TEPCO/千帆悦汉化

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  污水处理设施工艺流程

       反应堆芯的冷却水与海水混合后，附近的重油和汽轮机油也会混入其中，使得污水变成含有油和盐的放射性废液。其中，铯134和铯137具有强烈的γ放射性，并且放射性浓度极高，因此必须首先处理这些废液，以确保工作人员的辐射安全。

      污水首先经过第一套铯吸附装置（油水分离装置+吸附装置+絮凝沉淀装置，600吨/天×2系列），第二套铯吸附装置（预过滤+铯吸附+介质过滤装置，1200吨/天×1系列）。然后经过反渗透RO膜浓缩过滤装置脱盐处理进一步浓缩减量并将多种放射性核素转移至浓水中，清液回流至反应堆冷凝水罐，脱盐浓水分别经过移动式除装置（600吨/天、1920吨/天）、RO浓缩水处理装置（500~900吨天、蒸发结晶）、三种多核素去除设备ALPS（现有型250吨/天×3系列/改进型250吨/天×3系列/高性能型500吨/天）后暂存至ALPS处理水罐、锶处理水罐。

 

三、多核素去除设备（ALPS）

 

 

 

 

多核素去除设备流程图|图源：TEPCO/千帆悦汉化

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   多核素去除设备（ALPS）      

   多核素去除设备（ALPS）即是（Advanced Liquid Processing System）的简称，主要采用吸附为主工艺，具有选择性吸附处理水中所含的放射性核素离子、胶体。经过除铯137、铯134和脱盐处理后的废水，先后加入铁盐和碳酸盐分两步进行共沉淀（预处理），以除去废水中可能影响吸附效果的组分。铁盐共沉淀主要去除α放射性核素、钴60、锰54等，碳酸盐共沉淀去除钙、镁等吸附竞争核素。 其中铁盐共沉淀、碳酸盐共沉淀产生的污泥经过浓缩后排放至HIC储存罐中被集中存放。

     其后，废水先后经过吸附塔（吸附剂1-6）、处理塔（吸附剂7），相关吸附剂及去除元素类型如下所示：

 ①吸附剂1：活性炭；去除胶体；

 ②吸附剂2：钛酸盐；去除锶(M2+)；

 ③吸附剂3：亚铁氰化物；去除铯(钴，钌)；

 ④吸附剂4：银浸渍活性炭；去除碘； 

 ⑤吸附剂5：二氧化钛；去除锑；

 ⑥吸附剂6：螯合树脂；去除钴(Mn2+/Mn3+)；

 ⑦吸附剂7:  树脂；去除钌等带负电的胶体；

     吸附塔采用吸附剂1—6的吸收富集的放射性污泥均需要排放至HIC储存罐中被集中存放。

    处理塔采用吸附剂7（树脂吸附剂）的两级吸附方式，饱和吸附废水中残留的核素后整体后更换新的吸附处理塔，被更换的饱和吸附处理塔被运输至临时储存区域存储。该处理塔的材质为SUS316L，尺寸为：1.4m(直径)×3.0m(高度)。

 

 

ALPS预处理设备原理|图源：TEPCO/千帆悦汉化

 

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   ALPS预处理设备      

  ①铁盐共沉淀处理设备:

   药剂添加流程：加入次氯酸钠和氯化铁后，加入烧碱产生氢氧化铁调节PH值，后加入聚合物作为絮凝剂；药剂主要成分：氢氧化铁（Ⅲ）

  ②碳酸盐共沉淀处理设备：

   药剂添加流程：将碳酸钠和烧碱添加到沉淀罐中以产生二价金属碳酸盐； 药剂主要成分：碳酸钙、碳酸镁， 沉淀污泥中碳酸钙与碳酸镁的比例约为3/5。

    由于污泥的颗粒比吸附剂小，因此一旦将其存储在HIC中，就很难从污泥中去除水。污泥在预处理过程中进行浓缩，以便在将其装入HIC之前减少水量。 

 

 

 

 

ALPS对比图|图源：TEPCO、日立GE/千帆悦汉化

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   ALPS设备升级  

   ALPS设备由日立GE供应，经历过2次改进，分别升级为改进型ALPS、高性能ALPS。

   改进型ALPS:

①吸附塔的数量有16个增加至18个；②共沉淀的预处理在吸附塔中同步进行。

   高性能ALPS：

①预处理由混凝沉淀调整为同等核素处理效果的除胶体过滤器，进一步减少简化设备流程数量；

②采用Cs/Sr同步高性能吸附剂，可以减少吸收塔、废物储存塔数量；

③提高材料的耐腐蚀性能（内衬双相不锈钢）

   经过ALPS设备处理后的废水可以将除氚以外的其余62种核素的浓度降至排放限值以下，这些核素包括86Rb，89Sr，90Sr，90Y，91Y，95Nb，99Tc，103Ru，106Ru，103mRh，106Rh，110mAg，113mCd，115mCd，119mSn，123Sn，126Sn，124Sb，125Sb，123mTe，125mTe，127Te，127mTe，129Te，129mTe，129I，134Cs，135Cs，136Cs，137Sc，137mSc，137mBa，140Ba，141Ce，144Ce，144Pr，144mPr，146Pm，147Pm，148Pm，148mPm，151Sm，152Eu，154Eu，155Eu，153Gd，160Tb，238Pu，239Pu，240Pu，241Pu，241Am，242mAm，243Am，242Cm，243Cm，244Cm，54Mn，59Fe，58Co，60Co，63Ni，65Zn。

   

 

       ALPS实拍图|图源：TEPCO/千帆悦汉化

 

三、铯吸附装置

 

 

铯吸附装置及流程图|图源：TOSHIBA/千帆悦汉化

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铯吸附装置
      

     福岛核事故后，东电公司首先建立了一套铯吸附装置处理系统，该套系统处理规模为600吨/天×2系列 ，其中油污分离系统由东芝公司（Toshiba）提供，铯吸收系统由库里恩公司（Kurion） 提供，絮凝沉淀设备由阿海珐公司（Areva)提供，除盐系统由日立通用（Hitachi）公司提供，膜浓缩液蒸发处理系统由东芝公司提供。第一套铯吸附装置处理系统由4条处理线组成，每条处理线又依次分为除油除锝、除铯、除碘三个部分。该装置由于沸石吸附能力会在含盐量高的情况下降低，因此铯去除能力不足而造成后端反渗透系统不能满负荷运行而导致放射性超标，且由于吸附能力低会形成更多的二次放射性废物。

     为进一步处理放射性废水，东芝公司（Toshiba）开发第二套铯吸附装置SARRY（Simplified Active water Retrieve and Recovery system），该套系统处理规模为1200吨/天。

 

第一套铯吸附装置工艺流程图|图源：TEPCO/千帆悦汉化

 

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   第一套铯吸附装置（Kurion） 

     在该系统中，采用了三种独特的沸石无机吸附材料，分别是表面改性沸石（SMZ），用于去除油和锝；碱菱沸石（H），用于吸附铯；还有银浸渍碱菱沸石（AGH），专门用于去除碘。这些高性能的吸收材料均由Kurion公司提供。

 

 

 

 第二套铯吸附流程图|图源：TEPCO/千帆悦汉化

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   第二套铯吸附装置(Sarry)

     东芝公司、Shaw公司和IHI公司联手设计的第二套铯吸附装置（SARRY），包含两系列油水分离、预过滤和铯吸附部分。该系统采用了UOP提供的IONSIV R9120－B和R9160－G型无机吸附材料，其中R9160为沸石，具有Cs＞K＞Na＞Li的离子选择性；R9120为CST（结晶硅钛酸盐），其离子选择性为Cs远大于Na。新吸附剂的使用成功降低了废吸附剂的产生量，降幅高达90%，使得该系统更具吸引力和可读性。

     SARRY系统使用的无机离子吸附剂材料，意味着每当吸附塔单元达到吸附能力上限或不能满足设计要求时，就需要整体更换新的吸附塔单元。而被更换下来的单元会作为放射性废物进行处理。但是，为了最大化利用旧和新吸附塔单元，可以通过调整流经它们的顺序来实现。如上图所示，这种调整可以确保所有吸附塔单元都能有效地利用。

     吸附塔单元更换的条件如下：

     ①铯吸附量：＞6×10^5Bq；由于放射性铯衰变会不断放热，为防止吸附塔中心温度超过500℃，设定此铯吸附量上限。

    ②铯吸附塔(SIXM)入口/出口放射性浓度比：SIXM1＜1.5、SIXM1＜64；设定此浓度比的目的是维持吸附能力稳定。

     ③Sarry装置出口铯浓度：＞10Bq/ml；设定此浓度比的目的是维持吸附能力稳定。

    ④铯吸附塔（SIXM）表面剂量：＞12mSv/h(距SIXM表面30cm)；设定此浓度比的目的是保障作业人员的放射性防护安全。

 

 

 

 

第二套铯吸附设计图|图源：TOSHIBA/千帆悦汉化 

 

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 铯吸附装置(Sarry)设计 

     虽然无机吸附材料有较好的耐辐照稳定性，但是辐照带来的衰变热和氢气等问题。由于放射性铯衰变，会不断释放热。同时容器内残余的水在强辐照条件下，会发生分解并生成氢气。在Kurion的除铯方案中就对使用后吸附容器的衰变热和氢释放做了相关研究，在吸附容器上设置合理的氢气排放口。Sarry系统的废吸附单元的吸附材料和外壳之间还设计了空气冷却部分，且在废吸附单元卸下最初的48h，需要强制空气对流进行降温和氢气逸散。

     Sarry吸附单元构造如上图所示，内部中心核为吸附剂，外层为铅屏蔽材料，外部接口包括液体进口、出口、空气出口、氢气出口等。

     Sarry装置系统的设计具有以下优化特点：1. 能够在高盐海水条件下有效去除铯的能力。2. 保留了与现有设备的匹配设计余量，确保了系统的兼容性和稳定性。3. 通过创新设计，显著减少放射性固体废弃物的产生。4. 采用先进的辐射屏蔽材料，确保操作人员的安全。5. 全面的安全措施，包括辐射剂量控制、设备发热管理和氢气排放控制，确保系统运行安全。6. 实现了设备单元的集成化，提高了系统的整体效率和紧凑性。Sarry系统的设计之初就充分考虑了各种优化因素，使其在性能、安全性和效率方面都具有显著优势。

 

 

 第二套铯吸附装置实拍图|图源：TEPCO

四、固体废物处理

 

 

 

HIC构造及存放设施图|图源：TEPCO

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   HIC装置   

     在福岛第一核电站，使用多种设备净化了污水以减少其中所含的放射性物质，净化处理过程会产生两种类型的固体废物。一种是液体和固体的污泥（包括铁共沉淀污泥、碳酸盐沉淀污泥），另一种是饱和的废吸附剂，均存储在高密度聚乙烯整体容器中（简称HIC）存储容器中。

     不锈钢增强后的高密度聚乙烯整体容器（HIC）存放在具有屏蔽辐射性能的防水混凝土箱体中，同时设置吊钩吊环方便远程控制起吊运输，混凝土箱体整体暂存于临时设施中。该防水混凝土箱体中设置辐射泄露检测装置以防止污泥泄露。根据东电确认，在HIC表面具有最高剂量（14mSv/h）条件下，HIC的整体完整性可以保证10年。

     但由于污泥中含水始终存在放射性泄露风险，东电公司计划拟将HIC中的污泥脱水转化为固体后稳定存储。流动态的污泥转化为固体后，不仅消除浆液放射性泄露风险,同时降低因辐射导致的HIC分解破坏的风险，因为脱水转化为固体后存储容器可由金属制成，因此不受辐射的影响。提取储存在HIC中的污泥，将其脱水并转化为固态的过程称为“稳定化”。 

 

污泥稳定化流程示意图|图源：TEPCO/千帆悦汉化

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   污泥稳定化  

     由于污泥含有放射性物质，污泥稳定化设备采用易于远程操作的隔膜压滤法，以减少人员作业辐射。稳定化过程包括如下三个步骤：①搅拌已沉淀在HIC中的污泥后，提取污泥浆液；②污泥浆液在压滤机中脱水转化为脱水污泥；③将脱水污泥装填到存储容器中加盖运输。隔膜压滤机中将浆液通过隔膜将被滤布、滤板上挤压脱水，脱水污泥自行掉落至装填容器后被运走。稳定化过程中产生的脱水废液由多核素去除设备（ALPS）进行纯化处理，被拆除后空的HIC焚烧处理。

     污泥稳定化系统包括用于运输/提取设备、脱水设备，填充设备、水处理设备、通风除尘设备等。稳定化处理车间的设计考虑采用钢筋混凝土车间屏蔽安装地上一楼的脱水设备，其余所有设备都将放置在地下并由楼板屏蔽。

 

五、未处理的氚水

 

 

                      氚水示意图|图源：TEPCO

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   氚水性状     

   福岛核电厂经过多核素去除设备（ALPS）处理过的污水中含有难以去除的“氚”核素，氚同其他氢一样与氧结合，以氚水（HTO）方式存在。

     氚是氢元素的同位素，根据氢元素所含中子数的不同分别为氕、氘、氚。氕、氘、氚原子核中质子的个数相同均为1个，但是氕没有中子，氘有1个中子，氚有2个中子。氚比普通的氢（氕）多了2个中子，其原子核处于不稳定的状态，其中1个中子会释放电子，转变为质子，而成为氦原子。此时所释放的电子就是β射线。

    由于水（H2O）和含有氚的水（HTO）性质几乎完全相同，因此分离含有氚的水（HTO）存在一定的技术困难。

    截止2023年8月，储存的氚水约133.4万吨，平均氚浓度约为620,000 Bq/L，氚总量约828万亿Bq。

 

 

             氚水处理技术验证评估|图源：TEPCO

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   氚水处理 

     关于氚水的处理，日本东电公司于2014年至2016年期间开展各种技术的试验验证评估并于2016年发布评估报告，将不同技术分为A类、B类。A类代表在项目现场中评估分离性能、成本等并进行示范测试。B类代表开发初期技术，以实验室测试为主。A类技术评估情况：①库里恩（Kurion）公司技术完成了小试、中试并评估了分离性能与成本测算，验证结果存在实际试验数据不及预期、投资运行成本高等问题；②RosRAO公司技术完成了中试并评估了分离性能与成本测算，验证结果称需进一步验证工艺长期稳定性、投资运行成本高、需确认浓缩物质量平衡等问题；③笹仓公司技术完成了小试并评估了分离性能与成本测算，验证结果称蒸馏塔分离系数依不同填充材料而不同、需要进一步在更大规模中试验证蒸馏塔的修复性、安全性、成本等问题。

    2020年，由三菱综合研究提交日本自然资源和能源局的福岛核废水水处置技术的调查报告显示：除包括上图所列的公司、大学及后续从事相关研究的日本近畿大学、京都大学后续均未在福岛开展氚水试验、处理工作。

   目前在东电公司的官网上还在征集全球征集氚水的处理技术，要求可将氚水的放射性由10^6Bq/L降低至10^3Bq/L并具备50~500吨/天工程可靠性。基于上述资料笔者猜测主要还是成本原因导致氚水处理搁置，东电公司最终选择躺平后，计划于8月24日将含氚的废水与海水混合后稀释100倍后直接排海。

 

 

                    参考文献

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