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日本排放核污染水引关注,含氚废水处理技术及产业化或将迅速发展

作者:   时间:2023-08-17   浏览次数:1269

据日本《朝日新闻》此前报道称,有日本政府消息人士透露,日本政府预计最早于8月下旬开始将福岛核电站经过处理的核污染水排放入海。

日本核污染水排海计划引起科学界和民间的激烈讨论,核废水处理问题是大家讨论的焦点。一般来说,核污染水主要成分有放射性同位素锶、锶、铯、钚、铀和放射性氚等。此前,东电公司通过铯吸附装置和ALPS多核素吸附系统去除包括铯的62种核素。2014年,他们增加除锶吸附装置。废水经过除铯除锶和反渗透除盐淡化后,会有三个去向:其中有约280m³的水会回到注水箱,作为冷却反应堆的循环冷却水;剩下的则进入ALPS单元或者移动除锶单元,经处理的出水最后贮存在储存罐中。然而,有一种同位素却通过ALPS系统难以清除至达标,那就是氚。

什么是氚 (chuān) ?

氚是一种氢的同位素,自然界也有存在,其对人体的影响较低,但高浓度摄取可能会造成健康风险。普通核电站的氚水主要是由于回路冷却剂中的氢同位素被中子辐照而形成的,或者是由于燃料元件中的裂变产物渗透到回路而形成。

事实上,日本还是做了很多调研工作尝试去氚的。2014年9月,日本经济、外贸和工业部(Ministry of Economy, Trade and Industry of Japan)还选出了美国的Kurion、俄罗斯原子能国有公司Rosatam的子公司RosRAO、加拿大的GE-Hitachi核能源公司来承建一个去氚示范项目。那么难度极高的氚去除方案到底是怎样的呢?据了解,Veolia公司(Kurion被Veolia收购)和Rosatom两家公司的技术方案,采用的都是电解催化交换工艺(CECE - Combined Electrolysis Catalytic Exchange)工艺。


联合电解催化交换工艺因其操作温度较低,工艺条件容易控制等特点,被国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor ,ITER)选为水冷却剂中除氚的重要技术路线,同样自日本福岛核事故后,日本东京电力公司也把联合电解催化交换工艺作为其大量核废水除氚的备选重要技术路线。在联合电解催化交换工艺中,含氚废水处理后仅有很少一部分经过富集浓缩后再进行下一步的处理处置,而大部分则转化成气态氢气排放。排放的氢气中含有饱和水蒸气,氚以氧化形态HTO形式存在饱和水蒸气中,其生物毒性比元素态气体强10000倍。因此在氢气排放前,必须对水蒸气进行深度处理,一般采用冷凝的方式将蒸气中的水冷凝,并将冷凝液输送回工艺系統。


KURION的MDS去氚系统流程图

KURION的MDS去氚系统主要有液相催化交换塔单元和电解制氢单元两部分构成。液相催化交换塔中填装有贵金属疏水性催化剂和亲水性填料,电解制氢单元产生的氢气与催化交换塔内向下流动的水进行氢同位素的交换,氚在液相水中富集,在气态氢气相中贫化。含氚水进料位置将催化交换塔分为两段,上段为贫化段,下段为富集段。天然水在贫化段顶部流下,洗脱上开的氢气,贫氚后的氢气在顶部排放;在富集段,含氚的进料水与从贫化段流下来的水混合在富集段与氢气进行同位素交换,这样使富集的氚水在液相催化交换塔底部浓集。

虽然从技术的角度能够将核废水中的氚进行分离,但日本政府并没有实际应用除氚的技术方案,这背后“成本”,则是未能实现工业化的原因。据世界核新闻网(WNN)2014年11月报道,日本经济产业省曾拨款约1000万美元给美国放射性废物管理专业公司Kurion,令后者做氚分离技术的示范,目的是验证该技术以及评估应用于福岛核电站的建立和运营成本。报道指出,当时已有的将氚从重水中分离的技术对于处理福岛核废水过于“昂贵”。

2015年3月,《洛杉矶时报》报道,Kurion的首席技术官Gaetan Bonhomme估计,该公司已有的技术能在5到8年内去除80万立方米水中的氚,但仅建立设施就需10亿美元,每年还需数百万美元的运营费用。在2016年4月,日本政府的相关特别工作组便得出结论,现存氚去除技术无法应用于福岛核电站。报告认为这个结论的出发点是经济考虑,而非技术匮乏。

随着国家发展和环境保护的需要,核能将会在我国能源领域扮演越来越重要的作用。同时,也必须清醒的认识到,虽然核能相比化石能源更为环保和绿色,但核能在提供巨大能量的同时也不可避免的产生一定数量的放射性废物,而且随着核电规模的扩大,随之产生的放射性废物也会逐渐增加。由于放射性废物的特殊性,一直受到普遍关注。

含氚废水是其中一个重要方面,压水堆型核电机组中的氚主要是在核反应中产生的,一部分是在核燃料元件在核裂变过程中产生并通过包壳渗透到一回路,另一部分是一回路冷却剂中的微量物质如B、Li和D等在中子作用下形成。对于一座百万千瓦的核电站,其氚排放量为70TBq/a,其中氚在废水中以HTO形式存在。对于AP1000堆型机组,一回路冷却剂中氚主要以反应堆冷却剂系统流出液的形式进入废液处理系统(WLS)。

氚带有放射性,会发生β衰变,其半衰期长达12 .43年。虽然我国国标《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》将氚列入低毒性放射性核素,但这并不意味氚的危害可以被忽略。液态氚(HTO/T2O)的放射性毒性比气态氚(HT/T2)高10000倍,可通过消化道、呼吸道和损伤的皮肤进入体内,长期或超量蓄积在体内,可引起慢性内照射放射病。

由于现有核电站中缺乏对含氚废水的处理装置,常规放射性核素的去除手段如吸附、过滤、蒸发、离子交换、膜技术等几乎不可能将HTO与H2O分离出来,大部分氚最终被排放到环境之中。随着核电建设规模的日益增长,含氚废水排放量也将逐渐增加。尤其是随着内陆核电站的建设提到日程,含氚废水的问题将会日益突出。由于内陆水体稀释能力相对沿海核电站较弱,发展内陆核电站首先要考虑的是大量低浓含氚废水的排放对环境的影响或者直接对饮用水的污染问题。

核电站含氚废水具有浓度低、处理量大的特点,同时对处理工艺的减容因子、安全性和经济型也有很高的要求。目前已公开的含氚水处理工艺多是用于含氚重水的处理,且多为氚的稀释过程,需要大量的氢气置换水中的氚,后端的氢同位素分离单元的处理压力和能耗巨大,针对此项情况,我国有研究机构对含氚核废水处理工艺进行了改进,包括进料系统、水精馏单元、多级联系统、联合电解催化交换单元、氚水储存容器和热泵节能系统。采用了两级处理工艺,以水精馏作为初级贫化及减容工艺,实现大容量低浓含氚水的达标排放贫化;以联合电解催化交换工艺作为次级高效减容工艺,实现不同倍数的含氚水贫化和减容处理。该方法具有流程简单、装置操作便捷、系统稳定性好、减容及贫化因子高的优点,能够有效实现含氚水的贫化和减容处理,具有广泛的工程应用价值。

东庚公司已经参与在这个领域当中,并且研发出适合该应用的关键设备,具体工作可以参考:重水精馏:丝网填料与塔内件的选择

总结一点,成本昂贵是核废水除氚技术未能进行产业化应用的原因。产业化的核废水处理技术必须具备足够的大规模处理能力,以处理庞大的核废水量。其次,核废水处理涉及高风险的放射性物质,任何产业化的技术都必须确保在过程中不会对人类和环境造成进一步的危害,技术的安全性和环保性是必不可少的要求,需要大量的实验和验证。而目前要实现核废水除氚技术产业化需要十分高昂的费用,在成本效益上不具可行性,但相信随着技术不断发展,产业化难题持续突破,成本下降指日可待。

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