反应堆石墨废物最小化研究进展

（本文文字摘自《核安全》第14 卷第1 期，作者：姜子英1，张燕齐1，温保印1，李　红2，於　凡1；1．中国原子能科学研究院，北京　102413；2．清华大学核能与新能源技术研究院，北京　100084)

摘要：反应堆中的石墨废物体积庞大并且含有长寿命放射性核素，是放射性废物管理的难点。本文介绍了国际上放射性石墨废物处理技术、部分国家石墨废物处置策略和替代方案研究的进展；分析总结了石墨分类处理处置策略、适用中等深度处置的废物最小化发展方向；最对我国在反应堆石墨废物处置方面所面临的挑战和相关研究提出了展望和建议。

放射性废物最小化是放射性废物管理的基本原则之一，是通过技术手段和管理手段使放射性废物的产生量和放射性活度达到实际可行的最小化的程度，从而限制随之相关的环境影响并降低废物管理的经济费用。

石墨在反应堆中被广泛用作慢化剂、反射层、燃料套管等材料。在反应堆内高中子通量的辐照下，大部分石墨中会产生放射性核素，其放射性活度水平与反应堆的类型和运行史、石墨组件的结构、辐照时间等因素密切相关，通常含放射性活度范围在106 Bq·kg-1~109 Bq·kg^-1的石墨被视作长寿命低中放废物（LILW-LL）。石墨中的放射性核素主要是³H（杂质Li 的活化产物）、¹⁴C（杂质N 的活化产物），也可能含有腐蚀活化产物（⁵⁷Co、⁶⁰Co、⁵⁴Mn、⁵⁹Ni、⁶³Ni、²²Na）、裂变产物（¹³⁴Cs、¹³⁷Cs、⁹⁰Sr、¹⁵²Eu、¹⁵⁴Eu、¹⁵⁵Eu、¹⁴⁴Ce）以及少量的U 和超铀核素（²³⁸Pu、²³⁹Pu、²⁴¹Am、²⁴³Am）等。全世界有一百多座用石墨做慢化剂、反射层等材料的反应堆，产生的石墨废物存量达25 万t。

体积庞大并且含有大量长寿命放射性核素的反应堆石墨废物已经成为放射性废物管理的难点。例如，英国共有约9 万t 石墨——主要来自26 个Magnox堆（单堆最大含有3 740 t 石墨）、15 个AGR 堆以及其他研究堆和生产堆等——一方面，如果这些石墨整备后全部进行地质处置，其体积将占掉英国计划建造的地质处置库容量的三分之二，因此，无论从经济费用还是库容上都不合理且不可行；另一方面，反应堆石墨废物含有大量长半衰期核素，例如¹⁴C（5 730 年）、³⁶CI（308 000年）、⁴¹Ca（103 000年）、⁵⁹Ni（76 000年）、⁹⁴Nb（20 000 年）、²³⁹Pu（24 100 年）、²⁴³Am（7 450年）等不满足近地表处置的限制要求。目前普遍的做法是在反应堆关闭后的几十年内就地长期暂存、延缓退役及最终处置。其中长期暂存具有很多不确定性因素，并且将问题留给后代而没有最终解决。近年来，国际上对放射性石墨废物处理技术、处置策略和替代方案等开展了广泛研究。本文将介绍石墨废物最小化相关研究的进展，并对我国面临的挑战和相关研究进行展望。

1　放射性石墨处理处置研究现状

1.1　石墨处理技术

1.1.1　热处理（焚烧）技术

1）各国热处理（焚烧）技术

主要有固定床（熔炉）焚烧、密封腔焚烧、流化床焚烧、激光焚烧、蒸汽热解等技术。

（1）固定床焚烧技术。固定床焚烧技术的研究最先始于法国，随后德国在中试规模上验证了传统熔炉燃烧石墨的可能性。美国西屋公司（Westinghouse）试验验证了对高温反应堆石墨燃料压块和碎石墨的燃烧处理技术。乌克兰研发了膨胀剥离法预处理后再焚烧处理石墨的方法。

（2）密封腔焚烧技术。美国西北太平洋国家实验室（PNNL）研发了采用带熔融碳酸盐燃料电池的封闭焚烧腔的密封腔焚烧技术，处理来自高温反应堆中的整体石墨块。

（3）流化床焚烧技术。法国法马通公司（Framatome）开发了循环流化床焚烧技术并建立了中试厂，试验表明，采用该技术焚烧石墨的过程易于控制、焚烧完全（效率达到99.8 %），可使绝大部分放射性核素保留在焚烧灰和过滤器中，仅有³H 和¹⁴C 释放出来，二次废物量仅为原始废物的1%~2%。日本NGK Insulators 公司开发了一项改进的流化床焚烧技术，将石墨废物预先压成粉末后焚烧，初步用于处理套管状和块状石墨。

（4）激光焚烧技术。法国原子能委员会（CEA）开发了激光焚烧技术并建立了试验装置，直接用高能量激光点燃并维持石墨燃烧，而不需要破碎或预处理。

（5）蒸汽热解技术。英、美等国研发了利用蒸汽热解处理放射性石墨的方法。2003 年美国发布了蒸汽热解处理废石墨的技术专利，用于处理堆芯慢化剂石墨、燃料元件石墨套管等。德国开展了利用蒸汽对石墨去污的研究，试验表明，可以将石墨内部的主要核素³H 去除99 %以上、¹⁴C 去除约60 % 以上，通过处理位于表面的小部分石墨就可以实现大幅度的去污。不同的石墨热处理（焚烧）技术的比较见表1。