核电站运行和维修过程中，会产生大量放射性固体废物，其中最多的是低中水平放射性固体废物。如何实现这部分放射性废物的最小化，最大幅度减少送入放射性低中水平放射性固体废物填埋场的体积量，显得尤为主要。本文介绍了几种可用于处理核电站低中放射性固体废物的焚烧技术，旨在为实际处理工作提供参考。
标签：焚烧；热解；等离子体；放射性固体废物；废物最小化 核能与水能、风能、太阳能一样，都是清洁能源，核能的良好发展有利于减少化石能源消耗量，促进碳排放与污染物排放降低。然而在核电行业发展过程中，核电站放射性废物的管理与安全处理问题，越来越受到社会的广泛重视。低中水平放射性固体废物在核电站废物中所占的比重较大，其中又以可燃废物居多。放射性固体废物的处理技术有很多种，本文主要介绍几种焚烧技术。
1核电站低中放射性固体废物处理需求
核电站运行和维修过程中产生的放射性固体废物，主要包括废树脂、废过滤介质、废过滤器
芯、浓缩液、放射性淤泥等湿废物，以及放射性污染的废弃的擦拭物、纸张、塑料制品、废防护衣物、保温材料、废通风过滤器芯、检修时更换下的零部件等各种干固体废物。其中大部分干固体废物、废树脂均为可燃废物。废油、废有机溶剂等放射性液体废物也属于可燃废物。
根据我国核电发展规划，预计2020年时，我国核电将具备5800万千万的运行装机容量，相当于约60台核电机组。以50m3作为1个机组每年产生的放射性固体废物量，那么到2020年，每年将会产生3000m3固体废物包，而积存的低中放射性固体废物总量约为几十万立方米。
2可用于放射性固体废物处理的焚烧技术
目前国内外用于放射性固体废物处理的主要技术有水泥固化、塑料固化、玻璃固化、压实、热态压实、焚烧、高整体容器盛装等，另外还有湿法氧化、蒸汽重整等正在研究、但是尚未普遍应用的处理技术。
焚烧是放射性可燃废物处理最有效的方法之一。焚烧反应是一个复杂的化学过程，涉及化
学、传热、传质、流体力学、化学热力学、化学动力学等许多过程。根据焚烧工艺的不同，目前世界上已经应用于放射性废物处理的焚烧上技术主要有过气（过量空气）焚烧、热解焚烧、高温焚烧和等离子体焚烧等。
2.1 过气焚烧
被处理的放射性固体废物，在焚烧炉内与过量空气充分接触、混合，废物中的可燃成分在高温（800℃～1200℃）环境下发生剧烈的氧化燃烧反应，转化为高温气体和稳定的固体残渣，并释放出大量热量。
过气焚烧系统的主要设备有：焚烧炉、后燃室、洗涤塔、HEPA过滤器、活性炭吸附器和卸灰装置等。可燃废物送入焚烧炉进行过气焚烧反应，未燃尽的气态物质随气流进入后燃室，进行二次燃烧反应。后燃室排出的烟气进入洗涤塔，在洗涤塔急骤降温和洗涤后，再采用高效过滤器和活性炭过滤器进一步过滤掉尾气中的灰尘和残余的二恶英，然后监测排放。焚烧炉和后燃室的下部收集的焚烧灰，可采用超压减容、整备固定后处置。
德国是较早开发过气焚烧设施的国家之一，主要采用立式直筒炉，因其设备简单、运行可
靠，而得到广泛应用。德国卡尔斯鲁厄研究中心开发的过气焚烧装置，已在欧洲多个国家使用。日本也引进了该项技术，消化吸收后應用于核电站废物处理设施。
2.2 热解焚烧
热解焚烧也是一种分级燃烧技术，但是与过气焚烧系统不同，热解焚烧系统的一级反应是在热解炉中进行的。
放射性固体废物在热解炉的还原性气氛中，受热裂解，生成由挥发性小分子产物（热解气）和热解焦。热解焦在热解炉中进行表面燃烧，生成的灰烬从排灰系统排出。而热解气在与足够的助燃空气混合充分后，进入焚烧炉，在炉膛温度的高温（850℃～1200℃）环境下进行完全燃烧。焚烧炉排出的烟气急骤冷却至约200℃，避开生成二恶英的温度区间。冷却后的烟气，经袋式过滤器过滤、水洗、除雾再热、HEPA过滤，达到排放标准后，由引风机送入烟囱排放。灰烬进一步使用超压设备进一步压缩减容，实现安全贮存，并且大幅降低处置成本。
丹麦ENVIKRAFT开发了一套低水平放射性废物热解焚烧炉，已在法国、比利时、瑞典、
美国、日本、乌克兰和等国家和地区得到应用。其主要设备包括：热解炉、焚烧炉、急冷器、袋式過滤器、HEPA过滤器和卸灰装置等。该焚烧炉系统可保证所有的放射性核素都保持在焚烧炉内的一个控制区内，不会从焚烧炉随意释出。放射性废物完全热解燃烧后，可以达到10的7次方或更高的去污因子，可将塑料、纸、布、橡胶、木材以及有机液体等可燃废物的体积减小50～70倍。
2.3 高温焚烧
高温焚烧是一种新型、改进型焚烧技术。传统的焚烧技术只能处理可燃废物，而高温焚烧因起炉温可达1500℃，可容许少量金属、气体过滤器和绝缘材料与可燃废物一起焚烧。在此高温下，放射性废物发生焚烧和熔融。排料时，熔融物以一定流速排出，采用喷射水冷却，使熔融物凝结成颗粒状物质。
高温焚烧的优点是可以将可燃废物与不可燃废物同时焚烧处理，最终产物稳定性较好，总的废物减容比高达100：1。
高温焚烧设施的制造成本较高，目前只在日本有实际应用。比利时核能研究中心也建造过高温焚烧装置进行研究。
2.4 等离子体焚烧（熔融）
等离子体又称做电浆，由离子、电子以及未电离的中性粒子的组成，被认为是物质形态中除去固体、液体、气体以外的第四态。等离子体的参数范围异常的宽广，温度、密度、磁场强度最高可跨越十几个数量级，等离子体存在极其丰富的集体运动，因而能量极为集中，电热效率可达85%以上，产生的高温可以瞬间还原难以还原和难溶的物质。
典型的热等离子体是通过高强度电弧和等离子体炬产生的等离子体。等离子体炬是一种利用压缩电弧产生热等离子体的装置，可分为直流炬和交流炬，其中直流炬最常用。直流等离子体炬有两种操作模式：转移弧型（transferredarc）及非转移弧型。等离子体焚烧技术，是一种利用等离子体技术对空气进行电离，使放射性废物在高温下快速裂解为可燃性气体和稳定的熔渣，以实现废物减容的技术。等离子体技术对空气进行电离后，在千分之一秒内可达3000℃—10000℃。当放射性废物进入等离子体焚烧炉后，其中的有机物质在等离子体中迅速脱水、热解、裂解，生成以H2、CO和部分有机气体为主要成份的混合可燃性气体，再经过二次燃烧实现减容、无害化，废气则经过处理后排放。无机物则等在等离子体高温作用下熔融，焚烧的剩余物与熔融物混合在一起，排至处置容器中冷却为铸块。因为裂解过程发生的温度，远超出二噁英生成的温度范围，因此不会产生二恶英。
热等离子体处理废物的反应过程一般包括：等离子体热解（plasmapyrolysis）、等离子体气化（plasmagasification）、等离子体玻璃化（plasmavitrification）。如果采用放射性固体废物中的有机物含量较高，可采用等离子体热解+玻璃化，或者采用等离子体气化玻璃化。
国外的研究表明，等离子焚烧熔融技术用于处理放射性固体废物，是低放射性废物处理技术中非常具有应用前景的技术。
目前美国、俄罗斯、日本、韩国等国家以及我国台湾建有等离子体焚烧（等离子体熔融）设施。國内中科院等科研机构有所研究，但是没有商业应用的例子。
3结语
核电站产生的放射性固体废物种类较多，核素种类和活度水平各不相同，针对不同废物存在许多不同的处理技术。焚烧技术具有设备体积小、处理能力大、适应处理的废物广、最终废物形态稳定和减容比高等优点，与其他技术相比，优势比较明显。然而，因为焚烧设施的建造成本和维修成本较高（特別是等离子体焚烧熔融设施），只有在废物处理量较大时，才能降低运行成本，更适用于区域性放射性废物处理中心。
参考文献：
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[3]陈明周，孟月东，倪国华.直流电弧等离子体处理核电站低中放射性固体废物[C]//中国核学会2009年学术年会.2009.
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