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給排水設(shè)計(jì) | 作為給排水工程師，日本福島的核廢水怎么處理？

2023-08-25 10:33 作者:光伏設(shè)計(jì)-光伏造價(jià) 0人讀過(guò) | 我要投稿

過(guò)去幾天，朋友圈很多朋友都在轉(zhuǎn)發(fā)福島核電站計(jì)劃排放“核廢水”的文章，但我翻了幾轉(zhuǎn)，但都沒(méi)有看到介紹核廢水處理的推文。作為分享污水處理知識(shí)的專欄，小編覺(jué)得有必要寫篇文章了解一下福島核電站是如何處理事故廢水的。

小編特意云游了東京電力公司的網(wǎng)站，整理了一些信息供各位參考。

100多萬(wàn)噸的廢水目前儲(chǔ)存在日本福島第一核電站 | 圖源：Reuters。

福島核電站廢水處理系統(tǒng)示意圖

這套凈化系統(tǒng)主要由①銫/鍶過(guò)濾系統(tǒng)、②反滲透系統(tǒng)和③ALPS系統(tǒng)組成。其中ALPS系統(tǒng)的全稱是高級(jí)液體處理系統(tǒng)(Advanced Liquid Processing System)，又叫多核素去除裝置(Multi-nuclide Removal Facility)。

廢水的來(lái)源

福島核電站的廢水是怎么產(chǎn)生的呢？

十年前的核事故是因?yàn)榉磻?yīng)堆過(guò)熱最終導(dǎo)致堆芯熔毀產(chǎn)生的悲劇，而反應(yīng)堆過(guò)熱的原因是廠區(qū)停電導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)停運(yùn)，不能及時(shí)帶走反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量。

在遭破壞后，為了保持反應(yīng)堆穩(wěn)定，反應(yīng)堆堆芯需要有冷卻水持續(xù)冷卻。這些冷卻水因?yàn)榻佑|了反應(yīng)堆的輻射物質(zhì)，變成了有待處理的廢水，日產(chǎn)量約280m3/天?(2017年的數(shù)據(jù))。

另一部分廢水來(lái)自地下水的滲透。下雨天會(huì)將降雨轉(zhuǎn)化成地下水，由于地勢(shì)原因，地下水會(huì)滲入反應(yīng)堆內(nèi)成為放射性廢水。這部分的水量約150m3/天。

為了減少滲入反應(yīng)堆的地下水，每天還有約150m3的地下水被泵出。

三者加起來(lái)，每天約有580m3的廢水進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)。

因地下水滲透造成的廢水污染 | 圖源：YouTube@PBS

除了處理廢水，東電公司也想設(shè)法減少由地下水滲透產(chǎn)生的廢水。他們的補(bǔ)救措施在地面鋪設(shè)防水層，減少因降雨的滲透，同時(shí)2016年3月開(kāi)始在事故反應(yīng)堆周圍建造地下凍土屏障，再打井抽出地下水。但也有觀點(diǎn)(日本原子力規(guī)制委員)認(rèn)為，這樣做的效果也有限，只能減緩因地下水滲透產(chǎn)生的排放。

圖源：TEPCO / 瓦村農(nóng)夫漢化

修建凍土屏障減緩污染排放 | 圖源：YouTube@PBS

系統(tǒng)細(xì)節(jié)

福島的廢水處理系統(tǒng)不是一次過(guò)建成的，相反有些摸著石頭過(guò)河的意思，因?yàn)槲覀內(nèi)祟愒诖酥皼](méi)有經(jīng)歷類似的事故，所以小編想用時(shí)間軸的方式來(lái)整理這套處理系統(tǒng)的演變歷程。

2011年3月，福島核電站發(fā)生爆發(fā)事故。

2011年5月，日本當(dāng)局開(kāi)始用"Contaminated Water"來(lái)描述些高濃度放射性廢水。

2011年6月，東電開(kāi)始運(yùn)行美國(guó)Kurion公司的銫吸附裝置以及Veolia的AREVA去污裝置(Kurion后被Veolia收購(gòu))。Kurion的系統(tǒng)有4條平行線，處理能力為600m3/天。

2011年8月，第二套除銫系統(tǒng)投入運(yùn)行，使用的是東芝TOSHIBA的SARRY系統(tǒng)。SARRY有兩條平行線，處理能力為1200m3/天。

三個(gè)系統(tǒng)的流程圖如下：

KURION的除銫系統(tǒng) | 圖源：Journal of Nuclear Science and Technology+TEPCO

SARRY系統(tǒng)示意圖 | 圖源：TEPCO/瓦村農(nóng)夫漢化

AREVA除污系統(tǒng) | 圖源：TEPCO

KURION除銫系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng) | 圖源：TEPCO

AVERA系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng) | 圖源：TEPCO

廢水經(jīng)過(guò)銫吸附處理后，進(jìn)入反滲透單元，然后轉(zhuǎn)移到臨時(shí)儲(chǔ)存罐。

2012年10月，日本宣布ALPS系統(tǒng)完成研發(fā)。但是研發(fā)出來(lái)不等于馬上能用。

2013年3月25日，日本原子力規(guī)制委員會(huì)才批準(zhǔn)試運(yùn)行。ALPS共有3個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)平行線能處理250噸污染水，總處理能力為750m3/天。試運(yùn)行從4月開(kāi)始，只啟動(dòng)其中一個(gè)系統(tǒng)，但只到6月就發(fā)生儲(chǔ)水罐被腐蝕漏水的問(wèn)題。他們花了一個(gè)月才找到原因，并在隨后3個(gè)月內(nèi)對(duì)3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行修補(bǔ)，直到2013年9月ALPS系統(tǒng)才算正式投產(chǎn)。

ALPS系統(tǒng)的工藝組成簡(jiǎn)圖 |圖源：TEPCO

ALPS具體有哪些組成呢？上圖是東京電力提供的工藝流程圖?？梢钥吹?，它主要是通過(guò)化學(xué)沉淀法和吸附的方法來(lái)截留和分離廢水中的放射性物質(zhì)。

ALPS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng) | 圖源：TEPCO

2014年，他們?cè)黾映J吸附裝置，但這部分小編沒(méi)有找到具體的去除原理資料，VEOLIA的官網(wǎng)沒(méi)有提供這些系統(tǒng)的具體組成。

銫鍶吸附塔 | 圖源：TEPCO

同時(shí)，他們也在不斷改良ALPS系統(tǒng)，并相繼推出改良版的ALPS和高性能版的ALPS系統(tǒng)，處理能力分別為750m3/天和500m3/天。

改良版ALPS | 圖源：TEPCO

高性能版ALPS | 圖源：TEPCO

2014年10月到2015年3月期間，他們先后配置了兩臺(tái)移動(dòng)式的除鍶系統(tǒng)，供應(yīng)商分別為KURION和TOSHIBA。這兩套系統(tǒng)的總處理能力為300x2 + 480x4 = 2520m3/天。

TOSHIBA的除鍶移動(dòng)設(shè)備 | 圖源：TEPCO

廢水經(jīng)過(guò)除銫除鍶和反滲透除鹽淡化后，會(huì)有三個(gè)去向：其中有約280m3的水會(huì)回到注水箱，作為冷卻反應(yīng)堆的循環(huán)冷卻水；剩下的則進(jìn)入ALPS單元或者移動(dòng)除鍶單元，經(jīng)處理的出水最后貯存在儲(chǔ)存罐中。

下圖是東京電力公司對(duì)核電站在2013-2015年間儲(chǔ)存廢水的類型做的統(tǒng)計(jì)。如圖所示，在建了ALPS系統(tǒng)和移動(dòng)處理設(shè)備之后，核電站的廢水處理能力逐步提升，并在2015年5月底對(duì)所有此前只經(jīng)反滲透處理的濃縮液完成了進(jìn)一步的深度處理。

在沒(méi)有ALPS系統(tǒng)之前，核電站只能處理幾種關(guān)鍵的放射性重金屬元素，在ALPS上馬之后，核電站聲稱可以去除的元素增加到62種 (含同位素)：

ALPS系統(tǒng)可以去除的62種元素一覽(含同位素) | 圖源：TEPCO

福島核電站在過(guò)去十年的變化相當(dāng)大，日本的電視臺(tái)對(duì)2011年到2019年的容貌做了個(gè)對(duì)比視頻：

福島核電站的變化圖 | 圖源：YouTube截圖

為了方便各位閱讀方便，我再做一張漢化圖對(duì)整套處理系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)：

福島核電站廢水處理總覽 (2015) | 圖源：TEPCO

去不掉的氚

如果東電提供的數(shù)據(jù)可靠，那么ALPS系統(tǒng)其實(shí)已經(jīng)相當(dāng)厲害了。但可惜，它再厲害，也搞不定一種叫氚的東西。

什么是氚 (chuān) ？

氚(Tritium)是氫(Hydrogen)的同位素，但它比氫多了兩個(gè)種子。如果你學(xué)過(guò)中學(xué)化學(xué)，你就應(yīng)該知道兩者具有幾乎相同的化學(xué)性質(zhì)。目前還沒(méi)有商用方法將它跟水進(jìn)行分離，籠統(tǒng)地說(shuō)，這是因?yàn)殡八?HTO)也是“水”（這不是小編說(shuō)的，是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)IAEA說(shuō)的）。

氚有放射性 | 圖源：維基百科+allradioactive.com

盡管如此，其實(shí)日本還是做了很多調(diào)研工作嘗試去氚的。

2014年，他們發(fā)布了一份公開(kāi)報(bào)告，其中對(duì)全球各地的去氚技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。感興趣的讀者可以自行查閱:

https://fukushima.jaea.go.jp/fukushima/result/pdf/pdf1410/4a-1_Ishizawa.pdf

各技術(shù)的處理效果區(qū)間對(duì)比 | 圖源：JAEA

同年9月，日本經(jīng)濟(jì)、外貿(mào)和工業(yè)部(Ministry of Economy, Trade and Industry of Japan)還選出了美國(guó)的Kurion、俄羅斯原子能國(guó)有公司Rosatam的子公司RosRAO、加拿大的GE-Hitachi核能源公司來(lái)承建一個(gè)去氚示范項(xiàng)目。不過(guò)后邊沒(méi)有后續(xù)新聞了，這里小編只能猜測(cè)是三家公司提供的方案或者數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)評(píng)估后都不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，所以就不了了之了。

那這些公司都提出了什么處理方案呢？小編承認(rèn)這部分的處理方法已經(jīng)超過(guò)了自己的理解水平，但能夠找到Veolia公司(Kurion被Veolia收購(gòu))和Rosatom兩家公司的技術(shù)方案，采用的都是電解催化交換工藝(CECE - Combined Electrolysis Catalytic Exchange)工藝。這方面的專家如果看到此文，希望能給出你們的高見(jiàn)。