本文是一篇土木工程论文，本文围绕着实际放射性废物水泥固化工程生产中面临的工艺参数固化，缺乏与实际废物组分变化的兼容性与水泥作固化基材需专用型号，提高采购储存成本两大问题开展水泥固化配方的研究。通过固化基材调研选取小野田P·O42.5R、老虎P·O 42.5、老虎P·O42.5R、天瑞P·O 42.5共4种目标水泥开展分析，同时使用粤秀P·II42.5R水泥做对比试验。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着我国科学技术水平的不断提高和经济的高速发展，对能源的需求量与日俱增，供需之间的紧张关系也在加剧。在很长一段时间里，火力发电在我们的能源结构中所占的份额更大，这导致了严重的环境问题。此外，随着碳中和、碳达峰的高目标提出，迫切需求一种清洁能源作为替代能源。核能是一种既安全又洁净的能源，是优化能源结构，保护环境，满足经济和社会发展需求的重要手段[1]。
核能的发展与应用，在为人类社会创造了极大的经济与社会效益的同时，也产生了大量的废弃物。随着核电的迅猛发展，核废料的处置问题日益受到世界各国的重视。在铀矿的采掘，核燃料组件的生产，核电站的运行，核燃料的后处理，核设施的退役，核能的研发以及同位素的生产和使用过程中，都产生了各种各样的核废料[2]。大部分放射性废物来自核燃料循环的各个过程。核废物是核材料在核能发电系统中与核材料发生反应所形成的一种极具辐射活性的裂变产物，一般为数天、数十年，甚至万年。这意味着，未来数万年内，核废物仍有可能给人类及周边环境带来不可逆转的损害。因此，如何安全高效地处置核废物成为摆在我们面前的问题。放射性核废物在衰变的同时，还会释放出大量的辐射，不仅会对处置核废物的物质与设备带来很大的威胁，还容易导致核物质泄漏，危及人们的生命与环境。
国际原子能机构（IAEA）已经颁布了《乏燃料和放射性废物管理安全联合公约》，该公约自2001年起生效，至2017年已有42个国家签署加入[3]。这表明国际社会对于核废物的安全管理已有一定的共识和法律框架。此外，国际放射防护委员会（ICRP）也发布了一系列关于辐射剂量防护的体系原则性文件，为核废物的安全管理提供了指导[3]。在中国，核能行业的发展得到高度关注和支持。我国已经建立了比较完整的核能行业体系，并且在放射性废物的安全管理方面也取得了一定的进展。例如，我国已经颁布了《中华人民共和国核安全法》、《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国放射性污染防治法》等基本法律，以及相关的部门规章和国家核安全局发布的导则等一系列相关法律、法规、部门规章及标准[3]。这些法律法规和标准为核能行业放射性废物的安全管理提供了法律依据和规范要求。
1.2 核电厂放射性固体废物的来源和分类
1.2.1 核电站放射性固体废物的来源
放射性废物的管理是一个复杂且多方面的问题，涉及到废物的来源、分类、处理、处置以及最终的清洁解控[9]。放射性废物是指被放射性核素污染或自身含有放射性核素的废物，这些废物的放射性浓度或放射性活度超过国家规定限值。而极低放废物，即放射性浓度或放射性活度低于或等于国家规定限值的，可以实行清洁解控[10]。放射性废物的管理和清洁解控在国际上尚无统一标准，这导致了不同国家和地区在实施过程中的差异。例如，美国、法国、英国等国家都有自己的放射性废物管理法规和标准，而我国也在不断完善自己的放射性废物管理标准[12]。
清洁解控技术的应用是实现放射性废物最小化的一种重要手段。这些技术包括但不限于焚烧、浅土掩埋等方法，旨在将放射性废物转化为非放射性状态，从而减少其对环境和公众健康的潜在危害[13]。此外，清洁解控还涉及到对放射性废物进行检测和评估，以确保其达到安全标准后才能进行处理和处置[14]。
对于极低放废物，由于其放射性水平较低，可以采用更为简单和经济的处理方法，如浅层填埋，这有助于减少处理成本并减轻环境影响[15]。然而，不同国家对于极低放废物的具体定义和处理标准可能存在差异，这需要根据各自的国情和技术条件来确定[20]。
第二章 水泥固化机理与试验材料
2.1 水泥固化机理
2.1.1 水泥固化机理
水泥固化是指将核废物固化于固化液中。水泥对核废料的固化作用主要表现为对放射性核素的保留与稳定。水泥固化体是通过机械密封、基质吸附和固相溶解的方式来实现对放射性核素的有效控制。水泥固化物的性质受矿物相组成、孔隙结构和外界环境的影响[66]。放射性核素离子水泥固化可分为物理固化和化学固化两种。
物理固化机理大致有两方面，一种是水泥水化后形成的高密度结构，使放射性元素封存在固化体内；二是利用水泥水化生成的C-S-H凝胶、铝胶等材料，利用其对放射性核素进行物理吸附，实现对放射性核素的固化[67]。化学固化的方法有两种，一种是化学键合，另一种是固溶，这两种方法都是利用放射性核素与水化产物之间的稳定化学结合，通过与水化产物之间的化学反应，生成新的物相，从而达到固化目的。在这些方法中，化学固化最为牢固[68]。
红沿河核电站放射性废物水泥固化采用的水泥为硅酸盐水泥，其熟料组分主体为硅酸钙，其主要熟料组分及水化产物见表2-1
第三章 水泥固化配方冷试研究 .................... 31
3.1 实验室冷试研究 ........................... 31
3.1.1 模拟废液制备 ............................... 31
3.1.2 模拟浓缩液固化样品制备 .................... 31
第四章 固废处理系统及水泥固配方工程验证 ........................... 45
4.1 核电站放射性废物处理系统(TES)简介 ....................... 45
4.1.1 TES系统功能及设计 ............................ 45
4.1.2 蒸发浓缩液接收 ................................ 45
第五章 结论与展望 ............................. 60
5.1 主要结论 .......................... 60
5.2 创新点 ...................................... 60
5.3 展望 ................. 61
第四章 固废处理系统及水泥固配方工程验证
4.1 核电站放射性废物处理系统（TES）简介
4.1.1 TES系统功能及设计
废物处理系统（TES）是指在电站运行和维护过程中，通过收集、暂存、固化、压缩、包装、暂存等方式对其进行处置。储存设施内的放射性废物储存设施期满后，按照各地区处理政策，将低、中等排放废物送入国家指定的地区处置场进行最后处理。
TES系统主要包括两大部分：废物分拣压缩打包线位于废物辅助厂房（QS）内；为全厂共用，水泥固化线位于核辅助厂房（NX）内，为两台机组共用， TES系统负责处理以下四种类型废物：离子交换树脂；化学试剂废液和蒸发浓缩液；空气滤芯和水过滤芯以及其它废物。废物按其性质进行分类处置：针对湿废物（浓缩液、化学废液、废树脂）采用水泥固化方法固化在400L金属容器内，然后运往厂外进行最终处置。
TES系统通过独立的数字化控制系统进行遥控操作、监控和管理，其生产过程的信息送水泥固化线控制室进行监督。系统设计特点包括：
（1）常压贮槽考虑了足够的排气和溢流能力，以防贮槽出现超压或负压。 （2）利用不锈钢管进行放射性液体的输送，在其管线设计上，尽可能地降低放射性废液（浓缩液、废弃树脂）的阻塞与滞留。例如：处理废弃树脂的管道要有适当的曲率半径，以免管道在转弯时发生阻塞；为防止废弃树脂滞留在管线中，应以1.4米/秒以上的速率运输废弃树脂；为防止硼析晶造成堵塞，浓缩溶液的传输管线采用了硼热系统（RRB）。在浓缩液体及废弃树脂的管道中，选择一种不容易堵塞的球阀。 （3）TES系统的承压设备除检修和运行中有特殊要求的采用法兰连接、螺纹连接和快速拆卸接头外，其余均采用焊接。 （4）本系统的承压设备压力边界的焊接，承压设备的材料选用，管道的压力试验均按本工程统一要求进行。 （5）所有废物钢桶耐化学腐蚀性能必须满足EJ 1042-1996《低、中水平放射性固体废物包装容器钢桶》[78]的要求。
第五章 结论与展望
5.1 主要结论
本文围绕着实际放射性废物水泥固化工程生产中面临的工艺参数固化，缺乏与实际废物组分变化的兼容性与水泥作固化基材需专用型号，提高采购储存成本两大问题开展水泥固化配方的研究。通过固化基材调研选取小野田P·O42.5R、老虎P·O 42.5、老虎P·O42.5R、天瑞P·O 42.5共4种目标水泥开展分析，同时使用粤秀P·II42.5R水泥做对比试验。
(1) 在基材筛选阶段进行外观评测、理化特性分析、抗压以及抗折强度测定，发现老虎P.O42.5R水泥3天抗压强度指标不满足国标要求，故排除选择范围；
(2) 在实验室冷试阶段开展泥浆性状评测与抗压强度评测发现大连天瑞水泥固化样品脱模后，表皮脱落、整体结构破损，无法开展抗压强度测试，故排除选择范围。
(3) 在200L规模试验中进行游离液体、抗压强度、抗冲击、抗冻融、耐辐照以及抗浸泡等试验检测，小野田P·O42.5R与老虎P.O42.5型水泥均能满足国标要求。200L规模试验中固化配方为水泥：浓缩液：熟石灰：添加剂=1:0.65:0.1625:0.013（质量比），鉴于此配方满足固化体大部分强度指标要求，同时裕度较大，在400L规模试验时采用改进配方，提高浓缩液添加量，同比提高熟石灰与添加剂比例，改进后配方为水泥：浓缩液：熟石灰：添加剂=1: 0.75: 0.
