福岛核废水是怎么处理的？

 

东京电力公司的网站提供了日语和英语的两种语言。由于小编是日语文盲，所以只能通过其英语网页查阅信息。

 

下图是该网页的截图：

 

 

福岛第一核电站的核废水处理设备示意图则如下所示。

 

 

这套净化系统主要由①铯/锶过滤系统、②反渗透系统和③ALPS系统组成。其中ALPS系统的全称是高级液体处理系统(Advanced Liquid Processing System)，又叫多核素去除装置(Multi-nuclide Removal Facility)。

 

废水的来源

 

福岛核电站的废水是怎么产生的呢？

 

十年前的核事故是因为反应堆过热最终导致堆芯熔毁产生的悲剧，而反应堆过热的原因是厂区停电导致冷却系统停运，不能及时带走反应堆产生的热量。

 

在遭破坏后，为了保持反应堆稳定，反应堆堆芯需要有冷却水持续冷却。这些冷却水因为接触了反应堆的辐射物质，变成了有待处理的废水，日产量约280m³/天 (2017年的数据)。

 

 

另一部分废水来自地下水的渗透。下雨天会将降雨转化成地下水，由于地势原因，地下水会渗入反应堆内成为放射性废水。这部分的水量约150m³/天。

 

为了减少渗入反应堆的地下水，每天还有约150m³的地下水被泵出。

 

三者加起来，每天约有580m³的废水进入废水处理系统。

 

 

除了处理废水，东电公司也想设法减少由地下水渗透产生的废水。他们的补救措施在地面铺设防水层，减少因降雨的渗透，同时2016年3月开始在事故反应堆周围建造地下冻土屏障，再打井抽出地下水。但也有观点(日本原子力规制委员)认为，这样做的效果也有限，只能减缓因地下水渗透产生的排放。

 

 

 

系统细节

 

福岛的废水处理系统不是一次过建成的，相反有些摸着石头过河的意思，因为我们人类在此之前没有经历类似的事故，所以小编想用时间轴的方式来整理这套处理系统的演变历程。

 

2011年3月，福岛核电站发生爆发事故。

 

2011年5月，日本当局开始用”Contaminated Water”来描述些高浓度放射性废水。

 

2011年6月，东电开始运行美国Kurion公司的铯吸附装置以及Veolia的AREVA去污装置(Kurion后被Veolia收购)。Kurion的系统有4条平行线，处理能力为600m³/天。

 

2011年8月，第二套除铯系统投入运行，使用的是东芝TOSHIBA的SARRY系统。SARRY有两条平行线，处理能力为1200m³/天。

 

三个系统的流程图如下：

 

 

 

 

 

 

废水经过铯吸附处理后，进入反渗透单元，然后转移到临时储存罐。

 

2012年10月，日本宣布ALPS系统完成研发。但是研发出来不等于马上能用。

 

2013年3月25日，日本原子力规制委员会才批准试运行。ALPS共有3个系统，每个平行线能处理250吨污染水，总处理能力为750m³/天。试运行从4月开始，只启动其中一个系统，但只到6月就发生储水罐被腐蚀漏水的问题。他们花了一个月才找到原因，并在随后3个月内对3个系统进行修补，直到2013年9月ALPS系统才算正式投产。

 

 

ALPS具体有哪些组成呢？上图是东京电力提供的工艺流程图。可以看到，它主要是通过化学沉淀法和吸附的方法来截留和分离废水中的放射性物质。

 

 

 

 

2014年，他们增加除锶吸附装置，但这部分小编没有找到具体的去除原理资料，VEOLIA的官网没有提供这些系统的具体组成。

 

 

 

同时，他们也在不断改良ALPS系统，并相继推出改良版的ALPS和高性能版的ALPS系统，处理能力分别为750m³/天和500m³/天。

 

 

 

 

 

2014年10月到2015年3月期间，他们先后配置了两台移动式的除锶系统，供应商分别为KURION和TOSHIBA。这两套系统的总处理能力为300×2 + 480×4 = 2520m³/天。

 

 

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。

 

下图是东京电力公司对核电站在2013-2015年间储存废水的类型做的统计。如图所示，在建了ALPS系统和移动处理设备之后，核电站的废水处理能力逐步提升，并在2015年5月底对所有此前只经反渗透处理的浓缩液完成了进一步的深度处理。

 

 

在没有ALPS系统之前，核电站只能处理几种关键的放射性重金属元素，在ALPS上马之后，核电站声称可以去除的元素增加到62种 (含同位素)：

 

 

ALPS系统可以去除的62种元素一览(含同位素) | 图源：TEPCO

 

福岛核电站在过去十年的变化相当大，日本的电视台对2011年到2019年的容貌做了个对比视频：

 

 

为了方便各位阅读方便，我再做一张汉化图对整套处理系统进行总结：

 

 

去不掉的氚

 

如果东电提供的数据可靠，那么ALPS系统其实已经相当厉害了。但可惜，它再厉害，也搞不定一种叫氚的东西。

 

什么是氚 (chuān) ？

 

氚(Tritium)是氢(Hydrogen)的同位素，但它比氢多了两个种子。如果你学过中学化学，你就应该知道两者具有几乎相同的化学性质。目前还没有商用方法将它跟水进行分离，笼统地说，这是因为氚水(HTO)也是“水”（这不是小编说的，是国际原子能机构IAEA说的）。

 

 

 

尽管如此，其实日本还是做了很多调研工作尝试去氚的。

 

 

同年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。不过后边没有后续新闻了，这里小编只能猜测是三家公司提供的方案或者数据经过评估后都不能满足实际应用的要求，所以就不了了之了。

 

那这些公司都提出了什么处理方案呢？小编承认这部分的处理方法已经超过了自己的理解水平，但能够找到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。这方面的专家如果看到此文，希望能给出你们的高见。

 

 

 

 

文章来源：JIEI创新实验室