放射性去污技术应用特点与发展方向.pdf
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1、第 卷第期 年月铀矿冶 收稿日期:第一作者简介:魏鑫(),男,云南曲靖人,硕士,工程师,主要从事环境工程领域相关工作。通信作者简介:徐乐昌(),男,湖南岳阳人,博士,研究员级高级工程师,主要从事环境工程与辐射防护领域相关工作。放射性去污技术应用特点与发展方向魏鑫,张辉,刘啸尘,徐乐昌,仇月双,戴相南(核工业北京化工冶金研究院,北京 )摘要:放射性去污是保障核工业可持续发展的重要技术手段。放射性去污不仅关系到核电站和放射性矿产资源开发等设施运行管理过程的综合成本,还关系到人员安全与社会环境安全,应引起足够重视。在对国内外核设施退役与检修过程常用放射性污染清除技术总结的基础上,分析了物理去污、化学
2、去污、电氧化去污、微生物去污以及熔炼去污技术的使用条件和优缺点,提出了放射性去污的技术痛点与发展方向。关键词:核设施;辐射防护;物理去污;化学去污;电氧化去污;微生物去污;熔炼去污中图分类号:文献标志码:文章编号:()犇 犗 犐:放射性去污是采用不同技术将放射性污染物从核设施表面、内部全部或部分去除的操作 。其主要目的是使受污染设备与材料的放射性总量最小化或者降低放射性废物等级,提高设备与材料的可重复利用率,降低检修、退役等操作场所放射性水平与操作人员作业风险 。放射性去污技术需求持续增长,主要需求包括放射性矿产资源开发设备运维、相关设施退役阶段的放射性去污,核电机组和核反应堆运维、相关设施退
3、役放射性去污,以及受污染固体废物清洁解控等。年至今,中国已建成了 座铀矿冶设施,随着铀矿冶产业技术升级,大部分铀矿冶设施处于停产、待退役阶段,对低成本去污技术需求日趋旺盛 。中国核设施每年产生约 放射性固体废弃物,其中 可通过去污处理实现清洁解控。由于放射性沾污的途径、形态、位置以及附着外在条件的不同,形成了大量去污技术路线,包括物理去污、化学去污、电氧化去污、微生物去污与熔炼去污等。放射性去污并不是消除放射性核素,而是通过一些方式转变放射性核素的存在形式,以达到管理要求。笔者总结了放射性污染的来源与形态,分析了去污技术类型、特点,以及去污技术发展方向。放射性热点来源与去污准则 放射性废物来源
4、与种类在天然放射性矿产资源开发和生产经营活动中,会造成设施、设备的内外产生核素累积。在铀矿冶生产过程中,采矿的掘进、装载、运输设备,水冶的离子交换、淋洗、沉淀、压滤设施,以及辐射防护的通风设备等,由于与矿石接触会沾染天然放射性核素。在核燃料循环中,水冶和铀矿开采过程中产生的放射性废物量最多。表面放射性热点的形成特点表面放射性热点的成因复杂,其外在形态主要包括松散表面污染、氧化膜、腐蚀产物膜,以及放射性浸润层等。材料本身的性质、运行过程中的压力和温度、介质的物化性质、停运时间的长短,以及事故频次等都是影响表面污染物形成的重要因素。材料表面与放射性核素结合形成热点,有以下几种形式:)依靠各类静电力
5、,如取向力、诱导力、色散力附着在表面,从而形成非固定污染物;)以化学吸附、离子交换或氢键形式而形成的固定性结构;)核素扩散到材料内部或中子辐照内部元素,从而活化形成的近表面层污染,强结合态深层污染大多为该类型。附着在表层的污染可经过简单的物理方法清除,而氧化膜、腐蚀产物膜,特别是污染较深的表面热点很难除去。研究表明 ,的放射性核素污染物存在于表面 以内;不足的放射性核素污染物存在于表面 范围内,超过 深度的放射性核素污染物不超过 。因此,应根据表污成因和对去污的预期效果,合理选择去污技术。去污效果评价与去污准则通常采用去污因子()与去污率来评价去污效果。是去污前后物体放射性活度之比,去污率通常
6、用去污后表面污染计数率与去污前表面污染计数率之比来表示。为比较不同类型结构件表面污染的去除难易程度,可采用标准化试验程序,在待测试表面以 、为特征污染物进行清洗去污测试,以最终残留计数率()来表达不同结构件表面的去污难易程度。放射性去污工作应遵守国家法律法规,遵循国际准则,并严格按照相关标准及规定执行,保证辐射防护最优化原则。中华人民共和国放射性污染法 中华人民共和国核安全法 对放射性污染去除做了规定,在中华人民共和国境内从事相关活动应该遵守相关规定。国际原子能机构安全丛书 安全导则 强调了去污的关键任务,在采取决策或选择去污路线时,应根据导则 评 价 技 术 有 效 性。国 际 放 射 防
7、护 委 员 会()相关报告指出了去污相关准则,中国 电离辐射防护与辐射源安全基本标准 规定了去污工作的基本要求和辐射安全原则。放射性去污工作应保证辐射实践正当化、辐射防护最优化和个人剂量控制。放射性去污技术类型与特点根据去污原理,广义上去污技术可分为物理去污和化学去污。在去污过程中常根据待处理设施部件表面结构的复杂程度,将一种或多种方法结合使用或交替使用,从而达到较好的去污效果。在发展过程中逐渐形成了物理、化学和电化学去污等技术体系,此外熔炼去污技术也是对退役去污技术的重要补充。物理去污技术物理去污适用于落灰、浅层污染的放射性物质表面。物理去污具有工艺简单、去污效率高、成本低等优势;但也存在二
8、次污染多且不易控制,难以在复杂条件下应用,对工件材料损坏高等劣势。目前典型的物理去污方法有高压流体射流、擦拭、抛丸、干冰、超声波、激光去污法等。擦拭去污技术擦拭法去污最简单,用水或特定的化学溶剂擦拭、冲洗,以去除材料表面的附着物。在强化条件下,采用高压水、高压蒸汽、真空系统开展去污都是有效的去污方式。喷砂抛丸应用较广、成本低,在高压下采用流体将分散固体颗粒喷射到去污表面,利用磨料与材料表面间的研磨作用去除表面污染物,调整流体压力及固体颗粒的粒度可实现对表面磨蚀程度的控制。用可压缩聚氨酯对管道内刮擦去污是对管道去污的有效方法,由美国 公司和 公司提出的 ()去污技术 是一种典型的管 道 去 污
9、技 术,常 用 于 核 设 施 退 役 领 域。由聚氨酯材料制成,一般呈子弹形,径向收缩性强,利用压缩流体驱动,通过 与管道壁面间强大摩擦力清除污垢,在管道变径、歧管、弯头、阀门等处通过性良好,可实现不拆解去污。在核设施管道中试验表明,对不同类型管道具有不同去污效果,对致密氧化物去污因子为,对松散污染物去污因子可达 。干冰喷射去污技术干冰喷射去污技术是利用压缩空气将干冰颗粒喷射在部件表面,利用干冰升华后强烈的吸热作用使部件表面急剧冷冻、催化爆裂,利用干冰升华过程体积急剧膨胀的效果破坏污染层结构,达到去污效果。中国工程物理研究院自主设计的干冰去污装置每小时能制备 以上的干冰颗粒,喷出颗粒的速度为
10、 ,去污因子达到 。韩国原子能研究所()研发的干冰与全氟化碳()结合的新型去污技术,可用于后辐射试验厂房、辐照材料试验厂房热示范热室的日常维护和整修 。日本核燃料研发公司()开发的干冰与碳酸氢钠结合喷射的工艺装备,在动力反应堆开展了应用。德国汉诺威大学发明的激光加热与干冰喷射技术相结合的去污方法,先采用激光加热待去污区域,增大区域热效应;再使用干冰喷射,从而使结合层的结构剧烈变化达到去污目的。该方法更适宜于硬质塑料涂层的去除。第期魏鑫,等:放射性去污技术应用特点与发展方向 超声波去污技术超声波清洗法是利用“空穴效应”原理去除污染物,通常需将待去污物件浸泡在液体槽中,加入水或去污剂增强去污效果。
11、宁德核电采用移动式超声清洗设备在核电站开展了实践工作,不同部件去污因子为 。意大利研究人员将个主槽拼接组成新的超声去污装置,将加里利亚诺给水预热器管束切割成小段进行去污,去污后表面污染降至 。激光去污技术激光去污是将高能量的激光束照射至污染设备表面,通过选择性消融、气化、热弹力、冲击波等作用去除表面污染。法国 公司研制了一种自动化光纤激光去污装置,采用 波长:激光器,在 功率下对阿格后处理厂的金属进行了表面去污试验,对污染的去污因子为 ,对、污染的去污因子可达 。采用波长 的 深紫外激光器对污染的开放管道进行的激光去污热试验表明,污染样品经 的激光照射后,表面污染从 降 至 ,去 污 因 子
12、约为 。化学去污技术化学去污原理是污染器件表面与化学试剂发生溶解、氧化还原、配合、钝化等作用,使污染物从物件表面移除。常用的化学试剂有氧化还原剂、酸、碱、配合剂、表面活性剂等,可单独使用或混合使用,还可将化学试剂制成发泡剂、乳胶、可剥离膜等形式使用。化学去污具有耗时短,可对复杂形貌表面进行去污,去污成本低和操作简便等优点;但也具有产生大量二次污染、处理成本高,去污损伤不易控制等缺点。化学去污方法包括有机或无机酸处理法、配合处理法、化学凝胶法、化学泡沫法和挥发低温热解吸法等。有机酸去污技术美国萨凡纳河工厂用 的磷酸亚铁和的草酸混合在换热器中反应,再用浓碱中和进行去污,去污系数为 。美国橡树岭国家
13、实验室采用草酸和过氧化氢混合体系,对于加热超过 的钢材的去污系数高达 。将硝酸与该体系混合可去除铯、锆污染物,去污系数达 。试验还发现在碱性高锰酸钾预处理后,采用柠檬酸草酸缓蚀剂体系继续进行去污,去污效果很好。原子能院使用 ()草酸对 堆一回路进行去污处理,该去污法二次废物量较大;使用(缓蚀剂)(碱性高锰酸钾)系列高效去污剂可对乏燃料溶解池有效去污。核工业北京化工冶金研究院研制了一种高效无腐蚀、可重复利用、去污率高的氨基乙酸和膦类混合去污剂,并将其与超声波联用协同去污,去污率约为。无机酸去污技术无机酸与氧化还原法相结合的去污技术应用较广。氧化还原法主要使用一些氧化剂与金属表面发生氧化还原反应,
14、从而对污染表面进行去污处理。美国汉福特实验室采用氧化还原处理法,对 生 产 钚 的 污 染 设 施 用 进行去污,去污系数可达 。中辐院董瑞林等人 使用硼氟酸对和 污染的不锈钢污染管道去污 ,去污率达;用该方法对被天然铀污染的器件进行去污,后其去污率达。目前,中国应用较多的去污剂主要是氢氧化钠高锰酸钾、硝酸高锰酸钾等,这些去污剂通常需要在高温条件下才能发挥很好的去污功效,并且应采取多次浸泡模式。泡沫去污技术泡沫去污法是在施加压力条件下向物体表面喷试剂形成泡沫层,待试剂与污染表面接触并发生反应后,将泡沫冲洗除去,实现对污染表面的去污。该法二次废物产生量少,适用于竖立的墙壁和复杂结构工件的表面去污
15、。该法早在 年首次被 用于放射性污染去污领域。管海洋等在压水堆核电站针对换料水池应用了泡沫去污技术;与传统去污技术相比,泡沫去污技术对换料水池的去污效果更优,泡沫去污二次废物产生量减少 以上,缩短了工期,去污效率比高压水 枪 冲 洗 高,去 污 系 数 由 原 来 的 提 高到 。凝胶去污技术凝胶去污法是将化学凝胶喷涂到污染表面,长时间接触后再用水进行冲洗以除去凝胶,从而实现对污染表面的去污。目前最常见的配方为硝酸羧甲基纤维素草酸氢氟酸硝酸铝铀矿冶第 卷非离子表面活性剂体系,凝胶去污法具有二次废物产生量少和去污效果好等优点,但该去污工艺流程比较复杂。可剥离膜去污法是将各种润湿剂、乳化剂和配合剂
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