早期核燃料后處理廠(chǎng)箱體設(shè)備退役研究

沈楨琪，張 卓，楊美健，鮑 芳

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100084)

早期核燃料后處理廠(chǎng)中箱體設(shè)備主要包括手套箱、工作箱、取樣柜等，這類(lèi)設(shè)備在運(yùn)行期間，主要用于放射性樣品、產(chǎn)品的測(cè)試、取樣等工藝操作。由于當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)的局限性以及科學(xué)水平的不足，早期核燃料后處理廠(chǎng)停產(chǎn)后未開(kāi)展必要的去污，導(dǎo)致部分手套箱放射性污染嚴(yán)重。同時(shí)由于運(yùn)行期間操作不當(dāng)，廠(chǎng)房年久失修，箱體設(shè)備包容性差，所在房間放射性水平很高，人員直接操作困難。本文將針對(duì)某早期核燃料后處理廠(chǎng)箱體設(shè)備的結(jié)構(gòu)、布置狀況、放射性污染水平，對(duì)手套箱退役方案進(jìn)行分析，為后續(xù)工程項(xiàng)目提供依據(jù)。

1 箱體設(shè)備結(jié)構(gòu)

廠(chǎng)房?jī)?nèi)箱體設(shè)備種類(lèi)較多，主要包括手套箱、工作箱、取樣柜等，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分為兩類(lèi)：一類(lèi)是接收分裝工作箱、厚壁工作箱、防護(hù)燃燒箱、取樣柜等雙層厚壁箱體設(shè)備；一類(lèi)是包括回收手套箱、燃燒箱在內(nèi)的單層薄壁箱體設(shè)備。

1.1 薄壁箱體設(shè)備

薄壁箱體設(shè)備功能廣泛，包括極譜手套箱、定氮/定碳手套箱、光譜準(zhǔn)備手套箱、溶解手套箱、離子源手套箱、質(zhì)譜準(zhǔn)備手套箱等。薄壁箱體設(shè)備雖然根據(jù)功能不同，輔助結(jié)構(gòu)有所差異，但主體結(jié)構(gòu)差別不大，以化學(xué)分離手套箱為例，對(duì)薄壁手套箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

薄壁箱體設(shè)備分為上下兩部分，上部為操作箱體，是完成工藝操作的位置，下部為支撐架，對(duì)整個(gè)箱體起支撐作用。箱體由厚度為3 mm～5 mm的薄鋼板整體制作而成，較薄的輻射屏蔽結(jié)構(gòu)決定了其主要用于放射性較低對(duì)象的操作處理。但是由于當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)的局限性以及科學(xué)水平的不足，再加上操作不當(dāng)，導(dǎo)致部分薄壁箱體處理并遺留了放射性水平較高的對(duì)象。箱體內(nèi)部包含有沖洗噴頭，廢水收集等主要功能設(shè)備，以及推拉門(mén)、過(guò)濾器、壓力計(jì)等輔助結(jié)構(gòu)。

薄壁箱體設(shè)備支架部分由四根豎直管與四根水平管焊接而成，整體為框架結(jié)構(gòu)，支架支撐空間內(nèi)安裝有多條管道，為手套箱提供清洗試劑以及廢液的輸送功能，支架底部安裝有腳踏閥門(mén)，用以控制管道內(nèi)液體的流通(見(jiàn)圖1)。

1.2 厚壁箱體設(shè)備

厚壁箱體設(shè)備相比薄壁箱體設(shè)備有較厚的防護(hù)結(jié)構(gòu)，可用于進(jìn)行具有較高放射性樣品或產(chǎn)品的工藝操作。厚壁箱體設(shè)備主要包括防護(hù)燃燒箱、接受分裝工作箱、厚壁工作箱以及取樣柜等。厚壁箱體設(shè)備種類(lèi)和功能不盡相同，結(jié)構(gòu)也有一定差異，但是在主體結(jié)構(gòu)方面大同小異。以結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的接受分裝手套箱為例分析其結(jié)構(gòu)。

在整體結(jié)構(gòu)方面厚壁箱體設(shè)備與薄壁箱體設(shè)備沒(méi)有根本性的區(qū)別，分為上箱體和下支架兩部分，外圍各方向設(shè)置6塊厚碳鋼板，用以對(duì)內(nèi)部放射性的屏蔽。箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與薄壁手套箱基本相似，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了燈具和噴頭的數(shù)量，部分設(shè)備還設(shè)置帶有蓋板的孔洞和相應(yīng)吊具，用以從下部運(yùn)輸物體進(jìn)入和吊出。下部支架結(jié)構(gòu)更換成由角鋼和較薄碳鋼組成的箱體結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下部廢液管道內(nèi)較強(qiáng)放射性的屏蔽。其余結(jié)構(gòu)包括水池體、試劑管、廢液管、控制閥等結(jié)構(gòu)與薄壁手套箱類(lèi)似(見(jiàn)圖2)。

2 箱體設(shè)備去污分析

箱體設(shè)備在運(yùn)行期間作為主要工藝設(shè)備，進(jìn)行燃燒、化學(xué)分離、定碳、定氮、取樣等工藝操作，主要污染集中在箱體部分，來(lái)源為操作過(guò)程中放射性物質(zhì)對(duì)箱體內(nèi)壁的沾污，以及廠(chǎng)房廢棄后部分放射性實(shí)驗(yàn)物質(zhì)的殘留，因此對(duì)箱體設(shè)備的去污，主要為對(duì)箱體內(nèi)壁及輔助結(jié)構(gòu)所殘留放射性物質(zhì)的清除。厚壁箱體設(shè)備和部分薄壁箱體設(shè)備污染水平較高，外照劑量達(dá)到mSv/h級(jí)別甚至更高。

2.1 常見(jiàn)去污方法

現(xiàn)階段箱體設(shè)備常見(jiàn)去污方法有干冰去污、擦拭去污、凝膠去污、激光去污等。

1)擦拭去污。機(jī)械擦拭法技術(shù)成熟度較好，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的去污設(shè)備就能完成去污操作，而且產(chǎn)生的二次廢物較少。去污時(shí)，WAK后處理廠(chǎng)采用化學(xué)擦拭法進(jìn)行去污，去污劑為2%Na2CO3等，若擦拭后水平不滿(mǎn)足降級(jí)要求，則應(yīng)對(duì)污染面進(jìn)行打磨，并再次擦拭去污[1]。國(guó)內(nèi)研究院采用5%HNO3，10%HNO3，10%HCl，5%H2O2，10%H2O2，5%IMC-3去污液、10%IMC-3去污液、5%草酸、5%去污粉溶液等不同去污溶液對(duì)氚污染的手套箱內(nèi)壁進(jìn)行擦拭，去污均有一定效果，污染水平由22～8.5E3 Bq/cm2均可降至20 Bq/cm2以下[2-3]。

2)干冰去污。干冰去污法是干冰在高壓沖擊下將附著在設(shè)備表面的污染物清除掉，干冰顆粒在千分之幾秒內(nèi)體積膨脹接近800倍，相對(duì)于沖擊點(diǎn)形成了微型爆炸，加速了污染物的去除。該方法優(yōu)點(diǎn)在于隨著CO2揮發(fā)，沒(méi)有二次廢物產(chǎn)生，缺點(diǎn)是工藝要求高。核動(dòng)力院開(kāi)展了干冰去污的相關(guān)研究，研究結(jié)果表明，對(duì)于幾貝克海平方厘米污染水平的設(shè)備，設(shè)備松散污染去污因子為10，半固定型污染去污因子大于3，幾百貝克海平方厘米污染水平的設(shè)備，α污染去污因子達(dá)25，γ,β污染去污因子大于10。

3)激光去污。激光去污是在極短時(shí)間內(nèi)將光能變成熱能的“干式清洗”，把光束集中在小范圍內(nèi)產(chǎn)生幾千度甚至上萬(wàn)度高溫，使污垢瞬間汽化蒸發(fā)或爆裂脫落。激光去污可把金屬表面涂層和氧化膜消融，產(chǎn)生揮發(fā)物由真空系統(tǒng)和過(guò)濾器補(bǔ)集，去污速度快，效率高，二次廢物產(chǎn)生少。

4)凝膠去污。凝膠去污使用的是凝膠載帶化學(xué)去污劑，將其噴或刷涂在待去污物體的表面，作用一定時(shí)間后，通過(guò)擦洗、水漂或噴淋除去凝膠物實(shí)現(xiàn)放射性污染的去除。凝膠去污在法國(guó)和美國(guó)的應(yīng)用實(shí)踐表明，其具有去污效果好、應(yīng)用范圍廣和二次廢物產(chǎn)生量少等優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)輻射防護(hù)研究院從法國(guó)引進(jìn)了凝膠去污技術(shù)，并開(kāi)展了消化吸收及再創(chuàng)新研究，主要研究的是氧化凝膠，其主要用于放射性污染不銹鋼材質(zhì)的深度去污。氧化凝膠對(duì)不銹鋼類(lèi)金屬的去污，控制用量大于0.6 kg/m2、作用時(shí)間為3 h～4 h時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)腐蝕去除不銹鋼類(lèi)污染金屬的表層超過(guò)1 μm的目標(biāo)。酸性凝膠對(duì)碳鋼類(lèi)金屬的去污，腐蝕深度可大于3.5 μm。堿性凝膠對(duì)鋁材的去污，腐蝕深度最大可達(dá)35 μm[4-5]。

2.2 去污方案分析

根據(jù)源項(xiàng)調(diào)查結(jié)果箱體設(shè)備大部分污染嚴(yán)重，需要考慮半遠(yuǎn)距離/遠(yuǎn)距離操作，其中少數(shù)箱體設(shè)備存在較重的α污染，達(dá)到中放廢物水平。

1)α核素去污分析。由于α射線(xiàn)內(nèi)照射的特性，在對(duì)α核素污染進(jìn)行去除的過(guò)程中，應(yīng)選擇對(duì)空氣擾動(dòng)較小，氣溶膠產(chǎn)生較少的去污方式，以避免α粒子的擴(kuò)散而造成對(duì)人員的損害。對(duì)于附著污染和弱固定性污染，需要先選用吸塵去污、擦拭去污等物理去污方法，用以去除表面的松散廢物或弱結(jié)合污染物，對(duì)于強(qiáng)固定性深層污染可采用激光去污、化學(xué)凝膠等剝離方式，但需要重點(diǎn)考慮對(duì)去污過(guò)程中產(chǎn)生粉塵、氣溶膠和凝膠涂膜的收集。

2)β/γ核素去污分析。對(duì)于β和γ核素污染的去除，主要研究方向集中在去污效果和去污方式上。部分箱體內(nèi)高強(qiáng)度的照射劑量使得遠(yuǎn)距離遙控去污的方式成為了考慮重點(diǎn)；同時(shí)，早期核燃料處理廠(chǎng)服役及停工后時(shí)間較長(zhǎng)，核素在金屬中滲入較深，一般情況下，在1 μm～10 μm金屬表層中存在不小于98%的放射性核素，因此需進(jìn)行具有深層去污效果的去污方式。有較多方式可通過(guò)遠(yuǎn)距離遙控操作的手段應(yīng)用于β/γ核素的去污，例如激光去污、擦拭去污、凝膠去污。

綜合上述分析，對(duì)于β/γ污染較輕，但存在α污染的箱體設(shè)備，人員穿著氣衣，進(jìn)行人工操作。手套箱長(zhǎng)期放置，存在松散污染，應(yīng)先進(jìn)行吸塵去污，然后手持工具進(jìn)行擦拭或凝膠去污。對(duì)于β/γ污染較嚴(yán)重的箱體設(shè)備，需機(jī)器人攜帶去污機(jī)構(gòu)，進(jìn)行吸塵去污，后更換去污機(jī)構(gòu)，進(jìn)行擦拭/凝膠/激光去污。機(jī)器人攜帶去污機(jī)構(gòu)的去污方案具體如下：

箱體設(shè)備熱點(diǎn)去除主要分為兩部分，一方面是對(duì)箱體內(nèi)殘留固體廢物的移除，另一方面是對(duì)箱體內(nèi)壁熱點(diǎn)的去污。對(duì)于殘留固體廢物，使用作業(yè)機(jī)器人攜帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入房間，執(zhí)行機(jī)構(gòu)從箱門(mén)或破損的手套孔、窺視窗伸入箱體將廢物抓出裝桶，若廢物為松散廢物則使用真空吸塵裝置對(duì)廢物進(jìn)行收集，收集完成后裝桶。對(duì)于箱體內(nèi)壁其他熱點(diǎn)的去除，根據(jù)以往退役經(jīng)驗(yàn)，常用的方式包括擦拭去污、物理研磨去污、激光去污、凝膠去污等，需機(jī)器人攜帶相應(yīng)工具頭和配套系統(tǒng)進(jìn)行去污操作。需要注意的是，高放射性污染的箱體設(shè)備考慮將其轉(zhuǎn)運(yùn)至集中去污拆除區(qū)域進(jìn)行去污、拆除操作，以控制現(xiàn)場(chǎng)污染的擴(kuò)散，同時(shí)避免了操作空間的受限。手套箱去污方法分析表見(jiàn)表1。

表1 手套箱去污方法分析表

3 箱體設(shè)備拆除分析

對(duì)于薄壁箱體設(shè)備的拆除，其壁厚較薄，常見(jiàn)的熱切和冷切切割機(jī)具可完成切割；對(duì)于厚壁箱體設(shè)備的拆除，由于其存在厚屏蔽防護(hù)板，且防護(hù)板可拆卸，需考慮將防護(hù)板拆除后進(jìn)行內(nèi)殼的拆除。

3.1 常見(jiàn)拆除方法

目前退役領(lǐng)域常用的拆除方法較多，總體可分為冷切割和熱切割兩大類(lèi)。

1)冷切割。冷切割包括機(jī)械切割、高壓水射流切割、磨料射流切割等。機(jī)械切割為最常用的切割技術(shù)，技術(shù)和設(shè)備成熟，例如液壓剪、圓盤(pán)鋸、金剛石線(xiàn)鋸等。冷切割作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的煙塵和氣溶膠較少，污染控制較為容易，同時(shí)設(shè)備工具易得，操作簡(jiǎn)單，成本低，但是切割速度慢，人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)也不可避免，切割過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生較多的固體微粒廢物，也對(duì)切割操作具有一定影響。

2)熱切割。熱切割技術(shù)包括火焰切割、電弧切割、等離子體弧切割、激光切割等。熱切割的切割速度快，對(duì)于較厚的物體相對(duì)冷切割適用性更強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離操作，缺點(diǎn)為切割溫度高，切割過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較多的氣溶膠和煙塵，需要配置額外通風(fēng)、過(guò)濾和防護(hù)用具。

對(duì)冷熱切割技術(shù)的特性進(jìn)行匯總，結(jié)果如表2所示。

表2 切割技術(shù)特性表

3.2 拆除方案分析

由于部分箱體設(shè)備污染水平較高，去污后可能仍存在部分箱體設(shè)備需采用遠(yuǎn)距離拆除手段，因此切割機(jī)構(gòu)考慮就地和遠(yuǎn)距離切割兼顧，首先應(yīng)選用可遠(yuǎn)距離操作的設(shè)備，熱噴槍不適宜；其次需滿(mǎn)足不銹鋼和鉛的切割需求，火焰切割不適宜；射流切割因產(chǎn)生大量泥漿，二次廢物量大，不適宜選用；應(yīng)考慮盡可能的可靠、經(jīng)濟(jì)，綜合考慮切割效率。根據(jù)箱體設(shè)備的結(jié)構(gòu)和放射性水平，對(duì)箱體設(shè)備的拆除方案分為以下幾類(lèi)：

1)薄壁低劑量水平的箱體設(shè)備采用就地拆除的方案，由人工攜帶工具進(jìn)行切割。由于手套箱箱體為不銹鋼且較薄(3 mm～5 mm)，支架結(jié)構(gòu)為直徑較小管道組成，使用技術(shù)設(shè)備成熟，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)的液壓剪、圓盤(pán)鋸等可滿(mǎn)足切割要求，如果考慮到拆除效率，可選用除火焰切割外的熱切割技術(shù)。

2)薄壁高劑量水平的箱體設(shè)備采用集中區(qū)域拆除的方式。需先對(duì)箱體設(shè)備進(jìn)行連接斷開(kāi)，運(yùn)送至特定區(qū)域進(jìn)行后續(xù)去污拆除，而在對(duì)箱體設(shè)備進(jìn)行斷開(kāi)連接時(shí)箱內(nèi)熱點(diǎn)依然存在，劑量水平較高，需要操作攜帶切割機(jī)構(gòu)的機(jī)器人，配合自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，人工輔助進(jìn)行作業(yè)。完成手套箱轉(zhuǎn)移后，利用遠(yuǎn)距離操作工裝對(duì)箱體設(shè)備進(jìn)行去污操作，去污后能夠滿(mǎn)足人工拆除的需求，可同低劑量水平的箱體設(shè)備進(jìn)行人工拆除，若劑量水平仍然較高，則需要選擇可遠(yuǎn)距離操作的設(shè)備，傳統(tǒng)的鋸、剪等冷切割均可滿(mǎn)足要求，若需要提高切割效率，則可選用等離子體弧切割、電火花切割技術(shù)。

3)厚壁箱體設(shè)備普遍污染水平高，但其重量較大，無(wú)法直接運(yùn)送到集中區(qū)域進(jìn)行去污拆除操作，需就地簡(jiǎn)單去污后，人工輔助吊裝設(shè)備拆下外防護(hù)板，后運(yùn)送至集中區(qū)域進(jìn)一步去污拆除。運(yùn)送及拆除與薄壁高劑量箱體設(shè)備集中作業(yè)類(lèi)似。

綜上，對(duì)于箱體設(shè)備拆除而言，根據(jù)其劑量水平采用就地拆除或送集中區(qū)域拆除的方式，由于待切割拆除的部分為較薄不銹鋼板和較小直徑的管道，就地人工拆除可選用鋸、剪等傳統(tǒng)冷切割，若需提高拆除效率則可考慮選用除火焰切割外的熱切割技術(shù)。集中區(qū)域進(jìn)行去污拆除則需要考慮遠(yuǎn)距離解除連接后，運(yùn)送至集中區(qū)域，根據(jù)去污后的劑量水平，進(jìn)行人工拆除或遠(yuǎn)距離拆除，遠(yuǎn)距離拆除可選用傳統(tǒng)的鋸、剪等冷切割或等離子體弧切割、電火花熱切割，并分別考慮后作用力和現(xiàn)場(chǎng)氣溶膠控制的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)早期核燃料后處理廠(chǎng)箱體設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、污染水平，對(duì)箱體設(shè)備去污拆除的難點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇適宜的去污及拆除方法，并制定箱體設(shè)備去污、拆除的退役方案，具體如下：

1)早期核燃料后處理廠(chǎng)箱體設(shè)備主要分為薄壁箱體設(shè)備和厚壁箱體設(shè)備，厚壁箱體設(shè)備外部有厚屏蔽板，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與薄壁箱體設(shè)備類(lèi)似。2)箱體設(shè)備的污染主要存在于箱體內(nèi)部，可選用的去污方法有干冰去污、擦拭去污、凝膠去污、激光去污等。針對(duì)其不同污染特點(diǎn)，提出了適宜的去污方法以及相應(yīng)的去污方案。3)箱體設(shè)備的拆除可選用的拆除方法有鋸、剪等冷切割和等離子體弧切割、電火花切割技術(shù)等熱切割。針對(duì)不同污染水平和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了適宜的拆除方法，以及就地拆除或集中拆除的方案。