反應(yīng)堆退役金屬材料去污技術(shù)

殳佳龍

摘要：核反應(yīng)堆退役總是涉及到產(chǎn)生大量放射性金屬?gòu)U物。該文闡述了XXX反應(yīng)堆退役過(guò)程中，產(chǎn)生的大量金屬?gòu)U物的材質(zhì)主要為碳鋼和不銹鋼。這些金屬?gòu)U物大部分為放射性較低，但基本上高于國(guó)家清潔解控水平。根據(jù)安全考慮，可采用高壓水去污、化學(xué)去污、金屬去污等恰當(dāng)?shù)娜ノ奂夹g(shù)，使得反應(yīng)堆退役中所產(chǎn)生的金屬?gòu)U物滿(mǎn)足“產(chǎn)生的放射性廢物必須保持在可行的最低量”。

關(guān)鍵詞：退役高壓水去污清潔解控化學(xué)去污

中圖分類(lèi)號(hào)：TL944文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2022）06（a）-0000-00

1金屬?gòu)U物去污技術(shù)

金屬去污工藝包括高壓水去污、化學(xué)去污兩部分，去污對(duì)象為低放金屬?gòu)U物。高壓水去污技術(shù)即：利用流體沖擊作用去除污染物，如噴射蒸汽還可以提高去污效果。水壓范圍2～60MPa，噴水量0.5～4L/s，噴射距離一般為1～5m，噴射水與去污物面的交角為30°～45°時(shí)去污效果較好。提高水壓或添加化學(xué)劑，去污效果更好。超高壓噴射去污技術(shù)對(duì)大表面物件的去污效果很好，但二次廢物量大。

1.1高壓水去污原理流程

高壓水去污是利用高壓水產(chǎn)生的物理沖擊力去除廢物表面附著物，以達(dá)到去除部分放射性污染的目的。

金屬?gòu)U物經(jīng)過(guò)高壓水去污后，可以去除表面附著污染物;降低廢物的表面放射性水平，去污后的金屬可以送化學(xué)去污車(chē)間、切割車(chē)間、熔煉車(chē)間進(jìn)一步處理，也可能達(dá)到循環(huán)使用或解控水平[1]。

1.2高壓水去污工藝過(guò)程描述

首先從反應(yīng)堆拆除下來(lái)的或來(lái)自于廠內(nèi)各廢物堆放點(diǎn)的金屬?gòu)U物簡(jiǎn)單切割后，由物料進(jìn)出口進(jìn)入車(chē)間。接受金屬?gòu)U物的尺寸最大不超過(guò)2000mm×2000mm×2000mm，質(zhì)量不超過(guò)5t，管道尺寸在DN150mm以上的。經(jīng)廢物分類(lèi)之后，低放金屬?gòu)U物由平板車(chē)送至開(kāi)放式?jīng)_洗臺(tái)封閉式操作間，再由操作間內(nèi)的單軌50kN吊超運(yùn)送至操作臺(tái)架上去污或簡(jiǎn)單拆卸。放射性水平較高或污染難以清理的大型金屬構(gòu)件由車(chē)間內(nèi)的單梁吊車(chē)送至封閉式?jīng)_洗臺(tái)操作間，封閉式?jīng)_洗臺(tái)為密封結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作[2]。兩個(gè)臺(tái)架上都設(shè)有高壓水和壓縮空氣的進(jìn)口。金屬?gòu)U物放置在沖洗臺(tái)上進(jìn)行高壓水去污。沖洗臺(tái)設(shè)有通風(fēng)口與排風(fēng)系統(tǒng)相接，保證在操作中必要的氣流走向。沖洗臺(tái)底部都有廢液收集系統(tǒng)，通過(guò)管道排放至專(zhuān)門(mén)的廢液系統(tǒng)。在金屬?gòu)U物去污達(dá)到要求后，用壓縮空氣將金屬構(gòu)件吹干，進(jìn)行劑量檢測(cè)。去污完達(dá)到指標(biāo)的金屬?gòu)U物通過(guò)物料出口運(yùn)至相鄰的切割車(chē)間，進(jìn)行下一步的處理[3]。

化學(xué)去污就是用化學(xué)清洗劑溶解帶有放射性核素的污膩物、油漆涂層或氧化膜層，達(dá)到去污目的。

1.3化學(xué)去污原理流程

化學(xué)去污是利用酸洗、堿洗配合超聲波對(duì)不銹鋼、碳鋼、鑄鐵等低放廢物進(jìn)行去污或用鈰（Ⅳ）-硝酸溶液對(duì)不銹鋼低放廢物進(jìn)行去污。

采用三種化學(xué)去污工藝對(duì)低放金屬?gòu)U物進(jìn)行去污：第一種不銹鋼低放廢物：酸洗、堿洗，配合洗滌液升溫、超聲波強(qiáng)化去污;第二種不銹鋼低放廢物：鈰（Ⅳ）-硝酸去污;第三種碳鋼、鑄鐵低放廢物：堿洗，配合洗滌液升溫、超聲波強(qiáng)化去污。

去污后達(dá)到可熔煉或回用、解控。當(dāng)清洗液的去污效果明顯下降（由試車(chē)確定具體數(shù)據(jù)）或其放射性水平≥3×104Bq/L時(shí)，進(jìn)行中和排放。

1.4氧化層的溶解機(jī)制與去污劑的選擇

要除去氧化層中的放射性核素，就必須除去包容它們的氧化層。溶解氧化層的機(jī)制主要有以下3種：酸溶解與絡(luò)合溶解、還原溶解、氧化溶解;前兩種方式對(duì)含鉻高的氧化層效果都很差，對(duì)這種氧化層最有效的方法是氧化溶解，就是使難溶的Cr3+氧化成可溶解的Cr2O42-，最常用的氧化劑量高錳酸鉀，該反應(yīng)既可在酸性也可在堿性環(huán)境中進(jìn)行，氧化過(guò)程只能溶解氧化層的鉻，溶解鉻以后留下的氧化物由于晶格受到破壞，就可以用絡(luò)合或還原的方式來(lái)溶解。

1.5工藝過(guò)程描述

需要進(jìn)行化學(xué)去污的金屬，由物料出入口運(yùn)入化學(xué)去污車(chē)間。首先將廢物放入清洗槽，用加熱到一定溫度的堿液進(jìn)行浸泡和沖洗。堿洗完畢，排空清洗槽中的堿液，用清水沖洗掉廢物表面殘余的堿液后，將配合好的酸液導(dǎo)入清洗槽中進(jìn)行酸洗。酸洗完畢排空酸液，再用清水沖掉殘余酸液。然后將導(dǎo)入清水將廢物漂洗干凈，根據(jù)廢物的性質(zhì)考慮是否進(jìn)行超聲波震蕩去污，最后經(jīng)干燥并對(duì)其進(jìn)行表面放射性污染水平檢測(cè)，符合回用和清潔解控標(biāo)準(zhǔn)的，進(jìn)行回用和清潔解控處理。符合熔煉車(chē)間接受要求，即可送往熔煉車(chē)間進(jìn)行熔煉。

清洗槽內(nèi)設(shè)有蒸汽加熱盤(pán)管，用來(lái)對(duì)污液進(jìn)行加熱，因而在清洗槽上設(shè)有蒸汽接口，與蒸汽管道相接。去污液經(jīng)循環(huán)使用后，當(dāng)其放射性水平達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，將其排放到中和箱進(jìn)行相應(yīng)處理。去污液經(jīng)放射性水平和pH值測(cè)量，當(dāng)循環(huán)清洗液放射性濃度大于4× Bq/L、pH值在6～8之間時(shí)，就需排放到水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理[4]。為了保證操作環(huán)境的清潔，防止放射性氣體對(duì)廠房的污染，保護(hù)操作人員的安全，清洗槽和各箱都應(yīng)該有排氣口，與排氣系統(tǒng)相接，去污過(guò)程中產(chǎn)生的氣體要進(jìn)行監(jiān)測(cè)排放。

為了防止去污過(guò)程的二次污染，對(duì)金屬?gòu)U物的化學(xué)去污應(yīng)按其放射性從低到高進(jìn)行。對(duì)于不同材質(zhì)及污染水平的金屬?gòu)U物，所選用的去污劑也有所不同。

2金屬熔煉去污技術(shù)

2.1金屬熔煉工藝原理流程

金屬熔煉的任務(wù)是將經(jīng)高壓水去污和化學(xué)去污后的低放金屬?gòu)U物（主要是碳鋼和不銹鋼）進(jìn)行熔煉，達(dá)到對(duì)廢物的進(jìn)一步去污和金屬回收利用的目的。通過(guò)熔煉，加入特定組分的助熔劑，使廢物中大部分核素（65Zn、90Sr、106Ru、137Cs、152Eu 等）富集到爐渣和尾氣煙塵中，進(jìn)一步對(duì)爐渣和尾氣煙塵進(jìn)行處理，將大大減少?gòu)U物量。尾氣經(jīng)旋風(fēng)分離、布袋除塵、高效過(guò)濾等處理后達(dá)標(biāo)排放。鋼水在去除大部分放射性核素后鑄造成鋼錠達(dá)到循環(huán)使用或清潔解控水平。2994A8A0-274C-4F35-8122-1AAFC7342395

2.2金屬熔煉工藝過(guò)程簡(jiǎn)述

（1）熔煉車(chē)間接受的廢物必須滿(mǎn)足熔煉爐坩堝的尺寸要求。要求廢物尺寸為：長(zhǎng)度不大于400mm，斷面最大尺寸不大于200mm。（2）將接收的廢物從物料入口用運(yùn)輸小車(chē)運(yùn)進(jìn)熔煉車(chē)間，裝入料斗內(nèi)，再利用熔煉車(chē)間的5t/1t鑄造起重機(jī)，將廢物裝入爐內(nèi)。在廢物體積大小相差較大時(shí)，可考慮先將體積小的廢物裝入爐內(nèi)，加蓋，待溶化后，再加入體積較大的廢物，以加大爐體的充滿(mǎn)度，待爐內(nèi)金屬溶化后，如液面高度距要求的數(shù)值（約為900mm）差距較大時(shí)，可再繼續(xù)加料。（3）熔煉過(guò)程中，根據(jù)工程驗(yàn)證的成果加入相應(yīng)的助溶劑及其他添加劑，使放射性核素盡量多地富集到爐渣中去。（4）熔煉過(guò)程中，對(duì)鋼水取樣。待冷卻后，檢測(cè)分析放射性核素種類(lèi)及其比活度。（5）鋼水的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)達(dá)到要求后，開(kāi)蓋并傾爐，將鋼水倒入鋼水包內(nèi)，用5t/1t鑄造起重機(jī)將鋼水包運(yùn)至鑄造區(qū)，澆入鋼錠模，鑄成鋼錠，待鋼錠冷卻后，脫模并用吊車(chē)移至?xí)捍鎱^(qū)暫存，從物料出口運(yùn)出送往指定地點(diǎn)暫存。（6）熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的爐渣用專(zhuān)用工具打撈出后，粉碎并放入渣灌，待其冷卻后，取樣送往劑量實(shí)驗(yàn)室，對(duì)其進(jìn)行核素種類(lèi)及其比活度等的檢測(cè)。爐渣裝入200L桶后，從物料出口送往壓縮與廢物暫存場(chǎng)地進(jìn)行暫存。

熔煉過(guò)程中的開(kāi)蓋和傾爐均采用遠(yuǎn)距離的液壓驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行操作控制。加料桶的開(kāi)閉和吊車(chē)的移動(dòng)均采用地面控制。

2.3總結(jié)與展望

高壓水去污是通過(guò)超高壓力的高壓水沖刷金屬?gòu)U物表面，去除其表面松散污染或結(jié)垢物，露出金屬母材，從而達(dá)到去污的效果，其去污的優(yōu)點(diǎn)是二次廢物（廢水）便于處理，缺點(diǎn)是無(wú)法去除金屬表面固定污染和活化污染物，產(chǎn)生的二次廢水量較大。

化學(xué)去污是通過(guò)化學(xué)去污試劑腐蝕金屬表層，放射性污染物通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入去污廢液中，從而達(dá)到金屬表面污染去污效果?；瘜W(xué)去污的優(yōu)點(diǎn)是可去污進(jìn)入金屬表層晶格的固定污染，其缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)活化物進(jìn)行去污，且去污的二次廢液較難處理，而且去污試劑通常較為昂貴（如硝酸鈰）。

金屬熔煉采用礦冶煉鋼技術(shù)，將放射性水平較低的金屬通過(guò)熔煉，放射性進(jìn)入熔渣和尾氣中，從而達(dá)到去污效果。其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)過(guò)熔煉，大部分金屬可實(shí)現(xiàn)回用，包括部分活化金屬，其缺點(diǎn)是接收水平較低，熔煉過(guò)程較為復(fù)雜[5]。

要實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)U物最大程度清潔解控，應(yīng)當(dāng)將以上3種去污技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用其各自?xún)?yōu)點(diǎn)對(duì)堆退役產(chǎn)生的金屬?gòu)U物進(jìn)行去污處理。首先對(duì)退役拆除的金屬?gòu)U物通過(guò)高壓水去污，未達(dá)到解控水平的再送化學(xué)去污車(chē)間進(jìn)一步去污，仍未達(dá)到要求再送熔煉車(chē)間進(jìn)行熔煉，通過(guò)以上3種方法進(jìn)行處理，所有金屬?gòu)U物達(dá)到清潔解控水平的將超過(guò)90%（見(jiàn)圖1）。

水池表面垢物剝除干凈，露出金屬基體，除垢效果見(jiàn)圖2。

以某堆為例，該堆熱工回路系統(tǒng)在堆退役過(guò)程中產(chǎn)生的金屬?gòu)U物，總量約2000T，經(jīng)過(guò)高壓水去污車(chē)間檢測(cè)有186T可直接解控，經(jīng)過(guò)高壓水去污后有370T可直接解控，經(jīng)過(guò)化學(xué)去污后約有500T可解控，經(jīng)過(guò)金屬熔煉車(chē)間熔煉后，有870T可回用，剩余74T達(dá)不到解控水平送整備中心整備。以此看來(lái)，經(jīng)過(guò)以上3種去污技術(shù)，熱工回路拆除的廢物96%可實(shí)現(xiàn)解控。

由此可見(jiàn)，放射性金屬?gòu)U物清潔解控技術(shù)應(yīng)用對(duì)于廢物管理來(lái)說(shuō)具有重大意義，能夠?qū)崿F(xiàn)廢物最小化原則，減輕廢物處置對(duì)環(huán)境的壓力[6]。

但是，從目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的退役去污技術(shù)運(yùn)用上，高壓水和化學(xué)去污相對(duì)較為成熟，而金屬熔煉去污技術(shù)在國(guó)內(nèi)剛剛起步，去污技術(shù)尚不成熟，需要進(jìn)一步研究。

在化學(xué)去污中，應(yīng)當(dāng)對(duì)化學(xué)去污配方進(jìn)行進(jìn)一步研究，配合超聲波減少輔助試劑（特別是難以處理的添加劑）的投入。而在金屬熔煉去污中，應(yīng)當(dāng)開(kāi)展對(duì)熔煉添加劑的研究，讓放射性核素盡量進(jìn)入熔渣和尾氣中，提高去污系數(shù)。

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