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    核設(shè)施退役項(xiàng)目的去污工藝與技術(shù)

    2023-10-26 03:37:28姚志猛
    核安全 2023年5期
    關(guān)鍵詞:核設(shè)施廢物部件

    姚志猛

    (陽江核電有限公司,陽江 529525)

    核設(shè)施退役是核設(shè)施因使用期滿,或發(fā)生事故損壞,或政治因素,或其他原因停止服役后,為了充分考慮工作人員和公眾的健康與安全及環(huán)境保護(hù),而采取的行政和技術(shù)行動(dòng),經(jīng)授權(quán)從核設(shè)施中解除全部或部分監(jiān)管控制,以使核設(shè)施及其場(chǎng)地能夠重新使用。退役包括規(guī)劃,物理和放射性表征,設(shè)施和場(chǎng)地去污、拆解,材料管理等活動(dòng)[1]。退役的目的是:降低放射性照射量;回收利用舊設(shè)備和材料;使場(chǎng)地和設(shè)施或其局部恢復(fù)到不受限制的開放和使用狀態(tài);去除松散的放射性污染物和將殘留的污染物固定在原處,以便為監(jiān)護(hù)封存或永久處置活動(dòng)做好準(zhǔn)備;為了公眾的健康和安全縮短監(jiān)護(hù)封存期,從而減少監(jiān)護(hù)封存中的殘余放射性污染物數(shù)量。[2]核設(shè)施去污是指采用物理(機(jī)械)、化學(xué)或其他技術(shù),從核設(shè)施設(shè)備的表面(如管道系統(tǒng)、儲(chǔ)罐和部件)或建筑物(如地面、墻壁和天花板)上清除或減少殘余放射性污染物(有時(shí)與其他有害物質(zhì)混合),以達(dá)到既定的退役目標(biāo)或最終要求。消除放射性污染的總體目標(biāo)是保護(hù)工人、公眾的健康和環(huán)境的安全。

    核設(shè)施退役項(xiàng)目的去污技術(shù)主要包括:物理(機(jī)械)去污、化學(xué)去污、電化學(xué)、熱去污和其他去污技術(shù)[3]。通過把化學(xué)反應(yīng)器連接到現(xiàn)有電路或部件,使用專用去污車間,可在閉環(huán)系統(tǒng)中實(shí)施去污。筆者建議把去污的目的和技術(shù),作為評(píng)價(jià)核設(shè)施退役計(jì)劃是否合理的指標(biāo)之一。核設(shè)施單位及國家核安全監(jiān)管部門須對(duì)所采用的去污技術(shù)產(chǎn)生的二次廢物加強(qiáng)監(jiān)督和管理。應(yīng)該根據(jù)受照劑量和費(fèi)用來權(quán)衡是否要去污。

    1 去污的原因、目的、決策因素和許可文件

    1.1 去污原因

    核設(shè)施去污的原因有很多,主要可概括為三個(gè)方面:(1)需減少核設(shè)施或設(shè)備中放射性物質(zhì)的庫存,以降低電離輻射水平,最大限度地減少向環(huán)境釋放放射性物質(zhì)的可能性;(2)需減少放射性廢物的產(chǎn)生量,降低部件表面的放射性污染水平;(3)需要完成退役的最后階段,在拆除和修復(fù)場(chǎng)地之前,對(duì)建筑物進(jìn)行去污以清除地基和周圍土地的污染[4]。

    1.2 去污目的

    核設(shè)施中許多系統(tǒng)和部件的劑量率,隨著設(shè)備服役(使用)時(shí)間的增長而上升。因此,在核設(shè)施的維護(hù)和運(yùn)行期間,操作員的吸收劑量可能會(huì)上升。劑量率的增加,可作為采取減少職業(yè)照射糾正措施的依據(jù)。通過采用合適的去污技術(shù)降低核設(shè)施系統(tǒng)和部件的活度以達(dá)到去污目的[5]。由于處于運(yùn)行階段的核設(shè)施在去污后仍需安全運(yùn)行,其部件和系統(tǒng)不能出現(xiàn)損壞情況,因此,不允許采用侵蝕性強(qiáng)的去污技術(shù)。去污是一項(xiàng)與核設(shè)施拆除密切相關(guān)的獨(dú)立操作,通常在拆除核設(shè)施之前開展。由于核設(shè)施系統(tǒng)中待去污的部件與其他部件較容易隔離,特制的密封墊圈可安裝到位,并且系統(tǒng)無須滿足進(jìn)一步運(yùn)行的溫度、壓力、濕度等參數(shù)操作要求。因此,處于退役階段的核設(shè)施所采用的去污技術(shù)可能比運(yùn)行階段的去污技術(shù)更具有侵蝕性。

    根據(jù)文獻(xiàn)[6]和[7],對(duì)于核電廠和研究型反應(yīng)堆的退役,大多開展全系統(tǒng)去污(full system decontamination,F(xiàn)SD,即壓水堆核電廠一回路去污)[6,7]。通過實(shí)施FSD,部件的剩余活度常減少為初始活度的2.5%~20%。退役早期階段的去污不僅可降低劑量率和放射性污染水平,還可最大限度地降低放射性污染物釋放的風(fēng)險(xiǎn),從而減小職業(yè)照射和公眾照射的危害。工作人員通過采用簡單的人工手動(dòng)操作、機(jī)器人或遠(yuǎn)程操作等拆解技術(shù)去污,來簡化拆解流程,減少對(duì)屏蔽物和較繁雜個(gè)人防護(hù)設(shè)備的需求。拆除核設(shè)施將產(chǎn)生大量的廢金屬和建筑瓦礫。存在“回收和再利用”或“處置和替換”兩種管理方案供決策者選擇。第一種方案通過最大限度地減少廢物產(chǎn)生量,以保護(hù)自然資源和環(huán)境,并最大限度地降低與“新放射性材料”產(chǎn)生量相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。在過去幾十年中,由于控制、儲(chǔ)存和處置廢物費(fèi)用的增加,以及公眾對(duì)處置廠址的接受度問題,使廢物產(chǎn)生量最小化凸顯其重要性。當(dāng)采用“回收和再利用”方案時(shí),幾乎在整個(gè)核設(shè)施退役項(xiàng)目期間均需開展去污工作。當(dāng)采用“處置和替換”方案時(shí),去污活動(dòng)通常僅限于使用去污工藝以減少受照劑量。

    1.3 去污決策因素

    去污決策的主要事項(xiàng)包括:(1)是否在拆除前實(shí)施FSD;(2)在“回收和再利用”和“處理和替換”兩種管理方案中選擇一種。去污的決策因素主要涉及:國家政策、公眾的接受度、去污技術(shù)的可行性、危害和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及經(jīng)濟(jì)等多方面[8]。采用簡單的“決策樹方法”、成本效益分析或更復(fù)雜的“決策矩陣方法”開展去污決策。無論采用哪種方法,均需為多個(gè)選項(xiàng)提供合理、可評(píng)估的解決方案。

    1.3.1 監(jiān)管要求

    與保護(hù)工人、公眾和環(huán)境有關(guān)的問題應(yīng)在國家法律框架內(nèi)得到解決[9]。監(jiān)管要求主要涉及工人和公眾受照的劑量限值、放射性三廢的環(huán)境排放以及廢金屬和建筑瓦礫的清潔解控水平。清潔解控水平是指審管部門規(guī)定的以活度濃度和總活度表示的值,等于或低于該值時(shí),輻射源可以不再受審管部門的管理控制。關(guān)于“回收和再利用”方案在國家政策方面的可獲得性,即清潔解控水平,是為減少工人集體劑量以外的目的,應(yīng)用去污技術(shù)的先決條件。只有開展有效監(jiān)測(cè)、采用合適的方法,證明達(dá)到了清潔解控水平,才能實(shí)現(xiàn)材料自由釋放的目標(biāo)。核設(shè)施單位在規(guī)劃退役項(xiàng)目時(shí),應(yīng)及早與監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行溝通,并妥善解決此問題。

    1.3.2 公眾接受程度

    決策因素之二是工業(yè)領(lǐng)域接受“回收自由釋放材料”和公眾接受“重新再利用材料”的程度。從保護(hù)環(huán)境角度評(píng)價(jià),“處置和替換”方案劣于“回收和再利用”方案,并導(dǎo)致放射性廢物數(shù)量和運(yùn)輸量的增加,并對(duì)處置能力和處置場(chǎng)地容量提出了更高要求。與“處置和替換”方案有關(guān)的挖掘和去污工藝,增加了使用土地的面積。對(duì)這兩種管理方案的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,成為形成輿論和影響決策過程中的決定性因素之一。

    1.3.3 去污技術(shù)的可行性

    去污技術(shù)的可行性取決于待去污材料的特性、污染物類型和污染程度(是α、β還是γ射線、是松散還是堅(jiān)固、滲透的深度以及有無活化或活化程度等)。此外,去污作業(yè)團(tuán)隊(duì)、核設(shè)施單位和國家核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu),分別簡稱去污作業(yè)方、管理方和監(jiān)管方,還需考慮去污表面的可達(dá)性及其尺寸,以及使用去污材料、去污工藝的兼容性(發(fā)生燃燒、爆炸、過度腐蝕的可能性)。其他核設(shè)施去污項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)反饋以及對(duì)核設(shè)施待去污樣本開展的探索性去污測(cè)試,有助于去污作業(yè)方、管理方和監(jiān)管方評(píng)估去污工藝的效果或效率。此外,還須評(píng)估去污的可行性、監(jiān)測(cè)技術(shù)的可用性以及二次廢物的控制和處理技術(shù)。

    1.3.4 安全、風(fēng)險(xiǎn)和危害

    采用“合理可能盡量低(ALARA)原則”評(píng)估工人受照劑量的優(yōu)化(最小化),有助于去污作業(yè)方、管理方和監(jiān)管方對(duì)“在拆除前實(shí)施FSD是否合理”的問題作出決定。實(shí)施FSD減少了操作工人的職業(yè)照射劑量,但可能增加其接觸有毒、有害氣體等非放射性物質(zhì)危害的風(fēng)險(xiǎn)?!盎厥蘸驮倮谩焙汀疤幹煤吞娲眱煞N管理方案均存在放射性和非放射性風(fēng)險(xiǎn),其放射風(fēng)險(xiǎn)相似。兩種管理方案均明確規(guī)定:應(yīng)避免工人受到外部污染或吸入去污所產(chǎn)生的放射性粉塵和氣溶膠。在評(píng)估非放射性風(fēng)險(xiǎn)時(shí),兩種方案存在差異。在“循環(huán)和再利用”方案中,實(shí)施去污的過程和技術(shù),常涉及接觸致癌或有毒化學(xué)試劑的新危害。若去污團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備充分,且具有豐富的專業(yè)知識(shí),可有效避免、妥善處理新危害。在“處置和替換”方案中,非放射性風(fēng)險(xiǎn)與挖掘和加工等場(chǎng)外活動(dòng)有關(guān)。

    1.3.5 經(jīng)濟(jì)可行性

    核設(shè)施單位通常根據(jù)整個(gè)去污過程的成本效益分析,對(duì)去污的經(jīng)濟(jì)可行性作出決策,即從部件的移除到處置或再利用。因此,需考慮的成本包括:(1)移除、切割、分揀、去污、表征、包裝和運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用;(2)可重復(fù)使用或循環(huán)再利用材料或部件的殘余價(jià)值;(3)去污所產(chǎn)生廢物(包含二次廢物)的控制、處理、貯存及處置費(fèi)用;(4)許可文件的申請(qǐng)、稅收、保險(xiǎn)費(fèi)用;(5)為抵消因廢物關(guān)稅的變化、去污預(yù)期效果與實(shí)際成效之間的差異以及法律和核安全監(jiān)管的變化等意外事件所產(chǎn)生的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而采取的應(yīng)變措施。

    1.4 退役許可文件亟待解決的問題

    FSD的實(shí)施,以及對(duì)“回收和再利用”方案和“處置與替換”方案的選擇,均須在退役初期作出決定。采用的去污技術(shù)將影響工人受照劑量、與使用有毒產(chǎn)物有關(guān)的非放射性風(fēng)險(xiǎn)、有毒有害氣載物質(zhì)的產(chǎn)生、處理放射性廢物的類型和數(shù)量以及退役計(jì)劃和費(fèi)用。此外,去污團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人還應(yīng)具有足夠的專業(yè)知識(shí)來管理去污過程,確保去污作業(yè)工人獲得了正確的信息,并接受了去污培訓(xùn)。因此,上述問題應(yīng)在退役許可文件中予以解決。即納入退役計(jì)劃、健康與安全報(bào)告、廢物管理計(jì)劃和環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

    根據(jù)《中華人民共和國核安全法》第三十條規(guī)定,核設(shè)施退役前,核設(shè)施營運(yùn)單位應(yīng)當(dāng)向國務(wù)院核安全監(jiān)督管理部門提出退役申請(qǐng),提交的材料包括:(1)核設(shè)施退役申請(qǐng)書;(2)安全分析報(bào)告;(3)環(huán)境影響評(píng)價(jià)文件;(4)質(zhì)量保證文件;(5)法律、行政法規(guī)規(guī)定的其他材料。核設(shè)施退役時(shí),核設(shè)施營運(yùn)單位應(yīng)當(dāng)按照合理、可行和盡可能低的原則處理、處置核設(shè)施場(chǎng)址的放射性物質(zhì),將構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備的放射性水平降低到滿足國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中,核設(shè)施營運(yùn)單位須對(duì)規(guī)劃和建設(shè)核設(shè)施退役項(xiàng)目在實(shí)施(如去污)過程中和實(shí)施后,對(duì)可能對(duì)環(huán)境造成的影響進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和評(píng)估,包括對(duì)放射源(源項(xiàng))、廢物或?qū)嵺`規(guī)模與特性的概述,對(duì)廠址或場(chǎng)所環(huán)境現(xiàn)狀的分析,以及對(duì)正常運(yùn)行工況和事故情況下可能造成的環(huán)境影響或后果的分析;并提出預(yù)防或減輕環(huán)境影響的對(duì)策和措施,開展跟蹤監(jiān)測(cè)的方案。

    2 金屬的去污

    金屬的去污技術(shù)主要包括:化學(xué)去污、電化學(xué)去污、機(jī)械去污、熔煉去污和其他去污技術(shù)(泡沫去污、化學(xué)凝膠去污、化學(xué)漿料去污)。

    2.1 化學(xué)去污

    化學(xué)去污利用濃縮或稀釋的溶劑(清洗液),通過溶解覆蓋在基底金屬(母體金屬)上的污染層或母體金屬本身,以去除管道、部件和設(shè)備表面的固定污染物[10]。在核設(shè)施運(yùn)行過程中,溶解母體金屬污染層是為了保持母體金屬的完整性;在核設(shè)施退役過程中溶解母體金屬,以回收廢金屬。

    化學(xué)去污可在移除或拆卸核設(shè)施部件之前,應(yīng)用于無法接近的金屬表面、設(shè)備和管道的去污;通常可遠(yuǎn)程實(shí)施;通常對(duì)表面粗糙或多孔性物體無效[11]。使用化學(xué)去污時(shí),去污團(tuán)隊(duì)須注意氣載物的產(chǎn)生、化學(xué)藥劑的使用以及二次廢物的控制和處理。去污效果主要取決于清洗液的接觸時(shí)間、濃度、溫度和是否攪拌。隨著化學(xué)溶液的飽和,去污效果隨金屬與化學(xué)溶劑接觸時(shí)間的延長而降低。連續(xù)或分批次使用再生試劑可解決去污效果降低的問題。去污效果通常用去污因子(Decontamination Factor,DF)來衡量,定義DF=初始活度/殘余活度。一些研究人員使用劑量率降低因子DFs來衡量去污效果,定義DFs=初始劑量率/殘余劑量率。

    2.1.1 多步法去污工藝

    多步法去污工藝最初為FSD設(shè)計(jì)。在多步法去污技術(shù)應(yīng)用中,污染層通常由氧化鉻含量高的、極難溶解的腐蝕產(chǎn)物形成。因此,去污工藝通常先經(jīng)過氧化,后溶解和絡(luò)合溶解金屬的步驟。多步去污技術(shù)主要分為軟去污技術(shù)(使用稀釋劑)和硬去污技術(shù)(使用高濃度化學(xué)試劑)。軟去污技術(shù)腐蝕性低,常應(yīng)用于壓水堆核電廠一回路系統(tǒng),只能達(dá)到有限的DF。相比之下,硬去污技術(shù)可以獲得更高的DFs,但并不適用于整個(gè)壓水堆一回路系統(tǒng),且會(huì)產(chǎn)生大量廢液,目前處于暫停應(yīng)用狀態(tài)。目前FSD使用高濃度的軟化學(xué)試劑主要包括:TURCO、MOPAC和CITROX(由0.2 mol/L的檸檬酸、0.2 mol/L草酸與緩蝕劑的混合物組成)[12]。

    目前,常用的軟去污技術(shù)包括:加拿大去污和污染修復(fù)工藝(Canadian Decontamination and Remediation Process,CANDEREM)、低氧化態(tài)金屬離子(Low Oxidation-state Metal Ion,LOMI)、化學(xué)氧化還原去污(Chemical Oxidizing Reducing Decontamination,CORD)和退役去污(Decontamination For Decommissioning,DFD)。上述去污工藝通常須經(jīng)歷兩個(gè)或多個(gè)去污過程,以降低劑量率。

    CANDEREM是加拿大原子能公司(Atomic Energy of Canada Limited,AECL)于20世紀(jì)80年代中期利用檸檬酸和乙二胺四乙酸(Ethylenediaminetetraacetic Acid,EDTA)研發(fā)的一種再生去污技術(shù)。20世紀(jì)90年代中期,西屋公司的PN服務(wù)子公司(Westinghouse subsidiary PN Services,PN)采用CANDEREM去污技術(shù)對(duì)美國印度安角核電廠2號(hào)機(jī)組實(shí)施了全系統(tǒng)化學(xué)去污。西屋公司批準(zhǔn)了CANDEREM去污技術(shù)應(yīng)用于裝載核燃料的壓水堆核電廠開展FSD。

    LOMI去污技術(shù)由英國中央電力公司(Central Electricity Generating Board,CEGB)于20世紀(jì)70年代末80年代初研發(fā)。該去污技術(shù)以釩為還原劑,以吡啶甲酸為絡(luò)合劑或螯合劑,在水中徹底除氧,用氫氧化鈉控制溶液pH值,運(yùn)行溫度為80℃~90℃。LOMI去污技術(shù)在反應(yīng)器運(yùn)行過程中運(yùn)用了鋅、水、氫化學(xué)反應(yīng)原理,成功去除了沉積物。但其主要缺點(diǎn)是產(chǎn)生的二次廢物量較大。因此,CEGB對(duì)LOMI去污技術(shù)中所使用的化學(xué)反應(yīng)試劑進(jìn)行了改進(jìn),使二次廢物量減少了50%。

    CORD去污技術(shù)最初由德國電站聯(lián)盟(Kraft Werk Union AG,KWU)的西門子公司研發(fā),是一種包含三個(gè)步驟的化學(xué)過程,應(yīng)用于多個(gè)去污循環(huán)。每個(gè)去污循環(huán)包括一個(gè)氧化步驟(80℃~90℃使用高錳酸)、一個(gè)去污步驟(使用草酸)和一個(gè)純化步驟(添加高錳酸或過氧化氫)。文獻(xiàn)[1]描述了法馬通子公司(AREVA NP GmbH)研發(fā)的CORD系列工藝,該去污技術(shù)已應(yīng)用到核設(shè)施退役項(xiàng)目中,并達(dá)到了預(yù)期的去污效果。例如,在瑞典巴舍拜克(Barseb?ck)核電廠1號(hào)和2號(hào)機(jī)組中,使用CORD去污技術(shù)獲得了高達(dá)25的DF。此外,比利時(shí)BR3反應(yīng)退役項(xiàng)目部還把用于壓水堆一回路去污的CORD技術(shù),應(yīng)用到拆解部件的去污試驗(yàn)。針對(duì)該應(yīng)用,比利時(shí)聯(lián)邦政府核能研究中心(Belgian Nuclear Research Centre,SCK·CEN)對(duì)CORD去污技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),使其不再只對(duì)氧化層進(jìn)行腐蝕,還對(duì)金屬母材進(jìn)行腐蝕。

    美國電力科學(xué)研究院(Electric Power Research Institute,EPRI)于1996年開展了DFD技術(shù)的研發(fā),旨在去除金屬構(gòu)件表面的放射性污染,使部件能回收或作為非放射性物質(zhì)進(jìn)行自由釋放。EPRI研制的DFD技術(shù)使用了氟硼酸、高錳酸鉀和草酸進(jìn)行循環(huán)去污。

    當(dāng)上述去污技術(shù)用于清洗槽中已切割成較小塊的部件時(shí),去污效率可通過化學(xué)去污技術(shù)與超聲波去污技術(shù)相結(jié)合方式得到提高。多步法去污工藝,是為了提高去污效果而使用兩種以上去污劑的去污方法,首先將一種清洗液注入待去污對(duì)象的系統(tǒng)內(nèi),以實(shí)現(xiàn)去污;然后排出去污液,接著進(jìn)行洗滌,再使用下一種清洗液。即去污團(tuán)隊(duì)要求實(shí)施幾個(gè)去污循環(huán),采用串聯(lián)方式安放到去污清洗槽中;碎塊從一個(gè)清洗槽轉(zhuǎn)移到另一個(gè)清洗槽,然后重新啟動(dòng)一個(gè)新的去污循環(huán),直至達(dá)到預(yù)期的殘留水平。因此,多步法去污工藝可獲得較高的DF,但具有去污工藝復(fù)雜、產(chǎn)生廢液較多的缺點(diǎn)。

    2.1.2 一步法去污工藝

    一步法去污工藝,主要使用Ce4+、HNO3、HF或HBF4作為去污液。

    Ce4+去污技術(shù)利用Ce4+的高氧化電位,氧化“積垢”(富鉻上層沉積物)中的氧化物,同時(shí)氧化和溶解幾微米的基層。該去污技術(shù)在瑞典由斯圖斯維克公司STUDSVIK研發(fā),稱為強(qiáng)臭氧去污技術(shù)(Strong Ozone Decontamination Process,SODP);在日本由日本原子能研究所(Japan Atomic Energy Research Institute,JAERI)和日本電力示范反應(yīng)堆(Japan Power Demonstration Reactor,JPDR)退役項(xiàng)目部聯(lián)合研發(fā),稱為氧化還原去污(Reduction and Oxidation,REDOX);在比利時(shí)由SCK·CEN研發(fā),稱為鈰氧化金屬去污(Metal Decontamination by Oxidation with Cerium,MEDOC)[13-16]。SODP已應(yīng)用于壓水堆退役,使用硝酸作為去污液,對(duì)去污環(huán)境要求:常溫,pH值保持在0.6左右。氧化劑Ce4+通過加入臭氧進(jìn)行再生,Ce4+在硝酸環(huán)境中的去污流程如圖1所示。Ce4+去污系統(tǒng)主要由去污槽、配液槽、電化學(xué)氧化槽、配液泵和去污液泵、過濾器等設(shè)備組成[17]。SODP去污技術(shù)除應(yīng)用于瑞典阿杰斯塔核電廠(Agesta)兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器的去污外,還應(yīng)用于法國當(dāng)皮埃爾核電廠(Dampierre)的蒸汽發(fā)生器去污。去污后溶液的處理過程主要包括:(1)使用過氧化氫將多余的Ce4+還原為Ce3+,(2)在堿性環(huán)境中沉淀氫氧化物。由于工作溫度為20℃,去污過程相對(duì)較緩慢。在較高溫度下應(yīng)用Ce4+去污工藝會(huì)引發(fā)安全問題,因此,去污團(tuán)隊(duì)須在已將蒸汽發(fā)生器從壓水堆核電廠一回路系統(tǒng)中拆除且冷卻至常溫的情況下,采用SODP技術(shù)對(duì)蒸汽發(fā)生器實(shí)施去污。

    圖1 不銹鋼設(shè)備Ce4+/硝酸浸泡去污流程Fig.1 Stainless steel equipment Ce4+ / nitric acid immersion decontamination flow chart

    氧化還原(REDOX)和硫酸鈰(Sulfuric acid Cerium,SC)去污技術(shù)的化學(xué)原理相同。即在60℃~80℃的高溫環(huán)境下,使用Ce4+去污,與常溫去污環(huán)境相比,高溫環(huán)境提高了化學(xué)反應(yīng)速率。REDOX和SC去污技術(shù)分別在硝酸和硫酸環(huán)境中使用Ce4+;均在單獨(dú)的容器中通過電化學(xué)實(shí)現(xiàn)Ce3+的再生,即去污液不斷再生。

    MEDOC工藝的本質(zhì)是:在與去污環(huán)境相同的溫度下,利用臭氧在氣液接觸器中實(shí)現(xiàn)清洗液的連續(xù)再生。MEDOC工藝結(jié)合了兩種去污工藝的優(yōu)點(diǎn),即在高溫環(huán)境下加速腐蝕速率和使用臭氧的簡單再生技術(shù),二次污染物的產(chǎn)量少。假設(shè)溶解厚度為10 mm、面積為20 m2的污染物表面,將產(chǎn)生11.5 L的瀝青固化廢物。去污團(tuán)隊(duì)通過對(duì)溶液的電滲析來實(shí)現(xiàn)回收硫酸,以進(jìn)一步減少二次廢物的產(chǎn)生量。MEDOC去污裝置已成功應(yīng)用于比利時(shí)BR3反應(yīng)堆退役的去污,主要部件包括,(1)一個(gè)裝有籃子(穿孔容器)的去污槽,籃子里裝滿待去污部件。(2)用于臭氧再生的緩沖槽和氣液接觸器。臭氧由臭氧發(fā)生器采用電暈放電法產(chǎn)生(電暈放電法產(chǎn)生臭氧的基本原理:臭氧發(fā)生器由一對(duì)電極、介電體與放電氣隙構(gòu)成。當(dāng)外加交流高壓于兩個(gè)電極時(shí),由于高速電子與氧分子碰撞,在外界高能量的作用下,氣隙中發(fā)生電暈放電,帶氧的氣體被電離,間隙中的含氧離子化濃度大幅度增長,氧離子與氧分子相互之間反應(yīng)形成臭氧)。(3)開展超聲波去污的清洗槽。去污實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,MEDOC工藝可實(shí)現(xiàn)DFs大于10000,既可用于切割部件的批量去污,又可用于蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、儲(chǔ)罐等大型部件的閉環(huán)去污[18]。

    HNO3/HF去污工藝既可使用高壓流體對(duì)去污層進(jìn)行粉碎,還可把蝕刻膏涂抹到待去污部件表面,再放入去污槽溶液中清洗。當(dāng)處理表層覆蓋著氧化層的不銹鋼時(shí),液體通過氧化層滲透到母體金屬材料。其腐蝕機(jī)理為:氧化還原侵蝕與母體金屬的溶解相結(jié)合。母體金屬受到腐蝕后,氧化物脫落并殘留在溶液中。因此,去污溶液中逐漸充滿了顆粒形式的不溶性氧化物,來自氧化物的部分溶解,以及母體金屬與溶液化學(xué)反應(yīng)生成的溶解鹽。反應(yīng)速率和效率隨著溫度、HF濃度和反應(yīng)時(shí)間的增加而增加。

    HNO3/HF去污技術(shù)在低溫和高濃度下,常應(yīng)用于大塊破碎部件(如槽或罐的內(nèi)表面)的去污;或在高溫、低濃度下,用于清洗液中金屬碎塊的去污。當(dāng)處理后的金屬碎塊再經(jīng)超聲波去污后,該去污工藝的效率得到了明顯提高。對(duì)于部分不溶解的氧化物,經(jīng)過濾去除。隨著溶液中溶解鹽濃度的增加,該去污工藝的去污效率逐漸降低。氟離子與溶解態(tài)金屬的螯合作用,降低了氟離子的侵蝕性。因此,去污團(tuán)隊(duì)須向溶液中加入新的HF,或者更新清洗液。在去污過程中,氟硝溶液對(duì)剩余的游離氟化物進(jìn)行中和、螯合處理。由于去污過程需使用特殊建筑材料(主要為塑料),且在工人安全方面存在重大隱患,因此,去污槽內(nèi)洗清去污技術(shù)無顯著的優(yōu)點(diǎn)。此外,清洗液的效率快速下降,導(dǎo)致試劑快速耗盡。相比之下,把去污液噴霧到待去污設(shè)備壁上帶來的益處包括:(1)所需試劑數(shù)量少;(2)在低溫下應(yīng)用引發(fā)的安全問題較少;(3)廢水的產(chǎn)生量更小。同樣去污工藝可概括為:把侵蝕膏涂抹到待去污部件的表面;經(jīng)幾個(gè)小時(shí)后,膏體干燥,采用機(jī)械方法去除;最后用高壓水流沖洗。該去污技術(shù)主要用于外表面或熱點(diǎn)區(qū)域,已成功在實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)試,應(yīng)用于拆卸設(shè)備的去污。

    DECOHA去污工藝以氟硼酸(HBF4)為基礎(chǔ)。其工作原理為:(1)在低溫下粉碎待去污部件;(2)在較高溫度下將去污部件浸泡在清洗槽中,溫度低于90℃;(3)在更高的溫度(90℃左右)下浸泡在清洗槽中;(4)廢液可進(jìn)行電化學(xué)再生,陽離子在陰極被還原并沉積為金屬;(5) HBF4在陽極重新生成;(6)60Co在陽極與金屬共沉淀[19]。再生過程不允許100%去除陽離子,一般在98%的陽離子沉積時(shí)停止再生。137Cs未沉積在陰極而停留在溶液中。為了處理剩余2%的陽離子,工藝流程包括:(1)通過添加磷酸沉淀不溶性磷酸鹽;(2)沉淀不溶性草酸鹽或不溶性硅酸鹽;(3)與Ca(OH)2中和,生成不溶性CaF2。

    DECOHA去污技術(shù)在工業(yè)規(guī)模(5 t/day)上應(yīng)用的經(jīng)典實(shí)例是切爾諾貝利核電廠污染金屬碎塊的去污。該去污技術(shù)可用于不銹鋼的去污(速率為0.02~0.5 mg·cm-2·h-1),碳鋼的去污(速率至少為0.05 mg·cm-2·h-1),鋁的去污(速率為6 mg·cm-2·h-1或22 mm/h)。與上述其他去污技術(shù)(如使用鈰或硝磺酸)相比,DECOHA去污技術(shù)的侵蝕性較小、侵蝕速率低。與HF相比,由于DECOHA去污技術(shù)侵蝕性更小,因此安全問題更少。該去污技術(shù)通過陰極沉淀再生可實(shí)現(xiàn)氟硼酸HBF4的回收,并在陰極沉積大部分陽離子。該去污技術(shù)使用的材料為聚丙烯。由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生氫氣,去污過程需加強(qiáng)通風(fēng)和氣體流出物的稀釋,以確保H2濃度在H2和空氣混合物的爆炸濃度之下。

    一步法去污使用一種去污液,將去污液注入去污系統(tǒng)內(nèi)實(shí)施去污,去污后排出去污液,接著進(jìn)行洗滌,或者用離子交換樹脂凈化去污液。一步法去污的優(yōu)點(diǎn)包括:工藝簡單,操作簡便,廢液的產(chǎn)生量少。其缺點(diǎn)是:往往達(dá)不到預(yù)期的去污效果。例如,利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的HNO3對(duì)污染的不銹鋼進(jìn)行一次性去污,用氨基酸對(duì)污染的碳鋼表面開展一次性去污等。

    化學(xué)去污的優(yōu)點(diǎn)包括:(1)去污時(shí)間較短,可對(duì)難以接近的污染物表面或幾何形狀復(fù)雜的污染物實(shí)施去污;(2)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)去污或遠(yuǎn)程遙控操作;(3)化學(xué)去污試劑易于獲取,能重復(fù)使用;(4)去污過程產(chǎn)生的氣載有害廢物量少。其缺點(diǎn)為:(1)難以處理具有表面面積大、多孔、易腐蝕性的污染物表面;(2)化學(xué)試劑種類多,去污工藝復(fù)雜,運(yùn)行處理費(fèi)用較高;(3)可能產(chǎn)生混合廢物,產(chǎn)生的液體廢物量大。

    2.2 電化學(xué)去污

    電化學(xué)去污又稱電解拋光去污,是一種陽極溶解去污技術(shù)。待去污材料為陽極,而陰極為不銹鋼、銅電極或去污槽。在去污過程中,可控?cái)?shù)量的金屬表面層溶解,把固定在表層的放射性污染物帶走。該去污技術(shù)用于降低劑量率(如蒸汽發(fā)生器筒體內(nèi)去污),或用于拆解件廢物的分類(如從高活度到低活度的分類)。由于待去污部件表面層必須靠近電極,去污部件僅限于可接觸的金屬表面。在進(jìn)行電化學(xué)去污之前,去污團(tuán)隊(duì)須去除金屬部件表面的油漆或氧化層。核電廠中適合采用電化學(xué)去污技術(shù)的部件主要包括壓水堆核電廠一回路系統(tǒng)和高污染的厚壁部件。電解工藝主要涉及電解液的使用和運(yùn)行條件(參數(shù))。

    2.2.1 磷酸去污工藝

    磷酸去污工藝的運(yùn)行條件(參數(shù))為,(1) H3PO4濃度:40%~80%體積;(2)工作溫度:40℃~80℃;(3)電壓:8~12 V 直流電;(4)電流密度:60~500 mA/cm2。磷酸溶液去污可應(yīng)用于碳鋼和不銹鋼,具體步驟包括:(1)通過添加草酸沉淀草酸亞鐵,帶走高活度的60Co(137Cs不析出);(2)殘留磷酸經(jīng)沉淀分離,稀酸經(jīng)蒸發(fā)濃縮;(3)草酸鐵在250℃的氧化鐵中經(jīng)熱解破壞,具備了最終貯存的條件。由于要避免廢液含有草酸鹽,該去污技術(shù)在處理二次廢水時(shí)具有一定的復(fù)雜性。由于磷酸去污工藝會(huì)釋放H2,因此,去污團(tuán)隊(duì)在去污過程中須加強(qiáng)氣體稀釋,以減小爆炸風(fēng)險(xiǎn)。該去污技術(shù)在貢德雷明根(Gundremmingen)核電廠一臺(tái)電功率250 MW的沸水反應(yīng)堆(Boiling water reactors,BWR)上開展了工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用;在完成100~500 mm厚表層污染物的去除后,達(dá)到了徹底去除數(shù)百噸鐵素體鋼的效果。

    2.2.2 硝酸去污工藝

    硝酸去污工藝主要包括兩種去污技術(shù):一種由英國原子能機(jī)構(gòu)(UK Atomic Energy Authority,AEA)Harwell研發(fā),另一種由法國原子能委員會(huì)(French Atomic Energy Commission,CEA)UDIN研發(fā)。由AEA/Harwell研發(fā),并商業(yè)應(yīng)用于不銹鋼去污的運(yùn)行條件為:(1)室溫使用濃度為1 mol/L的HNO3;(2)電流密度低,為2-3 mA/cm2;(3)采用鈦電極,以最大限度地減少H2和NOx的生成。待去污碎塊放置在帶孔的鈦制容器(籃子)中。DF在2 h內(nèi)達(dá)到1000,相當(dāng)于去除了5 mm的污染層。AEA宣布去污處理的廢物產(chǎn)生量為0.6 dm3/m2,所選擇的HNO3環(huán)境與AEA的廢物處理裝置兼容。

    CEA/UDIN研發(fā)的去污技術(shù),在HNO3環(huán)境中采用鼓內(nèi)陽極溶解法,處理钚污染的金屬廢物。對(duì)不銹鋼件去污的條件為:(1) HNO3濃度:2 mol/L;(2)電流密度:10~30 mA/cm2;(3)去污時(shí)間:1~3 h。散裝污染廢物置于帶孔的鈦制容器中,在陽極極化并運(yùn)動(dòng)。不銹鋼陰極平行安裝,放置于轉(zhuǎn)動(dòng)鼓內(nèi)。選擇硝酸是由于其與去污或后處理產(chǎn)生的廢水兼容(PuO2)。在此條件下,不銹鋼的侵蝕速率約為16 mm/h,鋁合金的侵蝕速率約為20 mm/h,未噴漆鐵素體鋼的侵蝕速率約為500 mm/h 。

    2.2.3 硫酸去污工藝

    日本東芝公司研發(fā)了硫酸法去污技術(shù),用于不銹鋼件去污,其運(yùn)行條件為:(1)H2SO4濃度:5%;(2)溫度:60℃;(3)電流密度:300~1000 mA/cm2。由于H+的耗盡,腐蝕速率從處理初期的240 mm/h降到60 mm/h,電流效率η(電解時(shí)在電極上實(shí)際沉積或溶解的物質(zhì)的量,與按理論計(jì)算出的析出量或溶解量之比,通常用符號(hào)η表示)隨著溶解離子的濃度從40%降到20%。酸度須維持在規(guī)定水平,以保持侵蝕率和電流效率的最佳值。去污工藝主要包括:溶液的中和與氫氧化物的沉淀。若存在137Cs,則須采用亞鐵氰化物處理,并結(jié)合氫氧化物沉淀的方法。

    2.2.4 硫酸鈉去污工藝

    日本東芝公司研發(fā)了用硫酸鈉交替電解去污技術(shù)(Alternative Electrolytic Decontamination with Sodium Sulfate,AEDSS)。AEDSS去污技術(shù)把硫酸鈉作為電解質(zhì),采用了交替極化的電極。在陽極電解時(shí),金屬氧化并溶解,但氧化物(如氧化鐵)保持完整。位于氧化層下方的金屬侵蝕,僅在電解液穿透薄膜的情況下才發(fā)生。陰極電解使表面氧化膜減少,把三價(jià)鐵還原為二價(jià)鐵,母體金屬保持完好。兩種技術(shù)的結(jié)合,即電極極化有規(guī)律性發(fā)生改變,提高了整體腐蝕速率。硫酸鈉去污工藝對(duì)于表面覆蓋有厚層氧化鐵的鐵素體鋼的去污效果顯著。該去污工藝的運(yùn)行條件包括:(1) Na2SO4濃度為20 wt%(重量或質(zhì)量百分比)。(2)電壓為20 V。溶液中的鐵離子以氫氧化鐵形式析出,并攜帶60Co。(3)電流效率相對(duì)較弱,約為6%,導(dǎo)致能耗較大,約4000 kWh/t(200 kWh/m2侵蝕50 mm),但二次廢物的產(chǎn)量非常少,約為10 kg/t。

    瑞典ABB原子能公司研發(fā)了電化學(xué)去污技術(shù)(Electrochemical Decontamination,ELDECON)。電化學(xué)去污是通過電化學(xué)溶解原理除去污染的金屬表層,以實(shí)現(xiàn)去污的過程。電化學(xué)去污適用于核設(shè)施退役過程中產(chǎn)生的碳鋼、不銹鋼、鋁等金屬表面的深度去污,以實(shí)現(xiàn)清潔解控和再循環(huán)利用。ELDECON以硫酸鈉作為電解質(zhì)。其運(yùn)行條件為:(1) Na2SO4濃度:5 wt%;(2)電流密度:100~600 mA/cm2;(3) pH值:7;(4)最大電壓:24 V;(5)去污時(shí)間:15 min至1 h不等,取決于不同的部件,當(dāng)電流密度為400 mA/cm2時(shí),侵蝕速率約為60 mm/h。

    瑞典ABB原子能公司建造的商業(yè)化的清洗槽尺寸為:1060 mm×660 mm×500 mm,可承受600 kg載荷。整流器在24 V時(shí)提供最大輸出電流1000 A。在去污過程中,溶解的鐵以氫氧化物形式沉淀,并攜帶60Co。

    電化學(xué)去污的主要優(yōu)點(diǎn)包括:(1)在不經(jīng)切割或拆卸的情況下,能有效地對(duì)大面積或幾何形狀復(fù)雜的導(dǎo)電體部件進(jìn)行去污。(2)待去污金屬部件經(jīng)去污后表面平滑,并由氧化保護(hù)膜覆蓋,不易受二次污染。(3)去污操作時(shí)間短,費(fèi)用較低。(4)對(duì)大面積或幾何形狀復(fù)雜的導(dǎo)電體部件去污效果顯著。電化學(xué)去污的主要缺點(diǎn)為:(1)無法對(duì)絕緣體進(jìn)行去污。(2)在對(duì)涂有油漆、環(huán)氧樹脂等絕緣涂層的金屬材料進(jìn)行電化學(xué)去污之前,須預(yù)先清除涂層。(3)去污過程中往往會(huì)產(chǎn)生氫氣和氧氣,因此,去污作業(yè)區(qū)域需保持良好的通風(fēng)條件。

    2.3 物理去污

    物理去污又稱機(jī)械去污,是核設(shè)施去污的重要方法之一,是利用機(jī)械方法去除或降低污染物表面的放射性污染水平的過程。與化學(xué)和電化學(xué)去污工藝相比,機(jī)械去污操作更簡單,且通常無侵蝕性。機(jī)械去污大多與去污清洗劑結(jié)合使用,從簡單的清洗和刷洗,到表面的磨損和機(jī)械去除。機(jī)械去污適用于材料的外表面,例如松散的灰塵、牢固附著的污染物[20]。機(jī)械去污的二次廢物產(chǎn)生量較小,磨料介質(zhì)可多次重復(fù)應(yīng)用。為了去除熱點(diǎn),可對(duì)表面進(jìn)行部分去污。機(jī)械去污不僅可單獨(dú)使用,還可與化學(xué)去污結(jié)合使用。

    2.3.1 超聲波去污工藝

    超聲去污利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用和直進(jìn)流作用,對(duì)液體和污物產(chǎn)生直接或間接作用,使污物層分散、乳化、剝離,以達(dá)到去污的目的。超聲波頻率高、波長短,因此,具有傳播的方向性好、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)。超聲波去污適用于不穩(wěn)定和松散固定的污染碎塊的去污,通常在加入洗滌劑的情況下使用。洗滌液中的能量損失使洗滌液溫度自然升高,從而有利于增強(qiáng)去污效果。超聲波去污技術(shù)僅適用于核設(shè)施中松散固定的污染物;DFs小于2;通常與化學(xué)去污技術(shù)結(jié)合使用,或應(yīng)用于化學(xué)去污后的碎塊去污。

    2.3.2 干冰去污工藝

    干冰去污是利用CO2冰晶粒子高速噴射到待去污部件表面,以達(dá)到清除污染的目的。工作原理為:1.8 MPa的壓縮空氣,在噴射器中對(duì)CO2冰晶顆粒器加速;顆粒體積流量達(dá)21.5 m3/min;污染物移出待去污部件表面,由多余的空氣帶走;CO2冰晶顆粒蒸發(fā),去除的污染物沉降于地面,或由通風(fēng)系統(tǒng)帶走,再經(jīng)空氣過濾系統(tǒng)收集、處理。污染物仍然位于密封圍隔去污區(qū)域的地面和(或)過濾器中。干冰去污作業(yè)條件要求:確保圍隔作業(yè)空間的通風(fēng)充足,以避免CO2的積聚和消除空氣污染;操作人員須穿通風(fēng)服工作。該去污技術(shù)的噪聲水平在75~125 dB。該去污技術(shù)一般應(yīng)用于輕度污染碎塊或附著力不強(qiáng)的污染物的去污。

    2.3.3 噴射冰粒去污工藝

    噴射冰粒去污工藝與干冰去污工藝相似,但其去污裝置結(jié)構(gòu)比噴射CO2冰晶粒子去污裝置結(jié)構(gòu)稍微簡單。冰晶與壓縮空氣噴射到待去污部件表面,冰晶融化時(shí)形成的水,將去除的污染物帶走,然后污染物懸浮或溶解。懸浮或沉積在水中的污染物,通過一個(gè)專門的廢水和固體廢物處理系統(tǒng)來處理液體流出物。噴射冰粒的去污效率與噴射CO2冰晶顆粒的去污效率接近。噴射冰晶去污的侵蝕性,不足以對(duì)固定污染物進(jìn)行徹底去污。

    2.3.4 加壓水去污工藝

    當(dāng)加壓水流處于低壓時(shí)(5~15 MPa),加壓水去污技術(shù)常用于強(qiáng)污染件的預(yù)去污,用于清洗池壁、池中碎塊或長期浸泡在池水中的工具。

    當(dāng)加壓水流處于中壓時(shí)(15~70 MPa),加壓水去污技術(shù)用于核電廠設(shè)備的去污,以降低劑量率和可遷移污染物的污染水平,并可用于具有冷態(tài)固定污染物表面的去污(如在環(huán)境溫度下使用的池襯墊和管道)。由于加壓水去污設(shè)備的工作參數(shù)存在差異,水的消耗率(單位時(shí)間內(nèi)水的消耗量)范圍為60~6000 L/h。此外,去污團(tuán)隊(duì)可通過在60℃的溫水中添加清洗液體以提高去污效率。耗水量(單位去污面積對(duì)水的消耗量)范圍為10~600 L/m2。中壓水去污技術(shù)的缺點(diǎn)是:若水不經(jīng)過濾和回收,則會(huì)形成污染的氣溶膠,且耗水量大。

    當(dāng)加壓水流處于高壓時(shí)(大于70 MPa),加壓水噴射去污技術(shù)原理與切割金屬技術(shù)的原理相同。當(dāng)水流加壓到300~400 MPa時(shí),噴射器出口的水流速度約為900 m/s。去污團(tuán)隊(duì)通過在水中添加磨料可提高去污效率。水的消耗率為120~240 L/h,壓縮機(jī)功率為20~40 kW。該去污技術(shù)的投資巨大。此外,由于加壓水去污系統(tǒng)不是為回收磨料而設(shè)計(jì),因此,對(duì)磨料的消耗量相當(dāng)大。高壓水能去除材料的表層,因此,高壓水去污徹底。但由于高壓水噴射水流的速度大,將產(chǎn)生液態(tài)氣溶膠。

    2.3.5 磨料去污工藝

    磨料去污是利用磨料高速度噴射到待處理部件表面的撞擊力來實(shí)現(xiàn)去污的。磨料去污須保證磨料的循環(huán)利用,以限制二次廢物的產(chǎn)生。因此,去污團(tuán)隊(duì)淘汰了無回收功能的干式或濕式噴砂裝置,優(yōu)先采用具有回收功能的濕式噴砂和干式噴砂去污技術(shù)。根據(jù)去污對(duì)象的不同,去污團(tuán)隊(duì)一般采用以下材料作為研磨介質(zhì):(1)礦物(如磁鐵礦或沙子);(2)鋼球;(3)玻璃珠或玻璃熔塊;(4)塑料顆粒;(5)天然產(chǎn)品(如稻殼或磨碎的堅(jiān)硬果殼)。去污團(tuán)隊(duì)通常選擇使用壽命長、去污力強(qiáng)的磨料。由于磨料能打碎表面材料,噴砂適用于大多數(shù)表面材料的去污,在平坦部件表面上去污效果最佳,也可用于難以觸及的部件表面的去污。噴砂裝置須安裝接地保護(hù),以避免產(chǎn)生靜電危害。噴砂裝置的流體輸送器,使用的介質(zhì)多為加壓水或壓縮空氣。具有回收功能的濕式噴砂去污裝置主要構(gòu)件包括:(1)收集水、磨料和污染混合物的系統(tǒng);(2)帶有水流或壓縮空氣并添加磨料的噴砂槍;(3)帶有循環(huán)泵的磨料回收裝置;(4)細(xì)磨料和去除污染物的回收和過濾單元;(5)用于過濾污泥的預(yù)處理單元。該濕式噴砂去污裝置已在BR3反應(yīng)堆和其他多個(gè)核設(shè)施的退役項(xiàng)目中使用,并對(duì)大型污染件、涂漆金屬和局部可到達(dá)的污染斑塊開展去污,取得了良好的去污效果。

    具有回收磨料功能的干式噴砂去污裝置結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。該干式噴砂裝置的流體輸送器中的介質(zhì)為壓縮空氣,其結(jié)構(gòu)主要包括:(1)通過預(yù)過濾器、袋式過濾器以及高效空氣過濾器(high efficiency particulate air,HEPA)與普通通風(fēng)設(shè)備相連接的去污作業(yè)區(qū)域(通風(fēng)櫥);(2)手持式氣噴砂槍或壓縮空氣噴射器;(3)磨料和污染物的回收系統(tǒng);(4)磨料和污染物的分離系統(tǒng),通常為旋風(fēng)除塵系統(tǒng)。磨料在旋風(fēng)除塵系統(tǒng)中收集并回收。污染物和細(xì)小的磨粒疏散到過濾系統(tǒng)中收集和過濾。去污團(tuán)隊(duì)須采取防塵措施來控制粉塵和氣體污染物,如通過在工作區(qū)域使用過濾式真空系統(tǒng)來減少粉塵和氣體污染物。該干式噴砂系統(tǒng)已應(yīng)用于許多核設(shè)施的退役工程,并取得了良好的去污效果。例如,應(yīng)用于比利時(shí)布諾谷普斯公司(Belgoprocess)的自動(dòng)化去污系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了金屬部件的自動(dòng)裝載、去污和卸載。

    圖2 干式噴砂去污裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Structure diagram of dry abrasive blasting decontamination device

    2.3.6 打磨、拋光和刷洗去污工藝

    市場(chǎng)上常見的角磨機(jī)(安裝砂輪或鋼絲刷)包括:直柄打磨機(jī)、直磨機(jī)、刮刀、風(fēng)管、拋光機(jī)、拉絲機(jī)等多種用于打磨、拋光和刷洗的去污設(shè)備。砂帶是使用黏結(jié)劑將磨料黏結(jié)在紙或布等可撓性材料上制成的一種帶狀工具,是涂附磨具的一種主要形式,可用于磨削和拋光。砂帶由基材、磨料和黏結(jié)劑組成。磨砂輥又稱為消光輥,其基材為優(yōu)質(zhì)的無縫鋼管或合金鋼等金屬,光輥的表面加以磨砂或噴砂應(yīng)力后,其表面不再具有光潔度,成為可對(duì)金屬表面進(jìn)行機(jī)械打磨和拋光的滾筒。市場(chǎng)上的砂帶、磨砂輥具有種類多、型號(hào)齊全、尺寸范圍大等特點(diǎn)。同一打磨、拋光和刷洗設(shè)備可用于不同功能、不同類型污染物表面的去污。由于打磨、拋光、刷洗去污作業(yè)會(huì)產(chǎn)生粉塵,因此要求去污團(tuán)隊(duì)在通風(fēng)的環(huán)境中開展去污操作,并穿著防護(hù)服(面罩或通風(fēng)服)。

    一般而言,機(jī)械去污可單獨(dú)使用,也可與其他去污技術(shù)結(jié)合使用,以提高去污效果。機(jī)械去污是對(duì)多孔表面污染物進(jìn)行去污的唯一方法。機(jī)械去污的缺點(diǎn)包括:(1)要求污染物表面具有可達(dá)性(可觸及)。(2)去污過程易產(chǎn)生粉塵。因此去污團(tuán)隊(duì)在實(shí)施機(jī)械去污作業(yè)前,要清除障礙物(如管道、電纜、支撐物等),去污作業(yè)過程中除須保持良好的通風(fēng)環(huán)境以外,還須采取降塵和除塵的措施,以保護(hù)工作人員的身體健康和安全。

    2.4 熔煉去污

    金屬熔煉是一種將放射性污染的金屬(如碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅、鋁、鎳等有色金屬)加熱到其熔化溫度以上,加入造渣劑和氧化劑使其與金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在此過程中不同元素及其放射性同位素在鑄錠、爐渣和粉塵之間進(jìn)行重新分布的高溫去污技術(shù)。一些與鐵化學(xué)性質(zhì)相似的元素,如鈷、鎳、鉻、鋅、錳等,主要?dú)埩粼谌垠w中。更多的揮發(fā)性元素,如銫、碘或氚,離開熔體并轉(zhuǎn)移到尾氣或熔渣中。超鈾元素以及一些裂變產(chǎn)物容易氧化并轉(zhuǎn)移到熔渣中。

    雖然熔煉去污工藝的主要目的是回收和利用金屬,但由于許多放射性同位素從熔體中分離出來,并集中在熔渣或通風(fēng)過濾器中,因而在熔煉過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了金屬的去污。137Cs是一種揮發(fā)性核素,積聚在粉塵中,由通風(fēng)過濾器捕集。鑄錠中主要剩余核素為60Co。其他核素的半衰期較短。因此,放射性比活度較低的鑄錠可自由釋放,或者經(jīng)過短暫的貯存、衰變后再釋放。放射性比活度低于(國家或行業(yè))標(biāo)準(zhǔn)限值的鑄錠可回收和再利用,并用作屏蔽塊或屏蔽容器的基材。由于放射性廢金屬冶煉廠的規(guī)模比非放射性金屬冶煉廠的規(guī)模小,去污團(tuán)隊(duì)須將放射性污染金屬切割成較小的碎塊以裝入熔煉爐。碳鋼和不銹鋼成為回收利用的首選合金材料。鉛易于回收,熔融溫度低,只要采取必要的衛(wèi)生和安全防護(hù)措施,就可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行回收利用,無須投入昂貴的資本。其他金屬(如鋁、黃銅、鐵素體鋼和鎳基合金等)須在有資質(zhì)的專用冶煉廠熔煉。

    對(duì)于大型核電廠去污項(xiàng)目,已經(jīng)建成了集中的熔煉設(shè)施,如英國的卡彭赫斯特(Capenhurst)和法國的斯柯德(SOCODEI)熔煉廠。大型商業(yè)熔煉設(shè)施已在世界各地建成,接收來自國外的放射性廢金屬,并開展金屬的熔煉去污。例如,德國的辛佩爾坎普(Siempelkamp)、瑞典的斯圖斯維克(Studsvik)和美國的能源解決方案(Energy Solutions)熔煉廠。

    金屬熔煉去污技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括:(1)能有效去除金屬廢物中放射性核素,達(dá)到凈化金屬廢物的目的。研究表明,金屬廢物中的放射性核素及其子體的去污效率可達(dá)到99%。(2)能實(shí)現(xiàn)金屬資源的回收和再利用,金屬廢物通過熔煉,放射性核素大部分已轉(zhuǎn)移到爐渣中,經(jīng)過熔煉后的部分金屬可達(dá)到清潔解控水平,從而實(shí)現(xiàn)金屬的回收和再利用。(3)可在放射性廢物處理過程中實(shí)現(xiàn)放射性核素的包容。廢金屬經(jīng)熔煉后,絕大部放射性核素進(jìn)入爐渣中,廢渣質(zhì)量約為金屬質(zhì)量的4%,從而大幅減少了需處理的廢物量;此外,產(chǎn)生的爐渣可用水泥進(jìn)行固化,以實(shí)現(xiàn)放射性核素的包容。熔煉去污技術(shù)的缺點(diǎn)為:(1)前期處理工序復(fù)雜;(2)去污成本較高;(3)煙氣產(chǎn)生量大。

    2.5 其他去污技術(shù)

    使用泡沫、化學(xué)凝膠和化學(xué)漿料的去污技術(shù)用于特定用途核設(shè)施的退役階段(如形狀復(fù)雜熱室和部件的去污)。

    2.5.1 泡沫去污工藝

    泡沫去污工藝是利用表面活性劑產(chǎn)生的泡沫作為化學(xué)去污劑的載體,使去污劑與污染表面的放射性核素保持較長時(shí)間的接觸,然后用水漂洗或噴淋,以實(shí)現(xiàn)放射性去污目的。泡沫去污技術(shù)成熟,應(yīng)用廣泛,尤其適用于形狀復(fù)雜或體積較大的部件。泡沫去污技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括:(1)可應(yīng)用于形狀復(fù)雜部件表面的去污;(2)由于泡沫中空氣占有90%以上的體積,去污過程中二次廢物的產(chǎn)生量少;(3)泡沫去污設(shè)備價(jià)格低廉,操作簡單,適合去污團(tuán)隊(duì)人工或遠(yuǎn)程遙控操作。其缺點(diǎn)是:通過一次性應(yīng)用泡沫(分批去污)去污難以獲得良好的DF值,并且不適用于填充式的大空腔、有裂縫的部件表面或有較深或復(fù)雜裂縫部件的去污。

    2.5.2 化學(xué)凝膠去污工藝

    化學(xué)凝膠作為化學(xué)去污劑的載體,是含有各種去污試劑(如H2SO4、H3PO4+Ce4+)、脫漆劑和其他組分的黏性溶液。在去污過程中,將化學(xué)凝膠噴霧或涂刷到待去污件的表面,形成一層持久的液膜,在成膜過程中,高分子鏈上的官能團(tuán)(如羥基、羧基、胺基等)以及其中的絡(luò)合劑,與引起放射性污染的核素發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),使放射性核素從污染物表面進(jìn)入液膜中;經(jīng)過一段去污時(shí)間,然后開展擦洗、擦拭、抽真空、沖洗或剝離。典型的試劑組合為:硝酸、氫氟酸和草酸的混合物,與羧甲基纖維素膠凝劑混合的非離子洗滌劑,硝酸鋁(作為氟的螯合劑)?;瘜W(xué)凝膠去污技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括:(1)可有效地從大型部件中去除原地的可涂抹性污染物;(2)二次廢物的產(chǎn)生量少;(3)易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控操作;(4)可獲得高達(dá)100的DFs?;瘜W(xué)凝膠去污技術(shù)的缺點(diǎn)是:(1)操作工藝復(fù)雜,至少需要經(jīng)過兩次噴涂和兩次水沖洗流程;(2)只有在長時(shí)間接觸的情況下,才能顯現(xiàn)效果,此外,須最大限度地減少浪費(fèi)?;瘜W(xué)凝膠噴涂是處理幾何形狀簡單的低碳鋼管道上β和γ發(fā)射體的良好去污工藝。

    2.5.3 化學(xué)漿料去污工藝

    化學(xué)漿料廣泛應(yīng)用于不銹鋼等金屬表面的去污,由填料、載體和活性劑(酸或酸的混合物)組成。化學(xué)漿料去污技術(shù)需在漿料中加入磨料。磨料的機(jī)械作用有助于破碎表面的污染物薄膜,從而提高化學(xué)漿料的去污效果。

    3 建筑物表層的去污

    建筑物表面材料的自由釋放,可能涉及待去除污染物或活化材料(如反應(yīng)堆的生物屏蔽層和加速器外殼的建筑材料)。因此,待去污的建筑物表面厚度從幾毫米到幾米不等。表面去污通常采用簡單的去污工藝,如清洗、擦洗和真空清洗;也用作拆解前或拆解過程中的第一步,為采用具有侵蝕性的去污技術(shù)(如粗琢、銑削、刨削和液壓、氣動(dòng)錘擊)做好前期準(zhǔn)備。

    3.1 粗琢去污工藝

    粗琢去污是一種純機(jī)械過程,利用(碳化鎢材質(zhì))活塞頭的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)或高速旋轉(zhuǎn)沖擊待去污建筑物表層的混凝土,使混凝土破碎,以實(shí)現(xiàn)去除混凝土表面污染層的目的。破碎后的混凝土廢物依靠高效真空集塵裝置吸走,并收集到包裝容器中。市場(chǎng)上常見粗琢機(jī)的活塞頭數(shù)量從1個(gè)到7個(gè)不等。對(duì)于難以到達(dá)的去污場(chǎng)所,可采用全角度粗琢機(jī)(去污設(shè)備)。粗琢機(jī)一般采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或氣體驅(qū)動(dòng)方式工作。粗琢機(jī)按操作方式分為手持式和遠(yuǎn)距離操作式兩種類型。粗琢去污技術(shù)屬于干式去污技術(shù),即不需要水、化學(xué)試劑或磨料。產(chǎn)生的廢物僅由清除的碎屑組成。由于混凝土成分、特性和抗壓強(qiáng)度的多樣性,以及所選擇粗琢機(jī)的活塞頭數(shù)量的差異性,因此,去污團(tuán)隊(duì)難以估算去污的工作速率。去污實(shí)踐表明,手動(dòng)操作式粗琢機(jī)的每個(gè)活塞頭在每小時(shí)內(nèi)可去除0.3 cm厚度的混凝土表面層,面積為5 m2。對(duì)于7個(gè)活塞頭的粗琢機(jī),其去除效率為35 m2/h。粗琢機(jī)適合去除厚15~25 mm的污染混凝土薄層。建議在下列情況中使用:(1)限制或避免去污過程中產(chǎn)生氣載廢物;(2)混凝土表面去污后需重新使用;(3)廢物量最小化;(4)拆除前混凝土需要去污。粗琢后的混凝土表面整體較為平整。該去污技術(shù)既適用于大面積的開闊區(qū)域,也適用于小面積狹窄區(qū)域的去污作業(yè)。美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的钚工廠曾用粗琢機(jī)對(duì)300 m2的混凝土進(jìn)行了去污,美國的鈉冷堆實(shí)驗(yàn)裝置(Sodium Reactor Experiment,SRE)退役項(xiàng)目使用了含有7個(gè)活塞的手動(dòng)式地面粗琢機(jī)對(duì)混凝土開展去污,去污效果良好。

    3.2 研磨去污工藝

    研磨去污又稱銑削(刨削)去污,是另一種純機(jī)械加工過程。研磨機(jī)主要由動(dòng)力源、研磨頭、集塵裝置和輔助裝置組成。其工作原理為:動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)研磨輪高速旋轉(zhuǎn),研磨輪上的硬質(zhì)合金圓盤與混凝土表面摩擦,粉碎混凝土,依靠高效真空集塵裝置收集破碎的污染混凝土,從而達(dá)到清除混凝土表面污染的目的。

    研磨輪的磨料主要有水冷金剛石粗顆粒磨料、多層碳化鎢磨料。對(duì)于高強(qiáng)混凝土(含有硬骨料)表面,適合選擇金剛石顆粒磨料。軟骨料混凝土,則不適合選擇金剛石顆粒磨料。去污試驗(yàn)和工程應(yīng)用表明:帶金剛石磨輪的轉(zhuǎn)盤式地面研磨機(jī)每天可去除混凝土幾百立方米,去除深度約為1 cm;若去污團(tuán)隊(duì)對(duì)研磨機(jī)進(jìn)行適當(dāng)控制,混凝土表面去除深度可達(dá)2~3 cm。

    根據(jù)研磨(銑削、刨削)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)反饋,比利時(shí)布諾谷普斯公司(Belgoprocess)研發(fā)了一種遠(yuǎn)程控制的金剛石墻面研磨(銑削)系統(tǒng),作為大型混凝土表面去污的方案。研磨(銑削)系統(tǒng)由下列部件組成:(1)用于遠(yuǎn)程遙控銑削機(jī)器的水力和電力控制柜;(2)真空系統(tǒng)用于固定臨時(shí)真空墊,以保持銑削單元呈水平或垂直狀態(tài);(3)簡單的XY框架系統(tǒng),包含水平導(dǎo)軌、垂直導(dǎo)軌和用于安裝銑削頭的行車支架;(4)一種快速更換的金剛石旋轉(zhuǎn)銑削頭,帶有防塵蓋,可連接到現(xiàn)有的除塵系統(tǒng)。整個(gè)研磨(銑削)系統(tǒng)分節(jié)搭建,可由一名操作者攜帶;以可控和無振動(dòng)的方式去除混凝土層;每次去污深度在1~15 mm可控,并產(chǎn)生光滑的表面。

    旋轉(zhuǎn)銑削頭設(shè)計(jì)成可跟隨去污表面的輪廓,深度的調(diào)整以1 mm增量進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置,以最大限度地減少廢物的產(chǎn)生。使用300 mm和150 mm寬的旋轉(zhuǎn)銑削頭,既能進(jìn)入寬敞的區(qū)域,也能進(jìn)入狹小的角落開展去污作業(yè)。當(dāng)垂直導(dǎo)軌安裝在銑削頭剃刮的墻壁上時(shí),水平導(dǎo)軌可以斷開并向前移動(dòng),從而保證去污作業(yè)的連續(xù)性。研磨(銑削)系統(tǒng)的去污速率取決于混凝土的結(jié)構(gòu)和硬度、深度設(shè)置、銑削速度和銑削頭所使用的金鋼石類型。每個(gè)銑削頭剃刮去污面積可達(dá)2000 m2,無須更換。美國在圣奧諾弗雷核電廠(San Onofre Nuclear Generating Station,SONGS)1號(hào)機(jī)組采用地面研磨機(jī)和手動(dòng)式研磨機(jī)研磨去污,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土表面的去污。

    3.3 液壓或氣壓錘擊去污工藝

    核設(shè)施的污染層或活化物深度通常達(dá)到幾十厘米。對(duì)于此深度的污染或活化層,粗琢和銑削(刨削)去污過程過于緩慢,且屬于勞動(dòng)密集型作業(yè)。為了清除幾十厘米深度的污染地面和墻壁,去污團(tuán)隊(duì)可以使用巖石破碎機(jī)或氣錘等機(jī)器?;炷两ㄖ锏那懈詈腿ノ劭衫靡簤夯驓鈮哄N;既可手動(dòng)操作,也可借助電動(dòng)、液壓控制的支撐臂進(jìn)行自動(dòng)操作。后者可配備液壓錘、掘進(jìn)機(jī)支架或其他工具,適合地面和墻壁的去污。重350 kg的小型電動(dòng)、液壓錘擊裝置常用于污染物已深入混凝土表面區(qū)域的去污作業(yè),增加了去除污染物的可能性,并顯著減少了操作人員的工作量。

    3.4 熱磨劃去污工藝

    熱磨劃法主要用于混凝土去污,利用火焰或等離子體提供的熱能來沖擊、破碎混凝土的表面,從而達(dá)到去污的目的。根據(jù)熱源的不同,待去污對(duì)象的表面將出現(xiàn)飛濺和熔融兩種熱磨劃現(xiàn)象。當(dāng)待去污對(duì)象表面下的礦物質(zhì)中的較大晶體對(duì)突然噴入的能源(熱量)產(chǎn)生反應(yīng),從而改變其晶間結(jié)構(gòu)時(shí),就會(huì)在待去污對(duì)象表面下釋放晶間力,從而使去污對(duì)象以小片形式從表面噴射出來,形成飛濺現(xiàn)象。對(duì)于高度晶化和無定形礦物質(zhì)則不會(huì)發(fā)生飛濺現(xiàn)象,而是發(fā)生熔融過程。熔融過程中產(chǎn)生玻璃狀的熔制小球,停留在待去污對(duì)象的表面,通過機(jī)械方法將這些小球或小片從去污對(duì)象的表面去除,從而達(dá)到去污的目的。

    典型的火焰磨劃采用氧-乙炔燃燒器,最高溫度可達(dá)3200℃。去污實(shí)踐表明:一次火焰磨劃操作對(duì)于粒徑小于33 cm的粗粒徑混凝土,剝離深度為2.5~3 mm,而對(duì)于粒徑小于8 cm的細(xì)粒徑混凝土,剝離深度為1.4~1.5 mm。

    4 影響選擇去污技術(shù)的因素

    核設(shè)施退役項(xiàng)目中存在各種類型的待去污部件,主要包括拆解前或拆解后的金屬部件、工具、設(shè)備、包裝和建筑材料。因此,在一個(gè)核設(shè)施退役項(xiàng)目中通常采用幾種去污技術(shù)的組合開展去污。去污作業(yè)方、管理方和監(jiān)管方根據(jù)成本效益分析結(jié)果,選擇去污技術(shù)。這種分析通常伴隨著對(duì)樣本開展大量試驗(yàn)。為了選擇合適的去污技術(shù),去污作業(yè)方、管理方和監(jiān)管方須考慮以下三個(gè)方面的因素:(1)待去污部件的特征。包括:(A)部件的類型、材料和表面狀態(tài);(B)部件在運(yùn)行過程中的使用情況,如待去除污染物的種類、組成和分布等信息;(C)部件的歷史,如部件在其運(yùn)行壽命期內(nèi)是否已經(jīng)過某種處理或去污。(2)去污的目的。是減少劑量,還是無限制重復(fù)使用。(3)哪些去污技術(shù)符合該部件的去污條件且可采用。需要考慮的因素包括:(A)針對(duì)污染物所采用去污技術(shù)的有效性,已獲得證實(shí),以及來自其他退役項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)反饋;(B)去污設(shè)備的可用性、經(jīng)濟(jì)性和復(fù)雜性,包括管理二次廢物所需的設(shè)備;(C)申請(qǐng)退役許可文件所需的時(shí)間和對(duì)退役計(jì)劃的影響;(D)健康、安全和環(huán)境問題;(E)是否具有訓(xùn)練有素的去污工作人員;(F)為開展去污,須對(duì)現(xiàn)有核設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造的程度(如隔離系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)及通風(fēng)空間);(G)從去污準(zhǔn)備階段到二次廢物管理的整個(gè)去污過程中,去污作業(yè)方、管理方和監(jiān)管方職業(yè)劑量的攝入。

    是否對(duì)核設(shè)施退役項(xiàng)目中的部件開展去污和去污技術(shù)的選擇,取決于上述因素在現(xiàn)行通用標(biāo)準(zhǔn)下成本、時(shí)間、安全等方面的最佳綜合平衡。

    5 去污技術(shù)在BR3反應(yīng)堆退役中的應(yīng)用

    BR3壓水堆核電廠由美國設(shè)計(jì)和制造,并出口到比利時(shí)。該核電廠從1957年開工建設(shè),1962投入商業(yè)運(yùn)行,是歐洲第一座建造和投入運(yùn)行的壓水堆核電廠。其額定熱功率為40 MW,電功率為10.5 MW,具有商用壓水堆核電廠的回路系統(tǒng)和特性,主要用于比利時(shí)核電廠操作員的培訓(xùn),后用作全壓水堆條件下新型核燃料(MOX燃料、毒物的消耗、高燃耗)的試驗(yàn)平臺(tái),于1987年停閉并進(jìn)入退役階段[21]。自1987年以來,SCK·CEN參與了BR3壓水堆的源項(xiàng)調(diào)查、拆除解體、去污、廢物管理、輻射檢測(cè)、輻射防護(hù)、場(chǎng)址清污等退役工作。

    作為BR3反應(yīng)堆退役的一部分,退役現(xiàn)場(chǎng)采用了多種去污技術(shù)來去除金屬污染物。例如,(1)人工清洗或超聲波清洗部件外表面輕度污染的碎塊;(2)用研磨機(jī)和拋光機(jī)對(duì)金屬進(jìn)行人工拋光;(3)對(duì)形狀簡單、重量達(dá)3 t、長度達(dá)3 m的銹蝕或噴漆部件開展?jié)袷侥チ先ノ?;?) MEDOC去污技術(shù)的硬化學(xué)去污。MEDOC去污裝置設(shè)計(jì)用于不銹鋼部件的去污。這些不銹鋼件被活度高達(dá)20000 Bq/cm2的60Co污染(應(yīng)用CORD去污技術(shù)實(shí)施FSD后的壓水堆一回路);每批次去污面積為20 m2,最大待去污部件重量為1000 kg。根據(jù)去污實(shí)驗(yàn)和測(cè)試程序結(jié)果,在MEDOC去污裝置中使用鈰去污。去污結(jié)果表明:待去污部件可達(dá)到自由釋放水平。在同一核設(shè)施中,采用了合適的化學(xué)方法對(duì)碳鋼去污(無Ce+4和臭氧化反應(yīng))。

    去污決策過程中的關(guān)鍵問題是:證明“在經(jīng)濟(jì)方面,投資MEDOC去污設(shè)施以消除215000 kg的污染物直至達(dá)到自由釋放水平,具有合理性”。在該決策作出的1995年,據(jù)評(píng)估,使用MEDOC去污技術(shù)的自由釋放成本相當(dāng)于實(shí)施“不開展去污”方案并因此在放射性狀態(tài)下處理廢物成本的45%左右。根據(jù)2010年的經(jīng)濟(jì)形勢(shì),這一比例已降至28%。在核設(shè)施退役項(xiàng)目實(shí)施期間,經(jīng)濟(jì)狀況的變化不僅很難預(yù)測(cè),還在去污決策過程中扮演著重要角色。

    盡管MEDOC 裝置是為核設(shè)施退役的批量去污而設(shè)計(jì)的,但研究人員Ponnet提出了另一種去污想法。即將MEDOC去污裝置應(yīng)用于核電廠蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等大型部件的去污,然后將其切割成較小的部件。通過將大型待去污部件與MEDOC設(shè)備集成在一個(gè)回路中,實(shí)現(xiàn)對(duì)大型部件的去污。該去污工藝具有的優(yōu)點(diǎn)包括:(1)減少了全身受照劑量;(2)減少了化學(xué)試劑和二次廢物的數(shù)量,最終降低了部件管理成本。由于穩(wěn)壓器內(nèi)襯不銹鋼存在缺陷,去污操作的主要風(fēng)險(xiǎn)來自去污液與蒸汽發(fā)生器二次側(cè)碳鋼,或與殼體碳鋼的接觸。為了避免產(chǎn)生的H2達(dá)到爆炸濃度,須將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)置于惰性氮?dú)庵小Hノ圻^程中,氮?dú)獠粩嗟卮颠^二次側(cè),同時(shí)不斷地向穩(wěn)壓器上部吹入壓縮空氣,并安裝氫氣濃度探測(cè)器。此外,在H2存在異常的情況下,立即注入脫鹽水以中止酸腐蝕。MEDOC去污技術(shù)還成功應(yīng)用于Inconel-600材料制造的蒸汽發(fā)生器傳熱管的去污,其放射性污染水平高達(dá)50000 Bq/cm2。對(duì)鋁樣品開展去污試驗(yàn)的結(jié)果表明:MEDOC去污裝置也可用于鋁制碎塊的去污。退役去污工程實(shí)踐表明:經(jīng)驗(yàn)豐富和訓(xùn)練有素的去污方人員在施工現(xiàn)場(chǎng)工作,有助于選定去污工藝和優(yōu)化設(shè)施的使用。

    6 新興去污技術(shù)與未來發(fā)展趨勢(shì)

    近年來,在放射性廢物管理研究和發(fā)展計(jì)劃的框架內(nèi),研究人員提出了許多新興去污技術(shù)。新興去污技術(shù)大多是由化學(xué)、電化學(xué)、微生物、機(jī)械、激光、超臨界萃取、等離子體消融、微波粗琢、超聲波去污技術(shù)中的一種或多種組成的混合技術(shù)。新興去污技術(shù)的目標(biāo)是提高現(xiàn)有去污技術(shù)的效果,或使去污技術(shù)缺點(diǎn)最小化。由于微生物或電極去污屬于緩慢的去污工藝,過去幾年的研發(fā)投入和應(yīng)用程度有所下降。

    激光去污技術(shù)利用透鏡組合,將激光束聚集到微小區(qū)域,產(chǎn)生高達(dá)幾千度或幾萬度的高溫,對(duì)受污染的核設(shè)施金屬部件和設(shè)備的表面進(jìn)行加熱,使之汽化、蒸發(fā)、瞬間膨脹破裂;通過蒸汽流帶動(dòng)污染物層脫離待去污物體表面,在焦點(diǎn)附近上方區(qū)域進(jìn)一步加熱電離形成等離子體,以達(dá)到降低核設(shè)施金屬部件、設(shè)備的放射性水平或回收再利用金屬部件的目的。激光去污過程中激光與物質(zhì)的相互作用,是多種物理和化學(xué)作用的復(fù)雜混合過程。激光去污過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)由真空系統(tǒng)或多級(jí)過濾器捕集,有機(jī)物可使用活性炭床捕集。

    微生物是一類形體微小的單細(xì)胞或個(gè)體結(jié)構(gòu)比較簡單的多細(xì)胞,甚至是沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的低等生物;是眼看不見,手摸不著,有生命的微小生物,只有借助光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡才能看到。微生物包括細(xì)菌、病毒、真菌等。微生物去污是一種利用細(xì)胞膜的吸收作用、沉積作用、離子交換作用,以及微生物的誘捕作用、甲基化作用、脫羥作用、氧化還原作用、催化作用、降解作用等對(duì)待去污的核設(shè)施進(jìn)行去污的單一的或綜合性的去污技術(shù)。微生物去污工藝流程包括:(1)用滾筒、毛刷、噴霧器等工具將微生物溶液涂抹并覆蓋到待去污部件的表面,微生物穿過表面接觸污染面;(2)待微生物對(duì)污染物完成消耗后,再使用洗滌劑或溶劑對(duì)反應(yīng)物和大多數(shù)污染物進(jìn)行洗滌;(3)對(duì)洗滌廢液進(jìn)行干燥,以破壞殘留的微生物,若未破壞,可通過加熱或化學(xué)處理方法(如酸洗或表面活性劑洗滌)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理,使微生物失去活性;(4)使用新鮮溶劑洗滌掉物體基質(zhì)表層殘留的污染物及其衍生物。在微生物去污過程中,需確保待去污物體表面保持適當(dāng)?shù)臏囟取N⑸锶ノ奂夹g(shù)適用于地板、墻面、開放性裝置、集油槽、閥門、管道、貯存罐等殘留物的去污。

    微波粗琢去污利用微波照射混凝土表面,使其中的結(jié)合水汽化,在表層產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力,使混凝土表層發(fā)生爆裂,從而達(dá)到去污的目的。該去污方法不適用于金屬和含水量過低的混凝土的去污。

    超臨界流(液)體(Supercritical fluid,SCF)是指溫度和壓力均高于臨界點(diǎn)的流體,如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。處于超臨界狀態(tài)時(shí),超臨界流體的氣液兩相性質(zhì)非常相近,液體兼有氣液兩相的雙重物理特性,既有與氣體相近的高擴(kuò)散系數(shù)、較低的黏度和良好的滲透性,又有液體相近的密度和良好的溶解能力。應(yīng)用較多的超臨界流體是二氧化碳,它具有無毒、不燃燒、與大部分物質(zhì)不反應(yīng)、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn);其密度對(duì)溫度和壓力變化十分敏感,且與溶解能力在一定壓力范圍內(nèi)成正比,因此,可通過控制溫度和壓力改變物質(zhì)的溶解度。超臨界流體萃取去污以超臨界液體作為萃取劑,通常分為萃取和分離兩個(gè)階段。在萃取階段,超臨界流體將所需組分從原料中萃取出來;在分離階段通過改變某些操作參數(shù)或方法,使萃取組分從超臨界液體中分離出來,分離后的超臨界流體經(jīng)凈化、加壓后可再循環(huán)使用。超臨界液體(CO2)萃取去污過程包括:(1)將污染物置于萃取室與超臨界流體(CO2)接觸,加壓到300 atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓),通過加熱溫度升高到80℃,維持20 min;(2)然后抽出CO2,減壓升溫,使超臨界流體(CO2)變?yōu)槠胀ㄒ后w,把萃取的放射性核素“釋放”出來,以達(dá)到去污的目的。臨界萃取去污技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括:(1)可對(duì)幾何形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備和部件進(jìn)行有效去污,超臨界流體的表面張力較低,與液體相比,其擴(kuò)散能力較強(qiáng),在去污過程中超臨界流體可進(jìn)入設(shè)備或部件的微孔,從而有效去除污染物;(2)去污時(shí)間較短,去污效率高;(3)超臨界流體可循環(huán)使用,二次廢物的產(chǎn)生量少;(4)對(duì)去污對(duì)象的腐蝕作用小。超臨界萃取去污技術(shù)的缺點(diǎn)包括:(1)由于去污過程在高壓環(huán)境中開展,去污設(shè)備的一次性投資較大;(2)去污屬于非連續(xù)性操作,工作效率較低。

    熱處理去污技術(shù)是一種新興的建筑物表面去污技術(shù),主要適用于涂層的去除,也適用于薄礦物質(zhì)或有機(jī)層的剝離和分層。通過對(duì)待處理物體表面施加熱量,或吸收熱量,導(dǎo)致材料性質(zhì)在高溫或低溫,或在溫度梯度下發(fā)生變化,即利用低溫脆性和熱誘導(dǎo)張力作用去污。張力由涂層和母體材料的不同熱膨脹系數(shù),以及材料表面和深度方向的局部溫差產(chǎn)生。此外,軟力學(xué)機(jī)制用于在不損傷母體材料的情況下,破壞涂層的結(jié)合力。用液氮(-196℃)和固體二氧化碳(-78℃)作冷卻介質(zhì),通過激光、微波或火焰引入熱量,把多種技術(shù)相結(jié)合,以最大限度地提高熱應(yīng)力。

    此外,近十余年改進(jìn)的DFD技術(shù)取得了最新進(jìn)展。DFD技術(shù)的改進(jìn),主要涉及使用電化學(xué)離子交換池去除金屬和溶解放射性核素。在一個(gè)工業(yè)化的、考慮成本效益的核設(shè)施退役項(xiàng)目中,新興去污技術(shù)的應(yīng)用僅限于完成一個(gè)測(cè)試方案之后的特定情況。

    7 挑戰(zhàn)與經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

    去污在核設(shè)施的退役工程中是一個(gè)重要環(huán)節(jié),涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)、環(huán)保、安全等諸多領(lǐng)域。去污必須在核設(shè)施的退役許可文件中進(jìn)行詳細(xì)描述。去污工藝、技術(shù)和類型須經(jīng)國家核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)后才能組織實(shí)施?,F(xiàn)有的各種去污技術(shù)均存在一定的局限性。母體材料、污染物種類、去污對(duì)象等,均對(duì)去污技術(shù)的選擇存在著制約作用[22]。去污通常需要聯(lián)合使用幾種去污技術(shù),而非僅僅使用一種去污技術(shù)。選擇去污技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮的因素包括:核設(shè)施的類型和生產(chǎn)工藝,核設(shè)施的運(yùn)行歷史,待去污對(duì)象的材料類型、污染狀態(tài),去污對(duì)象的材質(zhì)、表面狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)與核素種類等,與去污技術(shù)相匹配的去污劑等。

    在選擇去污技術(shù)的過程中,去污作業(yè)方、管理方和監(jiān)管方須對(duì)“倘若去污目標(biāo)僅部分達(dá)到,或者根本未達(dá)到,將對(duì)整個(gè)核設(shè)施退役工程產(chǎn)生哪些影響”進(jìn)行充分評(píng)估和論證,開展與健康、安全和環(huán)境因素相關(guān)的評(píng)估工作,以實(shí)現(xiàn)核設(shè)施退役項(xiàng)目的去污工藝最佳化。例如,受照劑量、二次廢物的產(chǎn)生量和廢物的處置與管理等問題。在不影響受照劑量、費(fèi)用和廢物處置路線最佳化的前提下,優(yōu)先采用現(xiàn)場(chǎng)去污技術(shù)。此外,去污技術(shù)需要根據(jù)核設(shè)施去污作業(yè)的實(shí)際情況做出調(diào)整。

    為了擴(kuò)大現(xiàn)有核設(shè)施去污工藝的適用范圍,提高現(xiàn)有去污技術(shù)的效果,去污作業(yè)方、管理方和監(jiān)管方還需進(jìn)一步開展去污的試驗(yàn)研究、工程應(yīng)用、技術(shù)改進(jìn)等方面的工作,研制出技術(shù)更先進(jìn)、性能更優(yōu)越的去污設(shè)備或化學(xué)試劑,探索出一套適合中國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平、快速和簡單的核設(shè)施去污技術(shù),使中國的核設(shè)施去污技術(shù)向環(huán)境友好型、復(fù)合型和高效型發(fā)展。

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