氚污染金屬手套箱退役技術研究

但貴萍，孫 宇，文 煒，吳 波，邱永梅，曾俊輝

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900)

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氚污染金屬手套箱退役技術研究

但貴萍，孫 宇，文 煒，吳 波，邱永梅，曾俊輝

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900)

為減少氚污染金屬手套箱退役解體過程中氚的二次釋放，降低工作人員的輻射危害，減少退役中產生的氚污染廢物量，本文針對退役氚污染金屬手套箱的解體，設計了氚污染金屬手套箱退役解體技術方案，即解體前對氚污染金屬手套箱進行初步去污，解體中采用合適的切割技術和相應的防護措施。利用氚污染金屬手套箱對該解體方案進行了驗證，結果表明，設計的解體方案滿足氚污染金屬手套箱退役需要。

氚污染金屬手套箱；去污；退役；解體

在氚研究和應用中，涉及氚的操作大部分在手套箱中完成。用于氚操作的手套箱，作為氚操作中的一個次級包容設施，通常是由304不銹鋼或碳鋼焊接而成的高度完整的籠罩物，側面留有適當數目的觀察窗和手套接口[1-2]，觀察窗和手套常用有機玻璃和氯丁橡膠制成。

操作氚的手套箱屬放射性包容設施，在長時間使用過程中，氚會逐步擴散到手套箱內壁材料中，導致氚在這些材料中的存留和污染。目前，對該類手套箱的退役處理通常采用下列方式：一種是對其進行清污處理后，回收再利用[3-4]；另一種是對手套箱進行解體，解體后的結構材料經取樣分析后再作相應處理，如用熔融法除去氚污染金屬材料中的氚[5]，用噴砂法消去部分金屬表層[6]，使金屬材料達到放射性降級的目的等。無論采用那種處理方式，均涉及對氚污染金屬手套箱進行清污或拆除，由于氚操作中所使用的手套箱體積較大，退役處理時，處于半密閉狀態的氚污染金屬手套箱在清污、拆卸、解體中會導致殘留在手套箱結構材料中氚的二次釋放，對環境和人員造成新的放射性危害。而對手套箱采用不同的清污、拆卸解體工藝，以及在上述過程中采用的防護技術和措施等都會對環境和作業人員造成不同程度的影響，同時也會影響退役中產生的廢物量。因此有必要針對氚污染金屬手套箱的退役解體開展相應的技術研究。

1 實驗器材

干凈金屬手套箱，304不銹鋼材質，壁厚3～4 mm(自制)；待退役氚污染金屬手套箱，碳鋼材質，壁厚3～4 mm(自制)；不銹鋼管(板)，壁厚2～3 mm，若干。

等離子切割機，美國飛馬特公司；氧乙炔切割機，自制；角磨機，博士電動工具有限公司；液壓剪，香港百銳工具有限公司；鋁材切割機，麥太保公司。

局排風機，中國輻射防護研究院；氣帳(4 m×2 m×2.5 m),中國輻射防護研究院；JE-4型氚表面污染測量儀，中國工程物理研究院核物理與化學研究所；3125型空氣氚監控測量儀，西安核儀器廠。

2 實驗方法

2.1 氚污染金屬手套箱退役解體方案設計

在前期工作基礎上，對退役氚污染金屬手套箱的解體方案進行設計。

2.2 氚污染金屬手套箱初步去污技術研究與驗證

采用氚表面污染測量儀對待退役的氚污染金屬手套箱內外表面進行污染熱點掃描和測試，根據測試結果分別利用可剝離膜和擦拭去污方法對污染表面進行初步去污，并再次進行氚污染測試。

2.3 氚污染金屬手套箱切割解體工具的選擇

選用與手套箱材質相同的不銹鋼管和板，分別用冷、熱切割兩種方式進行實驗研究。實驗中從切割操作的靈活性和便宜性考慮，選用相應的切割解體工具，其中冷切割實驗分別選用角磨機、液壓剪、鋁材切割機，熱切割工具選用等離子切割機和氧乙炔切割機兩種小型機具。

2.4 氚污染金屬手套箱拆除解體過程中輻射防護技術研究

針對氚污染金屬手套箱拆除解體中工作人員處于氚污染氣氛中的特點，分別對個人采取的防護措施和工作場所采取的防護措施進行設計。個人防護措施包括工作人員防護著裝的設計、工作人員內照射劑量的監測與評估等；工作場所的防護設計主要進行場所空氣排風設計。

2.5 氚污染金屬手套箱退役解體方案驗證

將本文設計的解體技術方案用于實驗室退役氚污染金屬手套箱的拆除解體，在解體過程中對操作環境中的氚濃度進行監測，并作出評估。

3 實驗結果

3.1 氚污染金屬手套箱退役解體方案

根據實驗室前期進行的相關研究[7-8]，對不進行回收利用的氚污染金屬手套箱采用切割解體的退役方案，該方案設計如圖1所示。

圖1 氚污染金屬手套箱解體方案Fig.1 Dismantling scheme of tritium contaminated metal glovebox

在對氚污染金屬手套箱進行切割解體時，首先采取相應的防護措施，對待解體手套箱進行污染測試，對無污染手套箱，采用熱切割進行快速解體；對污染手套箱，先進行初步去污，監測后污染已去除或局部仍存在輕微污染的手套箱采用熱切割方式進行解體；而去污后仍存在嚴重污染的手套箱，則采用暫時性封閉材料對污染區域進行封閉，監測后，對輕污染區域采用熱切割方式進行切割解體，對局部重污染區域則采用冷切割方式進行解體，解體件裝入廢物桶，待進一步處理。

3.2 氚污染金屬手套箱初步去污技術研究與驗證結果

取實驗室中被氚污染的手套箱，用氚表面污染測量儀對手套箱內、外表面進行測量，結果列于表1。

表1 氚污染金屬手套箱表面污染測試結果Table 1 Test results of surface contamination for tritium contaminated metal glovebox

表1表明，該手套箱外表面屬于放射性免管水平，但內表面存在一定程度的氚污染。實驗中，分別考察了表面擦拭去污和可剝離膜去污兩種方法對手套箱內表面氚的去污效果。

表2 可剝離膜去污結果Table 2 Results of decontamination for strippable coating

在擦拭去污實驗中，分別采用5%HNO3、10%HNO3、5%HCl、10%HCl、5%H2O2、10%H2O2、5%IMC-3去污液、10%IMC-3去污液、5%草酸、5%去污粉溶液對氚污染手套箱內壁進行擦拭去污，結果列于表3。

表3表明，擦拭去污中，采用不同去污溶液對氚污染的手套箱內壁去污均有一定去污效果，去污后殘留污染水平均降到20 Bq/cm2以下；含表面活性劑的去污溶液去污效率高，主要是由于手套箱內壁附著大量灰塵和油污，含表面活性劑的去污溶液對油污去污能力強，而含酸溶液和H2O2去污效果差，在含酸溶液去污中，去污因子隨酸溶液濃度的增加而增大。

表3 擦拭去污結果Table 3 Results of wiping decontamination

3.3 金屬手套箱切割解體工器具的選擇

由于待解體的手套箱周圍空間狹窄，無法動用機械手等較大型切割工具，只能選擇小型切割工具進行切割解體。為此，從工具的靈活性和便利性出發，選擇小型切割工具對一個以氚污染金屬手套箱為模型加工的干凈手套箱進行切割解體試驗。試驗中，選用的冷切割工具為角磨機、液壓剪；熱切割工具為手持式等離子切割機和氧乙炔切割機(用于切割厚度大于5 mm的不銹鋼和碳鋼板)。切割試驗如圖2～5所示。

圖2 液壓剪對手套箱的切割試驗Fig.2 Cutting test of glovebox with hydraulic scissor

圖3 角磨機對手套箱的切割試驗Fig.3 Cutting test of glovebox with angle grinder

圖4 等離子切割機對手套箱的切割試驗Fig.4 Cutting test of glovebox with plasma

上述切割試驗表明，氧乙炔切割機、等離子切割機能快速對手套箱各部位進行切割解體，液壓剪、角磨機能對手套箱局部(如手套箱壁)進行較緩慢切割。其中氧乙炔切割機、等離子切割機屬于熱切割方式，切割過程中會產生大量火花，釋放大量熱，在切割氚污染手套箱過程中可能會導致材質中的氚釋放出來，對操作人員和環境帶來一定的輻射危害；冷切割中利用液壓剪時，不會產生火花，釋熱最少，但液壓力有限，不易控制；角磨機小巧靈活，可對手套箱局部(如箱壁或底板)進行緩慢切割。

圖5 氧乙炔切割機對不銹鋼和碳鋼板的切割試驗Fig.5 Cutting tests of stainless steel and carbon steel plate with oxygen-acetylene

3.4 氚污染金屬手套箱拆除解體過程中輻射防護措施

在氚污染金屬手套箱拆除解體過程中，工作人員處于氚污染氣氛中，為降低工作人員的內照射劑量，盡量減少工作人員對環境中氚化水的吸入是最有效途徑之一，為實現該目的，需從人員防護和工作場所防護兩方面進行設計。

人員防護方面，重點是防止含氚水蒸氣通過工作人員的呼吸系統和皮膚進入體內，為此要求對工作人員穿戴的防護衣物、口罩等進行設計；場所防護方面，通過對現場進行適當封閉，對封閉空間進行排風以減小操作現場空氣中存留的氚濃度。

1) 個人防護設計

根據氚污染金屬手套箱切割解體場所環境及氚的特點，設計的人員防護方案如下：采用由內至外穿純棉內衣、棉質防護服、長筒塑料罩衣三層防護；手部采用細沙手套和乳膠手套，腳部采用長筒布襪、防滑工作鞋、薄塑料腳套三層防護；面部采用帶呼吸閥的3M口罩，頭部戴棉質頭套,必要時佩戴安全帽，同時佩戴個人劑量計以保證氚污染金屬手套箱拆除解體過程中操作人員的輻射安全和工業安全。以上防護措施如圖6所示。

2) 工作場所防護設計

首先在待解體的手套箱周圍臨時搭建氣帳，將氣帳與局排風機相聯，如圖7所示。在手套箱切割過程中通過局排風機進行排風，以減小切割過程中環境中的氚濃度。

圖6 氚污染金屬手套箱拆除解體過程中工作人員的防護措施Fig.6 Personal protection during dismantling tritium contaminated metal glovebox

在解體過程中，根據手套箱切割的時間(≤2 h)、氣帳容積(25 m3)等設計出局排風機排風量為1 500 m3/h，使氣帳中換氣率大于1次/min。

3.5 氚污染金屬手套箱退役解體方案驗證

選取待退役的氚污染金屬手套箱，按照本文設計的解體方案對其進行解體。

圖7 手套箱切割解體過程中的臨時排風設計Fig.7 Design of provisional ventilation during dismantling glovebox

在采取本文設計的防護措施后，實驗人員首先對待解體手套箱進行監測，發現手套箱局部區域存在部分污染，采用可剝離膜和擦拭方法對污染區域進行去污后，大部分污染消除，僅局部存在輕微污染，故采用熱切割方式對其進行切割解體，如圖8所示。在手套箱解體過程中，對現場環境中的氚濃度進行了監測，并對工作人員進行了尿樣測量，監測操作人員所受的內照射劑量，結果列于表4。工作人員內照射劑量計算參見文獻[1]。

圖8 氚污染金屬手套箱解體驗證Fig.8 Test for dismantling tritium contaminated metal glovebox

表4 手套箱切割解體過程中環境監測結果Table 4 Results of environmental monitoring during dismantling glovebox

圖8、表4表明，采用本文設計的氚污染金屬手套箱退役解體方案，能快速對氚污染金屬手套箱進行拆除解體。解體時工作環境中氚濃度略有升高，但較不采用本文方案低1～2個數量級，降低了工作人員操作中所受的氚的輻射風險(氚致內照射劑量降低)[11]。

4 結論

針對退役氚污染金屬手套箱的切割解體，設計了相應的退役解體方案，即解體前對氚污染金屬手套箱進行初步去污，解體過程中采用合適的切割工具和相應的防護措施。

選取待退役的氚污染金屬手套箱對該解體方案進行了驗證，結果表明，本文設計的解體方案能在1.5 h內對氚污染金屬手套箱進行拆除解體，解體過程中工作環境中氚濃度略有升高，但較不采用本文方案低1～2個數量級，有效地降低了工作人員操作中所受的氚致內照射劑量，解體并分類后可直接裝入200 L標準廢物桶。

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Decommission of Tritium Contaminated Metal Glovebox

DAN Gui-ping, SUN Yu, WEN Wei, WU Bo, QIU Yong-mei, ZENG Jun-hui

(InstituteofNuclearPhysicsandChemistry,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

The scheme of decommissioning tritium contaminated metal glovebox was designed, which can reduce tritium gas release during the glovebox dismantling, the volume of tritium waste and the radiation damage. The scheme includes a preliminary tritium decontamination before the glovebox dismantling, a suitable cutting technology for the glovebox and a multiplex protection. A test for tritium contaminated metal glovebox dismantling was performed successfully with this scheme. The results show that the scheme is able to meet the demands for decommission of tritium contaminated metal glovebox.

trtitium contaminated metal glovebox; decontamination; decommission; dismantling

2014-03-13;

2014-05-18

但貴萍(1968—)，女，四川成都人，研究員，從事核設施退役與放射性三廢治理技術研究

TL943

A

1000-6931(2015)07-1178-06

10.7538/yzk.2015.49.07.1178