離心工廠退役思路的研究

張玉春+周風華+葉有州+謝國和

【摘 要】本文總結了國內外鈾濃縮擴散廠及子系統退役的經驗，并對離心工廠的組成特點及鈾沉積物的形成和分布進行分析。經過分析，離心工廠的退役思路可歸結為主機等少數關鍵設備的退役。依據退役思路，文中提出了相應的退役方案，不僅探討了用ClF3工作物質進行去污處理的必要性和有效性，還計算出ClF3用量，最后在離心工廠退役后系統優化方面給出相應的優化方向，從而為國內離心工廠的退役提供參考。

【關鍵詞】離心工廠；鈾沉積物；退役；ClF3；優化

中圖分類號： TQ028 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0083-003

【Abstract】This paper summarizes decommission experience of the uranium enrichment diffusion plants and subsystems at home and aboard.The composition feature of centrifugal plant，the formation and distribution of uranium sediment are also analyzed.According to analysis，the decommission thinking of the centrifugal plant could be summed up as decommission of the main machine and a few key equipments.According to the decommission thinking，this paper provides the decommission program，which not only discussed the necessity and effectiveness of the decontamination by ClF3，but also calculated the dosage of ClF3.In the end， the optimization direction of the systems could be provided after the decommission of the centrifugal plant，which can be used for the decommission of domestic centrifugal plant.

【Key words】Centrifugal plant；Uranium sediment；Decommission；ClF3；Optimization

0 引言

氣體離心法是目前國內外經濟性最佳的鈾同位素分離方法[1]。由于單機分離能力有限，需要將許多主機串聯、并聯起來組成級聯系統[1]進行鈾同位素的分離。離心工廠自投產后連續運行，當運行超過設計壽命或其他原因終止其運行時需考慮退役。同其他核設施退役一樣，通過退役可將離心工廠殘留的放射性和其他有害物質的危害作用減少到可接受的水平。

本文借鑒國內外鈾濃縮擴散廠及子系統退役經驗，對離心工廠退役思路進行研究，從安全和經濟性角度研究探索退役思路，為國內離心工廠的退役提供參考。

1 鈾濃縮核設施退役經驗

早期核設施退役被分為監護封存、有限使用和限制開放使用三個級別。隨著去污[2]技術、切割解體技術的發展，以及對核設施退役認知的提高，現在退役分為立即拆除和延緩拆除兩類[3]。對于退役的核設施廠房，根據需要可拆除，也可去污后繼續使用。因此，對于不同的核設施，具體退役思路也不同，值得研究。

1.1 國內外擴散工廠退役的經驗

由于氣體擴散法不再是經濟的鈾濃縮生產方法，自上世紀80年代起，英國卡彭斯特、美國橡樹嶺等擴散廠[4-5]陸續關停退役。從國外擴散廠退役的思路看，首先是通過化學去污法去除管道、設備內的鈾沉積物，一方面可使大部分放射性污染管道、設備轉變為清潔的、可回收利用的，實現放射性廢物最小化[6-7]，另一方面實現對鈾元素的回收；其次是對經去污處理的設備、管道、廠房等進行評估，利用破壞性或非破壞性取樣測定其放射性污染的程度，進行分類處理和利用；最后按既定退役方案進行拆除工作，整個退役過程加強輻射防護和輻射監測。而國內擴散廠退役[8]思路也與之類似。從國內外鈾濃縮廠運行情況看，暫時還沒離心工廠退役的先例。

1.2 鈾濃縮子系統退役的經驗

由于多種因素，鈾濃縮廠子系統不再使用也面臨退役。比如**系統7#料流不再使用已退役，其退役思路是對7#料流進行封存、實時壓力監測，當壓力超過26Pa時抽空，始終維持其封閉低壓狀態防止放射性物質擴散。對于完好設備，經過吹洗，取內腔樣判定處理合格后拆除再利用，比如**系統運行后更換的補壓機均來自7#料流。因此，鈾濃縮廠子系統退役思路可概括為：暫時封存、定期監測和抽空、擇時再利用。

2 離心工廠組成特點和鈾沉積物

由于國內外尚無離心工廠退役的先例可借鑒，因此必須充分了解離心工廠的組成、特點和鈾沉積物形成及分布方可進行后續退役思路的研究。

2.1 離心工廠組成及特點

離心工廠主要由級聯系統、供取料系統、工藝輔助系統、輔助系統（供水、壓縮空氣、空調系統等）、自控儀表、供電系統、取樣分析系統、液化均質、廠房等組成[1]，具體見圖1。其中級聯系統主要功能是鈾同位素分離，供取料系統主要功能為：a）向級聯系統提供合格氣態原料；b）收集級聯系統生產的產品和貧料。其他系統均是為級聯、供取料系統提供日常生產所需的電能、冷卻水、壓空、抽空、吹洗、產品豐度分析、參數收集與控制等服務，保證離心工廠連續生產。endprint

離心工廠具有以下特點：

1）設計壽期：各系統設計壽期大為不同，級聯系統中關鍵生產設備主機、自控儀表系統、不間斷電源等設計壽期一般為15年，其他系統無具體的設計壽命和使用期限。

2）生產特點：工作介質UF6經供料凈化系統凈化合格后通過供料系統以一定壓力和流量供入級聯系統進行鈾同位素的分離，生產的產品和尾料分別被供取料系統的精、貧料系統收集，具體如圖1。日常生產具有兩大特點：a）整個生產過程UF6均在負壓下進行傳輸、分離、收集；b）離心工廠啟動投產后連續運行。

3）主設備特點：a）主機特點：啟動后常年連續運行、高轉速、零維修、中間停機無法單獨再次啟動、損機或性能下降不能單獨更換、無備用、故障率低（年損機率小于2‰）等；b）其他系統主設備：日常生產情況下常年連續運行，但一般設有多個備用設備，故障或停機時可在不影響生產的情況進行檢修或更換。

4）工作介質特點：工作介質為UF6[1]，化學性質活潑，腐蝕性強，能與金屬、水、有機物（幾乎所有）、油劑、普通塑料等發生劇烈反應。

5）生產工藝系統特點：生產工藝系統（級聯系統、供取料系統及工藝輔助系統）具有高度的密封性和清潔度。離心工廠的生產工藝系統是在負壓下工作的，因此必須保持嚴格的密封性，否則一旦密封性破壞，空氣大量涌入，則可能造成主機大量損壞的重大事故。其次，清潔度也是比不可少，如果系統清潔度達不到要求，則導致投料后UF6將與其反應生成大量輕雜質，影響主機的壽命和分離性能。

6）長期運行的安全性和可靠性：離心工廠的級聯系統一旦啟動，就要求常年連續運行。因此，離心工廠要求非常可靠的供電，必須配置不間斷電源。此外，離心工廠的供料和取料、冷卻水、壓空等的供應均不允許中斷運行，具體如圖2所示。

2.2 鈾沉積物的形成和分布

離心工廠級聯、供取料系統在負壓下連續運行幾十年，系統漏入空氣不可避免，使得UF6與漏入空氣中的水反應，生成固態低價鈾氟化物。此外，級聯、供取料等系統雖在投料前經過長期抽空和真空干燥，但仍有較多水分殘存在設備、管道、主機等處，投料后也逐漸與UF6反應，生成固態低價鈾氟化物。此外，UF6還與金屬、有機物（幾乎所有）、油劑、普通塑料等發生劇烈反應，結果總是UF6被還原成固態的低價鈾氟化物。上述反應可歸結為UF6的消失和固態金屬氟化物、鈾低價氟化物及UO2F2的生成。根據離心級聯內固態沉積物成分分析，氟化鈾酰（UO2F2或UOF4）占比90%以上，其余則為鈾氟化物或氧化物、雜質元素等。

從UF6與水、金屬、有機物等反應過程和生產特點易知，生成的鈾化合物分布于級聯、供取料及部分工藝輔助系統內，主要由兩部分組成：1）金屬設備內表面的鈾沉積物；2）在系統內位置動態變動的鈾氟化物，可能沉積在管徑較細的孔板、主機料管等處。

3 退役思路的研究

3.1 退役思路的分析

從離心工廠組成和特點易知，離心工廠的主設備主機一經啟動后高轉速常年連續運行，且其損壞或性能下降無法進行維修或更換。由于長期的負壓運行導致動態鈾沉積物在級聯系統內傳輸，當沉積在主機料管等處時會導致主機性能下降。因此，當主機損機較多或性能大幅下降嚴重影響生產時，將提高離心工廠生產成本導致虧損，此時需進行退役準備。如果主機等設備設計壽期已過，而各系統生產良好，可申請離心工廠延壽，繼續進行日常生產。

由此可見，一般情況下，主機的狀況直接決定離心工廠是否進行退役。如果離心工廠退役過程中各系統統一進行立即拆除或報廢，不再利用，經濟上得不償失，也無法實現放射性廢物最小化。考慮離心工廠大部分系統無明確的設計壽期和使用期限，還可繼續使用，所以從經濟性、安全性角度分析，離心工廠的退役經可歸結為主機等少數關鍵設備的退役。

3.2 離心工廠退役思路的提出

針對上述分析，根據離心工廠特點，從安全性、經濟性角度出發，結合國內外鈾濃縮擴散廠和鈾濃縮廠子系統退役經驗，考慮離心工廠鈾沉積物的形成和分布，兼顧退役放射性廢物最小化，提出離心工廠退役思路，即主機等少數關鍵設備退役，具體如下：

1）經去污處理后，僅對離心工廠主機進行拆除、更換；更換后的報廢主機進行抽空、暫時封存、定期檢查壓力和抽空；

2）利用主機停機退役更換，充分利用現代化的科技成果，重新優化離心工廠各系統，使其離心工廠更加節能、環保、自動化程度更高；淘汰或更換下的設備進行抽空、暫時封存或進行去污處理，滿足清潔解控水平后報廢回收金屬。

3）退役期間，加強輻射防護和輻射監測，對監測超標的廠房、設備進行去污處理滿足退役現場工作要求。

3.3 退役思路的優點

該退役思路在安全性、經濟性以及廢物最小化方面都有優點，具體為：

1）安全性：對級聯系統去污處理后，在系統上更換主機更加安全；

2）經濟性：首先該思路可充分利用現有廠房和系統大部分設備，相比新建工廠大大降低了投資金額；其次是省去系統大部分設備的拆除、再安裝工作，節約安裝調試時間和勞動成本，相比新建工廠可提前約2年投運；再次離心工廠退役后系統重新設計優化可充分利用現代化的科技成果，使工廠更加節能、環保、自動化程度更高，和新建工廠無異；最后含鈾放射性設備經去污處理后可再次使用，相應節約了放射性設備的運輸、回爐等處理經費。

3）廢物最小化：僅對主機等少數關鍵設備進行更換，其它含鈾放射性管道、設備等經去污后可以實現對鈾元素的回收，設備仍可再利用，這樣用于報廢的設備管道相對較少。

4 退役方案

圍繞上述退役思路，我們提出具體的退役方案，主要包括：去污處理、系統重新設計優化、放射性廢物分類處理及輻射監測等。

4.1 去污處理

為了降低主機設備更換及供取料系統優化過程中的放射性水平，減少操作人員受輻照，方便退役工作的開展，實現對鈾元素的回收，減少放射性廢物的重量和體積，根據擴散廠退役經驗，從實際出發，利用ClF3氣體對含鈾系統進行去污處理。三氟化氯[8-9]處理是一種有效的、安全的、經濟的去污方法，可有效地去除大范圍的鈾沉積物。ClF3氣體可將級聯內固態沉積物氟化成UF6、附屬產物為Cl2、O2及剩余ClF3，具體見反應式（4）-（6）。反應生成物以及剩余的ClF3均為氣態，可在供取料廠房進行冷凝收集，降低去污過程中廢液的產量。endprint

ClF3處理的目的主要是去除系統內的鈾沉積物，減少退役主機更換時放射性粉塵污染。當級聯停運抽空吹洗后，工藝系統仍殘留很多固體粉末及氣體懸浮物，在主機更換前如果不進行處理，在更換過程中就會散落出來，污染廠房和周圍環境，危害工作人員和周圍居民的健康。如果不用ClF3進行處理，系統內的鈾沉積物將在清洗過程中轉化為廢水，不僅增加廢水處理的工作量和費用，還增加管道、閥門、主機的去污難度。因此，ClF3處理不僅確保主輔系統的完整性，還有利于工作的銜接，保證處理效果滿足環保、安全要求，減少處理工作量，降低退役總費用，在離心工廠停運后立即實施ClF3去污處理是最佳選擇。

4.2 ClF3用量的估算

根據反應式（1）和（2），離心工廠系統內固態生成物生成時也生成HF，供取料系統的精料系統用于收集HF，其收集數量為日常生產運行參數，HF量是系統內鈾沉積物的數量最直觀的體現。假如某離心級聯系統HF量為200g/天，按20年運行時間估算，HF總收集量為1460Kg，利用（1）-（6）可估算出ClF3的最少用量為2250Kg。

4.3 退役過程中的去污

退役作業過程中，通過去污處理使各類設備、容器、地面墻壁等表面污染水平達到工作場所放射性表面污染控制標準。但仍有極少部分拆除的混凝土地面表面污染值大于豁免水平。此時，要求處理人員采取防護措施，使工作人員所受污染降低到最低水平。去污具體方法及注意事項可按國家或公司相關等規章制度具體制定并執行。比如：對地面、墻壁、金屬容器、涂漆表面、塑料表面去污時，可采用5%碳酸鈉溶液。防毒面罩用5%碳酸鈉溶液擦洗后用酒精再清洗干凈。用去污劑浸透擦布或棉紗進行擦洗、大面積污染可用吸水性較強的拖布，遵循由設備到地面，由輕污染區到重污染區的原則。

4.4 離心工廠各系統優化

根據退役思路，從經濟性出發，需專業設計院重新對離心工廠各子系統進行綜合評估，根據評估結果，依據最新的科技成果進行優化，具體優化方向見表1。

4.5 放射性廢物最小化

放射性廢物最小化貫穿于退役整個過程，其基本要求是在退役過程中產生的放射性廢物的量和活度降到合理可行盡量低的水平。離心工廠退役思路可采用國內外常用方法，具體包括優化管理、減少源項、廢物的再循環、再利用、減容處理等[6-7]，并制定具體的管理措施或放射性廢物最小化方案。

4.6 輻射防護和輻射監測

4.6.1 退役中的輻射防護

對于離心工廠退役而言，工藝設備、管道的拆卸過程中，雖經ClF3進行去污處理，但也無法百分百去除鈾放射物。雖然退役時鈾放射物的操作量較小，但其直接暴露在空氣中，所以必須采取特殊的防護措施，以減少放射性物質對廠房和周圍環境的污染。在退役的過程中，針對不同的工作場所，結合不同的工藝，制定相應的輻射防護措施。

4.6.2 退役中的輻射監測

退役相當于鈾濃縮工藝的延續，其鈾物料只是生產時的殘存物料，其操作量大大降低，所以退役時輻射監測性質與鈾濃縮工藝生產時相當，即放射性主要危害是放射性氣溶膠的吸入。輻射監測分為常規監測和臨時監測，主要根據具體退役工作的需要進行輻射監測大綱和監測內容的制定。外照射監測，主要對易產生鈾沉積的部位進行常規監測。

5 結論

經過分析和經驗借鑒，離心工廠的退役思路可歸納為主機等少數關鍵設備的退役。依據退役思路，文中提出了相應的退役方案，不僅探討了

用ClF3工作物質進行去污處理的必要性和有效性，還估算出ClF3用量，最后在離心工廠系統優化方面給出相應的優化方向，從而為國內離心工廠的退役提供參考。

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