干冰去污在核電站換料相關設施中應用方案的初步研究

王鵬WANG Peng；邵睿SHAO Rui；曾珍ZENG Zhen

（①中國核電工程有限公司，北京 100840；②生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082）

0 引言

在核電設施運行過程中，由于放射性核素的作用，與之接觸的構筑物、設備、工器具等都會受到不同程度的放射性污染。在反應堆停堆檢修期間，為了減少現場檢修人員的受輻照劑量，以及滿足檢修環境的輻射監測要求，需要在核設施檢修前進行去污處理，以達到核設施檢修時的劑量限值水平。目前在國內主要的壓水堆核電站中對于反應堆換料水池和乏燃料貯存運輸容器的去污工作一直都是非常重要的，也是核電站中比較常規的去污操作，去污頻次相對較高。

反應堆換料水池主要指堆芯水池和堆內構件水池，是反應堆廠房內重要的核設施，其主要功能是在反應堆停堆換料期間由相應的工藝系統向水池內充入水對燃料組件和上部堆內構件進行輻射屏蔽，減少換料作業時人員受到的劑量傷害。水池的鳥瞰形狀為不規則多邊形，底部和側壁均貼有不銹鋼覆面，表面平整光滑。在反應堆運行過程中，主回路的腐蝕產物進入堆芯附著在燃料組件上，隨著換料操作過程其腐蝕活化產物可能將水池表面的不銹鋼覆面污染，成為放射性源項，因此人員在對水池進行檢修前需要先進行去污工作。

乏燃料貯存運輸容器是專門用于貯存和運輸乏燃料組件的容器，兼有輻射屏蔽、衰變熱導出、防火隔熱等功能，包含乏燃料組件格架、中子吸收體、屏蔽密封蓋、減振器等，主要有不銹鋼、球墨鑄鐵等材質，外形結構見圖1。乏燃料貯存運輸容器在乏池中裝填乏燃料組件后由于其外露表面受到乏池水的污染，表面可能殘留一些硼結晶以及腐蝕活化產物，需要在整備發運前在專門的去污井內對其外表面進行去污處理。

圖1 乏燃料貯存運輸容器外形三維圖

1 干冰去污在核設施應用的可行性

由于反應堆換料水池和乏燃料貯存運輸容器的污染主要是表面附著性污染以及可能有少量的弱固定性污染，根據相關實踐資料[1]，在去污時主要采用壓力約20MPa左右的高壓水沖洗的方式進行表面去污。主要去污步驟見表1。

表1傳統高壓水去污方法

根據某核電站大修期間的部分輻射源項調查[3]，換料水池中主要有58Co、60Co、59Fe等放射性核素，其中堆芯水池和構件水池地面去污前的幾次測量結果可見表2，其表面附著的β污染相對較多。這些核素在停堆換料期間也可能會影響乏燃料水池中的水從而對乏燃料貯存運輸容器表面產生一定的污染。此外，燃料組件如果發生破損、組件表面附著了腐蝕活化產物都有可能對燃料裝載井中的水產生污染。根據對現場環境的劑量率進行監測，正常情況下的劑量水平一般不超過100μSv/h。

干冰去污以顆粒狀的干冰作為去污介質，通過壓縮空氣將干冰微粒高速噴射到被清洗物體表面，使表面的污垢冷凍至脆化并爆裂，干冰微粒通過撞擊作用滲透到污垢和基層材質之間，迫使污垢與基層材料脫離，干冰隨之升華，達到去污的目的。對于核設施來說干冰去污的優勢主要有以下幾點：

①對設備基體損傷小，可延長設施使用壽命。干冰去污與高壓水沖洗方法相比對設備損傷較輕，不會產生腐蝕性產物，非常適合精密設備及對配合精度要求較高的零部件。

②保證人員和環境安全。二氧化碳本質上是一種無毒介質，可以避免對人體和環境產生傷害。

③設備容易實現小型化、遠程化和自動化。核電站多為放射性環境，且很多去污位置人員不易接近，這些特點也決定了干冰去污裝置的優勢在核電站可以應用于很多的去污場所中。用小型機器人或機器手搭載干冰去污裝置可以輕易到達一些高劑量或狹窄空間進行在線去污，避免了人工就地去污的風險。

④干冰去污后主要是升華后的二氧化碳和可能產生的少量固體碎屑，不產生廢液，無需進行二次處理，減少了放射性廢液處理系統的壓力，符合放射性廢物最小化的設計原則。

表2某核電站大修期間換料水池地面去污前輻射測量數據

國內外對干冰去污在核設施中的應用也開展了很多的研究。美國Fermi-2核電站一些通風管道的清潔采用了干冰機器人去污系統，日本福島第一核電站在對事故后的廠房進行去污時采用了搭載干冰噴射系統的自動機器人。此外，美國能源部（DOE）對不銹鋼直接污染的去污試驗[4]以及國際原子能機構（IAEA）在其相關的技術報告中[5]也證實了干冰對于不銹鋼材質表層污染去除的有效性。國內核電站開展干冰去污研究起步較晚，多集中在封閉空間中的小型結構件的去污試驗。綜上相關文獻資料，對正常運行核電站中不銹鋼基材的水池覆面以及乏燃料貯存運輸容器外表面附著的松散污染（包括活化腐蝕產物及顆粒狀沉積物）的去除具備了采用干冰去污的可行性。水池去污的特點是面積大，乏燃料容器外表面去污的特點是操作空間狹小，兩者的共同點則是空間開放，污染程度相對不高，因此針對這些特點采用干冰自動去污裝置可以有效解決上述去污問題。

2 去污裝置的初步設計方案

根據前述干冰去污的特點，在考慮干冰去污裝置的設計時還需要滿足以下幾點要求：

①能實現對去污對象表面的無死角覆蓋，且對表面基材無損傷；

②易于遠程化操作，減少參與去污人員的數量，提高去污效率；

③去污裝置成本控制，盡量小型化設計，降低維護和存儲費用。

基于上述原則，干冰去污裝置可由圖2所示幾個主要部分組成。由于反應堆換料水池和放置乏燃料貯存運輸容器的去污井結構相似，污染方式和源項也基本相同，因此可考慮采用相同的去污裝置。為了降低工作場所的氣溶膠吸入風險，需要增加一套用于控制和排出去污染區域空氣的氣體收集和過濾系統。

圖2 干冰去污系統示意圖

2.1 干冰去污機

主要功能是將干冰顆粒與壓縮空氣混合后噴射出去，提供可通過噴嘴射流的去污介質，是去污的核心裝置之一。設備為可移動式，帶滾輪和止動鎖，可與壓縮空氣管路及噴嘴通過快插接頭方式柔性連接。干冰顆?？稍诟杀娣畔渲卸虝捍娣牛褂脮r通過管路送入干冰去污機中，對于面積較小的去污需求也可直接倒入干冰去污機中使用。

2.2 爬壁去污小車

主要功能是安裝噴嘴后在壁面上定向移動完成去污操作，是去污的核心裝置。小車的主要組成結構見圖3所示，主要包括行走和轉向機構、噴嘴及其驅動機構、真空吸附機構（包括小型真空泵）、電機和控制模塊及吸風引流罩。小車采用滾輪式行走結構，多真空吸盤式吸附結構，可通過無線信號控制小車的前進和轉向，干冰噴嘴可在小車前方180°范圍內擺動實現對壁面和地面的清洗。真空吸附結構采用4個直徑約89mm的吸盤，通過抽真空產生內外壓差使其壓緊在壁面上，吸盤通過分配器和管路連接到真空泵上，通過電磁閥進行通斷控制。此種方式對于吸附的材質無特別要求，行動靈活，不受人員操作位置限制，適合在較平整和光滑的鋼覆面上操作。對于反應堆換料水池和乏燃料貯存運輸容器不同的去污需求，噴嘴的不同噴射方向如圖4所示。噴嘴結構采用文丘里型，前后兩個并列布置，既能擴大去污面積，又可在保證去污率的同時適當提高小車行走速度，節省時間。在噴嘴周圍安裝一個透明的吸風引流罩，可將噴嘴周圍空氣吸入并引流至氣體過濾裝置。

圖3 爬壁去污小車主要結構示意圖

圖4 不同設施噴嘴噴射方向示意圖

2.3 氣體收集和過濾系統

主要功能是控制干冰噴射點周圍的氣流流向，防止向周圍環境擴散，將干冰升華后的氣體吸入并通過過濾裝置后排放到廠房的排風系統或高點。氣體通過爬壁去污小車上吸風罩連接軟管使用真空泵將噴嘴附近的空氣吸走，通過預過濾器和高效過濾器兩級過濾后排放。針對乏燃料貯存運輸容器去污，根據現場操作場地條件，可以在坑上方臨時搭建負壓棚進行局部加強通風。

2.4 控制系統

通過控制系統控制自動爬壁去污小車的啟停、運動軌跡及干冰噴嘴的噴射方向?？刂葡到y可通過電纜或短距離無線通信網絡連接小車的接收控制器。控制系統設置信號傳輸和執行模塊以及聯鎖控制模塊。在氣體過濾系統失效時可自動停止去污動作?？刂婆_車放置在水池頂部操作平臺上，便于觀察水池情況。

2.5 去污工藝參數

根據相關文獻資料[6，7]的參考數據，干冰去污的主要參數設計見表3，其中，干冰的壓力、流量、靶距和噴射角度對去污效果影響較大。噴嘴壓力越高，流量越大，對表面雜質沖擊力越大，當壓力達到一定值后干冰與介質表面接觸時間會變短，裹挾雜質的能力反而可能下降，而干冰流量過大則會造成干冰的大量消耗，同樣在達到一定閾值后對去污效果的影響會變弱，因此需要對去污的壓力和流量進行匹配選取。靶距的選擇主要影響去污的噴射面積及去污效率；靶距過小，干冰無法達到預期速度及展開面積，而靶距過大則干冰動能損失會急劇增加，造成去污能力大大削弱。噴嘴的入射角度根據去污的具體位置可適當調整，在有一定入射角度時對雜質的剪切力作用范圍會增大，在雜質結合性不是很高時有利于提高去污的效率。此外，選取干冰的噴射壓力及流速時不能對不銹鋼覆面和乏燃料貯存運輸容器的材質產生破壞作用。通過對表面附著油污、固體微粒等污染物的鋼覆面樣品進行模擬試驗，并結合前述相關研究資料選取主要參數為壓力0.6MPa，速率2.5kg/min，靶距5cm，入射角80°。經去除質量計算，去除率為92%，預計實際去污因子約為3-20。結合上述核電站中實際測量數據水平及一些公開的試驗數據[8]，去污后的鋼覆面可達到人員檢修條件，乏燃料貯存運輸容器具備包裝和外運條件。

表3干冰去污主要參數選取范圍

3 方案研究總結

通過上述對干冰去污特性的分析及對去污裝置設計和初步工藝方案的研究，說明采用干冰去污的方法可以對不銹鋼、球墨鑄鐵等金屬材質的水池和乏燃料貯存運輸容器表面松散附著性的腐蝕活化產物進行去污，且整個裝置的設計方案在工程上具有可實施性，通過去污小車的遠程操作方式也可以減少人員近距離去污的輻射風險。此外，干冰去污相對于高壓水去污對基材表面的沖擊應力更小，且不產生去污廢液，一定程度上減少了廢液處理的壓力，是比較適合進一步研究和推廣的去污技術。