反應堆退役金屬材料去污技術

殳佳龍

摘要：核反應堆退役總是涉及到產生大量放射性金屬廢物。該文闡述了XXX反應堆退役過程中，產生的大量金屬廢物的材質主要為碳鋼和不銹鋼。這些金屬廢物大部分為放射性較低，但基本上高于國家清潔解控水平。根據安全考慮，可采用高壓水去污、化學去污、金屬去污等恰當的去污技術，使得反應堆退役中所產生的金屬廢物滿足“產生的放射性廢物必須保持在可行的最低量”。

關鍵詞：退役高壓水去污清潔解控化學去污

中圖分類號：TL944文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2022）06（a）-0000-00

1金屬廢物去污技術

金屬去污工藝包括高壓水去污、化學去污兩部分，去污對象為低放金屬廢物。高壓水去污技術即：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°時去污效果較好。提高水壓或添加化學劑，去污效果更好。超高壓噴射去污技術對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生的物理沖擊力去除廢物表面附著物，以達到去除部分放射性污染的目的。

金屬廢物經過高壓水去污后，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去污車間、切割車間、熔煉車間進一步處理，也可能達到循環使用或解控水平[1]。

1.2高壓水去污工藝過程描述

首先從反應堆拆除下來的或來自于廠內各廢物堆放點的金屬廢物簡單切割后，由物料進出口進入車間。接受金屬廢物的尺寸最大不超過2000mm×2000mm×2000mm，質量不超過5t，管道尺寸在DN150mm以上的。經廢物分類之后，低放金屬廢物由平板車送至開放式沖洗臺封閉式操作間，再由操作間內的單軌50kN吊超運送至操作臺架上去污或簡單拆卸。放射性水平較高或污染難以清理的大型金屬構件由車間內的單梁吊車送至封閉式沖洗臺操作間，封閉式沖洗臺為密封結構，可進行遠距離操作[2]。兩個臺架上都設有高壓水和壓縮空氣的進口。金屬廢物放置在沖洗臺上進行高壓水去污。沖洗臺設有通風口與排風系統相接，保證在操作中必要的氣流走向。沖洗臺底部都有廢液收集系統，通過管道排放至專門的廢液系統。在金屬廢物去污達到要求后，用壓縮空氣將金屬構件吹干，進行劑量檢測。去污完達到指標的金屬廢物通過物料出口運至相鄰的切割車間，進行下一步的處理[3]。

化學去污就是用化學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，達到去污目的。

1.3化學去污原理流程

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

采用三種化學去污工藝對低放金屬廢物進行去污：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、超聲波強化去污。

去污后達到可熔煉或回用、解控。當清洗液的去污效果明顯下降（由試車確定具體數據）或其放射性水平≥3×104Bq/L時，進行中和排放。

1.4氧化層的溶解機制與去污劑的選擇

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。溶解氧化層的機制主要有以下3種：酸溶解與絡合溶解、還原溶解、氧化溶解;前兩種方式對含鉻高的氧化層效果都很差，對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，該反應既可在酸性也可在堿性環境中進行，氧化過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，就可以用絡合或還原的方式來溶解。

1.5工藝過程描述

需要進行化學去污的金屬，由物料出入口運入化學去污車間。首先將廢物放入清洗槽，用加熱到一定溫度的堿液進行浸泡和沖洗。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，將配合好的酸液導入清洗槽中進行酸洗。酸洗完畢排空酸液，再用清水沖掉殘余酸液。然后將導入清水將廢物漂洗干凈，根據廢物的性質考慮是否進行超聲波震蕩去污，最后經干燥并對其進行表面放射性污染水平檢測，符合回用和清潔解控標準的，進行回用和清潔解控處理。符合熔煉車間接受要求，即可送往熔煉車間進行熔煉。

清洗槽內設有蒸汽加熱盤管，用來對污液進行加熱，因而在清洗槽上設有蒸汽接口，與蒸汽管道相接。去污液經循環使用后，當其放射性水平達到一定數值時，將其排放到中和箱進行相應處理。去污液經放射性水平和pH值測量，當循環清洗液放射性濃度大于4× Bq/L、pH值在6～8之間時，就需排放到水處理系統進行處理[4]。為了保證操作環境的清潔，防止放射性氣體對廠房的污染，保護操作人員的安全，清洗槽和各箱都應該有排氣口，與排氣系統相接，去污過程中產生的氣體要進行監測排放。

為了防止去污過程的二次污染，對金屬廢物的化學去污應按其放射性從低到高進行。對于不同材質及污染水平的金屬廢物，所選用的去污劑也有所不同。

2金屬熔煉去污技術

2.1金屬熔煉工藝原理流程

金屬熔煉的任務是將經高壓水去污和化學去污后的低放金屬廢物（主要是碳鋼和不銹鋼）進行熔煉，達到對廢物的進一步去污和金屬回收利用的目的。通過熔煉，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，進一步對爐渣和尾氣煙塵進行處理，將大大減少廢物量。尾氣經旋風分離、布袋除塵、高效過濾等處理后達標排放。鋼水在去除大部分放射性核素后鑄造成鋼錠達到循環使用或清潔解控水平。2994A8A0-274C-4F35-8122-1AAFC7342395

2.2金屬熔煉工藝過程簡述

（1）熔煉車間接受的廢物必須滿足熔煉爐坩堝的尺寸要求。要求廢物尺寸為：長度不大于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輸小車運進熔煉車間，裝入料斗內，再利用熔煉車間的5t/1t鑄造起重機，將廢物裝入爐內。在廢物體積大小相差較大時，可考慮先將體積小的廢物裝入爐內，加蓋，待溶化后，再加入體積較大的廢物，以加大爐體的充滿度，待爐內金屬溶化后，如液面高度距要求的數值（約為900mm）差距較大時，可再繼續加料。（3）熔煉過程中，根據工程驗證的成果加入相應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）熔煉過程中，對鋼水取樣。待冷卻后，檢測分析放射性核素種類及其比活度。（5）鋼水的各項檢測指標達到要求后，開蓋并傾爐，將鋼水倒入鋼水包內，用5t/1t鑄造起重機將鋼水包運至鑄造區，澆入鋼錠模，鑄成鋼錠，待鋼錠冷卻后，脫模并用吊車移至暫存區暫存，從物料出口運出送往指定地點暫存。（6）熔煉過程中產生的爐渣用專用工具打撈出后，粉碎并放入渣灌，待其冷卻后，取樣送往劑量實驗室，對其進行核素種類及其比活度等的檢測。爐渣裝入200L桶后，從物料出口送往壓縮與廢物暫存場地進行暫存。

熔煉過程中的開蓋和傾爐均采用遠距離的液壓驅動裝置進行操作控制。加料桶的開閉和吊車的移動均采用地面控制。

2.3總結與展望

高壓水去污是通過超高壓力的高壓水沖刷金屬廢物表面，去除其表面松散污染或結垢物，露出金屬母材，從而達到去污的效果，其去污的優點是二次廢物（廢水）便于處理，缺點是無法去除金屬表面固定污染和活化污染物，產生的二次廢水量較大。

化學去污是通過化學去污試劑腐蝕金屬表層，放射性污染物通過化學反應進入去污廢液中，從而達到金屬表面污染去污效果。化學去污的優點是可去污進入金屬表層晶格的固定污染，其缺點是無法對活化物進行去污，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，將放射性水平較低的金屬通過熔煉，放射性進入熔渣和尾氣中，從而達到去污效果。其優點是經過熔煉，大部分金屬可實現回用，包括部分活化金屬，其缺點是接收水平較低，熔煉過程較為復雜[5]。

要實現金屬廢物最大程度清潔解控，應當將以上3種去污技術結合起來，利用其各自優點對堆退役產生的金屬廢物進行去污處理。首先對退役拆除的金屬廢物通過高壓水去污，未達到解控水平的再送化學去污車間進一步去污，仍未達到要求再送熔煉車間進行熔煉，通過以上3種方法進行處理，所有金屬廢物達到清潔解控水平的將超過90%（見圖1）。

水池表面垢物剝除干凈，露出金屬基體，除垢效果見圖2。

以某堆為例，該堆熱工回路系統在堆退役過程中產生的金屬廢物，總量約2000T，經過高壓水去污車間檢測有186T可直接解控，經過高壓水去污后有370T可直接解控，經過化學去污后約有500T可解控，經過金屬熔煉車間熔煉后，有870T可回用，剩余74T達不到解控水平送整備中心整備。以此看來，經過以上3種去污技術，熱工回路拆除的廢物96%可實現解控。

由此可見，放射性金屬廢物清潔解控技術應用對于廢物管理來說具有重大意義，能夠實現廢物最小化原則，減輕廢物處置對環境的壓力[6]。

但是，從目前國內現有的退役去污技術運用上，高壓水和化學去污相對較為成熟，而金屬熔煉去污技術在國內剛剛起步，去污技術尚不成熟，需要進一步研究。

在化學去污中，應當對化學去污配方進行進一步研究，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，應當開展對熔煉添加劑的研究，讓放射性核素盡量進入熔渣和尾氣中，提高去污系數。

參考文獻

[1] 唐德仲，周小玲，范大名，等.放射性金屬廢物熔融去污清潔解控控制方法[J].甘肅科技縱橫，2014，43（10）：31-33.

[2] 周小玲，賀長安，張鴻.低放金屬廢物熔煉去污研究[C]//中國核學會核化工分會成立三十周年慶祝大會暨全國核化工學術交流年會會議論文集.2010：339-343.

[3] 景源.核設施退役過程研究[J].電工技術，2019（7）：59-61，64.

[4] 陸燕.世界核電站退役概況[J].中國核工業，2017（10）：18-20.

[5] 楊坤，李睿之.輻射防護最優化技術在某反應堆退役中的實踐[J].科技創新導報，2016，13（8）：59-60.

[6] 楊潔，楊彪，趙楊軍，等.放射性廢金屬熔煉去污分配系數研究[J].四川環境，2019，38（1）：125-131.2994A8A0-274C-4F35-8122-1AAFC7342395