反应堆退役金属材料去污技术

殳佳龙

摘要：核反应堆退役总是涉及到产生大量放射性金属废物。该文阐述了XXX反应堆退役过程中，产生的大量金属废物的材质主要为碳钢和不锈钢。这些金属废物大部分为放射性较低，但基本上高于国家清洁解控水平。根据安全考虑，可采用高压水去污、化学去污、金属去污等恰当的去污技术，使得反应堆退役中所产生的金属废物满足“产生的放射性废物必须保持在可行的最低量”。

关键词：退役高压水去污清洁解控化学去污

中图分类号：TL944文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）06（a）-0000-00

1金属废物去污技术

金属去污工艺包括高压水去污、化学去污两部分，去污对象为低放金属废物。高压水去污技术即：利用流体冲击作用去除污染物，如喷射蒸汽还可以提高去污效果。水压范围2～60MPa，喷水量0.5～4L/s，喷射距离一般为1～5m，喷射水与去污物面的交角为30°～45°时去污效果较好。提高水压或添加化学剂，去污效果更好。超高压喷射去污技术对大表面物件的去污效果很好，但二次废物量大。

1.1高压水去污原理流程

高压水去污是利用高压水产生的物理冲击力去除废物表面附着物，以达到去除部分放射性污染的目的。

金属废物经过高压水去污后，可以去除表面附着污染物;降低废物的表面放射性水平，去污后的金屬可以送化学去污车间、切割车间、熔炼车间进一步处理，也可能达到循环使用或解控水平[1]。

1.2高压水去污工艺过程描述

首先从反应堆拆除下来的或来自于厂内各废物堆放点的金属废物简单切割后，由物料进出口进入车间。接受金属废物的尺寸最大不超过2000mm×2000mm×2000mm，质量不超过5t，管道尺寸在DN150mm以上的。经废物分类之后，低放金属废物由平板车送至开放式冲洗台封闭式操作间，再由操作间内的单轨50kN吊超运送至操作台架上去污或简单拆卸。放射性水平较高或污染难以清理的大型金属构件由车间内的单梁吊车送至封闭式冲洗台操作间，封闭式冲洗台为密封结构，可进行远距离操作[2]。两个台架上都设有高压水和压缩空气的进口。金属废物放置在冲洗台上进行高压水去污。冲洗台设有通风口与排风系统相接，保证在操作中必要的气流走向。冲洗台底部都有废液收集系统，通过管道排放至专门的废液系统。在金属废物去污达到要求后，用压缩空气将金属构件吹干，进行剂量检测。去污完达到指标的金属废物通过物料出口运至相邻的切割车间，进行下一步的处理[3]。

化学去污就是用化学清洗剂溶解带有放射性核素的污腻物、油漆涂层或氧化膜层，达到去污目的。

1.3化学去污原理流程

化学去污是利用酸洗、碱洗配合超声波对不锈钢、碳钢、铸铁等低放废物进行去污或用铈（Ⅳ）-硝酸溶液对不锈钢低放废物进行去污。

采用三种化学去污工艺对低放金属废物进行去污：第一种不锈钢低放废物：酸洗、碱洗，配合洗涤液升温、超声波强化去污;第二种不锈钢低放废物：铈（Ⅳ）-硝酸去污;第三种碳钢、铸铁低放废物：碱洗，配合洗涤液升温、超声波强化去污。

去污后达到可熔炼或回用、解控。当清洗液的去污效果明显下降（由试车确定具体数据）或其放射性水平≥3×104Bq/L时，进行中和排放。

1.4氧化层的溶解机制与去污剂的选择

要除去氧化层中的放射性核素，就必须除去包容它们的氧化层。溶解氧化层的机制主要有以下3种：酸溶解与络合溶解、还原溶解、氧化溶解;前两种方式对含铬高的氧化层效果都很差，对这种氧化层最有效的方法是氧化溶解，就是使难溶的Cr3+氧化成可溶解的Cr2O42-，最常用的氧化剂量高锰酸钾，该反应既可在酸性也可在碱性环境中进行，氧化过程只能溶解氧化层的铬，溶解铬以后留下的氧化物由于晶格受到破坏，就可以用络合或还原的方式来溶解。

1.5工艺过程描述

需要进行化学去污的金属，由物料出入口运入化学去污车间。首先将废物放入清洗槽，用加热到一定温度的碱液进行浸泡和冲洗。碱洗完毕，排空清洗槽中的碱液，用清水冲洗掉废物表面残余的碱液后，将配合好的酸液导入清洗槽中进行酸洗。酸洗完毕排空酸液，再用清水冲掉残余酸液。然后将导入清水将废物漂洗干净，根据废物的性质考虑是否进行超声波震荡去污，最后经干燥并对其进行表面放射性污染水平检测，符合回用和清洁解控标准的，进行回用和清洁解控处理。符合熔炼车间接受要求，即可送往熔炼车间进行熔炼。

清洗槽内设有蒸汽加热盘管，用来对污液进行加热，因而在清洗槽上设有蒸汽接口，与蒸汽管道相接。去污液经循环使用后，当其放射性水平达到一定数值时，将其排放到中和箱进行相应处理。去污液经放射性水平和pH值测量，当循环清洗液放射性浓度大于4× Bq/L、pH值在6～8之间时，就需排放到水处理系统进行处理[4]。为了保证操作环境的清洁，防止放射性气体对厂房的污染，保护操作人员的安全，清洗槽和各箱都应该有排气口，与排气系统相接，去污过程中产生的气体要进行监测排放。

为了防止去污过程的二次污染，对金属废物的化学去污应按其放射性从低到高进行。对于不同材质及污染水平的金属废物，所选用的去污剂也有所不同。

2金属熔炼去污技术

2.1金属熔炼工艺原理流程

金属熔炼的任务是将经高压水去污和化学去污后的低放金属废物（主要是碳钢和不锈钢）进行熔炼，达到对废物的进一步去污和金属回收利用的目的。通过熔炼，加入特定组分的助熔剂，使废物中大部分核素（65Zn、90Sr、106Ru、137Cs、152Eu 等）富集到炉渣和尾气烟尘中，进一步对炉渣和尾气烟尘进行处理，将大大减少废物量。尾气经旋风分离、布袋除尘、高效过滤等处理后达标排放。钢水在去除大部分放射性核素后铸造成钢锭达到循环使用或清洁解控水平。2994A8A0-274C-4F35-8122-1AAFC7342395

2.2金属熔炼工艺过程简述

（1）熔炼车间接受的废物必须满足熔炼炉坩埚的尺寸要求。要求废物尺寸为：长度不大于400mm，断面最大尺寸不大于200mm。（2）将接收的废物从物料入口用运输小车运进熔炼车间，装入料斗内，再利用熔炼车间的5t/1t铸造起重机，将废物装入炉内。在废物体积大小相差较大时，可考虑先将体积小的废物装入炉内，加盖，待溶化后，再加入体积较大的废物，以加大炉体的充满度，待炉内金属溶化后，如液面高度距要求的数值（约为900mm）差距较大时，可再继续加料。（3）熔炼过程中，根据工程验证的成果加入相应的助溶剂及其他添加剂，使放射性核素尽量多地富集到炉渣中去。（4）熔炼过程中，对钢水取样。待冷却后，检测分析放射性核素种类及其比活度。（5）钢水的各项检测指标达到要求后，开盖并倾炉，将钢水倒入钢水包内，用5t/1t铸造起重机将钢水包运至铸造区，浇入钢锭模，铸成钢锭，待钢锭冷却后，脱模并用吊车移至暂存区暂存，从物料出口运出送往指定地点暂存。（6）熔炼过程中产生的炉渣用专用工具打捞出后，粉碎并放入渣灌，待其冷却后，取样送往剂量实验室，对其进行核素种类及其比活度等的检测。炉渣装入200L桶后，从物料出口送往压缩与废物暂存场地进行暂存。

熔炼过程中的开盖和倾炉均采用远距离的液压驱动装置进行操作控制。加料桶的开闭和吊车的移动均采用地面控制。

2.3总结与展望

高压水去污是通过超高压力的高压水冲刷金属废物表面，去除其表面松散污染或结垢物，露出金属母材，从而达到去污的效果，其去污的优点是二次废物（废水）便于处理，缺点是无法去除金属表面固定污染和活化污染物，产生的二次废水量较大。

化学去污是通过化学去污试剂腐蚀金属表层，放射性污染物通过化学反应进入去污废液中，从而达到金属表面污染去污效果。化学去污的优点是可去污进入金属表层晶格的固定污染，其缺点是无法对活化物进行去污，且去污的二次廢液较难处理，而且去污试剂通常较为昂贵（如硝酸铈）。

金属熔炼采用矿冶炼钢技术，将放射性水平较低的金属通过熔炼，放射性进入熔渣和尾气中，从而达到去污效果。其优点是经过熔炼，大部分金属可实现回用，包括部分活化金属，其缺点是接收水平较低，熔炼过程较为复杂[5]。

要实现金属废物最大程度清洁解控，应当将以上3种去污技术结合起来，利用其各自优点对堆退役产生的金属废物进行去污处理。首先对退役拆除的金属废物通过高压水去污，未达到解控水平的再送化学去污车间进一步去污，仍未达到要求再送熔炼车间进行熔炼，通过以上3种方法进行处理，所有金属废物达到清洁解控水平的将超过90%（见图1）。

水池表面垢物剥除干净，露出金属基体，除垢效果见图2。

以某堆为例，该堆热工回路系统在堆退役过程中产生的金属废物，总量约2000T，经过高压水去污车间检测有186T可直接解控，经过高压水去污后有370T可直接解控，经过化学去污后约有500T可解控，经过金属熔炼车间熔炼后，有870T可回用，剩余74T达不到解控水平送整备中心整备。以此看来，经过以上3种去污技术，热工回路拆除的废物96%可实现解控。

由此可见，放射性金属废物清洁解控技术应用对于废物管理来说具有重大意义，能够实现废物最小化原则，减轻废物处置对环境的压力[6]。

但是，从目前国内现有的退役去污技术运用上，高压水和化学去污相对较为成熟，而金属熔炼去污技术在国内刚刚起步，去污技术尚不成熟，需要进一步研究。

在化学去污中，应当对化学去污配方进行进一步研究，配合超声波减少辅助试剂（特别是难以处理的添加剂）的投入。而在金属熔炼去污中，应当开展对熔炼添加剂的研究，让放射性核素尽量进入熔渣和尾气中，提高去污系数。

参考文献

[1] 唐德仲，周小玲，范大名，等.放射性金属废物熔融去污清洁解控控制方法[J].甘肃科技纵横，2014，43（10）：31-33.

[2] 周小玲，贺长安，张鸿.低放金属废物熔炼去污研究[C]//中国核学会核化工分会成立三十周年庆祝大会暨全国核化工学术交流年会会议论文集.2010：339-343.

[3] 景源.核设施退役过程研究[J].电工技术，2019（7）：59-61，64.

[4] 陆燕.世界核电站退役概况[J].中国核工业，2017（10）：18-20.

[5] 杨坤，李睿之.辐射防护最优化技术在某反应堆退役中的实践[J].科技创新导报，2016，13（8）：59-60.

[6] 杨洁，杨彪，赵杨军，等.放射性废金属熔炼去污分配系数研究[J].四川环境，2019，38（1）：125-131.2994A8A0-274C-4F35-8122-1AAFC7342395