放射源罐去污工程实践

放射源罐去污工程实践

曾宇峰，明晓亮，杨洪生

 中核四川环保工程有限责任公司，四川 广元 628000

摘要：放射源罐因存在几何结构不规整、源罐内含有铅（有毒重金属）等问题，不适合利用现有的放射性污染金属处理手段进行去污处理。本文通过开展高压水去污实验，得到了去除源罐外表面放射性污染的最佳参数，实现了源罐外表面的清洁解控；设计了一套装置，利用热熔取铅的方法，实现了铅与源罐的分离，回取铅9.85吨，其中95%达到解控水平，另外5%也不超过极低放水平。通过去污工程实践，达到了固体废物分类处理的目的，满足放射性废物最小化的原则。

关键词：放射源罐，高压水冲洗去污，热熔取铅

Practice of Radioactive Source Tank Decontamination

Yufeng Zeng，Xiaoliang Ming，Hongsheng Yang

（Sichuan Environment and Protection Engineering Co., Ltd，Sichuan，Guangyuan）

Abstract: Radioactive source tanks are not suitable for decontamination treatment using existing radioactive contaminated metal treatment methods due to problems such as irregular geometric structures and lead (toxic heavy metals) contained in the source tanks. In this paper, by conducting high-pressure water decontamination experiments, the best parameters for removing radioactive contamination on the outer surface of the source tank were obtained, and the outer surface was cleaned and controlled. A set of hot-melt devices were designed, and the device was used to achieve separation and return lead 9.85 tons, of which 95% reached the level of de-control, and the other 5% did not exceed the extremely low level; the treatment of the source tank after taking lead was discussed, and comprehensive consideration of electrochemical decontamination technology was feasible.

Key words: Radioactive waste source tank, High-pressure water washing and decontamination, Hot-melt lead extraction,

1.引言

随着核工业产业的迅速发展，放射源被广泛应用到核能、航天、医疗、工业、教育和科研等领域，在国家安全与经济建设中起着重要的作用[1]。盛装放射源的容器称为放射源罐，源罐主要由外侧容器、套筒、容器内的屏蔽衬料（一般为铅）等组成[2]。但源罐在使用过程中，不可避免会受到损坏及放射性沾污，以至于不能继续使用。对废弃的源罐进行去污，可减少放射性废物量或降低废物等级，并为其部件（如铅，外侧容器）的循环再利用提供了可能。

放射源罐属于放射性污染金属，目前国内外主要采用填埋处理、表面去污和熔炼去污等方法[3]对放射性污染金属进行处理。填埋处理是对放射性污染金属进行超压，固化后进行填埋，填埋后必须经过长时间的监测，因此处理费用很高；表面去污法对几何形状简单的部件表面污染较为有效，如中物院采用干冰喷射去污处理规则形状的铅罐[4]；熔炼去污是在去污过程中，核素经过重新分配进入气相或熔渣中，金属被铸成锭，进行再利用的一种方式[5]。本文所述源罐几何结构复杂、放射源通道处因放射源的沾污使得其放射性水平很高。表面去污的方式只能去除源罐外表面（带有锈垢、油漆）的放射性表面污染；若采用熔炼去污，为了使得碳钢、铸铁熔化，需将温度提升到1400~1550 ℃，而铅在400~500 ℃时，就会生成具有毒性的铅烟，且铅熔化后会使得坩埚炉寿命降低，因此熔炼去污也不是一种理想的处理方法。

本文利用厂内金属废物处理设施现有工艺设备，采用巧妙折中的办法，对源罐进行了去污工程实践，具体为：首先利用高压水对源罐外表面进行喷射去污，降低废物放射性等级，这是表面去污的思想；再利用内部铅与外部碳钢的熔点相差较大的特性，加热源罐，实现铅的分离回取。通过上述措施实现源罐的去污，在一定程度上能减轻铅矿产资源的压力，也达到固体废物分类处理的目的，满足放射性废物最小化的原则。

2.源项

源罐示意图如图1所示。其外层包壳为铸铁，内部注铅，源罐两边有“耳环”形状的挂钩，底部为碳钢底座，中部设放射源套筒，用来储存60Co等放射源。源罐外表面有油漆涂层，部分已经腐蚀、脱落，并受到不同程度的损坏和放射性沾污，不能继续使用。经检测，源罐外表面尤其是油漆腐蚀、脱落部分表面沾污水平较高，放射源套筒口处，γ剂量水平较高。详细数据见表1。

源罐中的铅因密封在壳层内，未受放射性核素污染，因此可将铅与源罐分离取出，这不仅能实现不同固体废物的分类处理，在一定程度上减轻铅矿产资源的压力。

图1放射源源罐结构示意图

表1 部分源罐信息

3.去污实践

3.1去污技术路线

放射源罐去污工程实践的流程为：高压水喷射去污、热熔取铅、废物收集及整备。首先利用高压水射流设备对源罐外表面进行去污，去除源罐表面的放射性沾污及锈垢，防止在热熔回取铅时源罐外表面（垢、锈斑、油漆等放射性沾污）对铅的污染，同时也能降低回取过程中人员受照水平；利用铅（327.5 ℃）与碳钢、铸铁（熔点1400~1550 ℃）的熔点相差较大的特点，加热源罐，使源罐内部铅熔化流出，而外层包壳保持固态形状不变；用专门容器对铅进行收集，达到分离回取铅的目的。

在去污工程实践中，用排风过滤装置对产生的废气进行过滤处理后排放，防止对环境造成污染；对切割产生的铁屑进行装桶整备；对产生的废水收集，由水泥固化车间进行固化处理。源罐去污流程图如图2所示。

图2 源罐去污工流程图

3.2去污实践

3.2.1高压水冲洗去污

利用高压水冲洗去除源罐外表面附着物（垢、锈斑、油漆等），以达到去除部分放射性污染物的目的。为了获得高压水对源罐外表面的最佳去污参数，开展不同高压水冲洗时间及冲洗压力下对源罐的去污试验。去污前，测量源罐表面的污染水平A0；去污完成后，用压缩空气将废源罐吹干，测量源罐表面的污染水平Ai。表面污染测量遵循：去污前、后测量测量位置相同；对源罐表面油漆脱落部分进行重点测量，对油漆完好部分采用分区测量的方式，测量后的数据取平均值，作为该源罐表面平均污染水平。去污产生的废水经蒸发后，由水泥固化车间对蒸残液进行固化处理。

去污系数的定义为

DF=A0/Ai

式中DF为去污系数，A0为去污前源罐表面的污染水平；Ai为去污前源罐表面的污染水平。不同高压水冲洗压力及冲洗时间对去污系数的影响见图3。由图3可以看出，去污系数随着高压水喷射压力的增大而提高。这是因为碳钢的污染主要是以锈蚀氧化物为主的表层非固定污染，因此，增大冲洗压力会增大打击、冲蚀、剥离表面污染物的能力，从而提高其去污系数。固定冲洗压力，在一定时间内，去污时间长，去污系数增大。但是去污一定时间后，效果无明显变化。综合考虑，选择冲洗压力为90 MPa,冲洗时间为6-12 min（以物料具体尺寸，结构适当调整时间）。

图3不同冲洗压力与冲洗时间对去污系数的影响（固定冲洗角度为50-90°；冲洗距离为30-80 mm）

采用上述参数，对源罐外表面进行冲洗去污，结果见表2。实验证明，采用高压水去污，源罐外表面油漆及松散污染物能有效被清除，表面的放射性污染也随之去除，β污染水平均降至0.8 Bq/cm2以下，去污效果明显。因此高压水去污对于源罐外表面具有极好的去污效果。

表2 部分源罐去污前后信息

采用高压水对放射源套筒进行高压水去污，实际结果表明，去污效率并不理想。推测是由于放射源套筒直径较小（5~10 cm），且多为固定沾污，因此经高压水冲洗去污后实现β污染水平均降至0.8 Bq/cm2以下存在困难。但因套筒内的放射性沾污不会对热熔取铅产生影响，因此放射源套筒内存在放射性沾污也是可以接受的。

3.2.2源罐拆解、开孔

经高压水去污后的源罐，需对其进行拆卸

，以保证热熔后源罐内铅的顺利流出。利用切割工具对源罐局部进行拆解或开孔。针对源罐结构，为确保热熔取铅时不出现封闭腔体，且尽量使源罐内部铅熔化后能够完全流出，主要从源罐底部进行开孔。为方便人员进行操作，利用吊装工具将源罐调离地面一定高度，使用拆解工具拆除源罐底部碳钢底板。拆解后的废渣、碳钢底板装桶。

3.2.3热熔取铅

3.2.3.1装置设计

对热熔取铅进行设计，设计的总体思路为：该装置能使得铅在加热过程中顺利熔化流出；铅回取过程中不会存在放射性交叉污染及其污染气体扩散的问题。因此对铅的加热，保温设施，熔铅后的导流设施，以及排气设施做出了设计。热熔取铅装置示意图如图4所示，该装置由主要以下部分组成。（1）集烟罩：用来收集废气，废气经烟尘净化设备和高效过滤器排入大气；（2）烟气导流、保温罩：即作为防止气溶胶外溢的屏障，也用作保温、减小热量损失；（3）上盖板：用于支撑源罐和阻挡非设计流道流出的铅液，中间开孔，用来安放漏斗；（4）漏斗：用于将铅液导入收集容器；（5）工业天燃气猛火炉：用来提供热熔取铅的热源；（6）盛铅桶：作为热熔铅的盛装容器。

图4 热熔取铅装置示意图

3.2.3.2热熔取铅实践

为使烘烤温度既能使铅熔化，又不会因温度过高形成过多的铅烟，可通过排气阀开度来实现对烘烤温度的控制（调节火焰大小来控制温度是不适合的，因为这样易造成漏斗温度过低，堵塞流道）。通过烟气导流、保温罩下部观察孔确认已经无铅液流出后，关火，将排风量开到最大进行冷却。

将设计好的热熔取铅装置进行搭建，放入待处理的放射性源罐，打开天然气猛火炉以及排风系统，进行热熔取铅。铅在加热到400-500 ℃时会有铅蒸汽逸出形成铅烟（一般以二氧化铅的状态存在），铅烟为有害物质，因此在热熔取铅实践中，温度的调节至关重要。为使烘烤温度既能使铅熔化，又不会因温度过高形成过多的铅烟，可通过排气阀开度来实现对烘烤温度的控制。现场试验表明：热熔初期（1~2h，根据源罐大小），此时铅还未完全熔化，烟气量很少，控制排风风口速度为10 m/s左右；当铅热熔流出时，需要加大排风，防止源罐温度升高过快，控制排风口风速为15 m/s左右，此时测得源罐表面温度为350~370℃左右；当铅液热熔完成后，排风速度设置为20 m/s，对源罐进行迅速冷却。

试验结果证明：回取一吨铅大约需要4小时。目前已采用该工艺成功分离回取铅9.85吨,回取得到的铅95%达到解控水平，另外5%也不超过极低放水平（这可能是由于在热熔取铅过程中，厂房或源罐上仍然有一小部分放射性沾污掉落在铅液里），完全可用于重新生产制造屏蔽层。

3.2.4尾气处理

对铅污染问题的治理，应从两个方面进行考虑：一是控制熔化铅的温度，二是对铅烟及铅尘进行收集，净化处理。熔铅时产生的铅烟（氧化铅）直径约2~3um，核级过滤器能很好过滤掉该粒径的颗粒。因此将作业过程中进入排风口的烟气经过旋风分离器、布袋除尘器除尘净化后，再经初效过滤器、高效过滤器处理，除去烟气中的大部分放射性物质和铅，最后通过烟道排往大气。

热熔取铅时，对铅烟和放射性气溶胶进行监测。监测结果中，热熔装置外部及空气净化装置后端中铅烟的含量均小于0.7 mg/m3，满足铅烟排放浓度低于国家规定的铅烟排放标准。放射性气溶胶的比活度采用低本底测量装置测量其活度后计算气溶胶净化效率，见表3。测量计算结果表明，排风系统及空气净化装置对热熔取铅过程中产生的气溶胶净化效率可达99%以上，经净化装置净化后端气溶胶的比活度为本底水平。

表3气溶胶净化效率

4. 结论

1）高压水冲洗源罐外表面的最佳工艺参数为：冲洗压力90 MPa,冲洗时间6-12 min（取决于源罐具体尺寸，结构）。实验证明，高压水冲洗去污对于源罐表面具有极好的去污效果，源罐表面β污染水平均降至0.8 Bq/cm2以下。

2）本文设计的热熔取铅装置配合排风系统，能有效防止烟尘外溢，从而保障工作人员安全。热熔取铅时，通过排风系统的风速调节源罐表面的温度，使其维持在350~370℃，避免了铅烟的产生。通过该工艺，处理废弃放射源源罐10个，分离回取铅9.85吨。回取得到的铅95%达到解控水平，另外5%也不超过极低放水平，完全可用于重新生产制造屏蔽层。

3）作业过程中产生的放射性气溶胶净化效率可达99%以上，空气净化装置后端的气溶胶为本底水平，排放可达标。

综上，我们对废弃源罐进行了去污工程实践，建立了一套源罐的去污工艺，从工程实践情况来看，该工艺较成熟稳定，技术路线可行，实现了该类放射性固体废物的分类处理。

参考文献

[1]裴志刚, 桂立明. 清华大学核技术和放射性同位素应用中的辐射防护[J]. 辐射防护通讯, 1995(05):32-34.

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[3]王晓黎, 林良元, 罗西林. 放射性污染金属的再利用[C]// 小型"循环经济"学术研讨会. 2008.

[4]李烨, 孙宇, 王萍, et al. 污染铅罐干冰喷射去污实践[C]// “二十一世纪初辐射防护论坛”第十次会议：核与辐射设施退役及放射性废物治理研讨会. 2012.

[5]邓浚献, 李昕. 反应堆退役放射性废金属的熔炼处理[J]. 核安全, 2008(01):60-63.