国内核污染清洗技术进展
黄剑文，杨力强，张冬利
(广东白云国际科学研究院有限公司，广东 广州 510540)
摘 要：通过对国内常用的各种放射性污染清洗进行介绍，分析了它们的优缺点、发展现况及应用情况。对比发现，国内研究起步较晚的电化学清洗技术是一种有望取代传统化学清洗方法的新技术。
关键词：放射性污染；去污；电化学；核能
刘邦老家The Progress of R adiol ogical Deconta m i nation i n Chi na
H UANG J ian-w en,Y ANG L i-qiang,Z HANG Dong-li
(Guangdong Baiyun Internati o na l I nstitute o f Science and Rearch,Guangdong Guangzhou510540,China)
Abst ract:Through the intr oducti o n of a variety o f deconta m i n ati o n for the radioactive conta m inati o n i n China,the ir advantages and d isadvantages,the developm ent and app lication status w ere
analyzed.Through the co m parison,the elec troche m ical cleaning technology,w h i c h w as the rearch started relati v e l y late,was expected to replace t h e conventional che m ical c lean i n g m et h ods.
K ey w ords:radioactive conta m ination;decon ta m i n ation;electroche m i s try;nuc lear ener gy
第十一五规划纲要规定!优先发展能源工业∀，积极推进核电建设，加强核资源及核电关键技术开发及核电人才培养，以适应中国经济的高速发展及建设和谐小康社会对能源需求的增长。2006年国务院通过的 核电中长期发展规划(2005-2020年)，确立了核电产业的战略性地位，将发展核电产业作为中国未来清洁能源的重要方向。在今后15年里建设至少30座核电机组，预计到2010年中国核电装机容量约为2000万千瓦,2020年约为4000万千瓦(占中国电力总装机容量的4%)。
随着国内新一轮核电站机组建设高峰的来临，国家对核电安全、核污染防护处理、应急处理、环境保护等的要求越来越高，相应的技术需求也越来越迫切，尤其是关系到核电安全的核污染物处理技术的需求将越加迫切。在 国家中长期科技发展纲要及 国家第十一五规划纲要，优先支持的重点领域中，都提到了核电环保安全防护问题，分别指出!促进环保产业发展，重点研究适合我国国情的重大环保装备及仪器设备，加大国产环保产品市场占有率，提高环保装备技术水平∀及!加强核设施和放射源安全监管，确保核污染与辐射环境安全∀。
1 净化去污的目的
根据技术规定，核电站设备和实验性反应堆(热交换设备、管道和接管、基础燃料装置设备等)应定期进行损伤检测和预防性维修，因为在运作过程中，这些设备会被放射性核素污染，从而具有放射性，并成为操作人员和环境的一个增加危险的来源，因此进行放射性去污的是为了减少工作人员在维护核电设备期间的照射量，减少潜在的放射性物质释放量，同时也为了对旧设备进行回收、利用等，以简化放射性废物的管理。在核电站去污是为了：降低放射性照射量、回收利用旧设备和旧材料、减少需要送往拥有许可证得埋藏设施内处置的设备和材料的体积、使场地和设施或局部恢复到不受限制使用的状态、去除松散的放射性污染物和将残留的污染物固定在远处，以便为监护封存或永久处置活动做好准备、为了公众的健康和安全或缩短监护封存期而降低监护封存中的残余放射源数量。总的来说，去除放射性污染时核电站运作过程中，必不可少的一个重要环节。
2 国内外放射性污染清洗情况
如果运行得当，核电是一种安全可靠清洁的能源。中国自1985年开始建设第一座核电站###秦山一期核电站至今，已建成秦山、大亚湾、岭澳核电站。2007年我国核电发电量突破600亿千瓦时，占总发电量1.92%。初步设想2020年使核电发电量占到总发电量的4%，装机容量达3600万千瓦。目前在建和运行的11台机组中，除了自主设计外，还分别采用了法国、加拿大、俄罗斯等国家的技术。然而，
目前全世界正在运行的核电机组已达440台，核电在全球供电量中比重为16%。根据 中国核电中长期发展规划(2005~2020年)，今后我国民用核电技术将以每年平均3~4个新建核电反应堆的速度迅猛发展，高效、优质、清洁核电能源的开发将是我国重要科技发展战略。核电事业的发展为我们提供了更为广阔的核电站设备的清洗和去污的市场空间，同时也提出了在清洗效率、成本、安全、环保等各方面的更新要求。随着一系列国际和国内关于核电站环保和安全法规的出台，核电站的污染处理，特别是核电站设备表面的处理将越来越迫切。
目前，国内外针对核电站金属设备表面的清洗净化，主要有喷砂清洗、超声波清洗、干冰清洗、化学清洗以及电化学清洗[1-2]等方法。
1.1 喷砂清洗
指采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海砂)高速喷射到被需处理工件表面，将磨料的冲击力和摩擦力作用在表面，使得表面的杂质、杂色及
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氧化层被清除掉[3]。
喷砂清洗的特点是：喷砂处理在金属与非金属表面都能使
用，工艺设备也很简单；但除污成本较高、劳动强度大，对操作者危害大，需要专业的劳动保护；在进行放射性去污时，喷砂处理会伴随着大量放射性尘埃的形成和二次污染物的生成，使得作业环境四周被严重污染，这将对操作人员的健康及环境带来严重的危害，在某些情况下，甚至会形成爆炸性混合物。
1.2 超声波清洗
由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡(空化核)在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。
放射性超声波清洗是把金属器件放入容器中加入清洗液，利用超声波振荡，清除金属表面的污垢以及放射性污染。超声波清洗处理具有较高的去污效率，处理时间短，能处理特殊元件等优势，但同时超声波清洗也有两个最大的缺点，第一是使用超声处理所消耗的能源较大；第二是难以处理大体积器件。
1.3 干冰清洗
干冰清洗系统一般可分为两个部分，第一部分是干冰制备系统，其作用是将液态CO贺信格式
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制作成一定规格的干冰颗粒或干冰方块；第二部分是干冰喷射清洗系统，该系统利用由专门配制的空压机或利用工厂本身配制的压缩空气系统产生的压缩空气，在清洗设备内装入已制作好的干冰颗粒或干冰块，在压缩空气的驱动下，高密度干冰颗粒或细粉随着压缩空气冲击到被清洗物体表面，从而起到清洗作用。
与喷钢砂，喷塑料砂和喷苏打相似，干冰喷射介质干冰颗粒在高压气流中加速，冲击要清洗的表面。干冰清洗的独特之处在于干冰颗粒在冲击瞬间气化，干冰颗粒的动量在冲击瞬间消
失。干冰颗粒与清洗表面间迅速发生热交换，致使固体C O
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迅速升华变为气体。干冰颗粒在千分之几秒内体积膨胀近800
倍，这样就在冲击点造成!微型爆炸∀。由于CO
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挥发掉了，干冰清洗过程没有产生任何二次废物，留下需要收集清理的只是清除下来的污垢。
与其它喷射介质不同，干冰颗粒温度极低(-78%)。这样的低温使干冰清洗具有独特的热力学性能，影响粘附污垢的机械性能。由于干冰颗粒与清洗表面间的温度差，就发生热冲击现象。材料温度降低、脆性增大，干冰颗粒能够将污垢层冲击破碎。具有不同热膨胀系数的两种不同材料，它们之间的温度差会破坏两种材料间的结合。在从金属物质上清除非金属污垢时，这样的热冲击现象最为明显。
即使在很高的速度下，直接冲击清洗表面，干冰与砂粒相比，动能冲击也是很小的。这是由于干冰硬度不大，并且在冲击瞬间气化。由于没有磨损，干冰清洗可广泛用于各种材料的清洗上。
干冰喷射系统中，需要压力为5bar以上，流量为2m3/m i n以上的洁净压缩空气气源，干冰颗粒由机械方式供入压缩空气管道，在此管道中干冰颗粒与空气混合、加速，从喷嘴喷出。喷射速度马赫值通常在1.7~3.0之间，取决于设计和空气压力。
干冰清洗方法，具有的最大优点就是二次污染物少，但是工艺要求较高以及去污因子较低。
1.4 化学清洗
化学清洗是工业最常用的清洗技术，技术比较成熟，但和超声波清洗处理一样，处理以后产生大量的放射性污水以及难以处理大体积器件。根据污染物的性质、基本情况、预算、材料允许腐蚀程度、安全设计、费用和后续废物处置手段等情况，合理选择化学去污手段或将几种手段进行合理组合使用[4-5]。化学清洗比较先进成熟的技术主要有:
(1)加拿大原子能有限公司(A ECL)开发的Can-D econ法，这是一种系统化学去污的技术。
(2)德国电站联盟(KWU)的高温化学清洗工艺，该工艺采用铁与铜两种溶剂，可以联合应用或单独应用，这项技术最大的特点就是能够有效去除蒸汽发生器的腐蚀积垢物。
1.5 电化学清洗[6]
即在电解条件下，使作为阳极的金属器件的表面层均匀地溶解以达到去污效果的一种处理方法。电化学法清洗的去污因子很高。在一般情况下，去污到接近本底水平是不困难的。另外，被溶解的表面层很薄(十几到几十微米)，去污后部件的尺寸在很多情况下仍能保持在允许的公差范围内，可以继续使用。电化学清洗去污分为浸泡去污和移动电极去污两种方法，体积较小的清洗物体可放到电解槽中采
用浸泡方式去污；而尺寸过大无法放入电解槽的，通过外部电极扫描金属表面，实现去污。
美国桑地亚实验室报道了将电化学去污应用于钚污染的去除，尽管目前美国政府尚不允许一些文献对海外公开，但该成果依然被列为美国50年来取得的100项最重要成果之一[7-9]。
在安全环保日益受重视的今天，寻找更加安全环保的核污染物清洗方法是我国核电事业健康发展的必经之路。电化学清洗去污因子高，产生的放射性污水少，是一种比较有前景的核污染物清洗方法。
然而，我国在电化学清洗技术上还比较薄弱，主要研究还都集中于传统的技术工艺，尚未有先进适用的电化学清洗装置技术投入市场应用，这将影响我国核电事业健康发展。
表1 常用去污方法比较
消除污染方法优点缺点
机械研磨表面处理
元日这首诗的意思
(喷砂)在金属与非金属表面上都可用。
工艺简单、生产成本低。
产生大量放射性尘埃的形成。这将对操作人员的健康
及环境带来严重危害。
在某些情况下，甚至会形成爆炸性混合物。为了避免上
土地使用权证
述的缺点，在美国有人提议采用冰(水)或所谓的干冰
(二氧化碳)作为研磨材料，工艺要求较高以及去污因
子较低。
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续表
超声波(固定浴)
去污过程的效率较高。
操作时间短，能稳定地去除放射性污染物。
产生大量的液体放射性废物。
化学法
可用于处理复杂表面。
可用于去除顽固污染物。
工作温度一般较高(90%以上)。
产生大量的放射性废液。
处理时间长。
大量消耗化学试剂和处理液。
电化学(固定浴)在消除牢固附着的放射性污染物过程中，具有较高的去污因子
(大于500)。
较短的工艺进程(少于30~40m i n)。
与化学消除放射性污染相比，液体放射性废物的数量要少10~
50倍。
当两个电极在表面工作时，可以采用交流电(50赫兹)。
在消除复杂形状表面的污染时，有必要对阴极的形状进
从成语
行特别设计。
电化学(外部电极)包括固定浴的四个优点，同时还可进行大面积去污处理；并且电
与你共舞
解液消耗少，产生的废液少。
在对复杂形状表面的进行去污时，存在困难。
2 结 语
去污是核电站设备运行和退役过程中不可缺少的环节，目前国内外已经研究出不少物理或化学的去污方法。总的看来，国内常用的喷砂清洗、干冰清洗、超声波清洗、化学清洗方法都存在诸如去污因子低、处理温度高、处理时间长、处理时产生的放射性污水多等缺点。电化学清洗方法具有去污因子高、处理温度低、处理时间长、处理时产生的废水少等特点[9]，是一项有望取代传统化学清洗方法的新技术。
国内一直在寻求一种高效、安全、环保的核污染清洗新技术，然而经过多年的努力，仍未取得较大的进展，电化学清洗技术是一种新颖的而且已被外国同行证明具有良好去污效果的技术[10]，因此我们有必要加大电化学去污技术的研究，争取早日研制出符合国内核能产业发展需求的清洗新技术。
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