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(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

0 引言

在核電設(shè)施運(yùn)行過程中，由于放射性核素的作用，與之接觸的構(gòu)筑物、設(shè)備、工器具等都會(huì)受到不同程度的放射性污染。在反應(yīng)堆停堆檢修期間，為了減少現(xiàn)場檢修人員的受輻照劑量，以及滿足檢修環(huán)境的輻射監(jiān)測要求，需要在核設(shè)施檢修前進(jìn)行去污處理，以達(dá)到核設(shè)施檢修時(shí)的劑量限值水平。目前在國內(nèi)主要的壓水堆核電站中對于反應(yīng)堆換料水池和乏燃料貯存運(yùn)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(guī)的去污操作，去污頻次相對較高。

反應(yīng)堆換料水池主要指堆芯水池和堆內(nèi)構(gòu)件水池，是反應(yīng)堆廠房內(nèi)重要的核設(shè)施，其主要功能是在反應(yīng)堆停堆換料期間由相應(yīng)的工藝系統(tǒng)向水池內(nèi)充入水對燃料組件和上部堆內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行輻射屏蔽，減少換料作業(yè)時(shí)人員受到的劑量傷害。水池的鳥瞰形狀為不規(guī)則多邊形，底部和側(cè)壁均貼有不銹鋼覆面，表面平整光滑。在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，主回路的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)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(chǎn)物可能將水池表面的不銹鋼覆面污染，成為放射性源項(xiàng)，因此人員在對水池進(jìn)行檢修前需要先進(jìn)行去污工作。

乏燃料貯存運(yùn)輸容器是專門用于貯存和運(yùn)輸乏燃料組件的容器，兼有輻射屏蔽、衰變熱導(dǎo)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(zhì)，外形結(jié)構(gòu)見圖1。乏燃料貯存運(yùn)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(jié)晶以及腐蝕活化產(chǎn)物，需要在整備發(fā)運(yùn)前在專門的去污井內(nèi)對其外表面進(jìn)行去污處理。

圖1 乏燃料貯存運(yùn)輸容器外形三維圖

1 干冰去污在核設(shè)施應(yīng)用的可行性

由于反應(yīng)堆換料水池和乏燃料貯存運(yùn)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(jù)相關(guān)實(shí)踐資料[1]，在去污時(shí)主要采用壓力約20MPa左右的高壓水沖洗的方式進(jìn)行表面去污。主要去污步驟見表1。

表1傳統(tǒng)高壓水去污方法

根據(jù)某核電站大修期間的部分輻射源項(xiàng)調(diào)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(gòu)件水池地面去污前的幾次測量結(jié)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(huì)影響乏燃料水池中的水從而對乏燃料貯存運(yùn)輸容器表面產(chǎn)生一定的污染。此外，燃料組件如果發(fā)生破損、組件表面附著了腐蝕活化產(chǎn)物都有可能對燃料裝載井中的水產(chǎn)生污染。根據(jù)對現(xiàn)場環(huán)境的劑量率進(jìn)行監(jiān)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(zhì)，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(zhì)之間，迫使污垢與基層材料脫離，干冰隨之升華，達(dá)到去污的目的。對于核設(shè)施來說干冰去污的優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：

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

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

③設(shè)備容易實(shí)現(xiàn)小型化、遠(yuǎn)程化和自動(dòng)化。核電站多為放射性環(huán)境，且很多去污位置人員不易接近，這些特點(diǎn)也決定了干冰去污裝置的優(yōu)勢在核電站可以應(yīng)用于很多的去污場所中。用小型機(jī)器人或機(jī)器手搭載干冰去污裝置可以輕易到達(dá)一些高劑量或狹窄空間進(jìn)行在線去污，避免了人工就地去污的風(fēng)險(xiǎn)。

④干冰去污后主要是升華后的二氧化碳和可能產(chǎn)生的少量固體碎屑，不產(chǎn)生廢液，無需進(jìn)行二次處理，減少了放射性廢液處理系統(tǒng)的壓力，符合放射性廢物最小化的設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)

國內(nèi)外對干冰去污在核設(shè)施中的應(yīng)用也開展了很多的研究。美國Fermi-2核電站一些通風(fēng)管道的清潔采用了干冰機(jī)器人去污系統(tǒng)，日本福島第一核電站在對事故后的廠房進(jìn)行去污時(shí)采用了搭載干冰噴射系統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)器人。此外，美國能源部（DOE）對不銹鋼直接污染的去污試驗(yàn)[4]以及國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）在其相關(guān)的技術(shù)報(bào)告中[5]也證實(shí)了干冰對于不銹鋼材質(zhì)表層污染去除的有效性。國內(nèi)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(jié)構(gòu)件的去污試驗(yàn)。綜上相關(guān)文獻(xiàn)資料，對正常運(yùn)行核電站中不銹鋼基材的水池覆面以及乏燃料貯存運(yùn)輸容器外表面附著的松散污染（包括活化腐蝕產(chǎn)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(diǎn)是面積大，乏燃料容器外表面去污的特點(diǎn)是操作空間狹小，兩者的共同點(diǎn)則是空間開放，污染程度相對不高，因此針對這些特點(diǎn)采用干冰自動(dòng)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(shè)計(jì)方案

根據(jù)前述干冰去污的特點(diǎn)，在考慮干冰去污裝置的設(shè)計(jì)時(shí)還需要滿足以下幾點(diǎn)要求：

①能實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)程化操作，減少參與去污人員的數(shù)量，提高去污效率；

③去污裝置成本控制，盡量小型化設(shè)計(jì)，降低維護(hù)和存儲(chǔ)費(fèi)用。

基于上述原則，干冰去污裝置可由圖2所示幾個(gè)主要部分組成。由于反應(yīng)堆換料水池和放置乏燃料貯存運(yùn)輸容器的去污井結(jié)構(gòu)相似，污染方式和源項(xiàng)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(fēng)險(xiǎn)，需要增加一套用于控制和排出去污染區(qū)域空氣的氣體收集和過濾系統(tǒng)。

圖2 干冰去污系統(tǒng)示意圖

2.1 干冰去污機(jī)

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(zhì)，是去污的核心裝置之一。設(shè)備為可移動(dòng)式，帶滾輪和止動(dòng)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?，使用時(shí)通過管路送入干冰去污機(jī)中，對于面積較小的去污需求也可直接倒入干冰去污機(jī)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(dòng)完成去污操作，是去污的核心裝置。小車的主要組成結(jié)構(gòu)見圖3所示，主要包括行走和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、噴嘴及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、真空吸附機(jī)構(gòu)（包括小型真空泵）、電機(jī)和控制模塊及吸風(fēng)引流罩。小車采用滾輪式行走結(jié)構(gòu)，多真空吸盤式吸附結(jié)構(gòu)，可通過無線信號控制小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，干冰噴嘴可在小車前方180°范圍內(nèi)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)對壁面和地面的清洗。真空吸附結(jié)構(gòu)采用4個(gè)直徑約89mm的吸盤，通過抽真空產(chǎn)生內(nèi)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(jìn)行通斷控制。此種方式對于吸附的材質(zhì)無特別要求，行動(dòng)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(yīng)堆換料水池和乏燃料貯存運(yùn)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(jié)構(gòu)采用文丘里型，前后兩個(gè)并列布置，既能擴(kuò)大去污面積，又可在保證去污率的同時(shí)適當(dāng)提高小車行走速度，節(jié)省時(shí)間。在噴嘴周圍安裝一個(gè)透明的吸風(fēng)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(jié)構(gòu)示意圖

圖4 不同設(shè)施噴嘴噴射方向示意圖

2.3 氣體收集和過濾系統(tǒng)

主要功能是控制干冰噴射點(diǎn)周圍的氣流流向，防止向周圍環(huán)境擴(kuò)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(fēng)系統(tǒng)或高點(diǎn)。氣體通過爬壁去污小車上吸風(fēng)罩連接軟管使用真空泵將噴嘴附近的空氣吸走，通過預(yù)過濾器和高效過濾器兩級過濾后排放。針對乏燃料貯存運(yùn)輸容器去污，根據(jù)現(xiàn)場操作場地條件，可以在坑上方臨時(shí)搭建負(fù)壓棚進(jìn)行局部加強(qiáng)通風(fēng)。

2.4 控制系統(tǒng)

通過控制系統(tǒng)控制自動(dòng)爬壁去污小車的啟停、運(yùn)動(dòng)軌跡及干冰噴嘴的噴射方向?？刂葡到y(tǒng)可通過電纜或短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)連接小車的接收控制器?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置信號傳輸和執(zhí)行模塊以及聯(lián)鎖控制模塊。在氣體過濾系統(tǒng)失效時(shí)可自動(dòng)停止去污動(dòng)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(shù)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[6，7]的參考數(shù)據(jù)，干冰去污的主要參數(shù)設(shè)計(jì)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(zhì)沖擊力越大，當(dāng)壓力達(dá)到一定值后干冰與介質(zhì)表面接觸時(shí)間會(huì)變短，裹挾雜質(zhì)的能力反而可能下降，而干冰流量過大則會(huì)造成干冰的大量消耗，同樣在達(dá)到一定閾值后對去污效果的影響會(huì)變?nèi)?，因此需要對去污的壓力和流量進(jìn)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(dá)到預(yù)期速度及展開面積，而靶距過大則干冰動(dòng)能損失會(huì)急劇增加，造成去污能力大大削弱。噴嘴的入射角度根據(jù)去污的具體位置可適當(dāng)調(diào)整，在有一定入射角度時(shí)對雜質(zhì)的剪切力作用范圍會(huì)增大，在雜質(zhì)結(jié)合性不是很高時(shí)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(shí)不能對不銹鋼覆面和乏燃料貯存運(yùn)輸容器的材質(zhì)產(chǎn)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(jìn)行模擬試驗(yàn)，并結(jié)合前述相關(guān)研究資料選取主要參數(shù)為壓力0.6MPa，速率2.5kg/min，靶距5cm，入射角80°。經(jīng)去除質(zhì)量計(jì)算，去除率為92%，預(yù)計(jì)實(shí)際去污因子約為3-20。結(jié)合上述核電站中實(shí)際測量數(shù)據(jù)水平及一些公開的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]，去污后的鋼覆面可達(dá)到人員檢修條件，乏燃料貯存運(yùn)輸容器具備包裝和外運(yùn)條件。

表3干冰去污主要參數(shù)選取范圍

3 方案研究總結(jié)

通過上述對干冰去污特性的分析及對去污裝置設(shè)計(jì)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(zhì)的水池和乏燃料貯存運(yùn)輸容器表面松散附著性的腐蝕活化產(chǎn)物進(jìn)行去污，且整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)方案在工程上具有可實(shí)施性，通過去污小車的遠(yuǎn)程操作方式也可以減少人員近距離去污的輻射風(fēng)險(xiǎn)。此外，干冰去污相對于高壓水去污對基材表面的沖擊應(yīng)力更小，且不產(chǎn)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(jìn)一步研究和推廣的去污技術(shù)。