離心工廠退役思路的研究

張玉春+周風(fēng)華+葉有州+謝國(guó)和

【摘 要】本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外鈾濃縮擴(kuò)散廠及子系統(tǒng)退役的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)離心工廠的組成特點(diǎn)及鈾沉積物的形成和分布進(jìn)行分析。經(jīng)過分析，離心工廠的退役思路可歸結(jié)為主機(jī)等少數(shù)關(guān)鍵設(shè)備的退役。依據(jù)退役思路，文中提出了相應(yīng)的退役方案，不僅探討了用ClF3工作物質(zhì)進(jìn)行去污處理的必要性和有效性，還計(jì)算出ClF3用量，最后在離心工廠退役后系統(tǒng)優(yōu)化方面給出相應(yīng)的優(yōu)化方向，從而為國(guó)內(nèi)離心工廠的退役提供參考。

【關(guān)鍵詞】離心工廠；鈾沉積物；退役；ClF3；優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TQ028 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）23-0083-003

【Abstract】This paper summarizes decommission experience of the uranium enrichment diffusion plants and subsystems at home and aboard.The composition feature of centrifugal plant，the formation and distribution of uranium sediment are also analyzed.According to analysis，the decommission thinking of the centrifugal plant could be summed up as decommission of the main machine and a few key equipments.According to the decommission thinking，this paper provides the decommission program，which not only discussed the necessity and effectiveness of the decontamination by ClF3，but also calculated the dosage of ClF3.In the end， the optimization direction of the systems could be provided after the decommission of the centrifugal plant，which can be used for the decommission of domestic centrifugal plant.

【Key words】Centrifugal plant；Uranium sediment；Decommission；ClF3；Optimization

0 引言

氣體離心法是目前國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)性最佳的鈾同位素分離方法[1]。由于單機(jī)分離能力有限，需要將許多主機(jī)串聯(lián)、并聯(lián)起來組成級(jí)聯(lián)系統(tǒng)[1]進(jìn)行鈾同位素的分離。離心工廠自投產(chǎn)后連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行超過設(shè)計(jì)壽命或其他原因終止其運(yùn)行時(shí)需考慮退役。同其他核設(shè)施退役一樣，通過退役可將離心工廠殘留的放射性和其他有害物質(zhì)的危害作用減少到可接受的水平。

本文借鑒國(guó)內(nèi)外鈾濃縮擴(kuò)散廠及子系統(tǒng)退役經(jīng)驗(yàn)，對(duì)離心工廠退役思路進(jìn)行研究，從安全和經(jīng)濟(jì)性角度研究探索退役思路，為國(guó)內(nèi)離心工廠的退役提供參考。

1 鈾濃縮核設(shè)施退役經(jīng)驗(yàn)

早期核設(shè)施退役被分為監(jiān)護(hù)封存、有限使用和限制開放使用三個(gè)級(jí)別。隨著去污[2]技術(shù)、切割解體技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)核設(shè)施退役認(rèn)知的提高，現(xiàn)在退役分為立即拆除和延緩拆除兩類[3]。對(duì)于退役的核設(shè)施廠房，根據(jù)需要可拆除，也可去污后繼續(xù)使用。因此，對(duì)于不同的核設(shè)施，具體退役思路也不同，值得研究。

1.1 國(guó)內(nèi)外擴(kuò)散工廠退役的經(jīng)驗(yàn)

由于氣體擴(kuò)散法不再是經(jīng)濟(jì)的鈾濃縮生產(chǎn)方法，自上世紀(jì)80年代起，英國(guó)卡彭斯特、美國(guó)橡樹嶺等擴(kuò)散廠[4-5]陸續(xù)關(guān)停退役。從國(guó)外擴(kuò)散廠退役的思路看，首先是通過化學(xué)去污法去除管道、設(shè)備內(nèi)的鈾沉積物，一方面可使大部分放射性污染管道、設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉?、可回收利用的，?shí)現(xiàn)放射性廢物最小化[6-7]，另一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾元素的回收；其次是對(duì)經(jīng)去污處理的設(shè)備、管道、廠房等進(jìn)行評(píng)估，利用破壞性或非破壞性取樣測(cè)定其放射性污染的程度，進(jìn)行分類處理和利用；最后按既定退役方案進(jìn)行拆除工作，整個(gè)退役過程加強(qiáng)輻射防護(hù)和輻射監(jiān)測(cè)。而國(guó)內(nèi)擴(kuò)散廠退役[8]思路也與之類似。從國(guó)內(nèi)外鈾濃縮廠運(yùn)行情況看，暫時(shí)還沒離心工廠退役的先例。

1.2 鈾濃縮子系統(tǒng)退役的經(jīng)驗(yàn)

由于多種因素，鈾濃縮廠子系統(tǒng)不再使用也面臨退役。比如**系統(tǒng)7#料流不再使用已退役，其退役思路是對(duì)7#料流進(jìn)行封存、實(shí)時(shí)壓力監(jiān)測(cè)，當(dāng)壓力超過26Pa時(shí)抽空，始終維持其封閉低壓狀態(tài)防止放射性物質(zhì)擴(kuò)散。對(duì)于完好設(shè)備，經(jīng)過吹洗，取內(nèi)腔樣判定處理合格后拆除再利用，比如**系統(tǒng)運(yùn)行后更換的補(bǔ)壓機(jī)均來自7#料流。因此，鈾濃縮廠子系統(tǒng)退役思路可概括為：暫時(shí)封存、定期監(jiān)測(cè)和抽空、擇時(shí)再利用。

2 離心工廠組成特點(diǎn)和鈾沉積物

由于國(guó)內(nèi)外尚無離心工廠退役的先例可借鑒，因此必須充分了解離心工廠的組成、特點(diǎn)和鈾沉積物形成及分布方可進(jìn)行后續(xù)退役思路的研究。

2.1 離心工廠組成及特點(diǎn)

離心工廠主要由級(jí)聯(lián)系統(tǒng)、供取料系統(tǒng)、工藝輔助系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（供水、壓縮空氣、空調(diào)系統(tǒng)等）、自控儀表、供電系統(tǒng)、取樣分析系統(tǒng)、液化均質(zhì)、廠房等組成[1]，具體見圖1。其中級(jí)聯(lián)系統(tǒng)主要功能是鈾同位素分離，供取料系統(tǒng)主要功能為：a）向級(jí)聯(lián)系統(tǒng)提供合格氣態(tài)原料；b）收集級(jí)聯(lián)系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品和貧料。其他系統(tǒng)均是為級(jí)聯(lián)、供取料系統(tǒng)提供日常生產(chǎn)所需的電能、冷卻水、壓空、抽空、吹洗、產(chǎn)品豐度分析、參數(shù)收集與控制等服務(wù)，保證離心工廠連續(xù)生產(chǎn)。endprint

離心工廠具有以下特點(diǎn)：

1）設(shè)計(jì)壽期：各系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽期大為不同，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備主機(jī)、自控儀表系統(tǒng)、不間斷電源等設(shè)計(jì)壽期一般為15年，其他系統(tǒng)無具體的設(shè)計(jì)壽命和使用期限。

2）生產(chǎn)特點(diǎn)：工作介質(zhì)UF6經(jīng)供料凈化系統(tǒng)凈化合格后通過供料系統(tǒng)以一定壓力和流量供入級(jí)聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行鈾同位素的分離，生產(chǎn)的產(chǎn)品和尾料分別被供取料系統(tǒng)的精、貧料系統(tǒng)收集，具體如圖1。日常生產(chǎn)具有兩大特點(diǎn)：a）整個(gè)生產(chǎn)過程UF6均在負(fù)壓下進(jìn)行傳輸、分離、收集；b）離心工廠啟動(dòng)投產(chǎn)后連續(xù)運(yùn)行。

3）主設(shè)備特點(diǎn)：a）主機(jī)特點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)后常年連續(xù)運(yùn)行、高轉(zhuǎn)速、零維修、中間停機(jī)無法單獨(dú)再次啟動(dòng)、損機(jī)或性能下降不能單獨(dú)更換、無備用、故障率低（年損機(jī)率小于2‰）等；b）其他系統(tǒng)主設(shè)備：日常生產(chǎn)情況下常年連續(xù)運(yùn)行，但一般設(shè)有多個(gè)備用設(shè)備，故障或停機(jī)時(shí)可在不影響生產(chǎn)的情況進(jìn)行檢修或更換。

4）工作介質(zhì)特點(diǎn)：工作介質(zhì)為UF6[1]，化學(xué)性質(zhì)活潑，腐蝕性強(qiáng)，能與金屬、水、有機(jī)物（幾乎所有）、油劑、普通塑料等發(fā)生劇烈反應(yīng)。

5）生產(chǎn)工藝系統(tǒng)特點(diǎn)：生產(chǎn)工藝系統(tǒng)（級(jí)聯(lián)系統(tǒng)、供取料系統(tǒng)及工藝輔助系統(tǒng)）具有高度的密封性和清潔度。離心工廠的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)是在負(fù)壓下工作的，因此必須保持嚴(yán)格的密封性，否則一旦密封性破壞，空氣大量涌入，則可能造成主機(jī)大量損壞的重大事故。其次，清潔度也是比不可少，如果系統(tǒng)清潔度達(dá)不到要求，則導(dǎo)致投料后UF6將與其反應(yīng)生成大量輕雜質(zhì)，影響主機(jī)的壽命和分離性能。

6）長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和可靠性：離心工廠的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)一旦啟動(dòng)，就要求常年連續(xù)運(yùn)行。因此，離心工廠要求非?？煽康墓╇?，必須配置不間斷電源。此外，離心工廠的供料和取料、冷卻水、壓空等的供應(yīng)均不允許中斷運(yùn)行，具體如圖2所示。

2.2 鈾沉積物的形成和分布

離心工廠級(jí)聯(lián)、供取料系統(tǒng)在負(fù)壓下連續(xù)運(yùn)行幾十年，系統(tǒng)漏入空氣不可避免，使得UF6與漏入空氣中的水反應(yīng)，生成固態(tài)低價(jià)鈾氟化物。此外，級(jí)聯(lián)、供取料等系統(tǒng)雖在投料前經(jīng)過長(zhǎng)期抽空和真空干燥，但仍有較多水分殘存在設(shè)備、管道、主機(jī)等處，投料后也逐漸與UF6反應(yīng)，生成固態(tài)低價(jià)鈾氟化物。此外，UF6還與金屬、有機(jī)物（幾乎所有）、油劑、普通塑料等發(fā)生劇烈反應(yīng)，結(jié)果總是UF6被還原成固態(tài)的低價(jià)鈾氟化物。上述反應(yīng)可歸結(jié)為UF6的消失和固態(tài)金屬氟化物、鈾低價(jià)氟化物及UO2F2的生成。根據(jù)離心級(jí)聯(lián)內(nèi)固態(tài)沉積物成分分析，氟化鈾酰（UO2F2或UOF4）占比90%以上，其余則為鈾氟化物或氧化物、雜質(zhì)元素等。

從UF6與水、金屬、有機(jī)物等反應(yīng)過程和生產(chǎn)特點(diǎn)易知，生成的鈾化合物分布于級(jí)聯(lián)、供取料及部分工藝輔助系統(tǒng)內(nèi)，主要由兩部分組成：1）金屬設(shè)備內(nèi)表面的鈾沉積物；2）在系統(tǒng)內(nèi)位置動(dòng)態(tài)變動(dòng)的鈾氟化物，可能沉積在管徑較細(xì)的孔板、主機(jī)料管等處。

3 退役思路的研究

3.1 退役思路的分析

從離心工廠組成和特點(diǎn)易知，離心工廠的主設(shè)備主機(jī)一經(jīng)啟動(dòng)后高轉(zhuǎn)速常年連續(xù)運(yùn)行，且其損壞或性能下降無法進(jìn)行維修或更換。由于長(zhǎng)期的負(fù)壓運(yùn)行導(dǎo)致動(dòng)態(tài)鈾沉積物在級(jí)聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)傳輸，當(dāng)沉積在主機(jī)料管等處時(shí)會(huì)導(dǎo)致主機(jī)性能下降。因此，當(dāng)主機(jī)損機(jī)較多或性能大幅下降嚴(yán)重影響生產(chǎn)時(shí)，將提高離心工廠生產(chǎn)成本導(dǎo)致虧損，此時(shí)需進(jìn)行退役準(zhǔn)備。如果主機(jī)等設(shè)備設(shè)計(jì)壽期已過，而各系統(tǒng)生產(chǎn)良好，可申請(qǐng)離心工廠延壽，繼續(xù)進(jìn)行日常生產(chǎn)。

由此可見，一般情況下，主機(jī)的狀況直接決定離心工廠是否進(jìn)行退役。如果離心工廠退役過程中各系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行立即拆除或報(bào)廢，不再利用，經(jīng)濟(jì)上得不償失，也無法實(shí)現(xiàn)放射性廢物最小化?？紤]離心工廠大部分系統(tǒng)無明確的設(shè)計(jì)壽期和使用期限，還可繼續(xù)使用，所以從經(jīng)濟(jì)性、安全性角度分析，離心工廠的退役經(jīng)可歸結(jié)為主機(jī)等少數(shù)關(guān)鍵設(shè)備的退役。

3.2 離心工廠退役思路的提出

針對(duì)上述分析，根據(jù)離心工廠特點(diǎn)，從安全性、經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外鈾濃縮擴(kuò)散廠和鈾濃縮廠子系統(tǒng)退役經(jīng)驗(yàn)，考慮離心工廠鈾沉積物的形成和分布，兼顧退役放射性廢物最小化，提出離心工廠退役思路，即主機(jī)等少數(shù)關(guān)鍵設(shè)備退役，具體如下：

1）經(jīng)去污處理后，僅對(duì)離心工廠主機(jī)進(jìn)行拆除、更換；更換后的報(bào)廢主機(jī)進(jìn)行抽空、暫時(shí)封存、定期檢查壓力和抽空；

2）利用主機(jī)停機(jī)退役更換，充分利用現(xiàn)代化的科技成果，重新優(yōu)化離心工廠各系統(tǒng)，使其離心工廠更加節(jié)能、環(huán)保、自動(dòng)化程度更高；淘汰或更換下的設(shè)備進(jìn)行抽空、暫時(shí)封存或進(jìn)行去污處理，滿足清潔解控水平后報(bào)廢回收金屬。

3）退役期間，加強(qiáng)輻射防護(hù)和輻射監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)超標(biāo)的廠房、設(shè)備進(jìn)行去污處理滿足退役現(xiàn)場(chǎng)工作要求。

3.3 退役思路的優(yōu)點(diǎn)

該退役思路在安全性、經(jīng)濟(jì)性以及廢物最小化方面都有優(yōu)點(diǎn)，具體為：

1）安全性：對(duì)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)去污處理后，在系統(tǒng)上更換主機(jī)更加安全；

2）經(jīng)濟(jì)性：首先該思路可充分利用現(xiàn)有廠房和系統(tǒng)大部分設(shè)備，相比新建工廠大大降低了投資金額；其次是省去系統(tǒng)大部分設(shè)備的拆除、再安裝工作，節(jié)約安裝調(diào)試時(shí)間和勞動(dòng)成本，相比新建工廠可提前約2年投運(yùn)；再次離心工廠退役后系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化可充分利用現(xiàn)代化的科技成果，使工廠更加節(jié)能、環(huán)保、自動(dòng)化程度更高，和新建工廠無異；最后含鈾放射性設(shè)備經(jīng)去污處理后可再次使用，相應(yīng)節(jié)約了放射性設(shè)備的運(yùn)輸、回爐等處理經(jīng)費(fèi)。

3）廢物最小化：僅對(duì)主機(jī)等少數(shù)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行更換，其它含鈾放射性管道、設(shè)備等經(jīng)去污后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾元素的回收，設(shè)備仍可再利用，這樣用于報(bào)廢的設(shè)備管道相對(duì)較少。

4 退役方案

圍繞上述退役思路，我們提出具體的退役方案，主要包括：去污處理、系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化、放射性廢物分類處理及輻射監(jiān)測(cè)等。

4.1 去污處理

為了降低主機(jī)設(shè)備更換及供取料系統(tǒng)優(yōu)化過程中的放射性水平，減少操作人員受輻照，方便退役工作的開展，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾元素的回收，減少放射性廢物的重量和體積，根據(jù)擴(kuò)散廠退役經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)際出發(fā)，利用ClF3氣體對(duì)含鈾系統(tǒng)進(jìn)行去污處理。三氟化氯[8-9]處理是一種有效的、安全的、經(jīng)濟(jì)的去污方法，可有效地去除大范圍的鈾沉積物。ClF3氣體可將級(jí)聯(lián)內(nèi)固態(tài)沉積物氟化成UF6、附屬產(chǎn)物為Cl2、O2及剩余ClF3，具體見反應(yīng)式（4）-（6）。反應(yīng)生成物以及剩余的ClF3均為氣態(tài)，可在供取料廠房進(jìn)行冷凝收集，降低去污過程中廢液的產(chǎn)量。endprint

ClF3處理的目的主要是去除系統(tǒng)內(nèi)的鈾沉積物，減少退役主機(jī)更換時(shí)放射性粉塵污染。當(dāng)級(jí)聯(lián)停運(yùn)抽空吹洗后，工藝系統(tǒng)仍殘留很多固體粉末及氣體懸浮物，在主機(jī)更換前如果不進(jìn)行處理，在更換過程中就會(huì)散落出來，污染廠房和周圍環(huán)境，危害工作人員和周圍居民的健康。如果不用ClF3進(jìn)行處理，系統(tǒng)內(nèi)的鈾沉積物將在清洗過程中轉(zhuǎn)化為廢水，不僅增加廢水處理的工作量和費(fèi)用，還增加管道、閥門、主機(jī)的去污難度。因此，ClF3處理不僅確保主輔系統(tǒng)的完整性，還有利于工作的銜接，保證處理效果滿足環(huán)保、安全要求，減少處理工作量，降低退役總費(fèi)用，在離心工廠停運(yùn)后立即實(shí)施ClF3去污處理是最佳選擇。

4.2 ClF3用量的估算

根據(jù)反應(yīng)式（1）和（2），離心工廠系統(tǒng)內(nèi)固態(tài)生成物生成時(shí)也生成HF，供取料系統(tǒng)的精料系統(tǒng)用于收集HF，其收集數(shù)量為日常生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，HF量是系統(tǒng)內(nèi)鈾沉積物的數(shù)量最直觀的體現(xiàn)。假如某離心級(jí)聯(lián)系統(tǒng)HF量為200g/天，按20年運(yùn)行時(shí)間估算，HF總收集量為1460Kg，利用（1）-（6）可估算出ClF3的最少用量為2250Kg。

4.3 退役過程中的去污

退役作業(yè)過程中，通過去污處理使各類設(shè)備、容器、地面墻壁等表面污染水平達(dá)到工作場(chǎng)所放射性表面污染控制標(biāo)準(zhǔn)。但仍有極少部分拆除的混凝土地面表面污染值大于豁免水平。此時(shí)，要求處理人員采取防護(hù)措施，使工作人員所受污染降低到最低水平。去污具體方法及注意事項(xiàng)可按國(guó)家或公司相關(guān)等規(guī)章制度具體制定并執(zhí)行。比如：對(duì)地面、墻壁、金屬容器、涂漆表面、塑料表面去污時(shí)，可采用5%碳酸鈉溶液。防毒面罩用5%碳酸鈉溶液擦洗后用酒精再清洗干凈。用去污劑浸透擦布或棉紗進(jìn)行擦洗、大面積污染可用吸水性較強(qiáng)的拖布，遵循由設(shè)備到地面，由輕污染區(qū)到重污染區(qū)的原則。

4.4 離心工廠各系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)退役思路，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，需專業(yè)設(shè)計(jì)院重新對(duì)離心工廠各子系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果，依據(jù)最新的科技成果進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化方向見表1。

4.5 放射性廢物最小化

放射性廢物最小化貫穿于退役整個(gè)過程，其基本要求是在退役過程中產(chǎn)生的放射性廢物的量和活度降到合理可行盡量低的水平。離心工廠退役思路可采用國(guó)內(nèi)外常用方法，具體包括優(yōu)化管理、減少源項(xiàng)、廢物的再循環(huán)、再利用、減容處理等[6-7]，并制定具體的管理措施或放射性廢物最小化方案。

4.6 輻射防護(hù)和輻射監(jiān)測(cè)

4.6.1 退役中的輻射防護(hù)

對(duì)于離心工廠退役而言，工藝設(shè)備、管道的拆卸過程中，雖經(jīng)ClF3進(jìn)行去污處理，但也無法百分百去除鈾放射物。雖然退役時(shí)鈾放射物的操作量較小，但其直接暴露在空氣中，所以必須采取特殊的防護(hù)措施，以減少放射性物質(zhì)對(duì)廠房和周圍環(huán)境的污染。在退役的過程中，針對(duì)不同的工作場(chǎng)所，結(jié)合不同的工藝，制定相應(yīng)的輻射防護(hù)措施。

4.6.2 退役中的輻射監(jiān)測(cè)

退役相當(dāng)于鈾濃縮工藝的延續(xù)，其鈾物料只是生產(chǎn)時(shí)的殘存物料，其操作量大大降低，所以退役時(shí)輻射監(jiān)測(cè)性質(zhì)與鈾濃縮工藝生產(chǎn)時(shí)相當(dāng)，即放射性主要危害是放射性氣溶膠的吸入。輻射監(jiān)測(cè)分為常規(guī)監(jiān)測(cè)和臨時(shí)監(jiān)測(cè)，主要根據(jù)具體退役工作的需要進(jìn)行輻射監(jiān)測(cè)大綱和監(jiān)測(cè)內(nèi)容的制定。外照射監(jiān)測(cè)，主要對(duì)易產(chǎn)生鈾沉積的部位進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

經(jīng)過分析和經(jīng)驗(yàn)借鑒，離心工廠的退役思路可歸納為主機(jī)等少數(shù)關(guān)鍵設(shè)備的退役。依據(jù)退役思路，文中提出了相應(yīng)的退役方案，不僅探討了

用ClF3工作物質(zhì)進(jìn)行去污處理的必要性和有效性，還估算出ClF3用量，最后在離心工廠系統(tǒng)優(yōu)化方面給出相應(yīng)的優(yōu)化方向，從而為國(guó)內(nèi)離心工廠的退役提供參考。

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