六氟化鈾容器激光清洗技術(shù)研究

時(shí)燁華

摘 ? 要：為解決六氟化鈾容器傳統(tǒng)的濕式清洗方式的廢水量多、清洗成本太高、存在臨界安全隱患等問(wèn)題，引入了干式清洗方式，即激光清洗技術(shù)。在綜述了目前國(guó)內(nèi)六氟化鈾容器清洗方法和闡述了激光清洗在國(guó)內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上介紹了激光清洗原理。舉例計(jì)算了740L容器激光清洗所需的理論能耗值。并從能耗、成本、環(huán)保和安全四個(gè)方面對(duì)化學(xué)清洗、高壓水清洗和激光清洗三種方法進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)激光清洗六氟化鈾容器的技術(shù)具有低耗能、低成本、高環(huán)保、高安全的優(yōu)越性。結(jié)果表明激光清洗技術(shù)的研究是未來(lái)六氟化鈾容器清洗的發(fā)展方向，有著廣闊的發(fā)展前景和重要的意義。

關(guān)鍵詞：六氟化鈾容器 ?激光清洗 ?清洗技術(shù)

中圖分類號(hào)：TL21 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（b）-0067-03

Abstract： In order to solve the problem of the traditional wet cleaning method of uranium hexafluoride vessel， like ?too much waste water，thehigh cost， critical security risks and ect. To introduced a kind of dry cleaning method， that is， laser cleaning technology. Based on the review of the domestic cleaning methods of uranium hexafluoride and the research progress of laser cleaning in various fields at home and abroad， the principle of laser cleaning is introduced. The theoretical energy consumption values for the 740L container laser cleaning are calculated. And from the energy consumption， cost， environmental protection and safety of four aspects of chemical cleaning， high pressure water cleaning and laser cleaning three methods were compared. It is found that the technology of laser cleaning uranium hexafluoride vessel has the advantages of low energy consumption， low cost， high environmental protection and high safety. The results show that the research of laser cleaning technology is the future development direction of uranium hexafluoride container cleaning， and has broad prospects and important significance.

Key Words： Uranium hexafluoride container; Laser cleaning; Cleaning technology

六氟化鈾容器在殘存量超標(biāo)、到達(dá)壓力檢測(cè)時(shí)間、豐度改變、 內(nèi)部清潔情況不確定、 容器有缺陷五種情況下必須進(jìn)行清洗，目前六氟化鈾容器清洗方法有化學(xué)清洗和高壓水清洗兩種方法。

國(guó)內(nèi)主要采用化學(xué)清洗方法。先加入不超過(guò)22L水進(jìn)行水解，再加入5%碳酸鈉水溶液與30%左右雙氧水混合加熱溶液多次堿洗，然后多次水洗，之后加入4.5%草酸水溶液除銹，最后進(jìn)行吹干、烘干、真空測(cè)漏等流程，到期容器還需進(jìn)行水壓試驗(yàn)。這種方法消耗試劑種類多，試劑量大，放射性廢水量約為容器容積的3倍。

2017年，405廠的高壓水清洗740L六氟化鈾容器試驗(yàn)成功，用高壓水噴射容器內(nèi)壁代替堿洗、水洗、除銹。水射流以很高的沖擊動(dòng)能，連續(xù)不斷地作用在容器內(nèi)表面，從而使殘料和鐵銹脫落，達(dá)到清洗目的。這種方法不消耗試劑，放射性廢水量約為容器容積的0.6倍。

以上兩種方法都是濕法清洗，會(huì)產(chǎn)生一定量的放射性廢水，不能直接排放，后續(xù)需要鈾回收和廢水處理工序的支撐。且濕法清洗還涉及核臨界問(wèn)題，存在安全隱患。

激光清洗是一種干式清洗方法，高能激光束照射在物體表面，污物吸收能量后從物體表面汽化分離。這種清洗方法不產(chǎn)生放射性廢水，不存在核臨界問(wèn)題，是一種綠色安全的清洗技術(shù)，是未來(lái)六氟化鈾容器清洗的研究方向。

1 ?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在理論研究方面，國(guó)外激光清洗研究起步于20世紀(jì)80年代中期，但直到90年代初才真正步入生產(chǎn)中，在許多場(chǎng)合逐步取代傳統(tǒng)清洗方法[1]。最初有關(guān)激光清除表面小顆粒的文獻(xiàn)是在1987年由Petrov領(lǐng)導(dǎo)的研究小組所發(fā)表[2]。國(guó)內(nèi)的林喬等人對(duì)原理進(jìn)行了深入的分析，主要包括光汽化分解、共振破碎、污物粒子熱膨脹、基體表面振動(dòng)和粒子振動(dòng)四個(gè)方面[3-4]。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，最早的干式激光清洗是1990年激光清洗金屬基底[5]。最先開(kāi)始于微電子行業(yè)，是為了滿足工業(yè)生產(chǎn)上清除存儲(chǔ)器模板上的微小顆粒的需要而產(chǎn)生，最初的探索是以激光直接照射待清洗物品上，并被正式地確認(rèn)為一種行之有效的清洗方法，影響著高精度電子工業(yè)的發(fā)展。G.X.Chen等人利用激光清洗技術(shù)進(jìn)行了鋼材表面除漆的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明激光除漆具有巨大的潛在價(jià)值，將很有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的除漆方法[6]。Ph.Delaporte等人對(duì)核設(shè)施金屬表面附著有放射性氧化物的情況進(jìn)行去污，結(jié)果顯示采用的XeCl準(zhǔn)分子激光器能取得很好的去污效果[7]。此外，激光清洗在其他方面的研究也取得了很好的成果，包括文物藝術(shù)品、光學(xué)元等。

2 ?激光清洗原理

激光清洗上是激光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程，包括很多化學(xué)物理效應(yīng)。許多研究人員做了大量的研究，證明了污物和物體表面之間的結(jié)合力主要有：共價(jià)鍵、雙偶極子、毛細(xì)作用、氫鍵、范德瓦爾斯力和靜電力。激光清洗其實(shí)就是利用激光的高能量等特性，破壞掉污物和物體表面的這些力，但不破壞物體本身。

由于污染物的成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激光與之作用的機(jī)理也有所不同，科學(xué)家們提出了各種理論模型。最常用的有以下三種：

（1）激光可以實(shí)現(xiàn)能量在時(shí)間和空間上的高度集中，聚焦的激光束在焦點(diǎn)附近可產(chǎn)生幾千度甚至幾萬(wàn)度的高溫，使污垢瞬間蒸發(fā)、汽化或分解。

（2）激光束的方向性好，發(fā)散角小，激光束通過(guò)聚光系統(tǒng)能聚成不同直徑的光斑。在能量相同的情況下，控制不同直徑的光斑可以調(diào)整激光的能量密度，使污垢受熱膨脹。當(dāng)污垢的膨脹力大于污垢對(duì)基體的吸附力時(shí)，污垢便會(huì)脫離物體的表面。動(dòng)力學(xué)過(guò)程見(jiàn)圖1（b）。

（3）激光光束可以通過(guò)在物體表面產(chǎn)生超聲波，產(chǎn)生力學(xué)共振，使污垢破碎脫落。圖l（a）形象地表示了激光清洗的機(jī)理。高亮度和方向性好的激光，通過(guò)光學(xué)聚焦整形系統(tǒng)把高能量的激光束，照射物品需要清洗的部位，激光器發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收，通過(guò)光剝離、氣化、超聲波等過(guò)程，使污染物脫離物體表面。激光束沿著一定的軌跡掃描，就可以實(shí)現(xiàn)大面積的清洗[8]。

激光清洗有激光干洗和激光液膜兩種。為了不引入水，我們采用干式清洗。干式清洗六氟化鈾容器可能有兩種效應(yīng)同時(shí)作用，即六氟化鈾吸收能量升華和筒壁吸收能量振動(dòng)。筒壁振動(dòng)就是激光能量被基體吸收后使得基體產(chǎn)生振動(dòng)，從而與污物粒子分離。而六氟化鈾升華需通過(guò)壓縮空氣載帶出，再通過(guò)液氮冷凝儲(chǔ)存。

3 ?激光清洗740L六氟化鈾儲(chǔ)運(yùn)容器理論能量計(jì)算

3.1 激光能量只被六氟化鈾吸收

740L六氟化鈾儲(chǔ)運(yùn)容器最大允許殘存量為11.5kg，且其污染物主要為六氟化鈾及少量的氟化鈾酰。我們理論認(rèn)為其全部為六氟化鈾，且激光能量全部被殘料吸收且轉(zhuǎn)化為升華熱。計(jì)算740L六氟化鈾儲(chǔ)運(yùn)容器激光清洗所需理論能量值：

固態(tài)六氟化鈾熱熔（溫度范圍250～337.212K）為：

Cp（J/mol·K）=84.0260+674.285×10-3T+438.450× 104T-2，

常壓下，六氟化鈾從20℃（293.15K）到達(dá)升華點(diǎn)為56.4℃（329.55），升華能量為：

Q1=CM△T=∫329.55293.15（84.0260+674.285×10-3T+438.450×104T-2）MdT

注：其中M為六氟化鈾物質(zhì)的量

以740L六氟化鈾容器為例，該容器最大殘存量為11.5kg（32.67mol），則該容器所需升華能量為Q1=349553.142J，約350kJ。

3.2 激光能量只被容器筒壁吸收

我們認(rèn)為激光能量理論上只被基體（即碳鋼筒壁）吸收。

為了定量討論基體振動(dòng)所產(chǎn)生的加速度，我們假定能量密度為F、持續(xù)時(shí)間為t的均勻激光脈沖照射在容器壁上，則上表面的溫度升高為：

△T=（1-R）F/ρCμ

注：R為表面反射率，F(xiàn)為清洗閾值，ρ為密度，C為比熱，μ為激光脈沖時(shí)間內(nèi)的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度。由以上溫度升高引起的表面標(biāo)準(zhǔn)熱膨脹量為：

H=αμ△T=（1-R）Fα/ρC

注：α為熱膨脹系數(shù)。

通常，金屬的清洗閾值1J/cm2和10 J/cm2，我們選1 J/cm2。沖擊時(shí)間t為10ns。容器壁為碳鋼，R約為0.5，C=0.46J/g℃，ρ=7.85g/cm2，α約為10.6×10-6K-1。則H約為3×10-6cm。

V=H/t≈3×102cm/s。

a=H/t2≈3×1010cm/s2

由此可見(jiàn)，在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的加速度壁重力加速度大3千萬(wàn)倍，如此大的基底表面加速度足以將粒子噴射出去。

740L容器清洗所需能量Q=F·S

注：F=1 J/cm2，740L容器內(nèi)表面積S=47047cm2，

則：Q2≈48kJ。

兩種效應(yīng)同時(shí)作用時(shí)所需最大能量為：

Q=Q1+Q2≈350+47≈398kJ

目前國(guó)內(nèi)激光轉(zhuǎn)化率為25%左右，則電耗能約為1592kJ。

4 ?六氟化鈾容器傳統(tǒng)清洗方法與激光清洗技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

（1）能耗：目前國(guó)內(nèi)紅華公司高壓水清洗740L清洗設(shè)備功率為15kW，運(yùn)行時(shí)間約6h，耗能324000kJ，遠(yuǎn)大于1592kJ。此外化學(xué)清洗需配置試劑、真空輸送、壓空輸送、轉(zhuǎn)動(dòng)清洗等都需要消耗很大電能。而且這兩種濕法清洗均需熱壓空吹干與24h烘干，耗能巨大。而激光清洗僅激光發(fā)生器和氣體載帶裝置耗能，能耗相比前兩種小很多。

（2）成本：化學(xué)清洗法與高壓水清洗法均通過(guò)鈾回收廠房、廢水處理廠房（膜處理+噴霧干燥，或膜處理+石灰沉淀）清水池、濃水池等，化學(xué)清洗法還需專門設(shè)置試劑配置裝置，工程費(fèi)用很高，工藝流程復(fù)雜，造成清洗容器成本居高不下。目前，清洗一臺(tái)3m3容器造價(jià)大體接近制造一臺(tái)新容器的價(jià)格。而激光清洗法可僅需要相應(yīng)的激光發(fā)生裝置、壓空以及液氮冷凝裝置，可大大降低廢水處理成本。

（3）環(huán)保：化學(xué)清洗方法廢水量約為3倍容器容積;高壓水清洗方法廢水量約為0.6倍容器容積;激光清洗方法不產(chǎn)生廢水。而且，激光清洗是一種非接觸清洗，對(duì)于遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗，提高工人的操作環(huán)境有著重要的意義。

（4）安全程度：化學(xué)清洗法與高壓水清洗法均使放射性物料與水接觸，存在臨界安全問(wèn)題;激光清洗法是干式清洗，直接將物料升華成氣體或者通過(guò)容器筒壁振動(dòng)剝離成固體顆粒，不存在臨界安全問(wèn)題。

5 ?結(jié)語(yǔ)

激光清洗六氟化鈾容器是一種節(jié)能、降本、環(huán)保、安全的清洗方法，且在很多領(lǐng)域已經(jīng)得以應(yīng)用，是未來(lái)六氟化鈾容器清洗的發(fā)展方向，有著廣闊的發(fā)展前景和重要的意義。

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