《处理与处置》(8)放射性去污.ppt

放射性废物处理与处置 李全伟西南科技大学国防科技学院核废物与环境安全国防重点学科实验室 放射性废物处理与处置 内容提要8 放射性污染的去污 p159 183 8 1去污基本概念8 2去污方法选择原则8 3去污方法8 4去污技术的应用 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 在操作和使用放射性物质的过程中 不可避免的会造成各种放射性污染 放射性污染是造成辐射危害的途径之一 必须对工作人员和工作场所的放射性污染加以控制 核设施不论采取哪种退役方式 都少不了对放射性污染的去除 放射性去污技术是21世纪放射性废物管理和核设施退役的关键技术 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 8 1去污基本概念去污的定义 用物理 化学或生物的方法去除或降低放射性污染的过程 去污实际上只改变了放射性核素的存在形式和位置 如下式表示 被污染的物体 污染的放射性核素D 去污剂 二次废物S 经过去污净化了的物体 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 去污因子 去污前污染物放射性活度与去污后放射性活度之比 DF用K表示 去污率 去除的放射性活度占去污前放射性活度的份数 用 表示 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 余污率 去污后剩余的放射性活度占去污前放射性活度的份数 去污指数 去污因子的对数D 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 多种去污技术联用时 总去污因子为各单种方法去污因子的乘积 总去污指数为各单种方法去污指数之和 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 去污的作用和意义运行管理和检修 合理降低总的放射性照射 退役去污 便于手动拆卸技术的使用 废物治理 使废物可以降级处理和处置 长期监护 缩短监护贮存周期 环境整治 使场地和设施不受限制使用 其它目的 如经济目的 事故处理等 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 8 2去污方法选择原则污染形成机制沉积和附着作用 附着性污染 分子力作用 容易去污 表面静电作用 弱固定性污染 物理吸附 较易去污 吸附和离子交换作用 弱固定性污染 化学反应或离子交换 较难去污 扩散渗透作用 强固定性污染 扩散 渗入到基材 很难去污 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 选择原则 安全性 经济性和可实现性理想的去污工艺 最大的去污因子 最少的二次废物 最少的受照剂量和环境影响 去污技术评价 1 去污目标 2 受照剂量和环境影响 3 废物处理 处置系统的相容性 4 去污工艺的代价 利益 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 去污工艺技术运行核设施和设备的去污退役核设施的去污污染深度1 10 m 98 放射性 10 40 m 2 40 50 m 0 1 锈斑和污垢不同金属去污 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 去污需要重视的问题优化选择 热点 去污二次废物二次污染安全问题探测措施设计考虑人员培训 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 8 3去污方法放射性污染去污技术正在快速发展中 去污技术有四种基本工艺类型 机械 物理法 化学法 电化学法 熔炼法 每种工艺对特定系统 结构及装置的适用范围和去污效率各不相同 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 1 机械 物理法利用擦 刷 磨 刮 削 刨 共振等机械作用除去表面的锈班 污垢或表面涂层 氧化膜层 1 吸尘法 2 机械擦拭法 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 3 高压射流利用射流的打击 冲蚀 剥离 切除作用来除垢 除锈 清焦和清洗 去除污染的放射性核素 射流压力 5 70MPa水流量 20 200L min高压泵功率 3 100kW入射角 60 70 去污因子 2 100 高压水喷洗去污流程示意图 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 主要影响因素 压力流量时间温度喷射方法化学试剂磨料 砂 干砂 氧化铝 锆氧砂 微钢珠 塑料珠 干冰等 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 4 超声去污利用超声的空化效应 加速度效应和声流效应对清洗液及污垢的直接和间接作用 使污垢分散 乳化 剥离 达到去污目的 选择声强1 2W cm2 频率20 50kHz 温度60 以磷酸为清洗液 适于小工件和仪表去污因子 10 1000 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 空化效应 当超声频的交变压力传入清洗液后 液体和工件表面上的原始气泡的体积骤然变化 在气泡闭合的瞬间产生上千个大气压的局部压力 这种气泡的生长及闭合运动称为 空化效应 清洗液空化产生的强力擦洗作用使表面污染层破裂剥落 然后又在破裂层下产生新的空化将污染层去除 空化效应在超声清洗中起决定性作用 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 超声清洗的机械冲击作用加速度效应是由于清洗液中的悬浮粒子在交变压力作用下被加速到极高的速度 冲击污染工件的表面使污染层脱露 而超声振动的能量即声流效应使污染工件表面粒子发生振动脱落 强化了清洗效果 加热清洗溶液和机械搅拌能提高去污效率 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 5 激光去污在极短时间内将光能转变成热能的 干式清洗 6 等离子体去污干法去污技术使用低温等离子体 温度几千度 将附着在物体表面的垢物除去 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 2 化学法化学去污原理 用浓的或稀的化学溶剂与污染的部件相接触 以溶解带有放射性核素的污染物 油漆涂层或氧化膜层 达到去污目的 化学作用 溶解 氧化 还原 配合 络合 螯合 钝化 缓蚀 表面湿润等 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 化学去污的优点 适用于难以接近的表面的去污 需要的工作时间少 能就地对工艺设备和管道进行去污 可遥控操作 化学去污产生放射性废气较少 清洗液经处理回收后一般可再次使用 采用的化学试剂易于获得 化学去污的缺点 对粗糙 多孔的表面去污效率低 产生的清洗废液体积较大 使用不当时会产生腐蚀和安全方面的问题 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 化学去污工艺浸泡去污射流去污循环去污涂覆剥离去污增加去污效果的措施 时间 搅拌 温度 浓度等 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 化学去污常用试剂无机酸类有机酸类碱类氧化还原类络合剂类去垢剂类表面活性剂类缓蚀剂类 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 1 水 水蒸气 水是一种广泛使用的去污剂 它可溶解化学物质或浸蚀和冲洗表面上的松散碎渣 它能用于所有的无孔表面 水去污剂的优点是价廉 容易获得 无毒 无腐蚀性 与大多数放射性废物系统相容 由于水的安全性质 它可用于大型设施和环境清洗作业 用蒸汽去污的优点是可减少用水量 水的缺点是一般需用大量的水 特别是水去污易使放射性污染物扩散而难以控制 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 2 无机酸及酸的盐强酸 其去污作用是破坏和溶解金属表面的氧化膜 降低溶液的pH值以增加溶解度或金属离子的交换能力 强酸去污快而有效 可有控制地用于工厂运行阶段 主要用于退役活动中 HNO3 强氧化剂 被广泛地用于溶解不锈钢体系的金属氧化膜层 HCl 退役工程中使用25 HCl 20 HNO3 3 HF去污效率高 但具有强腐蚀性 H3PO4 用于碳钢的去污 可对碳钢表面进行快速去膜和去污 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 酸的盐 用各种不同的弱酸和强酸的盐来代替酸本身 酸的盐与酸的去污方式一样 都是溶解或络合金属表面的氧化物 但是 它们也可提供游离的钠或铵离子以离子交换的方式置换污染物 其去污系数比单用酸更高 酸的盐优点是增加了酸去污的广泛性 产生较少腐蚀性的溶液 与酸相比 对人较为安全 常用 硫酸氢钠NaHSO4 硫酸钠Na2SO4 草酸铵 NH4 2C2O4 柠檬酸铵 NH4 2HC6H5O7和氟化钠NaF 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 3 有机酸及络合剂有机酸及络合剂具有溶解金属氧化膜和分离金属污染物的双重作用 常与洗涤剂 酸或氧化剂的溶液混合使用 以提高去污系数 主要用于工厂运行阶段 较少用于退役工程 有机酸及络合剂的优点是腐蚀性弱 安全性较高 缺点是价格昂贵 反应速度较慢 常用的有机酸及络合剂包括柠檬酸 草酸及草酸过氧化物 乙二胺四乙酸等 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 4 碱和含碱盐苛性碱溶液用于去除油腻 油膜 油漆和其他涂层 可去除碳钢的铁锈以及中和酸 作为表面钝化剂等 用碱性溶液的优点是价廉 易贮存 比用酸的材料问题少 缺点是反应时间长 对铝有破坏作用 另外 也有被碱烧伤的危害性 常用于去污的碱性试剂包括 氢氧化钾KOH 氢氧化钠NaOH 碳酸钠Na2CO3 磷酸钠Na3PO4和碳酸铵 NH4 2CO3等 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 5 氧化和还原剂在去污中 氧化剂被广泛用于处理金属氧化膜 溶解裂变产物 为达到保护或腐蚀之目的对金属表面进行氧化处理 许多金属在高氧化态下易碎裂或溶解 碱性高锰酸盐被广泛用于处理不锈钢 氧化还原剂的优点是在许多化合物的溶解液中起独特的作用 缺点是与一些化合物产生剧烈反应 在放射性废物处理前需要进行中和 常用高锰酸钾 KMnO4 重铬酸钾 K2Cr2O7 和过氧化氢 H2O2 等 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 6 去垢剂和有机溶剂去垢剂是处理各种设施表面 设备 衣物和玻璃制品等有效而柔和的通用型清洁剂 但它们在有金属腐蚀和持久性污染物时效果并不好 有机溶剂可被用于去除物体表面上的有机物质 油脂 石蜡 油和油漆 还用于清洁衣物 由于具有可燃性和毒性蒸气 最好在小区域内或封闭系统中使用 大多数放射性废物系统不能处理有机溶剂 用于去污的有机溶剂 煤油 三氯乙烷 四氯乙烷 三氯乙烯 二甲苯 石油醚 酒精等 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 7 缓蚀剂缓蚀剂用来抑制腐蚀反应和基体金属的损失 缓蚀剂是有机极性化合物 同附着的H原子形成碳链或环 具有诸如氨基 NH2 磺基 SO3 或羧基 CO2 这样一种极性基 这种极性基是带电不对称的 倾向于被强烈吸附在易于腐蚀的金属表面上 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 8 表面活性剂表面活性剂可以降低液体表面张力 使液体与表面更好的接触 常用作润湿剂和乳化剂 它们通常由长碳 碳骨架加上含有氮 氧或硫原子的极性基组成 极性基是亲水的 而烃部分是疏水的 这些分子趋向于迁移到水油界面 那里极性基将被吸引至水相 而烃残留物则仍留在油相 洗涤剂价廉 安全 缺点是作用有限 可能会在放射性废物系统中释放出泡沫或氨气 常用的表面活性剂 十二烷基硫酸钠 烷基磺酸盐等 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 特种化学去污法 可剥离膜去污法一种高分子溶液或水性分散乳液 用喷雾法或涂刷法将其施加于待去污物体的表面 干燥后成膜 成膜过程中高分子链上的官能团以及其中的络合剂与污染核素发生作用 将污染核素萃取进膜中 剥掉涂膜便达到去污目的 剥下来的膜易压缩 也可焚烧处理 可剥离膜还可起到封闭包容作用 隔离污染物体 防止污染扩散 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 特种化学去污法 超临界萃取去污法处于临界温度和临界压力上的流体 兼有气液双重特性 既有气体的高扩散性 低黏性 可压缩性和渗透性 又有与液体相近的密度和溶解能力 将污染物置于萃取室与超临界流体CO2接触 加压到300atm 加温到80 维持20min 然后抽出CO2 减压升温 使超临界流体变为普通液体 把萃取的放射性核素 释放 出来 达到去污目的 对 放射性核素 95 对 放射性核素 70 75 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 3 电化学法在含有电解液的槽中 污染物做阳极 电解槽做阴极 通过高密度电流100 2000A m2 不断更新电解液 可除去金属表面污染物 使其表面变得光滑清洁 电化学去污原理图 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 4 熔炼法通过加入适当的助熔剂 使放射性核素进行重新分配 废金属熔炼放射性分配情况见表8 5 100t污染废钢铁熔炼后产生大约3t炉渣 可直接处置 熔炼出来的金属达到清洁解控水平者 可有限制或无限制地使用 表8 7三种去污方法优缺点比较 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 5 生物法微生物净化的机理尚不十分清楚生物去污法选择性强 适用于大体积 低浓度的放射性 重金属和有机污染物的去污生物去污目前尚未大规模推广应用 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 8 4去污技术的应用在役去污 1 AP AC法 碱性高锰酸钾 柠檬酸铵 法国 Cr2O3 2 AP CITROX法 碱性高锰酸钾 柠檬酸草酸混合液 Fe3O4锈层 3 CAN DECON法 弱酸型有机酸 加拿大坎杜堆 CANDU Fe3O4锈层 60Co 钴铁氧体 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 退役去污 1 铈氧化法 2 CORD UV法 化学氧化还原法 德国卡尔斯鲁厄研究中心 3 CORPEX法 强有机络合剂 美国汉福特核基地 4 SANIDIN泡沫去污法 法国CEA专利 5 FL AP法 酸碱交替 对后处理厂的固定污染设备去污 821厂退役清洗使用 放射性废物处理与处置第八章放射性污染的去污 混凝土去污一项繁重而艰巨的任务 污染核素向内渗透3 5mm 有的达1 2cm 甚至更深 通常用物理法去污 基本设计思想是用机械法或局部高温法 有控制地破坏污染层 同时捕集所产生的气溶胶尘埃和收集所产