张玉春+周风华+叶有州+谢国和
【摘 要】本文总结了国内外铀浓缩扩散厂及子系统退役的经验，并对离心工厂的组成特点及铀沉积物的形成和分布进行分析。经过分析，离心工厂的退役思路可归结为主机等少数关键设备的退役。依据退役思路，文中提出了相应的退役方案，不仅探讨了用ClF3工作物质进行去污处理的必要性和有效性，还计算出ClF3用量，最后在离心工厂退役后系统优化方面给出相应的优化方向，从而为国内离心工厂的退役提供参考。
【关键词】离心工厂；铀沉积物；退役；ClF3；优化
中图分类号： TQ028 文献标识码： A 文章编号： 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
气体离心法是目前国内外经济性最佳的铀同位素分离方法[1]。由于单机分离能力有限，需要将许多主机串联、并联起来组成级联系统[1]进行铀同位素的分离。离心工厂自投产后连续运行，当运行超过设计寿命或其他原因终止其运行时需考虑退役。同其他核设施退役一样，通过退役可将离心工厂残留的放射性和其他有害物质的危害作用减少到可接受的水平。
本文借鉴国内外铀浓缩扩散厂及子系统退役经验，对离心工厂退役思路进行研究，從安全和经济性角度研究探索退役思路，为国内离心工厂的退役提供参考。
1 铀浓缩核设施退役经验
早期核设施退役被分为监护封存、有限使用和限制开放使用三个级别。随着去污[2]技术、切割解体技术的发展，以及对核设施退役认知的提高，现在退役分为立即拆除和延缓拆除两类[3]。对于退役的核设施厂房，根据需要可拆除，也可去污后继续使用。因此，对于不同的核设施，具体退役思路也不同，值得研究。
1.1 国内外扩散工厂退役的经验
由于气体扩散法不再是经济的铀浓缩生产方法，自上世纪80年代起，英国卡彭斯特、美国橡树岭等扩散厂[4-5]陆续关停退役。从国外扩散厂退役的思路看，首先是通过化学去污法去除管道、设备内的铀沉积物，一方面可使大部分放射性污染管道、设备转变为清洁的、可回收利用的，实现放射性废物最小化[6-7]，另一方面实现对铀元素的回收；其次是对经去污处理的设备、管道、厂房等进行评估，利用破坏性或非破坏性取样测定其放射性污染的程度，进行分类处理和利用；最后按既定退役方案进行拆除工作，整个退役过程加强辐射防护和辐射监测。而国内扩散厂退役[8]思路也与之类似。从国内外铀浓缩厂运行情况看，暂时还没离心工厂退役的先例。
1.2 铀浓缩子系统退役的经验
由于多种因素，铀浓缩厂子系统不再使用也面临退役。比如**系统7#料流不再使用已退役，其退役思路是对7#料流进行封存、实时压力监测，当压力超过26Pa时抽空，始终维持其封闭低压状态防止放射性物质扩散。对于完好设备，经过吹洗，取内腔样判定处理合格后拆除再利用，比如**系统运行后更换的补压机均来自7#料流。因此，铀浓缩厂子系统退役思路可概括为：暂时封存、定期监测和抽空、择时再利用。
2 离心工厂组成特点和铀沉积物
由于国内外尚无离心工厂退役的先例可借鉴，因此必须充分了解离心工厂的组成、特点和铀沉积物形成及分布方可进行后续退役思路的研究。
2.1 离心工厂组成及特点
离心工厂主要由级联系统、供取料系统、工艺辅助系统、辅助系统（供水、压缩空气、空调系统等）、自控仪表、供电系统、取样分析系统、液化均质、厂房等组成[1]，具体见图1。其中级联系统主要功能是铀同位素分离，供取料系统主要功能为：a）向级联系统提供合格气态原料；b）收集级联系统生产的产品和贫料。其他系统均是为级联、供取料系统提供日常生产所需的电能、冷却水、压空、抽空、吹洗、产品丰度分析、参数收集与控制等服务，保证离心工厂连续生产。endprint
离心工厂具有以下特点：
1）设计寿期：各系统设计寿期大为不同，级联系统中关键生产设备主机、自控仪表系统、不间断电源等设计寿期一般为15年，其他系统无具体的设计寿命和使用期限。
2）生产特点：工作介质UF6经供料净化系统净化合格后通过供料系统以一定压力和流量供入级联系统进行铀同位素的分离，生产的产品和尾料分别被供取料系统的精、贫料系统收集，具体如图1。日常生产具有两大特点：a）整个生产过程UF6均在负压下进行传输、分离、收集；b）离心工厂启动投产后连续运行。
3）主设备特点：a）主机特点：启动后常年连续运行、高转速、零维修、中间停机无法单独再次启动、损机或性能下降不能单独更换、无备用、故障率低（年损机率小于2‰）等；b）其他系统主设备：日常生产情况下常年连续运行，但一般设有多个备用设备，故障或停机时可在不影响生产的情况进行检修或更换。
4）工作介质特点：工作介质为UF6[1]，化学性质活泼，腐蚀性强，能与金属、水、有机物（几乎所有）、油剂、普通塑料等发生剧烈反应。
5）生产工艺系统特点：生产工艺系统（级联系统、供取料系统及工艺辅助系统）具有高度的密封性和清洁度。离心工厂的生产工艺系统是在负压下工作的，因此必须保持严格的密封性，否则一旦密封性破坏，空气大量涌入，则可能造成主机大量损坏的重大事故。其次，清洁度也是比不可少，如果系统清洁度达不到要求，则导致投料后UF6将与其反应生成大量轻杂质，影响主机的寿命和分离性能。
6）长期运行的安全性和可靠性：离心工厂的级联系统一旦启动，就要求常年连续运行。因此，离心工厂要求非常可靠的供电，必须配置不间断电源。此外，离心工厂的供料和取料、冷却水、压空等的供应均不允许中断运行，具体如图2所示。
2.2 铀沉积物的形成和分布
离心工厂级联、供取料系统在负压下连续运行几十年，系统漏入空气不可避免，使得UF6与漏入空气中的水反应，生成固态低价铀氟化物。此外，级联、供取料等系统虽在投料前经过长期抽空和真空干燥，但仍有较多水分残存在设备、管道、主机等处，投料后也逐渐与UF6反应，生成固态低价铀氟化物。此外，UF6还与金属、有机物（几乎所有）、油剂、普通塑料等发生剧烈反应，结果总是UF6被还原成固态的低价铀氟化物。上述反应可归结为UF6的消失和固态金属氟化物、铀低价氟化物及UO2F2的生成。根据离心级联内固态沉积物成分分析，氟化铀酰（UO2F2或UOF4）占比90%以上，其余则为铀氟化物或氧化物、杂质元素等。
从UF6与水、金属、有机物等反应过程和生产特点易知，生成的铀化合物分布于级联、供取料及部分工艺辅助系统内，主要由两部分组成：1）金属设备内表面的铀沉积物；2）在系统内位置动态变动的铀氟化物，可能沉积在管径较细的孔板、主机料管等处。
3 退役思路的研究
3.1 退役思路的分析
从离心工厂组成和特点易知，离心工厂的主设备主机一经启动后高转速常年连续运行，且其损坏或性能下降无法进行维修或更换。由于长期的负压运行导致动态铀沉积物在级联系统内传输，当沉积在主机料管等处时会导致主机性能下降。因此，当主机损机较多或性能大幅下降严重影响生产时，将提高离心工厂生产成本导致亏损，此时需进行退役准备。如果主机等设备设计寿期已过，而各系统生产良好，可申请离心工厂延寿，继续进行日常生产。
由此可见，一般情况下，主机的状况直接决定离心工厂是否进行退役。如果离心工厂退役过程中各系统统一进行立即拆除或报废，不再利用，经济上得不偿失，也无法实现放射性废物最小化。考虑离心工厂大部分系统无明确的设计寿期和使用期限，还可继续使用，所以从经济性、安全性角度分析，离心工厂的退役经可归结为主机等少数关键设备的退役。
3.2 离心工厂退役思路的提出
针对上述分析，根据离心工厂特点，从安全性、经济性角度出发，结合国内外铀浓缩扩散厂和铀浓缩厂子系统退役经验，考虑离心工厂铀沉积物的形成和分布，兼顾退役放射性废物最小化，提出离心工厂退役思路，即主机等少数关键设备退役，具体如下：
1）经去污处理后，仅对离心工厂主机进行拆除、更换；更换后的报废主机进行抽空、暂时封存、定期检查压力和抽空；
2）利用主机停机退役更换，充分利用现代化的科技成果，重新优化离心工厂各系统，使其离心工厂更加节能、环保、自动化程度更高；淘汰或更换下的设备进行抽空、暂时封存或进行去污处理，满足清洁解控水平后报废回收金属。
3）退役期间，加强辐射防护和辐射监测，对监测超标的厂房、设备进行去污处理满足退役现场工作要求。
3.3 退役思路的优点
该退役思路在安全性、经济性以及废物最小化方面都有优点，具体为：
1）安全性：对级联系统去污处理后，在系统上更换主机更加安全；
2）经济性：首先该思路可充分利用现有厂房和系统大部分设备，相比新建工厂大大降低了投资金额；其次是省去系统大部分设备的拆除、再安装工作，节约安装调试时间和劳动成本，相比新建工厂可提前约2年投运；再次离心工厂退役后系统重新设计优化可充分利用现代化的科技成果，使工厂更加节能、环保、自动化程度更高，和新建工厂无异；最后含铀放射性设备经去污处理后可再次使用，相应节约了放射性设备的运输、回炉等处理经费。
3）废物最小化：仅对主机等少数关键设备进行更换，其它含铀放射性管道、设备等经去污后可以实现对铀元素的回收，设备仍可再利用，这样用于报废的设备管道相对较少。
4 退役方案
围绕上述退役思路，我们提出具体的退役方案，主要包括：去污处理、系统重新设计优化、放射性废物分类处理及辐射监测等。
4.1 去污处理
为了降低主机设备更换及供取料系统优化过程中的放射性水平，减少操作人员受辐照，方便退役工作的開展，实现对铀元素的回收，减少放射性废物的重量和体积，根据扩散厂退役经验，从实际出发，利用ClF3气体对含铀系统进行去污处理。三氟化氯[8-9]处理是一种有效的、安全的、经济的去污方法，可有效地去除大范围的铀沉积物。ClF3气体可将级联内固态沉积物氟化成UF6、附属产物为Cl2、O2及剩余ClF3，具体见反应式（4）-（6）。反应生成物以及剩余的ClF3均为气态，可在供取料厂房进行冷凝收集，降低去污过程中废液的产量。endprint
ClF3处理的目的主要是去除系统内的铀沉积物，减少退役主机更换时放射性粉尘污染。当级联停运抽空吹洗后，工艺系统仍残留很多固体粉末及气体悬浮物，在主机更换前如果不进行处理，在更换过程中就会散落出来，污染厂房和周围环境，危害工作人员和周围居民的健康。如果不用ClF3进行处理，系统内的铀沉积物将在清洗过程中转化为废水，不仅增加废水处理的工作量和费用，还增加管道、阀门、主机的去污难度。因此，ClF3处理不仅确保主辅系统的完整性，还有利于工作的衔接，保证处理效果满足环保、安全要求，减少处理工作量，降低退役总费用，在离心工厂停运后立即实施ClF3去污处理是最佳选择。
4.2 ClF3用量的估算
根据反应式（1）和（2），离心工厂系统内固态生成物生成时也生成HF，供取料系统的精料系统用于收集HF，其收集数量为日常生产运行参数，HF量是系统内铀沉积物的数量最直观的体现。假如某离心级联系统HF量为200g/天，按20年运行时间估算，HF总收集量为1460Kg，利用（1）-（6）可估算出ClF3的最少用量为2250Kg。
4.3 退役过程中的去污
退役作业过程中，通过去污处理使各类设备、容器、地面墙壁等表面污染水平达到工作场所放射性表面污染控制标准。但仍有极少部分拆除的混凝土地面表面污染值大于豁免水平。此时，要求处理人员采取防护措施，使工作人员所受污染降低到最低水平。去污具體方法及注意事项可按国家或公司相关等规章制度具体制定并执行。比如：对地面、墙壁、金属容器、涂漆表面、塑料表面去污时，可采用5%碳酸钠溶液。防毒面罩用5%碳酸钠溶液擦洗后用酒精再清洗干净。用去污剂浸透擦布或棉纱进行擦洗、大面积污染可用吸水性较强的拖布，遵循由设备到地面，由轻污染区到重污染区的原则。
4.4 离心工厂各系统优化
根据退役思路，从经济性出发，需专业设计院重新对离心工厂各子系统进行综合评估，根据评估结果，依据最新的科技成果进行优化，具体优化方向见表1。
4.5 放射性废物最小化
放射性废物最小化贯穿于退役整个过程，其基本要求是在退役过程中产生的放射性废物的量和活度降到合理可行尽量低的水平。离心工厂退役思路可采用国内外常用方法，具体包括优化管理、减少源项、废物的再循环、再利用、减容处理等[6-7]，并制定具体的管理措施或放射性废物最小化方案。
4.6 辐射防护和辐射监测
4.6.1 退役中的辐射防护
对于离心工厂退役而言，工艺设备、管道的拆卸过程中，虽经ClF3进行去污处理，但也无法百分百去除铀放射物。虽然退役时铀放射物的操作量较小，但其直接暴露在空气中，所以必须采取特殊的防护措施，以减少放射性物质对厂房和周围环境的污染。在退役的过程中，针对不同的工作场所，结合不同的工艺，制定相应的辐射防护措施。
4.6.2 退役中的辐射监测
退役相当于铀浓缩工艺的延续，其铀物料只是生产时的残存物料，其操作量大大降低，所以退役时辐射监测性质与铀浓缩工艺生产时相当，即放射性主要危害是放射性气溶胶的吸入。辐射监测分为常规监测和临时监测，主要根据具体退役工作的需要进行辐射监测大纲和监测内容的制定。外照射监测，主要对易产生铀沉积的部位进行常规监测。
5 结论
经过分析和经验借鉴，离心工厂的退役思路可归纳为主机等少数关键设备的退役。依据退役思路，文中提出了相应的退役方案，不仅探讨了
用ClF3工作物质进行去污处理的必要性和有效性，还估算出ClF3用量，最后在离心工厂系统优化方面给出相应的优化方向，从而为国内离心工厂的退役提供参考。
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