核设施退役简述及国家电投集团退役工作建议.pdf
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1、Nuclear Science and Technology 核科学与技术核科学与技术,2023,11(3),326-335 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/nst https:/doi.org/10.12677/nst.2023.113034 文章引用文章引用:耿忠林,杨广泽,姚彤,廖能斌,任力.核设施退役简述及国家电投集团退役工作建议J.核科学与技术,2023,11(3):326-335.DOI:10.12677/nst.2023.113034 核设施退役简述及国家电投集团退役工作建议核设施
2、退役简述及国家电投集团退役工作建议 耿忠林耿忠林1,杨广泽杨广泽2,姚姚 彤彤2,廖能斌廖能斌1,任任 力力1 1国电投核安科技(重庆)有限公司,重庆 2国核铀业发展有限责任公司,北京 收稿日期:2023年6月16日;录用日期:2023年7月24日;发布日期:2023年7月31日 摘摘 要要 核设施退役是核工业发展的重要过程。自从上世纪核设施退役是核工业发展的重要过程。自从上世纪90年代年代设立核设施设立核设施退役退役治理专项计划以来,我国经过治理专项计划以来,我国经过不断的发展,在核设施退役方面取得了一定的突破。本文介绍了核设施退役的流程,以及不同流程包括不断的发展,在核设施退役方面取得了一
3、定的突破。本文介绍了核设施退役的流程,以及不同流程包括的具体内容。主要介绍了核设施退役技术中的拆除分解技术、去污技术以及厂址的修复技术。总结了目的具体内容。主要介绍了核设施退役技术中的拆除分解技术、去污技术以及厂址的修复技术。总结了目前国家电力投资集团在核设施退役方面取得的进展,分析了目前我国核设施退役存在的问题,并对此给前国家电力投资集团在核设施退役方面取得的进展,分析了目前我国核设施退役存在的问题,并对此给出了国家电投集团未来在核设施退役出了国家电投集团未来在核设施退役行业行业的发展建议。的发展建议。关键词关键词 退役退役,核设施核设施,拆除拆除,去污去污,厂址修复厂址修复 Decommi
4、ssioning of Nuclear Facilities and Suggestions for SPIC Zhonglin Geng1,Guangze Yang2,Tong Yao2,Nengbin Liao1,Li Ren1 1SPIC Hean Technology(Chongqing)CO.,LTD.,Chongqing 2State Nuclear Uranium Resource Development Company LTD.,Beijing Received:Jun.16th,2023;accepted:Jul.24th,2023;published:Jul.31st,20
5、23 Abstract The decommissioning of nuclear facilities is an important process in the development of the nuc-lear industry.Since the establishment of the special project for decontamination of nuclear facili-ties in the 90s of the last century,China has made certain breakthroughs in the decommissioni
6、ng of nuclear facilities after continuous development.This article describes the process of decommis-sioning a nuclear facility and what the different processes include.It mainly introduces the demoli-tion and decomposition technology,decontamination technology and site repair technology in the 耿忠林
7、等 DOI:10.12677/nst.2023.113034 327 核科学与技术 decommissioning technology of nuclear facilities.This paper summarizes the current progress of the State Power Investment Group in the decommissioning of nuclear facilities,analyzes the ex-isting problems of the current decommissioning of nuclear facilities,
8、and gives suggestions for the Groups future development in the decommissioning of nuclear facilities.Keywords Decommissioning,Nuclear Facility,Dismantling,Decontamination,Site-Restoration Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution
9、International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 目前我国主要的发电方式有许多种,根据 2022 年国家统计局数据给出,核电在我国发电占比达到了4.9%,发电量达到了 4177.8 千瓦时1。随着国家制定碳达峰碳中和策略,未来我国主要的火力发电占比将会逐渐下降,其他新型能源发电如水电、风电以及核电的占比将有所提高,因此对于这几种发电方式国家将进行大力的发展。对于核电而言,整个发电的安全性、经济性相较于其他发电方式更高,发电效率也比其他能源形势更好。核电站整个生命周期包括了选址、设计
10、、建造、运行和退役,其中退役是其周期中一个十分重要的环节。不仅关乎着核电站的持续发展,还直接影响着国家的能源发展安全。核设施退役最早提出于 20 世纪 60 年代,但真正具体实施的时间则是 20 世纪 80 年代以后。21 世纪以前一些小型研究堆、放射性污染设施以及早期的核电站开始退役,而到了 21 世纪以后,许多的大型核设施也相继开始了退役。我国上世纪 90 年代开始涉及核退役方面工作,1990 年设立了“核设施退役去污”专项,而后在 2008 年将其改为“核设施退役及放射性废物治理”,至此我国全面开启了核设施退役工作2。相较于欧美国家而言,我国在此方面的起步较晚,其技术储备和知识基础较为薄
11、弱。但是多年以来,国家电力投资集团经过不断的发展以及开展相应的技术研究,掌握了退役关键技术和设备研发、退役放射性废物处理与处置技术服务等多方面能力。本文结合目前核设施退役的发展情况,介绍了核设施退役方面的相关内容,以及国内外的发展情况。为后续核设施退役发展提供一定的总结性参考。2.核电站退役流程简介核电站退役流程简介 核电站退役流程主要包括了三个阶段:前期准备阶段、实施阶段和收尾阶段。核设施退役是解除一座核设施的部分或全部监管控制所采用的行政或技术活动,退役的最终目标是无限制开放或利用场址。但是核设施退役不包括铀矿山废石场和尾矿库与放射性废物处置(库)场的关闭3。其退役流程如图 1 所示。前期
12、准备阶段包括了:退役策略选取、职责分工划分、放射性源项调查、退役工作人员培训、编写退役文件以及估算退役成本几方面工作。其中退役策略的选取有立即拆除、延缓拆除和就地掩埋三种方式4。其选取主要是依据政治、社会、地理因素,技术因素及经济因素。退役策略的选取不单只采取其中一种,也可组合选择的方式进行。职责分工主要是对政府、监管机构以及被许可方对于核电站工作职责的划分。放射性源项调查不仅是对核电站内放射性元素的种类和分布进行检测,还包括调查其他危险 Open AccessOpen Access耿忠林 等 DOI:10.12677/nst.2023.113034 328 核科学与技术 Figure 1.P
13、DF for decommissioning 图图 1.核设施退役流程图3 物质(如石棉、金属钠、铍、汞、重金属等),有的还要求对设备和建筑物的老化和安全程度做出评价。从事此方面工作的人员需要对其进行专业的培训。而对与整个退役过程还需要进行多种文件的编写以及对退役资金的估算。实施阶段主要包括:乏燃料的卸除、去污、反应堆的拆解以及退役废物管理。无论选取了哪种退役策略,反应堆在关闭后都需要对乏燃料进行卸除。经验表明,去除乏燃料是反应堆退役过程中非常重要的一步。最优先的方案是尽早将乏燃料移至储存设施、后处理厂或处置设施。去污是采用不同的手段,将放射性污染物从核设施表面或内部全部或者部分除去所进行的操
14、作,主要目的是降低作业场所和作业对象的放射性水平以及受到污染的设备和材料的废物等级,使要分类的材料或作为固态放射性废物处理的材料的总量最小化,增加设备、材料或房屋回收和重新使用的可能性。反应堆通常都有多个系统及大量的金属构件和设备部件。因此,当核反应堆退役时,必然会涉及到这些金属构件和设备的解体和拆除问题:一则是要将这些构件和设备解体、拆除后移出原厂;二则要将它们切割成一定尺寸,以便进一步的处理。核设施退役过程中产生的放射性废物的管理是退役规划和时间安排中的一个重要因素,应当提前对其进行合理的规划安排。收尾阶段工作主要包括厂址的修复和安全监管。指的是在核电站的所有放射性的材料、设备和部件都拆除
15、以后,厂址可无限期的使用或恢复成绿化地带。但是不可能完全消除污染或将场地恢复到其背景条件,这可能既无法实现也没有必要。核电站修复项目的生命周期分为几个阶段:问题定义、修复调查、修复规划、修复行动、项目结束,以及潜在的安全管控。3.核电站退役技术简介核电站退役技术简介 根据核设施退役通用技术体系,退役技术可以归纳为:源项调查、去污。拆除和解体、废物治理、废物分类检测、厂址修复等。本文介绍了拆除和分解技术、去污技术以及厂址修复技术。3.1.拆除分解技术简介拆除分解技术简介 在核电站退役实施阶段,堆本体、堆内构件、一回路管道、主循环泵、蒸汽发生器、稳压器等部件均须要拆除分解。耿忠林 等 DOI:10
16、.12677/nst.2023.113034 329 核科学与技术 针对金属构件,常用的切割技术可大致分为冷切割和热切割两大类。冷切割主要包括金刚石绳锯、高压水喷射切割、磨料喷射切割等。高压水切割的原理是利用射流速度约 900 m/s 的高压水冲击被切割材料,产生剪切力和腐蚀作用,能切通甚至穿透被切割材料,切割残渣也被射流水带走。热切割主要有氧炔焰切割、电弧切割、等离子体弧切割、爆炸切割、铝热剂反应喷枪切割及激光切割等方式。激光切割的原理是利用聚焦后的激光光束照射在被切割材料上产生局部高温,被切割材料从而发生物理及化学变化,材料被烧蚀或碳化,但是激光切割不能保证切得很干净。对于高放射性的核设施
17、而言,其拆除需要一个自动化的切割程序,在正式的切割之前,自动化的切割程序会对所要进行切割的设施进行数字模型的构建。Kim 等5人利用 3D 扫描获取现场真实信息,并应用空间信息处理技术更新核设施的数字模型,解决数字模型和实际现场环境数据在核设施部件的形状、位置和方向方面可能不同的问题。对于切割技术而言,Shin 等6人利用 6 千瓦激光器在水下进行了 50毫米和 60 毫米厚的不锈钢板的切割实验,研发改进了一款具有较好切性能的水下切割头。国内原子能院在中放管沟的退役过程中开展了管沟的不锈钢覆面的拆除研究,利用了液压金属切割机作为钢覆面分隔了设备,采用了拆除前切割、拆除分割装备装桶等工艺路线。研
18、发了放射性污染物混凝土破拆雾化压制粉尘技术7 8。3.2.去污技术简介去污技术简介 去污的定义是通过洗涤,加热,化学电化学,机械清洁和其他方法从表面上去除和清洁放射性污染的过程。去污的有效性是通过称为去污因子(DF)的公式计算的,它是去污前材料的污染水平与去污后材料的污染水平的比值。DF 越大,去污效果越好。去污作业前需要对放射性污染物的来源、放射性核素表面污染特性及主要污染核素进行分析。目前国内外主要应用的有传统四大去污技术:机械去污、化学去污、电化学去污及熔炼去污,及一些新的技术(泡沫去污、激光去污等)9。以下详细介绍了各种去污技术。1)机械去污:方法可分为表面清洁(如清扫、擦拭、洗刷)或
19、表面清除(如喷砂、刮削、钻孔和剥落)。机械去污既可以作为化学去污的替代方法,也可以与化学去污同时进行,或者与化学去污依次进行。适用于研磨表面和通过剥落或划痕去除混凝土,其中一些也适用于非金属表面,如塑料。2)电化学去污:是通过电化学溶解原理,除去受到放射性污染的金属表面的薄膜层,从而达到去污的目的。适应于核设施退役过程中产生的碳钢、不锈钢、铝等金属表面深度去污,以实现清洁解控和再循环再利用。3)化学去污:是利用化学方法去除沉积在部件内外表面上的放射性物质,在拆除、拆卸之前,化学去污可以应用于无法进入的表面、设备和管道,通常可以远程进行。化学去污通常对多孔的表面无效。在使用化学去污时,必须注意空
20、气中物质的产生、化学制剂的使用以及二次废物的处理和调节。化学去污可分为化学泡沫法、化学凝胶法、氧化还原法以及气相法等10,根据使用试剂的不同,化学去污可分为两种工艺,即软工艺(使用稀释的化学品)和硬去污工艺(使用高浓度的化学品)。软工艺使用具有低腐蚀性的试剂,可以很容易地应用于整个一回路,但去污效果有限。相比之下,硬工艺可以达到更好的去污效果,但并不总是适用于整个一回路。目前,最经常使用的软工艺是加拿大去污和修复工艺(CANDEREM)、低氧化态金属离子(LOMI)、化学氧化还原去污(CORD)和退役用去污(DFD)。这些过程主要用于旨在减少剂量率的净化。一般来说,它们分两个或多个周期进行。所
21、用去污剂一般可为无机酸(硫酸、硝酸、盐酸等)、有机酸(草酸、柠檬酸、酒石酸等)、氟硼酸等11。4)熔炼去污:是通过选择合适的炉型,将污染金属与特定组分的助熔剂一起熔炼,使废物中大部分放射性核素富集到炉渣和滤尘中。或者通过采用合理的炉衬配方来吸附部分放射性核素。可有效去除金耿忠林 等 DOI:10.12677/nst.2023.113034 330 核科学与技术 属废物中放射性核素,达到净化金属废物的目的,实现资源回收利用,并且便于放射性废物处理,实现放射性核素的包容。5)泡沫去污:是通过用含亲水基团或疏水基团的喷洒洗涤剂或润湿剂,以高压喷射来实现的。泡沫作为化学去污剂的载体,在待去污材料表面上
22、形成,在净化后坍塌并被排出。它产生低容量的二次废物,并已应用于一系列具有复杂内部配置的大型碳钢阀门。与使用化学去污液相比,去污泡沫减少了 80%的二次废物12。为了克服常规水性泡沫在冬季效率低下的问题。6)激光去污:是通过使用激光照射,物理剥离基体材料的上层来去除深埋在材料表面的污染物。该过程是非接触/非磨蚀去污过程,可以用于替代化学品或磨蚀性去。去污过程可以通过光纤光束传输系统远程进行,激光头可以由机器人操纵,从而避免工人暴露在潜在的放射性区域13。激光清洗的典型机制是蒸发、剥落、消融、产生冲击波。各类去污技术在实际应用过程中,往往可以将几种方法结合起来使用,以达到理想的去污效果。对不同的去
23、污对象,使用的去污方法也大不相同,常用去污方法优缺点比较如表 1 所示。Table 1.Comparison of decontamination methods 表表 1.常用去污方法优缺点对比 去污技术 优点 缺点 适用范围 化学去污 所需工作时间较少,能够处理 难以接近的表面污染物;能够 实现就地去污和远程遥控操作 两种操作模式;化学去污剂 易于制取且能够重复使用;去污过程中产生的气载有害废物 较少。难以处理表面面积较大、多孔、易腐蚀等特性的表面;化学去污剂种类繁多,去污工艺复杂,运行成本及 支持性费用较高;可能产生 混合废物,液体废物量大。主要应用于管道、设备、部件 和设施表面放射性污
24、染物的 去除。如反应堆一回路冷却剂 系统之类系统的设备与管道,对整个系统或系统的一部分 进行一揽子去污。物理去污 对环境要求较低,工艺简单 易控制,成本及操作风险较低;产生的二次固态废物量较大,且部分表面去除技术对去污 对象表面伤害较为严重。对机器设备或其零部件和工具 等一个个去污;对建筑构造无的钢筋混凝土、钢材及其图层、衬里等去污 电化学去污 操作时间较短,费用较低,对大面积或形状复杂的导电体 部件去污效果显著;去污操作 对现场放射性气溶胶与人员外 照射剂量影响均不大,对现场 辐射防护要求较低。要求去污表面导电,且需要 将去污对象放置于电解槽内;去污过程中产生氢气和氧气,需保持较好的通风条件
25、,对环境要求较高。核设施退役过程中产生的碳钢、不锈钢、铝等金属表面深度去污,以实现清洁解控和再循环再利用 熔炼去污 能够有效地去除金属废物中的 放射性核素,熔炼后便于处理 富集放射性核素的固态废物。前期处理工序复杂,去污成本高,烟气产生量大。金属废物 3.3.厂址整治及环境修复技术简介厂址整治及环境修复技术简介 在核设施运行过程中,由于管道泄漏等原因会造成土壤污染,在退役过程中,必须对这些污染土壤进行修复,已使厂址得到释放使用。土壤修复技术主要有三种,分别为化学修复、物理修复和植物修复技术14。1)化学淋洗:化学修复的一种方法,主要是利用化学药剂清洗土壤所含污染物,使土壤中的污染物在淋洗剂中的
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