氚污染金属手套箱退役技术研究

但贵萍，孙 宇，文 炜，吴 波，邱永梅，曾俊辉

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900)



氚污染金属手套箱退役技术研究

但贵萍，孙 宇，文 炜，吴 波，邱永梅，曾俊辉

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900)

为减少氚污染金属手套箱退役解体过程中氚的二次释放，降低工作人员的辐射危害，减少退役中产生的氚污染废物量，本文针对退役氚污染金属手套箱的解体，设计了氚污染金属手套箱退役解体技术方案，即解体前对氚污染金属手套箱进行初步去污，解体中采用合适的切割技术和相应的防护措施。利用氚污染金属手套箱对该解体方案进行了验证，结果表明，设计的解体方案满足氚污染金属手套箱退役需要。

氚污染金属手套箱；去污；退役；解体

在氚研究和应用中，涉及氚的操作大部分在手套箱中完成。用于氚操作的手套箱，作为氚操作中的一个次级包容设施，通常是由304不锈钢或碳钢焊接而成的高度完整的笼罩物，侧面留有适当数目的观察窗和手套接口[1-2]，观察窗和手套常用有机玻璃和氯丁橡胶制成。

操作氚的手套箱属放射性包容设施，在长时间使用过程中，氚会逐步扩散到手套箱内壁材料中，导致氚在这些材料中的存留和污染。目前，对该类手套箱的退役处理通常采用下列方式：一种是对其进行清污处理后，回收再利用[3-4]；另一种是对手套箱进行解体，解体后的结构材料经取样分析后再作相应处理，如用熔融法除去氚污染金属材料中的氚[5]，用喷砂法消去部分金属表层[6]，使金属材料达到放射性降级的目的等。无论采用那种处理方式，均涉及对氚污染金属手套箱进行清污或拆除，由于氚操作中所使用的手套箱体积较大，退役处理时，处于半密闭状态的氚污染金属手套箱在清污、拆卸、解体中会导致残留在手套箱结构材料中氚的二次释放，对环境和人员造成新的放射性危害。而对手套箱采用不同的清污、拆卸解体工艺，以及在上述过程中采用的防护技术和措施等都会对环境和作业人员造成不同程度的影响，同时也会影响退役中产生的废物量。因此有必要针对氚污染金属手套箱的退役解体开展相应的技术研究。

1 实验器材

干净金属手套箱，304不锈钢材质，壁厚3～4 mm(自制)；待退役氚污染金属手套箱，碳钢材质，壁厚3～4 mm(自制)；不锈钢管(板)，壁厚2～3 mm，若干。

等离子切割机，美国飞马特公司；氧乙炔切割机，自制；角磨机，博士电动工具有限公司；液压剪，香港百锐工具有限公司；铝材切割机，麦太保公司。

局排风机，中国辐射防护研究院；气帐(4 m×2 m×2.5 m),中国辐射防护研究院；JE-4型氚表面污染测量仪，中国工程物理研究院核物理与化学研究所；3125型空气氚监控测量仪，西安核仪器厂。

2 实验方法

2.1 氚污染金属手套箱退役解体方案设计

在前期工作基础上，对退役氚污染金属手套箱的解体方案进行设计。

2.2 氚污染金属手套箱初步去污技术研究与验证

采用氚表面污染测量仪对待退役的氚污染金属手套箱内外表面进行污染热点扫描和测试，根据测试结果分别利用可剥离膜和擦拭去污方法对污染表面进行初步去污，并再次进行氚污染测试。

2.3 氚污染金属手套箱切割解体工具的选择

选用与手套箱材质相同的不锈钢管和板，分别用冷、热切割两种方式进行实验研究。实验中从切割操作的灵活性和便宜性考虑，选用相应的切割解体工具，其中冷切割实验分别选用角磨机、液压剪、铝材切割机，热切割工具选用等离子切割机和氧乙炔切割机两种小型机具。

2.4 氚污染金属手套箱拆除解体过程中辐射防护技术研究

针对氚污染金属手套箱拆除解体中工作人员处于氚污染气氛中的特点，分别对个人采取的防护措施和工作场所采取的防护措施进行设计。个人防护措施包括工作人员防护着装的设计、工作人员内照射剂量的监测与评估等；工作场所的防护设计主要进行场所空气排风设计。

2.5 氚污染金属手套箱退役解体方案验证

将本文设计的解体技术方案用于实验室退役氚污染金属手套箱的拆除解体，在解体过程中对操作环境中的氚浓度进行监测，并作出评估。

3 实验结果

3.1 氚污染金属手套箱退役解体方案

根据实验室前期进行的相关研究[7-8]，对不进行回收利用的氚污染金属手套箱采用切割解体的退役方案，该方案设计如图1所示。

图1 氚污染金属手套箱解体方案Fig.1 Dismantling scheme of tritium contaminated metal glovebox

在对氚污染金属手套箱进行切割解体时，首先采取相应的防护措施，对待解体手套箱进行污染测试，对无污染手套箱，采用热切割进行快速解体；对污染手套箱，先进行初步去污，监测后污染已去除或局部仍存在轻微污染的手套箱采用热切割方式进行解体；而去污后仍存在严重污染的手套箱，则采用暂时性封闭材料对污染区域进行封闭，监测后，对轻污染区域采用热切割方式进行切割解体，对局部重污染区域则采用冷切割方式进行解体，解体件装入废物桶，待进一步处理。

3.2 氚污染金属手套箱初步去污技术研究与验证结果

取实验室中被氚污染的手套箱，用氚表面污染测量仪对手套箱内、外表面进行测量，结果列于表1。

表1 氚污染金属手套箱表面污染测试结果Table 1 Test results of surface contamination for tritium contaminated metal glovebox

表1表明，该手套箱外表面属于放射性免管水平，但内表面存在一定程度的氚污染。实验中，分别考察了表面擦拭去污和可剥离膜去污两种方法对手套箱内表面氚的去污效果。

表2 可剥离膜去污结果Table 2 Results of decontamination for strippable coating

在擦拭去污实验中，分别采用5%HNO3、10%HNO3、5%HCl、10%HCl、5%H2O2、10%H2O2、5%IMC-3去污液、10%IMC-3去污液、5%草酸、5%去污粉溶液对氚污染手套箱内壁进行擦拭去污，结果列于表3。

表3表明，擦拭去污中，采用不同去污溶液对氚污染的手套箱内壁去污均有一定去污效果，去污后残留污染水平均降到20 Bq/cm2以下；含表面活性剂的去污溶液去污效率高，主要是由于手套箱内壁附着大量灰尘和油污，含表面活性剂的去污溶液对油污去污能力强，而含酸溶液和H2O2去污效果差，在含酸溶液去污中，去污因子随酸溶液浓度的增加而增大。

表3 擦拭去污结果Table 3 Results of wiping decontamination

3.3 金属手套箱切割解体工器具的选择

由于待解体的手套箱周围空间狭窄，无法动用机械手等较大型切割工具，只能选择小型切割工具进行切割解体。为此，从工具的灵活性和便利性出发，选择小型切割工具对一个以氚污染金属手套箱为模型加工的干净手套箱进行切割解体试验。试验中，选用的冷切割工具为角磨机、液压剪；热切割工具为手持式等离子切割机和氧乙炔切割机(用于切割厚度大于5 mm的不锈钢和碳钢板)。切割试验如图2～5所示。

图2 液压剪对手套箱的切割试验Fig.2 Cutting test of glovebox with hydraulic scissor

图3 角磨机对手套箱的切割试验Fig.3 Cutting test of glovebox with angle grinder

图4 等离子切割机对手套箱的切割试验Fig.4 Cutting test of glovebox with plasma

上述切割试验表明，氧乙炔切割机、等离子切割机能快速对手套箱各部位进行切割解体，液压剪、角磨机能对手套箱局部(如手套箱壁)进行较缓慢切割。其中氧乙炔切割机、等离子切割机属于热切割方式，切割过程中会产生大量火花，释放大量热，在切割氚污染手套箱过程中可能会导致材质中的氚释放出来，对操作人员和环境带来一定的辐射危害；冷切割中利用液压剪时，不会产生火花，释热最少，但液压力有限，不易控制；角磨机小巧灵活，可对手套箱局部(如箱壁或底板)进行缓慢切割。

图5 氧乙炔切割机对不锈钢和碳钢板的切割试验Fig.5 Cutting tests of stainless steel and carbon steel plate with oxygen-acetylene

3.4 氚污染金属手套箱拆除解体过程中辐射防护措施

在氚污染金属手套箱拆除解体过程中，工作人员处于氚污染气氛中，为降低工作人员的内照射剂量，尽量减少工作人员对环境中氚化水的吸入是最有效途径之一，为实现该目的，需从人员防护和工作场所防护两方面进行设计。

人员防护方面，重点是防止含氚水蒸气通过工作人员的呼吸系统和皮肤进入体内，为此要求对工作人员穿戴的防护衣物、口罩等进行设计；场所防护方面，通过对现场进行适当封闭，对封闭空间进行排风以减小操作现场空气中存留的氚浓度。

1) 个人防护设计

根据氚污染金属手套箱切割解体场所环境及氚的特点，设计的人员防护方案如下：采用由内至外穿纯棉内衣、棉质防护服、长筒塑料罩衣三层防护；手部采用细沙手套和乳胶手套，脚部采用长筒布袜、防滑工作鞋、薄塑料脚套三层防护；面部采用带呼吸阀的3M口罩，头部戴棉质头套,必要时佩戴安全帽，同时佩戴个人剂量计以保证氚污染金属手套箱拆除解体过程中操作人员的辐射安全和工业安全。以上防护措施如图6所示。

2) 工作场所防护设计

首先在待解体的手套箱周围临时搭建气帐，将气帐与局排风机相联，如图7所示。在手套箱切割过程中通过局排风机进行排风，以减小切割过程中环境中的氚浓度。

图6 氚污染金属手套箱拆除解体过程中工作人员的防护措施Fig.6 Personal protection during dismantling tritium contaminated metal glovebox

在解体过程中，根据手套箱切割的时间(≤2 h)、气帐容积(25 m3)等设计出局排风机排风量为1 500 m3/h，使气帐中换气率大于1次/min。

3.5 氚污染金属手套箱退役解体方案验证

选取待退役的氚污染金属手套箱，按照本文设计的解体方案对其进行解体。

图7 手套箱切割解体过程中的临时排风设计Fig.7 Design of provisional ventilation during dismantling glovebox

在采取本文设计的防护措施后，实验人员首先对待解体手套箱进行监测，发现手套箱局部区域存在部分污染，采用可剥离膜和擦拭方法对污染区域进行去污后，大部分污染消除，仅局部存在轻微污染，故采用热切割方式对其进行切割解体，如图8所示。在手套箱解体过程中，对现场环境中的氚浓度进行了监测，并对工作人员进行了尿样测量，监测操作人员所受的内照射剂量，结果列于表4。工作人员内照射剂量计算参见文献[1]。

图8 氚污染金属手套箱解体验证Fig.8 Test for dismantling tritium contaminated metal glovebox

表4 手套箱切割解体过程中环境监测结果Table 4 Results of environmental monitoring during dismantling glovebox

图8、表4表明，采用本文设计的氚污染金属手套箱退役解体方案，能快速对氚污染金属手套箱进行拆除解体。解体时工作环境中氚浓度略有升高，但较不采用本文方案低1～2个数量级，降低了工作人员操作中所受的氚的辐射风险(氚致内照射剂量降低)[11]。

4 结论

针对退役氚污染金属手套箱的切割解体，设计了相应的退役解体方案，即解体前对氚污染金属手套箱进行初步去污，解体过程中采用合适的切割工具和相应的防护措施。

选取待退役的氚污染金属手套箱对该解体方案进行了验证，结果表明，本文设计的解体方案能在1.5 h内对氚污染金属手套箱进行拆除解体，解体过程中工作环境中氚浓度略有升高，但较不采用本文方案低1～2个数量级，有效地降低了工作人员操作中所受的氚致内照射剂量，解体并分类后可直接装入200 L标准废物桶。

[1] 杨怀元. 氚的安全防护[M]. 北京：原子能出版社,1997.

[2] 山常起,吕延晓. 氚与防氚渗透材料[M]. 北京:原子能出版社,2005.

[3] OSTERHOUT M M. Decontamination and decommissioning of nuclear facilities[M]. New York: Springer, 1980.

[4] TICEHURST K P. Decommissioning of a research and development tritium facility[M]. US: Word Nuclear Association, the US Department of Energy, 2009.

[5] TESCH C, ROGERS M, MICHELLITTI R, et al. Closing the TSTA facility, tritium romoved from TSTA[C]∥7th International Conference on Science and Technology. Baden, Germany: [s. n.], 2004.

[6] LEWIS A, WARWICK P E, CROUDACE I W. Penetritration of tritium (as tritiated watervapour) into low carbon steel and remediated using abrasive cleaning[J]. J Radio Prot, 2005, 25: 161-168.

[7] 孙宇,文炜,但贵萍,等. 氚污染金属切割试验[J]. 原子能科学技术,2012,46(增刊):654-657.

SUN Yu, WEN Wei, DAN Guiping, et al. Cutting test of tritium-contaminated metals[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46(Suppl.): 654-657(in Chinese).

[8] 但贵萍,熊礼莉,张东,等. 退役氚污染不锈钢材料中氚污染深度和化学组成[J]. 原子能科学技术,2010,44(增刊):134-138.

DAN Guiping, XIONG Lili, ZHANG Dong, et al. Tritium distribution and forming in decommission stainless steel[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(Suppl.): 134-138(in Chinese).

[9] 孙宇,李烨,谭昭怡,等. 氚污染手套箱内壁及金属去污实验[J]. 原子能科学技术,2010,44(增刊)：111-113.

SUN Yu, LI Ye, TAN Zhaoyi, et al. Decontamination experiment of metals and floors of glove box[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(Suppl.): 111-113(in Chinese).

[10]谭昭怡,田军华,张子骞,等. 可剥离膜的研制和去污实验验证[J]. 原子能科学技术,2004,38(4):379-381.

TAN Zhaoyi, TIAN Junhua, ZHANG Ziqian, et al. Development and decontamination efficiency examination of strippable coating[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2004, 38(4): 379-381(in Chinese).

[11]尚爱国,王彦召. 辐射防护基本限值和导出限值的讨论[J]. 第二炮兵工程学院学报,2004,18(3):1-4.

SHANG Aiguo, WANG Yanzhao. Discussion on basic limits of radiation protection and deriving limits[J]. Journal of the Second Artillery Engineering Institute, 2004, 18(3): 1-4(in Chinese).

Decommission of Tritium Contaminated Metal Glovebox

DAN Gui-ping, SUN Yu, WEN Wei, WU Bo, QIU Yong-mei, ZENG Jun-hui

(InstituteofNuclearPhysicsandChemistry,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

The scheme of decommissioning tritium contaminated metal glovebox was designed, which can reduce tritium gas release during the glovebox dismantling, the volume of tritium waste and the radiation damage. The scheme includes a preliminary tritium decontamination before the glovebox dismantling, a suitable cutting technology for the glovebox and a multiplex protection. A test for tritium contaminated metal glovebox dismantling was performed successfully with this scheme. The results show that the scheme is able to meet the demands for decommission of tritium contaminated metal glovebox.

trtitium contaminated metal glovebox; decontamination; decommission; dismantling

2014-03-13;

2014-05-18

但贵萍(1968—)，女，四川成都人，研究员，从事核设施退役与放射性三废治理技术研究

TL943

A

1000-6931(2015)07-1178-06

10.7538/yzk.2015.49.07.1178