乏燃料后处理厂高效过滤器应用问题分析与改进研究

□李 硕 宋晓鹏 侯学锋 马 敬

目前PUREX流程是国内外乏燃料后处理厂普遍采用的后处理工艺流程，主要包括首端处理、化学分离和铀尾端和钚尾端等工艺过程。乏燃料后处理厂在运行过程中会产生大量的放射性尾气，按放射性核素的物理化学形态可以分为气态裂变产物和放射性裂变产物的气溶胶。气态裂变产物主要是3H、14C、84Br、85Kr、129I、131I、133Xe等[1]，放射性气溶胶是指放射性裂变产物以固体微粒和微小液滴的形式悬浮在气体中，含量虽然少，但毒性很强。此外，溶解、蒸发、脱硝等操作过程排出的尾气中还可能含有大量的酸性物质，具有辐射危害和化学危害。因此，需对工艺尾气进行净化处理，满足国家规定的排放标准后才能排放，以保证辐射安全，并最大限度地降低放射性物质和化学物质对环境的影响。

一、工艺尾气处理系统中高效过滤器的应用问题分析

(一)高效过滤器的应用。后处理厂的工艺尾气按照工艺过程可以分为：首端处理的剪切和溶解排气、共去污循环设备排气、铀纯化循环设备排气、钚纯化循环设备排气、高中放废液蒸发排气、高放废液贮槽排气等。上述工艺尾气中均含有一定浓度的放射性气溶胶，排放前需通过高效过滤器进行净化。高效过滤器作为工艺尾气排气系统的核心净化设备，是保护人员和环境措施的重要组成部分[2]。

高效过滤器技术特性效率要求≥99.99%(钠焰法)[3]。高效过滤器主要由盖板、脱钩压紧装置、滤芯等组成，如图1所示。

图1 一种高效过滤器的结构示意图

目前我国一些后处理厂尾气净化处理所使用的高效过滤器可以自主设计和制造，但滤芯材料主要从国外进口。

(二)问题分析。我国乏燃料后处理厂使用的高效过滤器从总体上满足尾气排放的要求，但也存在以下主要问题：一是工艺尾气中酸含量较高，对滤芯的腐蚀及破坏程度较大；二是高效过滤器运行时所处理介质湿度较大，易发生穿孔或破损；三是高效过滤器运行时初阻力较大，且随着运行时间的增长，运行阻力快速增加；四是高效过滤器在运行过程中存在效率降低及失效问题，并不能及时得到有效检测。上述问题会造成放射性物质的超标排放以及人员在检修或更换过滤器滤芯时受照剂量增加。

(三)存在问题的原因。从高效过滤器运行环境方面来看，后处理厂工艺尾气中成分复杂，湿度比较大，并存在氮氧化物等酸性物质，甚至可能夹带少量有机相，对滤芯材料的性能造成破坏，严重影响过滤器的稳定运行，造成过滤器的效率降低，缩短了过滤器滤芯的使用寿命，频繁更换产生大量的放射性固体废物；另外，过滤器本身在材质及结构设计等方面也存在一些不足：一是前面一级的中效过滤器滤芯采用玻纤滤材制作，在湿度较高的情况下，过滤器阻力升高，且出现滤芯破损问题；二是高效过滤器滤芯采用单一来源的进口玻璃纤维滤料制作，采购周期长、成本高；三是中效和高效过滤器密封垫采用硅橡胶制作，长时间使用时性能受影响，存在腐蚀和老化等问题。

二、改进研究

(一)过滤材料。过滤材料是高效过滤器的关键部分，滤材性能直接决定高效过滤器的优劣，因此要筛选出性能优良的过滤材料。乏燃料后处理工艺尾气处理系统中的放射性气溶胶，不仅含有放射性物质，还夹带有酸、碱或有机相，这就对过滤材料提出了更高的性能要求。

1.性能要求。耐酸性：在酸性气体环境中，滤材内部结构稳定性高，不与酸性气体发生化学反应或对内部结构造成破坏。

过滤效率：滤材的初始效率高，经辐照后在酸性环境工作一段时间后依然能保持高效率，即需能够承受放射性辐照和酸性环境的影响。

强度：滤材强度能承受温度、湿度和放射性的影响，在后处理厂工艺尾气温度、湿度和一定辐照剂量条件下滤材不易破损。

气流阻力：滤材在过滤一定量的气溶胶后，压降不会快速升高。

2.过滤材料分类及特点。目前市面上用于高效过滤器的纤维大致有聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃纤维、金属纤维、陶瓷纤维和纤蛇纹石纤维等。

(1)聚四氟乙烯。聚四氟乙烯(PTFE)为高分子长链结构，无支链，这种极其特殊的分子结构，使其具有极好的耐腐蚀性能[4]。能够适用于几乎所有的强酸、强碱和有机溶剂的环境，其稳定性超过所有天然纤维和化学纤维，并且在高温条件下也具有很好的稳定性。另外，聚四氟乙烯纤维还具有良好的抗辐射性能。

PTFE的应用十分广泛，在很多领域需要对其进行处理或改性来提高滤料的过滤效率及精度，常见的处理操作主要有浸渍、覆膜、涂层等。三种处理操作均可使滤料表观形态发生变化，孔径减小，透气性下降，过滤效率提高。

(2)玻璃纤维滤材。玻璃纤维的主要成分是二氧化硅(SiO2)，辅助成分有Al2O3、CaO、MgO、Na2O+K2O等[5]。按照玻璃中原料的含碱量成分分为：无碱、低碱、中碱和高碱玻璃纤维[6]。玻璃纤维具有极佳的耐温性、耐酸性、阻燃性，尺寸稳定，而且伸长率小，在酸性气体(氢氟酸除外)中能长期保持性能稳定，价格低廉[7～8]。其特有的化学稳定性及耐高温性，是活性炭、不锈钢、树脂等无法替代的。由玻璃纤维所制成的气体过滤器能截留的最小颗粒直径可达到0.1μm，不仅可以截留固体颗粒、烟尘等，还可以截留微生物等尘埃粒子，其过滤效率也可达到99.99%。但是玻璃纤维不耐折，滤材的抗冲击和抗振动性能差，需对玻璃纤维进行改性，以有效地增强玻璃纤维的耐折性和耐磨性，提高滤材的使用寿命。

(3)金属纤维。金属纤维是指一种金属含量较高、金属材料在其中连续分布的、横向尺寸可以达到微米级的纤维形材料。金属纤维具有良好的力学性能，不仅拉伸比模量和断裂比强度高，而且可弯折性、韧性良好，具有耐高温性能，在高温下能承受的压降高，具有较高的净化能力和稳定性，不锈钢纤维、镍纤维等多种材质还具有良好的耐化学腐蚀、抗氧化性能。

金属烧结毡在过滤器中应用十分广泛，将金属纤维丝杂乱交织碾压烧结，形成无数不规则的孔隙，从而拦截液流或气流中的微小颗粒。具有无脱落、高过滤精度、高纳污容量、耐高温、耐有机溶剂等特点[9]。常用的材质有不锈钢、铁铬铝等，根据使用工况不同，可以选用不同过滤精度和材质的金属纤维毡。

金属纤维滤材具有高孔隙率和高渗透率的特点，从而使过滤器具有过滤精度高、纳污容量大、阻力上升慢、滤芯更换周期长等优点。金属纤维耐腐蚀、耐高温，处理能力强并且易于加工、成型、焊接。通过研究发现，虽然金属纤维毡的过滤精度为5μm，但对于粒径在1μm左右的固体颗粒也具有相当高的过滤效果[10]。

(4)陶瓷纤维。与传统陶瓷粒状滤料相比，陶瓷纤维过滤材料的比表面积较大，有更大的吸附界面，对悬浮物也有一定的过滤效果。相比于泡沫陶瓷，陶瓷纤维具有更小的孔径，过滤精度更高[11]。相对于其他材质的过滤材料，陶瓷纤维具有良好的热稳定性、化学稳定性，但脆性差是其重要的缺点，限制了陶瓷纤维的应用。

(5)纤蛇纹石纤维[12]。纤蛇纹石是呈圆柱状构造的层状结构硅酸盐矿物。纤蛇纹石管的外径一般为几十钠米，内径为几钠米至十几钠米。天然的纤蛇纹石纤维束由无数根这样的纤蛇纹石钠米管集聚而成。天然矿物纤蛇纹石一维钠米管具有许多独特的优良性能，如耐热、隔热、抗张强度高、柔韧性好，且成本较低。

西南科技大学以天然矿物纤蛇纹石为原料制备的氧化硅钠米纤维(SiNF)为基材，通过在其上负载一层铋基金属有机骨架化合物，形成性能优良的SiNF/Bi-MOF复合材料，其过滤性能正在研究中。

乏燃料后处理工艺中的气溶胶过滤过程具有高湿度、强酸性的特点，因此要求滤芯材质具有容尘量大、效率高、阻力小、耐腐蚀且结构强度高等优点。可通过进一步系统研究，科学评价以上几种滤材的性能及适用性，筛选出性能优良的滤材，从而对筛选出的滤材进行复合或改性，进一步优化滤材的性能。

(二)过滤器的效率检测。目前我国后处理厂过滤器在运行时主要通过压差测量和过滤器滤芯的伽马剂量测量作为更换过滤器要的依据，缺少对过滤效率的检测手段。

1.检测方法。高效过滤器有多种测定其效率的方法，不同国家的标准中检测方法是不同的，我国现行的高效过滤器的检测方法主要有钠焰法、DOP计数法和荧光素钠法等。目前DOP计数法和荧光素钠法主要用于国内核设施现场气溶胶过滤器性能评价，我国高效过滤器在出厂前一般采用钠焰法对过滤效率进行测定[13]。

(1)钠焰法[14]。钠焰法是以光度计为检测仪器，尘源是单分相NaCl粒子(约0.44μm)气溶胶，使用光度计测量过滤器前后加氢气燃烧产生的黄色火焰的强度转化为电量来测定效率，是一种长期对高效过滤器进行效率测试的方法。

(2)DOP法[14]。DOP测试方法以气溶胶光度计或粒子计数器为检测仪器。该方法以0.3μm的DOP(邻苯二甲基二辛酯)粒子为尘源，根据试件前后采样空气浓度(DOP粒子浓度)计算效率。

DOP本身具有潜在致癌性，且易燃，被人体吸入后，会造成人体内分泌系统的紊乱，目前在生物、医药等领域常以DOS(葵二酸二辛酯)及PAO(聚α烯烃)等代替DOP(邻苯二甲基二辛酯)作为尘源，但试验方法仍称为DOP法。

(3)荧光素钠法。荧光素钠(Na2C20H10O5)是化学性质稳定、无放射性、无毒的粉末状固体，是一种易检测的理想示踪剂，且对核设施的空气净化系统的部件无损害。

试验尘源为荧光素钠粉尘。试验时，荧光素钠气溶胶粉尘进入到相应管道，在压缩空气的载带下注入试验系统，首先在过滤器前后采样，测量流过取样装置的流量，然后用溶液溶解采样滤膜上的荧光素钠，测量溶液荧光强度，荧光强度反映了荧光素钠气溶胶的重量，用荧光强度差别可判断过滤器的效率。

(4)最易穿透粒径法。该方法的基础是粒子计数法，测试尘源采用最易穿透粒径的粒子[15]。根据经验，对于高效、超高效过滤器，最易穿透的粉尘粒径在0.12μm～0.25μm之间的某点，在额定风速下，高效过滤器对该粒径的微粒捕获效率最低，此粒径称为最易穿透粒径。以最易穿透粒径的效率表示过滤器的效率，更具有实际意义，称为最易穿透粒径法。

我国现有的高效过滤器效率检测方法各有优缺点，适用于不同的检测情况与需求，需要根据实际检测要求进行选择。钠焰法在检测过程中会因为氢气燃烧产生明火，存在燃烧爆炸风险，在我国该方法只用于高效过滤器的出厂检测中；DOP法测量精度不够，对多级串联的高效过滤器检测比较困难；荧光素钠法操作复杂、离线测量时间长；最易穿透粒径法灵敏度高，可以检测高串联高效过滤器的效率，在乏燃料后处理厂可以实现在线检测。但乏燃料后处理厂的运行环境恶劣，过滤器一般布置在红区，并且过滤器多级串联，对效率检测的方法要求更高，最易穿透粒径法在乏燃料后处理厂高效过滤器检测方面的应用仍需进行多方面的改进和验证。

2.过滤器定期试验检测。乏燃料后处理厂工艺尾气处理系统中的高效过滤器是放射性工艺尾气处理的最后一道关卡，必须经现场试验检测合格后才能投入使用。高效过滤器投入使用后，需定期检测以证明其有效性，从而保证运行的安全性和有效性，同时也减少废物的产生量，一般每年需进行两次试验检测。

目前我国后处理厂的放射性工艺尾气净化单元的性能评价仅在系统首次调试时进行了现场试验检测，运行期间过滤器的定期检测要比首次调试试验复杂的多。主要原因在于工艺尾气成分复杂，环境条件恶劣，关键是过滤器所处环境具有辐照危害，对检测仪器的耐酸性、耐湿和耐温性以及示踪剂的稳定性要求苛刻，工作人员难以进入该区域进行操作，所以定期对过滤器进行现场试验检测是十分困难的。因此，在乏燃料后处理厂运行过程中，过滤器的运行情况、泄露情况及净化效率由于没有进行定期试验检测而处于不确定的状态。

随着我国后处理技术的发展以及安全要求的提高，对过滤器运行后定期效率检测的现场试验技术和设备提出了较高要求，除了能实现运行期间的定期试验检测，还需要安全高效、灵敏快捷，需要在较短时间内给出系统的泄漏率检测结果和放射性气溶胶的净化效率。因此，当务之急，要尽快对试验检测方法进行系统的论证及工程应用研究，在后处理厂设计时，同时也应考虑到对工艺尾气系统装置进行定期效率试验，预留检测位置、检测管道及检测设备出入口等。

三、结语

乏燃料后处理厂工艺尾气成分复杂，且具有辐射危害和化学危害，高效过滤器是放射性厂房与外界环境之间的最后一道屏障。目前国内后处理厂使用的高效过滤器在运行中存在易破损、运行阻力大、更换困难等问题，有必要筛选和研发性能更优良的过滤材料。高效过滤器运行期间的效率检测手段仍需加强，从而确定高效过滤器的运行状态，降低因高效过滤器的过滤效率降低导致放射性气体泄漏的风险。