本文簡(jiǎn)單介紹了核工業(yè)設(shè)備去污過(guò)程中常用的清洗方法，詳細(xì)敘述了超聲波清洗的原理及在核工業(yè)設(shè)備去污中的應(yīng)用，并著重分析了老化柜超聲波去污存在的問(wèn)題。通過(guò)建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ停接懥饲逑磿r(shí)間、清洗溫度和超聲波功率密度對(duì)清洗效果的影響，展望了核設(shè)備超聲波清洗的前景和研究方向。

　　　核電站在經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)行周期后，在電站進(jìn)行停堆換料其間將對(duì)部分重要設(shè)備和部件進(jìn)行檢查和維修，包括反應(yīng)堆冷卻劑泵的葉輪、導(dǎo)葉、密封件，反應(yīng)堆壓力容器和反應(yīng)堆冷卻劑泵的主螺栓、螺母等。由于被放射性污染，在去污前，檢修人員無(wú)法直接這些設(shè)施和設(shè)備內(nèi)進(jìn)行檢修。

　　隨著我國(guó)早期建設(shè)和服役核設(shè)施已或?qū)⑦M(jìn)入退役期，這些退役核設(shè)施中受放射性污染的設(shè)備和部件，如果簡(jiǎn)單處置，會(huì)對(duì)環(huán)境和后代產(chǎn)生的影響。

　　1核去污概述

　　核設(shè)施中設(shè)備和部件所受的污染多種多樣，其中包括放射性的元素主要有60 Co, 58 Co, 54 Mn, 51 Cr及59 Fe等。為了避免這些放射性元素?cái)U(kuò)散并危害人體，在核電站等核工業(yè)領(lǐng)域中必須對(duì)受到放射性污染的工件進(jìn)行清洗處理，使其輻射強(qiáng)度降至zui低，以達(dá)到使人或環(huán)境能接受的放射性水平，并提高資源利用率。這個(gè)過(guò)程稱為"核去污"[1]。 核去污在核工業(yè)各單位特別是核電站的正常運(yùn)行維護(hù)中具有十分重要的意義。

　　2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

　　核去污是一門(mén)跨多學(xué)科的技術(shù)，由于去污程度各不相同，從而要求去污技術(shù)多樣化，以便能對(duì)付復(fù)雜多樣的放射性污染。選擇去污技術(shù)時(shí)，必須考慮下列事項(xiàng)：1）去污的效率；2）設(shè)施設(shè)備在去污后的完整性；3）廢物處理；4）二次污染；5）經(jīng)濟(jì)性。目前主流的去污技術(shù)有三類：1）化學(xué)去污法；2）電化學(xué)去污法；3）機(jī)械（物理）去污法[2]。 化學(xué)去污法采用的主要方法是通過(guò)把構(gòu)成放射性核素的載體的金屬氧化物結(jié)晶晶粒溶解或剝離而除去放射性污染。化學(xué)去污法適宜于對(duì)反應(yīng)堆一回路那樣的含有堅(jiān)固污染物的龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行去污，但是化學(xué)去污劑引起的腐蝕和大量去污廢液的處理也是一大難題。電化學(xué)法是利用電解拋光的原理溶解極薄一層金屬表面，使工件表面變平滑而達(dá)到去除放射性物質(zhì)的效果，其去污效果要比化學(xué)去污法要好，但對(duì)母材的腐蝕較大。化學(xué)法和電化學(xué)法現(xiàn)在普遍應(yīng)用于現(xiàn)在的當(dāng)今世界的核電站中。我國(guó)核電站數(shù)量較少，大部分采用的化學(xué)去污法。化學(xué)法去污，放射性危害極大，嚴(yán)重影響了技術(shù)人員的健康，而且易損傷物件表面，耗時(shí)長(zhǎng)，廢水量大，總的來(lái)說(shuō)去污效果都不很令人滿意。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些方法將逐步淘汰。

　　機(jī)械（物理）去污方法主要有噴射水去污法，噴丸處理和超聲波去污三種[3]。 噴射水去污法是利用高壓水流沖洗部件表面，帶走工件表面的污染物。噴丸處理是將帶有砂粒或細(xì)鋼珠的載體，噴射到工件表面，達(dá)到去污的效果。這兩種方法主要用于一些結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的大型器件的清洗。超聲波去污適用于一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件的清洗，如反應(yīng)堆冷卻過(guò)濾器濾孔、換料水池池壁、管道附著腐蝕物、反應(yīng)堆部件、燃料組件、檢修熱車(chē)間、各種零部件及工具等。

　　3超聲波去污原理及特點(diǎn)

　　超聲波是指大于20kHz的聲波，是一種交變聲壓，超聲波在液體中傳播時(shí)能使液體出現(xiàn)稀疏狀態(tài)和密集狀態(tài)，在密集狀態(tài)區(qū)，液體承受正壓力，而在稀疏狀態(tài)區(qū)則承受拉力，在拉力集中的地方會(huì)形成空穴。空穴不斷地產(chǎn)后和閉合、消失，在空穴的周?chē)⒓闯霈F(xiàn)高達(dá)數(shù)百個(gè)大氣壓的巨大壓力，伴隨著*的沖擊波，對(duì)放射性污染的工件表面產(chǎn)生清洗作用，使放射性污染物從工件表面上被剝離。超聲波具有衍射、透射、繞射的特點(diǎn)，故表面復(fù)雜工件的放射性污垢也能清除干凈，對(duì)盲孔、縫隙以及一般難以清洗的地方都可以清洗的非常干凈，同時(shí)由于空化泡的直徑僅為幾個(gè)微米數(shù)量級(jí)，所以在去污過(guò)程中不會(huì)對(duì)工件表面造成任何可以察覺(jué)的損傷[4] 。

　　超聲波用于核去污，將化學(xué)法或電化學(xué)法耗時(shí)十幾天或幾十天的去污縮短到十幾或幾十分鐘，大大提高了去污的效率，同時(shí)由于超聲波產(chǎn)生的空化泡只有幾個(gè)微米，對(duì)工件表面不會(huì)產(chǎn)生破壞，*保護(hù)了設(shè)備在去污后高溫高濕試驗(yàn)箱的完整性。由于超聲波去污實(shí)現(xiàn)了裝置化，清洗的溶液經(jīng)過(guò)濾循環(huán)系統(tǒng)過(guò)濾，這樣對(duì)廢物處理的難度大大降低。另外超聲波去污法和超聲波去污裝置易于實(shí)現(xiàn)遙控操作與自動(dòng)化，節(jié)省了勞力，并使操作技術(shù)人員遠(yuǎn)離放射性物質(zhì)，大大降低了受照劑量。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，日本、美國(guó)至今已有一半的核電站以的核設(shè)備洗滌劑作介質(zhì)，采用超聲波清洗方法對(duì)核設(shè)備去污。超聲波清洗方法是一種相當(dāng)好的核去污技術(shù)，具有清洗效果好、效率高、廢水量少、易控制并且對(duì)工件母體無(wú)損害等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越受到重視。

　　4超聲波去污試驗(yàn)

　　雖然超聲波清洗被應(yīng)用于一般工業(yè)清洗中已超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，在這些領(lǐng)域已經(jīng)積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，但核去污有其特殊性，如*照搬一般工業(yè)清洗方面技術(shù)，失敗的可能性100%，因此必須了解核去污的性質(zhì)，對(duì)核設(shè)備用超聲波去污系統(tǒng)進(jìn)行專門(mén)的研究，并在實(shí)踐中運(yùn)行檢驗(yàn)，才能達(dá)到核去污的要求。

　　盡管我國(guó)已仿制出超聲波核去污設(shè)備，但如何對(duì)其清洗參數(shù)的確定，以及這些參數(shù)對(duì)清洗效果的影響還缺乏研究。一般認(rèn)為影響清洗效果主要取決于三個(gè)因素：1）超聲波的頻率和振幅；2）介質(zhì)的物理屬性，包括蒸汽壓，表面張力，密度和粘度等；3）液體的流變狀態(tài)，靜止，紊流或?qū)恿鳌?/p>

　　與上述因素有關(guān)的超聲波設(shè)備參數(shù)有超聲波頻率，功率密度，清洗溫度、時(shí)間，根據(jù)這些設(shè)備參數(shù)，可以按照三水平四因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)L 9（34 ）。

　　我公司應(yīng)國(guó)內(nèi)某核電站的要求，開(kāi)發(fā)核設(shè)備超聲波去污箱。為了對(duì)核設(shè)備的污染物清洗有正確的了解，我們對(duì)該核電站提供的試樣做了去污試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步分析。超聲波清洗機(jī)是HW單槽系列超聲波清洗機(jī)，清洗機(jī)具備電加熱功能和定時(shí)功能，槽體材質(zhì)為耐酸堿腐蝕的恒溫老化房不銹鋼材料SUS316L。由于本次試驗(yàn)僅僅為了探索超聲波去污設(shè)備參數(shù)對(duì)去污效果的影響，為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)，忽略清洗液化學(xué)物理特性對(duì)本次試驗(yàn)的影響，所以清洗液采用同一種國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的設(shè)備表面核污染清洗劑（KD-128B型清洗劑），配以70%的除鹽水。清洗試驗(yàn)在密閉的環(huán)境下進(jìn)行。清洗之前，先將試樣編號(hào)，并采用美國(guó)Victoreen-190輻射測(cè)量?jī)x分別測(cè)得試樣的表面平均輻射劑量率，然后按表1給定條件進(jìn)行去污試驗(yàn)，清洗后用除鹽水漂洗兩次，zui后在分別測(cè)得試樣去污后的平均輻射劑量率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

　　表1 超聲波參數(shù)對(duì)核設(shè)備去污效果的影響 試驗(yàn)號(hào) 超聲頻率（KHz） 清洗時(shí)間

　　（H） 清洗溫度

　　（℃） 功率密度

　　（W/L） 輻射當(dāng)量劑量率

　　（mSv/h） 去污因數(shù) 去污前 去污后 1 22 ① 60 ① 95 ③ 10 ② 203.84 2.21 92.24 2 25 ② 60 ① 65 ① 8 ① 80.53 0.90 89.48 3 28 ③ 60 ① 80 ② 12 ③ 164.82 1.42 116.07 4 22 ① 80 ② 80 ② 8 ① 46.73 0.62 75.37 5 25 ② 80 ② 95 ③ 12 ③ 188.81 1.23 153.50 6 28 ③ 80 ② 65 ① 10 ② 152.49 1.09 139.89 7 22 ① 100 ③ 65 ① 12 ③ 225.36 2.29 98.41 8 25 ② 100 ③ 80 ② 10 ② 383.41 2.86 134.06 9 28 ③ 100 ③ 95 ③ 8 ① 538.88 3.51 153.53 三次去除系數(shù)之和 水平① 266.01 297.78 327.78 318.37 水平② 377.04 368.76 325.50 366.19 水平③ 409.49 385.99 399.26 367.98 表中去污因數(shù)是指放射性物質(zhì)污染初始輻射劑量率與去污處理后輻射劑量率的比值。去污因數(shù)越高，說(shuō)明清洗效果越好。三次去除因數(shù)之和是指在同一條件下，三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果即去污因數(shù)之和。

　　由于在實(shí)際應(yīng)用中，核污染的情況和核設(shè)備本身結(jié)構(gòu)都相當(dāng)復(fù)雜，采用單一頻率的超聲波設(shè)備，去污過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生"駐波"，從而形成清洗死區(qū)，對(duì)核設(shè)備部件的盲孔、凹槽等很難清洗到位，影響清洗效果。因此國(guó)內(nèi)步入式試驗(yàn)室外核去污超聲設(shè)備都采用高中低復(fù)合頻率以避免產(chǎn)生駐波引起的清洗死區(qū)，以提高清洗效果，同時(shí)超聲波換能器采用振盒式結(jié)構(gòu)安裝在較大結(jié)構(gòu)的封閉箱體中，這樣也便于去污箱的維修。所以在這里，我們不討論頻率對(duì)清洗效果的趨勢(shì)影響。

　　由上表，我們作出功率密度，清洗溫度，清洗時(shí)間對(duì)去污因數(shù)的影響趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖1）。

　　圖1 去污因數(shù)影響趨勢(shì)圖

　　5分析與結(jié)論

　　由圖1 可以看出，清洗時(shí)間在60小時(shí)冷熱沖擊箱至80小時(shí)之間時(shí)，去污因數(shù)隨清洗時(shí)間增加明顯，超過(guò)80小時(shí)后，去污因數(shù)幾乎不再增加。

　　清洗溫度在80℃至95℃之間時(shí)，去污因數(shù)隨清洗溫度增加明顯，低于80℃時(shí)，去污因數(shù)幾乎不變化。

　　功率密度在8w/l至10w/l 之間時(shí)，去污因數(shù)隨功率密度增加明顯，功率密度超過(guò)10w/l 時(shí)，去污因數(shù)幾乎不變化。

　　根據(jù)上述分析，從經(jīng)濟(jì)性的角度，我們可以得出這樣的結(jié)論：清洗時(shí)間在80小時(shí)，清洗溫度在95℃，功率密度在10w/l的情況下，清洗效果較好，去污經(jīng)濟(jì)性*。

　　6結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，初步探討了核設(shè)備去污箱的超聲波參數(shù)和去污效果之間的關(guān)系。由于核污染的多樣性和復(fù)雜性，大多數(shù)超聲波核去污設(shè)備是帶有循環(huán)過(guò)濾的復(fù)雜系統(tǒng)，因此還需要探討清洗液的高溫老化房流變性（液體的流速，流量和流向）對(duì)清洗效果的影響，以及化學(xué)清洗劑的理化性質(zhì)（表面張力，表面蒸汽壓，密度和粘度）對(duì)清洗效果的影響。隨著國(guó)家推行拉動(dòng)內(nèi)需的政策，國(guó)內(nèi)核電形勢(shì)蓬勃發(fā)展，超聲波核去污設(shè)備也會(huì)得到越來(lái)越多地應(yīng)用，對(duì)核設(shè)備去污的理論研究也必將進(jìn)一步加深。