乏燃料后處理廠高效過濾器應用問題分析與改進研究

□李 碩 宋曉鵬 侯學鋒 馬 敬

目前PUREX流程是國內外乏燃料后處理廠普遍采用的后處理工藝流程，主要包括首端處理、化學分離和鈾尾端和钚尾端等工藝過程。乏燃料后處理廠在運行過程中會產生大量的放射性尾氣，按放射性核素的物理化學形態可以分為氣態裂變產物和放射性裂變產物的氣溶膠。氣態裂變產物主要是3H、14C、84Br、85Kr、129I、131I、133Xe等[1]，放射性氣溶膠是指放射性裂變產物以固體微粒和微小液滴的形式懸浮在氣體中，含量雖然少，但毒性很強。此外，溶解、蒸發、脫硝等操作過程排出的尾氣中還可能含有大量的酸性物質，具有輻射危害和化學危害。因此，需對工藝尾氣進行凈化處理，滿足國家規定的排放標準后才能排放，以保證輻射安全，并最大限度地降低放射性物質和化學物質對環境的影響。

一、工藝尾氣處理系統中高效過濾器的應用問題分析

(一)高效過濾器的應用。后處理廠的工藝尾氣按照工藝過程可以分為：首端處理的剪切和溶解排氣、共去污循環設備排氣、鈾純化循環設備排氣、钚純化循環設備排氣、高中放廢液蒸發排氣、高放廢液貯槽排氣等。上述工藝尾氣中均含有一定濃度的放射性氣溶膠，排放前需通過高效過濾器進行凈化。高效過濾器作為工藝尾氣排氣系統的核心凈化設備，是保護人員和環境措施的重要組成部分[2]。

高效過濾器技術特性效率要求≥99.99%(鈉焰法)[3]。高效過濾器主要由蓋板、脫鉤壓緊裝置、濾芯等組成，如圖1所示。

圖1 一種高效過濾器的結構示意圖

目前我國一些后處理廠尾氣凈化處理所使用的高效過濾器可以自主設計和制造，但濾芯材料主要從國外進口。

(二)問題分析。我國乏燃料后處理廠使用的高效過濾器從總體上滿足尾氣排放的要求，但也存在以下主要問題：一是工藝尾氣中酸含量較高，對濾芯的腐蝕及破壞程度較大；二是高效過濾器運行時所處理介質濕度較大，易發生穿孔或破損；三是高效過濾器運行時初阻力較大，且隨著運行時間的增長，運行阻力快速增加；四是高效過濾器在運行過程中存在效率降低及失效問題，并不能及時得到有效檢測。上述問題會造成放射性物質的超標排放以及人員在檢修或更換過濾器濾芯時受照劑量增加。

(三)存在問題的原因。從高效過濾器運行環境方面來看，后處理廠工藝尾氣中成分復雜，濕度比較大，并存在氮氧化物等酸性物質，甚至可能夾帶少量有機相，對濾芯材料的性能造成破壞，嚴重影響過濾器的穩定運行，造成過濾器的效率降低，縮短了過濾器濾芯的使用壽命，頻繁更換產生大量的放射性固體廢物；另外，過濾器本身在材質及結構設計等方面也存在一些不足：一是前面一級的中效過濾器濾芯采用玻纖濾材制作，在濕度較高的情況下，過濾器阻力升高，且出現濾芯破損問題；二是高效過濾器濾芯采用單一來源的進口玻璃纖維濾料制作，采購周期長、成本高；三是中效和高效過濾器密封墊采用硅橡膠制作，長時間使用時性能受影響，存在腐蝕和老化等問題。

二、改進研究

(一)過濾材料。過濾材料是高效過濾器的關鍵部分，濾材性能直接決定高效過濾器的優劣，因此要篩選出性能優良的過濾材料。乏燃料后處理工藝尾氣處理系統中的放射性氣溶膠，不僅含有放射性物質，還夾帶有酸、堿或有機相，這就對過濾材料提出了更高的性能要求。

1.性能要求。耐酸性：在酸性氣體環境中，濾材內部結構穩定性高，不與酸性氣體發生化學反應或對內部結構造成破壞。

過濾效率：濾材的初始效率高，經輻照后在酸性環境工作一段時間后依然能保持高效率，即需能夠承受放射性輻照和酸性環境的影響。

強度：濾材強度能承受溫度、濕度和放射性的影響，在后處理廠工藝尾氣溫度、濕度和一定輻照劑量條件下濾材不易破損。

氣流阻力：濾材在過濾一定量的氣溶膠后，壓降不會快速升高。

2.過濾材料分類及特點。目前市面上用于高效過濾器的纖維大致有聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃纖維、金屬纖維、陶瓷纖維和纖蛇紋石纖維等。

(1)聚四氟乙烯。聚四氟乙烯(PTFE)為高分子長鏈結構，無支鏈，這種極其特殊的分子結構，使其具有極好的耐腐蝕性能[4]。能夠適用于幾乎所有的強酸、強堿和有機溶劑的環境，其穩定性超過所有天然纖維和化學纖維，并且在高溫條件下也具有很好的穩定性。另外，聚四氟乙烯纖維還具有良好的抗輻射性能。

PTFE的應用十分廣泛，在很多領域需要對其進行處理或改性來提高濾料的過濾效率及精度，常見的處理操作主要有浸漬、覆膜、涂層等。三種處理操作均可使濾料表觀形態發生變化，孔徑減小，透氣性下降，過濾效率提高。

(2)玻璃纖維濾材。玻璃纖維的主要成分是二氧化硅(SiO2)，輔助成分有Al2O3、CaO、MgO、Na2O+K2O等[5]。按照玻璃中原料的含堿量成分分為：無堿、低堿、中堿和高堿玻璃纖維[6]。玻璃纖維具有極佳的耐溫性、耐酸性、阻燃性，尺寸穩定，而且伸長率小，在酸性氣體(氫氟酸除外)中能長期保持性能穩定，價格低廉[7～8]。其特有的化學穩定性及耐高溫性，是活性炭、不銹鋼、樹脂等無法替代的。由玻璃纖維所制成的氣體過濾器能截留的最小顆粒直徑可達到0.1μm，不僅可以截留固體顆粒、煙塵等，還可以截留微生物等塵埃粒子，其過濾效率也可達到99.99%。但是玻璃纖維不耐折，濾材的抗沖擊和抗振動性能差，需對玻璃纖維進行改性，以有效地增強玻璃纖維的耐折性和耐磨性，提高濾材的使用壽命。

(3)金屬纖維。金屬纖維是指一種金屬含量較高、金屬材料在其中連續分布的、橫向尺寸可以達到微米級的纖維形材料。金屬纖維具有良好的力學性能，不僅拉伸比模量和斷裂比強度高，而且可彎折性、韌性良好，具有耐高溫性能，在高溫下能承受的壓降高，具有較高的凈化能力和穩定性，不銹鋼纖維、鎳纖維等多種材質還具有良好的耐化學腐蝕、抗氧化性能。

金屬燒結氈在過濾器中應用十分廣泛，將金屬纖維絲雜亂交織碾壓燒結，形成無數不規則的孔隙，從而攔截液流或氣流中的微小顆粒。具有無脫落、高過濾精度、高納污容量、耐高溫、耐有機溶劑等特點[9]。常用的材質有不銹鋼、鐵鉻鋁等，根據使用工況不同，可以選用不同過濾精度和材質的金屬纖維氈。

金屬纖維濾材具有高孔隙率和高滲透率的特點，從而使過濾器具有過濾精度高、納污容量大、阻力上升慢、濾芯更換周期長等優點。金屬纖維耐腐蝕、耐高溫，處理能力強并且易于加工、成型、焊接。通過研究發現，雖然金屬纖維氈的過濾精度為5μm，但對于粒徑在1μm左右的固體顆粒也具有相當高的過濾效果[10]。

(4)陶瓷纖維。與傳統陶瓷粒狀濾料相比，陶瓷纖維過濾材料的比表面積較大，有更大的吸附界面，對懸浮物也有一定的過濾效果。相比于泡沫陶瓷，陶瓷纖維具有更小的孔徑，過濾精度更高[11]。相對于其他材質的過濾材料，陶瓷纖維具有良好的熱穩定性、化學穩定性，但脆性差是其重要的缺點，限制了陶瓷纖維的應用。

(5)纖蛇紋石纖維[12]。纖蛇紋石是呈圓柱狀構造的層狀結構硅酸鹽礦物。纖蛇紋石管的外徑一般為幾十鈉米，內徑為幾鈉米至十幾鈉米。天然的纖蛇紋石纖維束由無數根這樣的纖蛇紋石鈉米管集聚而成。天然礦物纖蛇紋石一維鈉米管具有許多獨特的優良性能，如耐熱、隔熱、抗張強度高、柔韌性好，且成本較低。

西南科技大學以天然礦物纖蛇紋石為原料制備的氧化硅鈉米纖維(SiNF)為基材，通過在其上負載一層鉍基金屬有機骨架化合物，形成性能優良的SiNF/Bi-MOF復合材料，其過濾性能正在研究中。

乏燃料后處理工藝中的氣溶膠過濾過程具有高濕度、強酸性的特點，因此要求濾芯材質具有容塵量大、效率高、阻力小、耐腐蝕且結構強度高等優點?？赏ㄟ^進一步系統研究，科學評價以上幾種濾材的性能及適用性，篩選出性能優良的濾材，從而對篩選出的濾材進行復合或改性，進一步優化濾材的性能。

(二)過濾器的效率檢測。目前我國后處理廠過濾器在運行時主要通過壓差測量和過濾器濾芯的伽馬劑量測量作為更換過濾器要的依據，缺少對過濾效率的檢測手段。

1.檢測方法。高效過濾器有多種測定其效率的方法，不同國家的標準中檢測方法是不同的，我國現行的高效過濾器的檢測方法主要有鈉焰法、DOP計數法和熒光素鈉法等。目前DOP計數法和熒光素鈉法主要用于國內核設施現場氣溶膠過濾器性能評價，我國高效過濾器在出廠前一般采用鈉焰法對過濾效率進行測定[13]。

(1)鈉焰法[14]。鈉焰法是以光度計為檢測儀器，塵源是單分相NaCl粒子(約0.44μm)氣溶膠，使用光度計測量過濾器前后加氫氣燃燒產生的黃色火焰的強度轉化為電量來測定效率，是一種長期對高效過濾器進行效率測試的方法。

(2)DOP法[14]。DOP測試方法以氣溶膠光度計或粒子計數器為檢測儀器。該方法以0.3μm的DOP(鄰苯二甲基二辛酯)粒子為塵源，根據試件前后采樣空氣濃度(DOP粒子濃度)計算效率。

DOP本身具有潛在致癌性，且易燃，被人體吸入后，會造成人體內分泌系統的紊亂，目前在生物、醫藥等領域常以DOS(葵二酸二辛酯)及PAO(聚α烯烴)等代替DOP(鄰苯二甲基二辛酯)作為塵源，但試驗方法仍稱為DOP法。

(3)熒光素鈉法。熒光素鈉(Na2C20H10O5)是化學性質穩定、無放射性、無毒的粉末狀固體，是一種易檢測的理想示蹤劑，且對核設施的空氣凈化系統的部件無損害。

試驗塵源為熒光素鈉粉塵。試驗時，熒光素鈉氣溶膠粉塵進入到相應管道，在壓縮空氣的載帶下注入試驗系統，首先在過濾器前后采樣，測量流過取樣裝置的流量，然后用溶液溶解采樣濾膜上的熒光素鈉，測量溶液熒光強度，熒光強度反映了熒光素鈉氣溶膠的重量，用熒光強度差別可判斷過濾器的效率。

(4)最易穿透粒徑法。該方法的基礎是粒子計數法，測試塵源采用最易穿透粒徑的粒子[15]。根據經驗，對于高效、超高效過濾器，最易穿透的粉塵粒徑在0.12μm～0.25μm之間的某點，在額定風速下，高效過濾器對該粒徑的微粒捕獲效率最低，此粒徑稱為最易穿透粒徑。以最易穿透粒徑的效率表示過濾器的效率，更具有實際意義，稱為最易穿透粒徑法。

我國現有的高效過濾器效率檢測方法各有優缺點，適用于不同的檢測情況與需求，需要根據實際檢測要求進行選擇。鈉焰法在檢測過程中會因為氫氣燃燒產生明火，存在燃燒爆炸風險，在我國該方法只用于高效過濾器的出廠檢測中；DOP法測量精度不夠，對多級串聯的高效過濾器檢測比較困難；熒光素鈉法操作復雜、離線測量時間長；最易穿透粒徑法靈敏度高，可以檢測高串聯高效過濾器的效率，在乏燃料后處理廠可以實現在線檢測。但乏燃料后處理廠的運行環境惡劣，過濾器一般布置在紅區，并且過濾器多級串聯，對效率檢測的方法要求更高，最易穿透粒徑法在乏燃料后處理廠高效過濾器檢測方面的應用仍需進行多方面的改進和驗證。

2.過濾器定期試驗檢測。乏燃料后處理廠工藝尾氣處理系統中的高效過濾器是放射性工藝尾氣處理的最后一道關卡，必須經現場試驗檢測合格后才能投入使用。高效過濾器投入使用后，需定期檢測以證明其有效性，從而保證運行的安全性和有效性，同時也減少廢物的產生量，一般每年需進行兩次試驗檢測。

目前我國后處理廠的放射性工藝尾氣凈化單元的性能評價僅在系統首次調試時進行了現場試驗檢測，運行期間過濾器的定期檢測要比首次調試試驗復雜的多。主要原因在于工藝尾氣成分復雜，環境條件惡劣，關鍵是過濾器所處環境具有輻照危害，對檢測儀器的耐酸性、耐濕和耐溫性以及示蹤劑的穩定性要求苛刻，工作人員難以進入該區域進行操作，所以定期對過濾器進行現場試驗檢測是十分困難的。因此，在乏燃料后處理廠運行過程中，過濾器的運行情況、泄露情況及凈化效率由于沒有進行定期試驗檢測而處于不確定的狀態。

隨著我國后處理技術的發展以及安全要求的提高，對過濾器運行后定期效率檢測的現場試驗技術和設備提出了較高要求，除了能實現運行期間的定期試驗檢測，還需要安全高效、靈敏快捷，需要在較短時間內給出系統的泄漏率檢測結果和放射性氣溶膠的凈化效率。因此，當務之急，要盡快對試驗檢測方法進行系統的論證及工程應用研究，在后處理廠設計時，同時也應考慮到對工藝尾氣系統裝置進行定期效率試驗，預留檢測位置、檢測管道及檢測設備出入口等。

三、結語

乏燃料后處理廠工藝尾氣成分復雜，且具有輻射危害和化學危害，高效過濾器是放射性廠房與外界環境之間的最后一道屏障。目前國內后處理廠使用的高效過濾器在運行中存在易破損、運行阻力大、更換困難等問題，有必要篩選和研發性能更優良的過濾材料。高效過濾器運行期間的效率檢測手段仍需加強，從而確定高效過濾器的運行狀態，降低因高效過濾器的過濾效率降低導致放射性氣體泄漏的風險。