[科普中国]-放射性气体废物

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铀是天然放射系母体核素，它在衰变过程中不断释放出α、β、γ粒子，形成一系列子体核素，所以铀矿石开采凿岩、爆破、装卸、运输等活动，除释放出一般矿井所含有的有毒有害物质如矿尘、SiO2，CO，H2S，SO2，NO2外，还释放危害性很大的氡及氡子体以及放射性气溶胶和铀尘。1

成分氡及其子体来源：镭子体氡是一种放射性气体，从生产巷道、采空区的岩体和矿体析出的氡占30%~80%，从崩落岩石堆释放氛占10% ~40%，从矿井水中析出氡占10%~30%。氡衰变形成一系列子体，99%以气溶胶形式存在。

放射性气载废物中可能含有活化和裂变产生的人工放射性核素和天然放射性核素。所含核素的种类、数量和形态差别很大，并且还经常伴随有各种常量有害物质，如：粉尘、NOx，SOx， HF， CO2， CO等，它们通常以气体、气溶胶和悬浮物等形式存在。

放射性气载废物中存在的核素种类很多，最受重视的为碘、氪、氙、氡、碳、铯和钌等一些放射性同位素。

特点放射性气溶胶是固体或液体放射性微粒悬浮在空气或气体介质中形成的分散体系。

放射性气溶胶的粒径为10-3~103μm。小于0.1μm的微粒在气体中做布朗运动，不因重力作用而沉降，1~10 μm的微粒沉降缓慢，能长久悬浮在空气中。放射性气溶胶是造成人体内照射的主要因素。

处理方法在铀矿开采、选矿及水冶、精炼和转化、铀同位素分离、核燃料元件制备、核反应堆运行、核燃料后处理、铀怀加工、放射性废物处理、同位素生产与应用，及其他放射性物质操作过程中，均可能产生含放射性微尘、放射性气溶胶和放射性气体废物。放射性气体废物净化处理的主要目的是去除或降低放射性污染物，保护工作人员、公众和环境。

1、通风法

通风实际上是一种稀释法。用通风降尘除氛是铀(钍)矿井废气治理主要方法，科学设计通风系统，优选风机和风量，加强通风管理是矿井废气治理最重要和最有效的措施。例如：在矿井、厂房内设机械送风、排风系统，保证提供新鲜空气和将有害气体排除。气流组织由低污染区流向高污染区，通过逆止阀防止发生逆流和窜流。

厂房内的绿区、橙区、红区等控制区保持不同的换气次数和负压，监督区白区房间保持常压，送风大于排风等。橙区、红区的排风必须经高效过滤器净化，监测合格后才允许排入大气中。

2、衰变贮存

放射性废气中含很多短寿命活化产物和裂变产物核素，如核电站工艺废气中，除14C、85Kr和3H外，其他核素的半衰期都很短，短寿命的惰性气体可采用衰变贮存来消除。核电站工艺废气的衰变贮存有两种方式。

（1）加压贮存

加压贮存是通过加压使废气在贮罐中滞留足够长的时间，从而降低放射性水平。

许多压水堆电站把一回路冷却剂的溶解气体、系统内容器的覆盖气体和设备运行的呼排气收集起来，用压缩机加压(约0.8 MPa)贮存60d左右。经过60d的贮存，133Xe可衰变掉99.9%以上，工艺废气内其他短半衰期的放射性核素大部分已衰减到可排除的水平。

（2）吸附床滞留

吸附床滞留是废气在除湿后通过吸附滞留床(又称延迟床)，使其中的裂变气体氪和氙在连续的吸附、解吸过程中，得到足够的滞留时间，从而降低放射性水平。

有些核电站采用活性炭滞留床，滞留衰变处理工艺废气。为了保证活性炭滞留床有效工作，秦山三期重水堆滞留系统由干燥器、气水分离器、活性炭滞留床、压缩机和冷凝器组成。干燥器含分子筛，去除和收集废气中的重水后，送到重水净化系统，净化后返回应用，大约95%的重水可回收利用，使空气中的氖浓度降低至少20倍。气水分离器使废气中的水蒸气冷凝，在冷凝器中，冷凝水与气流分开，减少气体夹带水分，水分去除达95 %。

活性炭迟留的优点是在常温、常压下运行，无转动部件，废气泄漏量小，操作简单，可靠性高。

3、低温回收85Kr

有些有用核素可用低温回收方法来提取和去除。85Kr是惰性气体中重要核素，可作探伤测厚和示踪剂等之用，是一个有实用价值的同位素。85Kr的回收提取有以下两种方法：

一是活性炭吸附法。乏燃料元件溶解产生的尾气，经洗涤、干燥、预冷后送入活性炭床，用液氮将其液化。液态氟、氮均被活性炭吸附，将活性炭加热，温度升高至100℃时，氪被解吸下来，送到冷阱贮存或加压装入高压钢瓶中。此法得到的是氪的多种同位素的混合气体，85Kr约占5%。

二是低温精馏法。将乏燃料元件溶解尾气经初步净化后加压冷冻到-32℃，利用氟利昂作溶剂吸收Kr和Xe，然后减压升温进入精馏柱，去除氧和氮，最后利用氪和氙的沸点差将它们分离开。

4、干法除尘

干法除尘是采用多孔介质或纤维物质作滤材，使气体通过时把不同粒径的尘粒和气溶胶截留在滤材上，达到净化要求。被过滤微粒的粒径、密度、气流速度、滤材性质、滤材设置都可能影响过滤净化效率。过滤器的设计应该力求外形尺寸小、过滤面积大、气流通过阻力小、密封性好、易于拆卸和更换。干式除尘的方法很多，下面介绍几种主干法除尘器。

（1）旋风除尘器

依靠机械力使气流在旋风筒内做高速旋转运动，含颗粒气体沿切线方向进入筒内，受惯性离心力作用，颗粒撞击到器壁上或相互撞击，失去动能后沉降下来，落入灰斗。旋风除尘器结构简单，操作管理方便，费用低廉，适用除去大于5μm的尘粒，宜用做过滤装置的前置除尘器。

（2）袋式过滤器

采用天然纤维或合成纤维、玻璃纤维做成滤袋。气体通过滤袋时，因筛滤、碰撞、

截留、扩散、静电等作用而被阻留和捕集，把尘粒分离出来。

袋式除尘器的形式多种多样，优点是结构简单，费用低，能处理1μm以下含尘气体，除尘效率可达98%以上。缺点是不适于处理温度高、湿度大的含尘气体。滤袋经过一定时间使用，需要自动振打或人工振打抖落积尘，也可用空气反吹去除积尘，每隔一定时间反吹一次。通常，通过滤袋前后的压差来决定是否需要反吹。滤袋容易着火，工作温度不能太高，控制在260℃以下。滤袋容易破损，需要适时更换。袋式过滤器在核工业中常用于焚烧或熔炼时废气的净化处理。

（3）电除尘器

电除尘基本原理是利用高压直流电场使含尘气体中尘粒荷电并在电场中捕集荷电颗粒而实现尘粒与气流分离。电除尘器形式多样:板式与管式;水平流式与垂直流式；干式与湿式等。电除尘优点是气流阻力小，能处理高温、高湿气体，除尘效率为99%~99.9%，适于处理含尘浓度低，尘粒直径为0.05~50 μm的气体。缺点是投资高，维修费用大，设备占地面积较大，易出现电火化和发生短路，不宜用来处理高负荷的尾气。电除尘法在核工业中用得不多。

（4）硅胶柱吸附器

硅酸钠(水玻璃)经酸处理、老化、水洗、干燥，制成硅酸凝胶(堆密度600~700 g/L，孔隙率50%~65%)可做吸附剂装柱，用来去除废气中的水蒸气和NOx。硅胶粒可用加热获得再生，但再生温度不能超过200℃。

（5）高温陶瓷过滤器

高温陶瓷过滤器装着许多根微孔碳化硅陶瓷管(呈烛状，如长1m，外径60mm)元件。使用温度可达到1100℃。对粒径大于5μm的粒子的过滤效率达99%。烟炱和焦油阻留在陶瓷过滤管的外表上慢慢地被烧掉。不仅有很高的过滤效率，而且还起到后燃烧的作用，消除烟炱、焦油的影响。这种过滤器的缺点是设备体积大，陶瓷过滤管寿命短(在900℃工作时间约为1000 h )，维修更换工作量大。

（6）烧结金属过滤器

烧结金属过滤器使用的材质有：不锈钢、镍、因科镍合金等，可根据烟气成分选用。其工作温度低于微孔陶瓷过滤器，不能起后燃烧室的作用。过滤效率随过滤器孔径大小而异，如孔径为5~10μm的过滤器，对3μm粒径的粒子过滤效率大于99.9%。烧结金属过滤器的使用寿命较长，但价格贵，使用不太多。

5、湿法除尘

湿法除尘又称湿法洗涤。放射性废气中的颗粒或放射性物质与水或其他液体相接触，由于重力沉降、惯性碰撞、截留、扩散沉积与溶解等作用而去除废气中的颗粒和有害气体。湿式除尘的效率一般大于90%，高者可达到99.5%，甚至更好。湿法除尘除了去除尘粒之外，还有降温、加湿、去除酸性或碱性气体组分等作用。湿法除尘适宜于净化高温、易燃、易爆的含尘气体。缺点是:耗能较大，产生废液和泥浆等二次废物多，管道设备容易受腐蚀。

湿法除尘的方法很多，主要包括筛板塔、泡罩塔、填充床洗涤器、喷淋洗涤器、文丘里洗涤器等。

6、常用吸附过滤器

（1）碘吸附器

碘吸附器又称碘过滤器。挥发性碘可能以无机碘、有机碘化物等多种形式.存在无机碘容易去除，而有机碘较难去除。核工业中多用固体吸附法，碘吸附剂如银八面沸石、银丝光沸石、浸渍硝酸银硅胶、活性氧化铝、活性炭和浸渍银的有机聚合物等。

（2）预过滤器

预过滤器对微米级及大于微米级的灰尘颗粒具有很高的捕集效率，而对于亚微米级的较小尘粒，捕集效率很低。预过滤器的滤材一般采用细孔泡沫塑料、玻璃纤维或无纺布等，通常为格栅形结构。

安装在高效微粒空气过滤器前面的排风预过滤器，过滤效率至少为85%，用来保护高效微粒空气过滤器不受灰尘或其他不良环境条件的损害。用于进风过滤的预过滤器，过滤效率至少85% 。

（3）高效微粒空气过滤器

高效微粒空气过滤器(HEPA过滤器)，又称绝对过滤器，是一种用来过滤亚微米级微粒的干式过滤装置，过滤介质为合成纤维、玻璃纤维。其过滤机理是通过碰撞、扩散、惯性、重力和静电等多种效应实现捕集微粒，达到净化目的。高效微粒空气过滤器在核工业厂矿使用很多，对空气清洁度要求较高的场合也广泛被采用。2

方法选择除尘器的种类很多。除尘器的选用要根据废气的流量、温度、湿度、尘粒粒度、尘粒浓度、分散度、磨损性、戮附性、比电阻等因素综合考虑和评价之后来选定。除尘要以安全、可靠为主，选择维修和更换部件少，二次废物量少，工作人员受照剂量少的工艺和设备。

一般来说，核燃料循环设施和反应堆运行产生的气载废物量和放射性水平，比核技术利用及核研究中心要高得多。在核燃料循环活动中，尤其以后处理厂、玻璃固化和焚烧炉运行产生的气载废物的净化要求更高，难度更大，不仅总α、总β、总γ的去污因子要求很高，单个核素如137Cs 、 90Sr、239Pu的去污因子也要求很高，并且还要求有效地除去NOx和SOx等有毒有害气体。因此这些设施所采用的尾气净化装置是湿法加干法的综合处理系统。2