時燁華

摘 ? 要：為解決六氟化鈾容器傳統(tǒng)的濕式清洗方式的廢水量多、清洗成本太高、存在臨界安全隱患等問題，引入了干式清洗方式，即激光清洗技術(shù)。在綜述了目前國內(nèi)六氟化鈾容器清洗方法和闡述了激光清洗在國內(nèi)外各個領(lǐng)域研究進展的基礎(chǔ)上介紹了激光清洗原理。舉例計算了740L容器激光清洗所需的理論能耗值。并從能耗、成本、環(huán)保和安全四個方面對化學清洗、高壓水清洗和激光清洗三種方法進行了對比。發(fā)現(xiàn)激光清洗六氟化鈾容器的技術(shù)具有低耗能、低成本、高環(huán)保、高安全的優(yōu)越性。結(jié)果表明激光清洗技術(shù)的研究是未來六氟化鈾容器清洗的發(fā)展方向，有著廣闊的發(fā)展前景和重要的意義。

關(guān)鍵詞：六氟化鈾容器 ?激光清洗 ?清洗技術(shù)

中圖分類號：TL21 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0067-03

Abstract： In order to solve the problem of the traditional wet cleaning method of uranium hexafluoride vessel， like ?too much waste water，thehigh cost， critical security risks and ect. To introduced a kind of dry cleaning method， that is， laser cleaning technology. Based on the review of the domestic cleaning methods of uranium hexafluoride and the research progress of laser cleaning in various fields at home and abroad， the principle of laser cleaning is introduced. The theoretical energy consumption values for the 740L container laser cleaning are calculated. And from the energy consumption， cost， environmental protection and safety of four aspects of chemical cleaning， high pressure water cleaning and laser cleaning three methods were compared. It is found that the technology of laser cleaning uranium hexafluoride vessel has the advantages of low energy consumption， low cost， high environmental protection and high safety. The results show that the research of laser cleaning technology is the future development direction of uranium hexafluoride container cleaning， and has broad prospects and important significance.

Key Words： Uranium hexafluoride container; Laser cleaning; Cleaning technology

六氟化鈾容器在殘存量超標、到達壓力檢測時間、豐度改變、 內(nèi)部清潔情況不確定、 容器有缺陷五種情況下必須進行清洗，目前六氟化鈾容器清洗方法有化學清洗和高壓水清洗兩種方法。

國內(nèi)主要采用化學清洗方法。先加入不超過22L水進行水解，再加入5%碳酸鈉水溶液與30%左右雙氧水混合加熱溶液多次堿洗，然后多次水洗，之后加入4.5%草酸水溶液除銹，最后進行吹干、烘干、真空測漏等流程，到期容器還需進行水壓試驗。這種方法消耗試劑種類多，試劑量大，放射性廢水量約為容器容積的3倍。

2017年，405廠的高壓水清洗740L六氟化鈾容器試驗成功，用高壓水噴射容器內(nèi)壁代替堿洗、水洗、除銹。水射流以很高的沖擊動能，連續(xù)不斷地作用在容器內(nèi)表面，從而使殘料和鐵銹脫落，達到清洗目的。這種方法不消耗試劑，放射性廢水量約為容器容積的0.6倍。

以上兩種方法都是濕法清洗，會產(chǎn)生一定量的放射性廢水，不能直接排放，后續(xù)需要鈾回收和廢水處理工序的支撐。且濕法清洗還涉及核臨界問題，存在安全隱患。

激光清洗是一種干式清洗方法，高能激光束照射在物體表面，污物吸收能量后從物體表面汽化分離。這種清洗方法不產(chǎn)生放射性廢水，不存在核臨界問題，是一種綠色安全的清洗技術(shù)，是未來六氟化鈾容器清洗的研究方向。

1 ?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在理論研究方面，國外激光清洗研究起步于20世紀80年代中期，但直到90年代初才真正步入生產(chǎn)中，在許多場合逐步取代傳統(tǒng)清洗方法[1]。最初有關(guān)激光清除表面小顆粒的文獻是在1987年由Petrov領(lǐng)導的研究小組所發(fā)表[2]。國內(nèi)的林喬等人對原理進行了深入的分析，主要包括光汽化分解、共振破碎、污物粒子熱膨脹、基體表面振動和粒子振動四個方面[3-4]。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，最早的干式激光清洗是1990年激光清洗金屬基底[5]。最先開始于微電子行業(yè)，是為了滿足工業(yè)生產(chǎn)上清除存儲器模板上的微小顆粒的需要而產(chǎn)生，最初的探索是以激光直接照射待清洗物品上，并被正式地確認為一種行之有效的清洗方法，影響著高精度電子工業(yè)的發(fā)展。G.X.Chen等人利用激光清洗技術(shù)進行了鋼材表面除漆的試驗研究，結(jié)果表明激光除漆具有巨大的潛在價值，將很有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的除漆方法[6]。Ph.Delaporte等人對核設(shè)施金屬表面附著有放射性氧化物的情況進行去污，結(jié)果顯示采用的XeCl準分子激光器能取得很好的去污效果[7]。此外，激光清洗在其他方面的研究也取得了很好的成果，包括文物藝術(shù)品、光學元等。

2 ?激光清洗原理

激光清洗上是激光與物質(zhì)相互作用的過程，包括很多化學物理效應(yīng)。許多研究人員做了大量的研究，證明了污物和物體表面之間的結(jié)合力主要有：共價鍵、雙偶極子、毛細作用、氫鍵、范德瓦爾斯力和靜電力。激光清洗其實就是利用激光的高能量等特性，破壞掉污物和物體表面的這些力，但不破壞物體本身。

由于污染物的成分和結(jié)構(gòu)復雜，激光與之作用的機理也有所不同，科學家們提出了各種理論模型。最常用的有以下三種：

（1）激光可以實現(xiàn)能量在時間和空間上的高度集中，聚焦的激光束在焦點附近可產(chǎn)生幾千度甚至幾萬度的高溫，使污垢瞬間蒸發(fā)、汽化或分解。

（2）激光束的方向性好，發(fā)散角小，激光束通過聚光系統(tǒng)能聚成不同直徑的光斑。在能量相同的情況下，控制不同直徑的光斑可以調(diào)整激光的能量密度，使污垢受熱膨脹。當污垢的膨脹力大于污垢對基體的吸附力時，污垢便會脫離物體的表面。動力學過程見圖1（b）。

（3）激光光束可以通過在物體表面產(chǎn)生超聲波，產(chǎn)生力學共振，使污垢破碎脫落。圖l（a）形象地表示了激光清洗的機理。高亮度和方向性好的激光，通過光學聚焦整形系統(tǒng)把高能量的激光束，照射物品需要清洗的部位，激光器發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收，通過光剝離、氣化、超聲波等過程，使污染物脫離物體表面。激光束沿著一定的軌跡掃描，就可以實現(xiàn)大面積的清洗[8]。

激光清洗有激光干洗和激光液膜兩種。為了不引入水，我們采用干式清洗。干式清洗六氟化鈾容器可能有兩種效應(yīng)同時作用，即六氟化鈾吸收能量升華和筒壁吸收能量振動。筒壁振動就是激光能量被基體吸收后使得基體產(chǎn)生振動，從而與污物粒子分離。而六氟化鈾升華需通過壓縮空氣載帶出，再通過液氮冷凝儲存。

3 ?激光清洗740L六氟化鈾儲運容器理論能量計算

3.1 激光能量只被六氟化鈾吸收

740L六氟化鈾儲運容器最大允許殘存量為11.5kg，且其污染物主要為六氟化鈾及少量的氟化鈾酰。我們理論認為其全部為六氟化鈾，且激光能量全部被殘料吸收且轉(zhuǎn)化為升華熱。計算740L六氟化鈾儲運容器激光清洗所需理論能量值：

固態(tài)六氟化鈾熱熔（溫度范圍250～337.212K）為：

Cp（J/mol·K）=84.0260+674.285×10-3T+438.450× 104T-2，

常壓下，六氟化鈾從20℃（293.15K）到達升華點為56.4℃（329.55），升華能量為：

Q1=CM△T=∫329.55293.15（84.0260+674.285×10-3T+438.450×104T-2）MdT

注：其中M為六氟化鈾物質(zhì)的量

以740L六氟化鈾容器為例，該容器最大殘存量為11.5kg（32.67mol），則該容器所需升華能量為Q1=349553.142J，約350kJ。

3.2 激光能量只被容器筒壁吸收

我們認為激光能量理論上只被基體（即碳鋼筒壁）吸收。

為了定量討論基體振動所產(chǎn)生的加速度，我們假定能量密度為F、持續(xù)時間為t的均勻激光脈沖照射在容器壁上，則上表面的溫度升高為：

△T=（1-R）F/ρCμ

注：R為表面反射率，F(xiàn)為清洗閾值，ρ為密度，C為比熱，μ為激光脈沖時間內(nèi)的熱擴散長度。由以上溫度升高引起的表面標準熱膨脹量為：

H=αμ△T=（1-R）Fα/ρC

注：α為熱膨脹系數(shù)。

通常，金屬的清洗閾值1J/cm2和10 J/cm2，我們選1 J/cm2。沖擊時間t為10ns。容器壁為碳鋼，R約為0.5，C=0.46J/g℃，ρ=7.85g/cm2，α約為10.6×10-6K-1。則H約為3×10-6cm。

V=H/t≈3×102cm/s。

a=H/t2≈3×1010cm/s2

由此可見，在這個過程中產(chǎn)生的加速度壁重力加速度大3千萬倍，如此大的基底表面加速度足以將粒子噴射出去。

740L容器清洗所需能量Q=F·S

注：F=1 J/cm2，740L容器內(nèi)表面積S=47047cm2，

則：Q2≈48kJ。

兩種效應(yīng)同時作用時所需最大能量為：

Q=Q1+Q2≈350+47≈398kJ

目前國內(nèi)激光轉(zhuǎn)化率為25%左右，則電耗能約為1592kJ。

4 ?六氟化鈾容器傳統(tǒng)清洗方法與激光清洗技術(shù)優(yōu)缺點對比

（1）能耗：目前國內(nèi)紅華公司高壓水清洗740L清洗設(shè)備功率為15kW，運行時間約6h，耗能324000kJ，遠大于1592kJ。此外化學清洗需配置試劑、真空輸送、壓空輸送、轉(zhuǎn)動清洗等都需要消耗很大電能。而且這兩種濕法清洗均需熱壓空吹干與24h烘干，耗能巨大。而激光清洗僅激光發(fā)生器和氣體載帶裝置耗能，能耗相比前兩種小很多。

（2）成本：化學清洗法與高壓水清洗法均通過鈾回收廠房、廢水處理廠房（膜處理+噴霧干燥，或膜處理+石灰沉淀）清水池、濃水池等，化學清洗法還需專門設(shè)置試劑配置裝置，工程費用很高，工藝流程復雜，造成清洗容器成本居高不下。目前，清洗一臺3m3容器造價大體接近制造一臺新容器的價格。而激光清洗法可僅需要相應(yīng)的激光發(fā)生裝置、壓空以及液氮冷凝裝置，可大大降低廢水處理成本。

（3）環(huán)保：化學清洗方法廢水量約為3倍容器容積;高壓水清洗方法廢水量約為0.6倍容器容積;激光清洗方法不產(chǎn)生廢水。而且，激光清洗是一種非接觸清洗，對于遠程控制，實現(xiàn)自動化清洗，提高工人的操作環(huán)境有著重要的意義。

（4）安全程度：化學清洗法與高壓水清洗法均使放射性物料與水接觸，存在臨界安全問題;激光清洗法是干式清洗，直接將物料升華成氣體或者通過容器筒壁振動剝離成固體顆粒，不存在臨界安全問題。

5 ?結(jié)語

激光清洗六氟化鈾容器是一種節(jié)能、降本、環(huán)保、安全的清洗方法，且在很多領(lǐng)域已經(jīng)得以應(yīng)用，是未來六氟化鈾容器清洗的發(fā)展方向，有著廣闊的發(fā)展前景和重要的意義。

參考文獻

[1] 王海將，劉偉嵬，余躍，等.金屬表面污染物的激光清洗研究現(xiàn)狀與展望[J].內(nèi)燃機與配件，2016（8）：75-78.

[2] 中國專利文獻檢索系統(tǒng)CPRS[DB]，北京：中國專利信息中心，2008.

[3] 林喬，石敏球，張欣，等.激光清洗及其應(yīng)用進展[J].廣州化工，2010，38（6）：23-25.

[4] 郭曉艷.激光清洗原理及應(yīng)用田[J].高新技術(shù)，2009，3（b）：1-2.

[5] Liu Katherine. Garmire Elsal Paint removal using lasers[J].Applied Optics.1995，34（21）：4409-44151.

[6] Chen G X，Kwee T J，Tan K P，et a1.1aser cleaning of steel for paint removal[J]. Applied Physics A，2010，101（2）：249-253.

[7] Ph. Delaporte，Etc. Laser cleaning surface contaminants[J].Applied surface science，1998（127）：721-725.

[8] 宋峰，劉淑靜，?？棕懀?激光清洗原理與應(yīng)用研究[J].清洗世界，2005，21（1）：1-6.