放射性氣體廢物

放射性氣體廢物是指在放射性操作工藝中由於排氣和設備泄露或由於放射性實驗室和廠房通風所產生的具有放射性的廢氣。

放射性氣體廢物中可能還含有惰性氣體、氣溶膠、碘、氚及其他非放射性有害氣體。

基本介紹

• 中文名：放射性氣體廢物
• 外文名：radioactive gaseous waste 
• 來源：鈾礦石開採
• 成分：氡、粉塵、氮化物、硫化物等
• 特點：以氣溶膠形式存在
• 處理方法：通風法、吸附過濾法等

來源

鈾是天然放射系母體核素，它在衰變過程中不斷釋放出α、β、γ粒子，形成一系列子體核素，所以鈾礦石開採鑿岩、爆破、裝卸、運輸等活動，除釋放出一般礦井所含有的有毒有害物質如礦塵、SiO₂，CO，H₂S，SO₂，NO₂外，還釋放危害性很大的氡及氡子體以及放射性氣溶膠和鈾塵。

成分

氡及其子體來源：鐳子體氡是一种放射性氣體，從生產巷道、採空區的岩體和礦體析出的氡占30%~80%，從崩落岩石堆釋放氛占10% ~40%，從礦井水中析出氡占10%~30%。氡衰變形成一系列子體，99%以氣溶膠形式存在。

放射性氣載廢物中可能含有活化和裂變產生的人工放射性核素和天然放射性核素。所含核素的種類、數量和形態差別很大，並且還經常伴隨有各種常量有害物質，如：粉塵、NO_x，SO_x， HF， CO₂， CO等，它們通常以氣體、氣溶膠和懸浮物等形式存在。

放射性氣載廢物中存在的核素種類很多，最受重視的為碘、氪、氙、氡、碳、銫和釕等一些放射性同位素。

特點

放射性氣溶膠是固體或液體放射性微粒懸浮在空氣或氣體介質中形成的分散體系。

放射性氣溶膠的粒徑為10^-3~10³μm。小於0.1μm的微粒在氣體中做布朗運動，不因重力作用而沉降，1~10 μm的微粒沉降緩慢，能長久懸浮在空氣中。放射性氣溶膠是造成人體內照射的主要因素。

處理方法

在鈾礦開採、選礦及水冶、精煉和轉化、鈾同位素分離、核燃料元件製備、核反應堆運行、核燃料後處理、鈾懷加工、放射性廢物處理、同位素生產與套用，及其他放射性物質操作過程中，均可能產生含放射性微塵、放射性氣溶膠和放射性氣體廢物。放射性氣體廢物淨化處理的主要目的是去除或降低放射性污染物，保護工作人員、公眾和環境。

1、通風法

通風實際上是一種稀釋法。用通風降塵除氛是鈾(釷)礦井廢氣治理主要方法，科學設計通風系統，優選風機和風量，加強通風管理是礦井廢氣治理最重要和最有效的措施。例如：在礦井、廠房內設機械送風、排風系統，保證提供新鮮空氣和將有害氣體排除。氣流組織由低污染區流向高污染區，通過逆止閥防止發生逆流和竄流。

廠房內的綠區、橙區、紅區等控制區保持不同的換氣次數和負壓，監督區白區房間保持常壓，送風大於排風等。橙區、紅區的排風必須經高效過濾器淨化，監測合格後才允許排入大氣中。

2、衰變貯存

放射性廢氣中含很多短壽命活化產物和裂變產物核素，如核電站工藝廢氣中，除¹⁴C、⁸⁵Kr和³H外，其他核素的半衰期都很短，短壽命的惰性氣體可採用衰變貯存來消除。核電站工藝廢氣的衰變貯存有兩種方式。

（1）加壓貯存

加壓貯存是通過加壓使廢氣在貯罐中滯留足夠長的時間，從而降低放射性水平。

許多壓水堆電站把一迴路冷卻劑的溶解氣體、系統內容器的覆蓋氣體和設備運行的呼排氣收集起來，用壓縮機加壓(約0.8 MPa)貯存60d左右。經過60d的貯存，¹³³Xe可衰變掉99.9%以上，工藝廢氣內其他短半衰期的放射性核素大部分已衰減到可排除的水平。

（2）吸附床滯留

吸附床滯留是廢氣在除濕後通過吸附滯留床(又稱延遲床)，使其中的裂變氣體氪和氙在連續的吸附、解吸過程中，得到足夠的滯留時間，從而降低放射性水平。

有些核電站採用活性炭滯留床，滯留衰變處理工藝廢氣。為了保證活性炭滯留床有效工作，秦山三期重水堆滯留系統由乾燥器、氣水分離器、活性炭滯留床、壓縮機和冷凝器組成。乾燥器含分子篩，去除和收集廢氣中的重水後，送到重水淨化系統，淨化後返回套用，大約95%的重水可回收利用，使空氣中的氖濃度降低至少20倍。氣水分離器使廢氣中的水蒸氣冷凝，在冷凝器中，冷凝水與氣流分開，減少氣體夾帶水分，水分去除達95 %。

活性炭遲留的優點是在常溫、常壓下運行，無轉動部件，廢氣泄漏量小，操作簡單，可靠性高。

3、低溫回收⁸⁵Kr

有些有用核素可用低溫回收方法來提取和去除。⁸⁵Kr是惰性氣體中重要核素，可作探傷測厚和示蹤劑等之用，是一個有實用價值的同位素。⁸⁵Kr的回收提取有以下兩種方法：

一是活性炭吸附法。乏燃料元件溶解產生的尾氣，經洗滌、乾燥、預冷後送入活性炭床，用液氮將其液化。液態氟、氮均被活性炭吸附，將活性炭加熱，溫度升高至100℃時，氪被解吸下來，送到冷阱貯存或加壓裝入高壓鋼瓶中。此法得到的是氪的多種同位素的混合氣體，⁸⁵Kr約占5%。

二是低溫精餾法。將乏燃料元件溶解尾氣經初步淨化後加壓冷凍到-32℃，利用氟利昂作溶劑吸收Kr和Xe，然後減壓升溫進入精餾柱，去除氧和氮，最後利用氪和氙的沸點差將它們分離開。

4、乾法除塵

乾法除塵是採用多孔介質或纖維物質作濾材，使氣體通過時把不同粒徑的塵粒和氣溶膠截留在濾材上，達到淨化要求。被過濾微粒的粒徑、密度、氣流速度、濾材性質、濾材設定都可能影響過濾淨化效率。過濾器的設計應該力求外形尺寸小、過濾面積大、氣流通過阻力小、密封性好、易於拆卸和更換。乾式除塵的方法很多，下面介紹幾種主幹法除塵器。

（1）旋風除塵器

依靠機械力使氣流在旋風筒內做高速旋轉運動，含顆粒氣體沿切線方向進入筒內，受慣性離心力作用，顆粒撞擊到器壁上或相互撞擊，失去動能後沉降下來，落入灰斗。旋風除塵器結構簡單，操作管理方便，費用低廉，適用除去大於5μm的塵粒，宜用做過濾裝置的前置除塵器。

（2）袋式過濾器

採用天然纖維或合成纖維、玻璃纖維做成濾袋。氣體通過濾袋時，因篩濾、碰撞、

截留、擴散、靜電等作用而被阻留和捕集，把塵粒分離出來。

袋式除塵器的形式多種多樣，優點是結構簡單，費用低，能處理1μm以下含塵氣體，除塵效率可達98%以上。缺點是不適於處理溫度高、濕度大的含塵氣體。濾袋經過一定時間使用，需要自動振打或人工振打抖落積塵，也可用空氣反吹去除積塵，每隔一定時間反吹一次。通常，通過濾袋前後的壓差來決定是否需要反吹。濾袋容易著火，工作溫度不能太高，控制在260℃以下。濾袋容易破損，需要適時更換。袋式過濾器在核工業中常用於焚燒或熔煉時廢氣的淨化處理。

（3）電除塵器

電除塵基本原理是利用高壓直流電場使含塵氣體中塵粒荷電並在電場中捕集荷電顆粒而實現塵粒與氣流分離。電除塵器形式多樣:板式與管式;水平流式與垂直流式；乾式與濕式等。電除塵優點是氣流阻力小，能處理高溫、高濕氣體，除塵效率為99%~99.9%，適於處理含塵濃度低，塵粒直徑為0.05~50 μm的氣體。缺點是投資高，維修費用大，設備占地面積較大，易出現電火化和發生短路，不宜用來處理高負荷的尾氣。電除塵法在核工業中用得不多。

（4）矽膠柱吸附器

矽酸鈉(水玻璃)經酸處理、老化、水洗、乾燥，製成矽酸凝膠(堆密度600~700 g/L，孔隙率50%~65%)可做吸附劑裝柱，用來去除廢氣中的水蒸氣和NO_x。矽膠粒可用加熱獲得再生，但再生溫度不能超過200℃。

（5）高溫陶瓷過濾器

高溫陶瓷過濾器裝著許多根微孔碳化矽陶瓷管(呈燭狀，如長1m，外徑60mm)元件。使用溫度可達到1100℃。對粒徑大於5μm的粒子的過濾效率達99%。煙炱和焦油阻留在陶瓷過濾管的外表上慢慢地被燒掉。不僅有很高的過濾效率，而且還起到後燃燒的作用，消除煙炱、焦油的影響。這種過濾器的缺點是設備體積大，陶瓷過濾管壽命短(在900℃工作時間約為1000 h )，維修更換工作量大。

（6）燒結金屬過濾器

燒結金屬過濾器使用的材質有：不鏽鋼、鎳、因科鎳合金等，可根據煙氣成分選用。其工作溫度低於微孔陶瓷過濾器，不能起後燃燒室的作用。過濾效率隨過濾器孔徑大小而異，如孔徑為5~10μm的過濾器，對3μm粒徑的粒子過濾效率大於99.9%。燒結金屬過濾器的使用壽命較長，但價格貴，使用不太多。

5、濕法除塵

濕法除塵又稱濕法洗滌。放射性廢氣中的顆粒或放射性物質與水或其他液體相接觸，由於重力沉降、慣性碰撞、截留、擴散沉積與溶解等作用而去除廢氣中的顆粒和有害氣體。濕式除塵的效率一般大於90%，高者可達到99.5%，甚至更好。濕法除塵除了去除塵粒之外，還有降溫、加濕、去除酸性或鹼性氣體組分等作用。濕法除塵適宜於淨化高溫、易燃、易爆的含塵氣體。缺點是:耗能較大，產生廢液和泥漿等二次廢物多，管道設備容易受腐蝕。

濕法除塵的方法很多，主要包括篩板塔、泡罩塔、填充床洗滌器、噴淋洗滌器、文丘里洗滌器等。

6、常用吸附過濾器

（1）碘吸附器

碘吸附器又稱碘過濾器。揮發性碘可能以無機碘、有機碘化物等多種形式.存在無機碘容易去除，而有機碘較難去除。核工業中多用固體吸附法，碘吸附劑如銀八面沸石、銀絲光沸石、浸漬硝酸銀矽膠、活性氧化鋁、活性炭和浸漬銀的有機聚合物等。

（2）預過濾器

預過濾器對微米級及大於微米級的灰塵顆粒具有很高的捕集效率，而對於亞微米級的較小塵粒，捕集效率很低。預過濾器的濾材一般採用細孔泡沫塑膠、玻璃纖維或無紡布等，通常為格柵形結構。

安裝在高效微粒空氣過濾器前面的排風預過濾器，過濾效率至少為85%，用來保護高效微粒空氣過濾器不受灰塵或其他不良環境條件的損害。用於進風過濾的預過濾器，過濾效率至少85% 。

（3）高效微粒空氣過濾器

高效微粒空氣過濾器(HEPA過濾器)，又稱絕對過濾器，是一種用來過濾亞微米級微粒的乾式過濾裝置，過濾介質為合成纖維、玻璃纖維。其過濾機理是通過碰撞、擴散、慣性、重力和靜電等多種效應實現捕集微粒，達到淨化目的。高效微粒空氣過濾器在核工業廠礦使用很多，對空氣清潔度要求較高的場合也廣泛被採用。

方法選擇

除塵器的種類很多。除塵器的選用要根據廢氣的流量、溫度、濕度、塵粒粒度、塵粒濃度、分散度、磨損性、戮附性、比電阻等因素綜合考慮和評價之後來選定。除塵要以安全、可靠為主，選擇維修和更換部件少，二次廢物量少，工作人員受照劑量少的工藝和設備。

一般來說，核燃料循環設施和反應堆運行產生的氣載廢物量和放射性水平，比核技術利用及核研究中心要高得多。在核燃料循環活動中，尤其以後處理廠、玻璃固化和焚燒爐運行產生的氣載廢物的淨化要求更高，難度更大，不僅總α、總β、總γ的去污因子要求很高，單個核素如¹³⁷Cs 、 ⁹⁰Sr、²³⁹Pu的去污因子也要求很高，並且還要求有效地除去NO^x和SO^x等有毒有害氣體。因此這些設施所採用的尾氣淨化裝置是濕法加乾法的綜合處理系統。