六氟化铀容器激光清洗技术研究
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摘 要：为解决六氟化铀容器传统的湿式清洗方式的废水量多、清洗成本太高、存在临界安全隐患等问题，引入了干式清洗方式，即激光清洗技术。在综述了目前国内六氟化铀容器清洗方法和阐述了激光清洗在国内外各个领域研究进展的基础上介绍了激光清洗原理。举例计算了740L容器激光清洗所需的理论能耗值。并从能耗、成本、环保和安全四个方面对化学清洗、高压水清洗和激光清洗三种方法进行了对比。发现激光清洗六氟化铀容器的技术具有低耗能、低成本、高环保、高安全的优越性。结果表明激光清洗技术的研究是未来六氟化铀容器清洗的发展方向，有着广阔的发展前景和重要的意义。
关键词：六氟化铀容器 激光清洗 清洗技术
中图分类号：TL21 文獻标识码：A 文章编号：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
六氟化铀容器在残存量超标、到达压力检测时间、丰度改变、 内部清洁情况不确定、 容器有缺陷五种情况下必须进行清洗，目前六氟化铀容器清洗方法有化学清洗和高压水清洗两种方法。
国内主要采用化学清洗方法。先加入不超过22L水进行水解，再加入5%碳酸钠水溶液与30%左右双氧水混合加热溶液多次碱洗，然后多次水洗，之后加入4.5%草酸水溶液除锈，最后进行吹干、烘干、真空测漏等流程，到期容器还需进行水压试验。这种方法消耗试剂种类多，试剂量大，放射性废水量约为容器容积的3倍。
2017年，405厂的高压水清洗740L六氟化铀容器试验成功，用高压水喷射容器内壁代替碱洗、水洗、除锈。水射流以很高的冲击动能，连续不断地作用在容器内表面，从而使残料和铁锈脱落，达到清洗目的。这种方法不消耗试剂，放射性废水量约为容器容积的0.6倍。
以上两种方法都是湿法清洗，会产生一定量的放射性废水，不能直接排放，后续需要铀回收和废水处理工序的支撑。且湿法清洗还涉及核临界问题，存在安全隐患。
激光清洗是一种干式清洗方法，高能激光束照射在物体表面，污物吸收能量后从物体表面汽化分离。这种清洗方法不产生放射性废水，不存在核临界问题，是一种绿色安全的清洗技术，是未来六氟化铀容器清洗的研究方向。
1 国内外研究现状
在理论研究方面，国外激光清洗研究起步于20世纪80年代中期，但直到90年代初才真正步入生产中，在许多场合逐步取代传统清洗方法[1]。最初有关激光清除表面小颗粒的文献是在1987年由Petrov领导的研究小组所发表[2]。国内的林乔等人对原理进行了深入的分析，主要包括光汽化分解、共振破碎、污物粒子热膨胀、基体表面振动和粒子振动四个方面[3-4]。 在应用领域方面，最早的干式激光清洗是1990年激光清洗金属基底[5]。最先开始于微电子行业，是为了满足工业生产上清除存储器模板上的微小颗粒的需要而产生，最初的探索是以激光直接照射待清洗物品上，并被正式地确认为一种行之有效的清洗方法，影响着高精度电子工业的发展。G.X.Chen等人利用激光清洗技术进行了钢材表面除漆的试验研究，结果表明激光除漆具有巨大的潜在价值，将很有可能代替传统的除漆方法[6]。Ph.Delaporte等人对核设施金属表面附着有放射性氧化物的情况进行去污，结果显示采用的XeCl准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，包括文物艺术品、光学元等。
2 激光清洗原理
激光清洗上是激光与物质相互作用的过程，包括很多化学物理效应。许多研究人员做了大量的研究，证明了污物和物体表面之间的结合力主要有：共价键、双偶极子、毛细作用、氢键、范德瓦尔斯力和静电力。激光清洗其实就是利用激光的高能量等特性，破坏掉污物和物体表面的这些力，但不破坏物体本身。
由于污染物的成分和结构复杂，激光与之作用的机理也有所不同，科学家们提出了各种理论模型。最常用的有以下三种：
（1）激光可以实现能量在时间和空间上的高度集中，聚焦的激光束在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使污垢瞬间蒸发、汽化或分解。
（2）激光束的方向性好，发散角小，激光束通过聚光系统能聚成不同直径的光斑。在能量相同的情况下，控制不同直径的光斑可以调整激光的能量密度，使污垢受热膨胀。当污垢的膨胀力大于污垢对基体的吸附力时，污垢便会脱离物体的表面。动力学过程见图1（b）。
（3）激光光束可以通过在物体表面产生超声波，产生力学共振，使污垢破碎脱落。图l（a）形象地表示了激光清洗的机理。高亮度和方向性好的激光，通过光学聚焦整形系统把高能量的激光束，照射物品需要清洗的部位，激光器发射的光束被需处理表面上的污染层所吸收，通过光剥离、气化、超声波等过程，使污染物脱离物体表面。激光束沿着一定的轨迹扫描，就可以实现大面积的清洗[8]。
激光清洗有激光干洗和激光液膜两种。为了不引入水，我们采用干式清洗。干式清洗六氟化铀容器可能有两种效应同时作用，即六氟化铀吸收能量升华和筒壁吸收能量振动。筒壁振动就是激光能量被基体吸收后使得基体产生振动，从而与污物粒子分离。而六氟化铀升华需通过压缩空气载带出，再通过液氮冷凝储存。
3 激光清洗740L六氟化铀储运容器理论能量计算
3.1 激光能量只被六氟化铀吸收
740L六氟化铀储运容器最大允许残存量为11.5kg，且其污染物主要为六氟化铀及少量的氟化铀酰。我们理论认为其全部为六氟化铀，且激光能量全部被残料吸收且转化为升华热。计算740L六氟化铀储运容器激光清洗所需理论能量值：
固态六氟化铀热熔（温度范围250～337.212K）为：
Cp（J/mol·K）=84.0260+674.285×10-3T+438.450× 104T-2，
常压下，六氟化铀从20℃（293.15K）到达升华点为56.4℃（329.55），升华能量为：
Q1=CM△T=∫329.55293.15（84.0260+674.285×10-3T+438.450×104T-2）MdT
注：其中M为六氟化铀物质的量
以740L六氟化铀容器为例，该容器最大残存量为11.5kg（32.67mol），则该容器所需升华能量为Q1=349553.142J，约350kJ。
3.2 激光能量只被容器筒壁吸收
我们认为激光能量理论上只被基体（即碳钢筒壁）吸收。
为了定量讨论基体振动所产生的加速度，我们假定能量密度为F、持续时间为t的均匀激光脉冲照射在容器壁上，则上表面的温度升高为：
△T=（1-R）F/ρCμ
注：R为表面反射率，F为清洗阈值，ρ为密度，C为比热，μ为激光脉冲时间内的热扩散长度。由以上温度升高引起的表面标准热膨胀量为：
H=αμ△T=（1-R）Fα/ρC
注：α为热膨胀系数。
通常，金属的清洗阈值1J/cm2和10 J/cm2，我们选1 J/cm2。冲击时间t为10ns。容器壁为碳钢，R约为0.5，C=0.46J/g℃，ρ=7.85g/cm2，α约为10.6×10-6K-1。则H约为3×10-6cm。
V=H/t≈3×102cm/s。
a=H/t2≈3×1010cm/s2
由此可见，在这个过程中产生的加速度壁重力加速度大3千万倍，如此大的基底表面加速度足以将粒子喷射出去。
740L容器清洗所需能量Q=F·S
注：F=1 J/cm2，740L容器内表面积S=47047cm2，
则：Q2≈48kJ。
兩种效应同时作用时所需最大能量为：
Q=Q1+Q2≈350+47≈398kJ
目前国内激光转化率为25%左右，则电耗能约为1592kJ。
4 六氟化铀容器传统清洗方法与激光清洗技术优缺点对比
（1）能耗：目前国内红华公司高压水清洗740L清洗设备功率为15kW，运行时间约6h，耗能324000kJ，远大于1592kJ。此外化学清洗需配置试剂、真空输送、压空输送、转动清洗等都需要消耗很大电能。而且这两种湿法清洗均需热压空吹干与24h烘干，耗能巨大。而激光清洗仅激光发生器和气体载带装置耗能，能耗相比前两种小很多。
（2）成本：化学清洗法与高压水清洗法均通过铀回收厂房、废水处理厂房（膜处理+喷雾干燥，或膜处理+石灰沉淀）清水池、浓水池等，化学清洗法还需专门设置试剂配置装置，工程费用很高，工艺流程复杂，造成清洗容器成本居高不下。目前，清洗一台3m3容器造价大体接近制造一台新容器的价格。而激光清洗法可仅需要相应的激光发生装置、压空以及液氮冷凝装置，可大大降低废水处理成本。
（3）环保：化学清洗方法废水量约为3倍容器容积;高压水清洗方法废水量约为0.6倍容器容积;激光清洗方法不产生废水。而且，激光清洗是一种非接触清洗，对于远程控制，实现自动化清洗，提高工人的操作环境有着重要的意义。
（4）安全程度：化学清洗法与高压水清洗法均使放射性物料与水接触，存在临界安全问题;激光清洗法是干式清洗，直接将物料升华成气体或者通过容器筒壁振动剥离成固体颗粒，不存在临界安全问题。
5 结语
激光清洗六氟化铀容器是一种节能、降本、环保、安全的清洗方法，且在很多领域已经得以应用，是未来六氟化铀容器清洗的发展方向，有着广阔的发展前景和重要的意义。
参考文献
[1] 王海将，刘伟嵬，余跃，等.金属表面污染物的激光清洗研究现状与展望[J].内燃机与配件，2016（8）：75-78.
[2] 中国专利文献检索系统CPRS[DB]，北京：中国专利信息中心，2008.
[3] 林乔，石敏球，张欣，等.激光清洗及其应用进展[J].广州化工，2010，38（6）：23-25.
[4] 郭晓艳.激光清洗原理及应用田[J].高新技术，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，刘淑静，牛孔贞，等.激光清洗原理与应用研究[J].清洗世界，2005，21（1）：1-6.
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