核设施退役简述及国家电投集团退役工作建议
耿忠林1，杨广泽2，姚彤2，廖能斌1，任力1
1国电投核安科技(重庆)有限公司，重庆
2国核铀业发展有限责任公司，北京
收稿日期：2023年6月16日；录用日期：2023年7月24日；发布日期：2023年7月31日
摘要
核设施退役是核工业发展的重要过程。自从上世纪90年代设立核设施退役治理专项计划以来，我国经过不断的发展，在核设施退役方面取得了一定的突破。本文介绍了核设施退役的流程，以及不同流程包括的具体内容。主要介绍了核设施退役技术中的拆除分解技术、去污技术以及厂址的修复技术。总结了目前国家电力投资集团在核设施退役方面取得的进展，分析了目前我国核设施退役存在的问题，并对此给出了国家电投集团未来在核设施退役行业的发展建议。
关键词
退役，核设施，拆除，去污，厂址修复
DecommissioningofNuclearFacilitiesandSuggestionsforSPIC
ZhonglinGeng1,GuangzeYang2,TongYao2,NengbinLiao1,LiRen1
1SPICHeanTechnology(Chongqing)CO.,LTD.,Chongqing
2StateNuclearUraniumResourceDevelopmentCompanyLTD.,Beijing
Received:Jun.16th,2023;accepted:Jul.24th,2023;published:Jul.31st,2023
ABSTRACT
Thedecommissioningofnuclearfacilitiesisanimportantprocessinthedevelopmentofthenuclearindustry.Sincetheestablishmentofthespecialprojectfordecontaminationofnuclearfacilitiesinthe90softhelastcentury,Chinahasmadecertainbreakthroughsinthedecommissioningofnuclearfacilitiesaftercontinuousdevelopment.Thisarticledescribestheprocessofdecommissioninganuclearfacilityandwhatthedifferentprocessesinclude.Itmainlyintroducesthedemolitionanddecompositiontechnology,decontaminationtechnologyandsiterepairtechnologyinthedecommissioningtechnologyofnuclearfacilities.ThispapersummarizesthecurrentprogressoftheStatePowerInvestmentGroupinthedecommissioningofnuclearfacilities,analyzestheexistingproblemsofthecurrentdecommissioningofnuclearfacilities,andgivessuggestionsfortheGroup’sfuturedevelopmentinthedecommissioningofnuclearfacilities.
Keywords:Decommissioning,NuclearFacility,Dismantling,Decontamination,Site-Restoration
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1.引言
目前我国主要的发电方式有许多种，根据2022年国家统计局数据给出，核电在我国发电占比达到了4.9%，发电量达到了4177.8千瓦时[1]。随着国家制定碳达峰碳中和策略，未来我国主要的火力发电占比将会逐渐下降，其他新型能源发电如水电、风电以及核电的占比将有所提高，因此对于这几种发电方式国家将进行大力的发展。
对于核电而言，整个发电的安全性、经济性相较于其他发电方式更高，发电效率也比其他能源形势更好。核电站整个生命周期包括了选址、设计、建造、运行和退役，其中退役是其周期中一个十分重要的环节。不仅关乎着核电站的持续发展，还直接影响着国家的能源发展安全。
2.核电站退役流程简介
前期准备阶段包括了：退役策略选取、职责分工划分、放射性源项调查、退役工作人员培训、编写退役文件以及估算退役成本几方面工作。其中退役策略的选取有立即拆除、延缓拆除和就地掩埋三种方式[4]。其选取主要是依据政治、社会、地理因素，技术因素及经济因素。退役策略的选取不单只采取其中一种，也可组合选择的方式进行。职责分工主要是对政府、监管机构以及被许可方对于核电站工作职责的划分。放射性源项调查不仅是对核电站内放射性元素的种类和分布进行检测，还包括调查其他危险
Figure1.PDFfordecommissioning
物质(如石棉、金属钠、铍、汞、重金属等)，有的还要求对设备和建筑物的老化和安全程度做出评价。从事此方面工作的人员需要对其进行专业的培训。而对与整个退役过程还需要进行多种文件的编写以及对退役资金的估算。
收尾阶段工作主要包括厂址的修复和安全监管。指的是在核电站的所有放射性的材料、设备和部件都拆除以后，厂址可无限期的使用或恢复成绿化地带。但是不可能完全消除污染或将场地恢复到其背景条件，这可能既无法实现也没有必要。核电站修复项目的生命周期分为几个阶段：问题定义、修复调查、修复规划、修复行动、项目结束，以及潜在的安全管控。
3.核电站退役技术简介
根据核设施退役通用技术体系，退役技术可以归纳为：源项调查、去污。拆除和解体、废物治理、废物分类检测、厂址修复等。本文介绍了拆除和分解技术、去污技术以及厂址修复技术。
3.1.拆除分解技术简介
在核电站退役实施阶段，堆本体、堆内构件、一回路管道、主循环泵、蒸汽发生器、稳压器等部件均须要拆除分解。
针对金属构件，常用的切割技术可大致分为冷切割和热切割两大类。冷切割主要包括金刚石绳锯、高压水喷射切割、磨料喷射切割等。高压水切割的原理是利用射流速度约900m/s的高压水冲击被切割材料，产生剪切力和腐蚀作用，能切通甚至穿透被切割材料，切割残渣也被射流水带走。热切割主要有氧炔焰切割、电弧切割、等离子体弧切割、爆炸切割、铝热剂反应喷枪切割及激光切割等方式。激光切割的原理是利用聚焦后的激光光束照射在被切割材料上产生局部高温，被切割材料从而发生物理及化学变化，材料被烧蚀或碳化，但是激光切割不能保证切得很干净。
对于高放射性的核设施而言，其拆除需要一个自动化的切割程序，在正式的切割之前，自动化的切割程序会对所要进行切割的设施进行数字模型的构建。Kim等[5]人利用3D扫描获取现场真实信息，并应用空间信息处理技术更新核设施的数字模型，解决数字模型和实际现场环境数据在核设施部件的形状、位置和方向方面可能不同的问题。对于切割技术而言，Shin等[6]人利用6千瓦激光器在水下进行了50毫米和60毫米厚的不锈钢板的切割实验，研发改进了一款具有较好切性能的水下切割头。国内原子能院在中放管沟的退役过程中开展了管沟的不锈钢覆面的拆除研究，利用了液压金属切割机作为钢覆面分隔了设备，采用了拆除前切割、拆除分割装备装桶等工艺路线。研发了放射性污染物混凝土破拆雾化压制粉尘技术[7][8]。
3.2.去污技术简介
1)机械去污：方法可分为表面清洁(如清扫、擦拭、洗刷)或表面清除(如喷砂、刮削、钻孔和剥落)。机械去污既可以作为化学去污的替代方法，也可以与化学去污同时进行，或者与化学去污依次进行。适用于研磨表面和通过剥落或划痕去除混凝土，其中一些也适用于非金属表面，如塑料。
2)电化学去污：是通过电化学溶解原理，除去受到放射性污染的金属表面的薄膜层，从而达到去污的目的。适应于核设施退役过程中产生的碳钢、不锈钢、铝等金属表面深度去污，以实现清洁解控和再循环再利用。
3)化学去污：是利用化学方法去除沉积在部件内外表面上的放射性物质，在拆除、拆卸之前，化学去污可以应用于无法进入的表面、设备和管道，通常可以远程进行。化学去污通常对多孔的表面无效。在使用化学去污时，必须注意空气中物质的产生、化学制剂的使用以及二次废物的处理和调节。
化学去污可分为化学泡沫法、化学凝胶法、氧化还原法以及气相法等[10]，根据使用试剂的不同，化学去污可分为两种工艺，即软工艺(使用稀释的化学品)和硬去污工艺(使用高浓度的化学品)。软工艺使用具有低腐蚀性的试剂，可以很容易地应用于整个一回路，但去污效果有限。相比之下，硬工艺可以达到更好的去污效果，但并不总是适用于整个一回路。目前，最经常使用的软工艺是加拿大去污和修复工艺(CANDEREM)、低氧化态金属离子(LOMI)、化学氧化还原去污(CORD)和退役用去污(DFD)。这些过程主要用于旨在减少剂量率的净化。一般来说，它们分两个或多个周期进行。所用去污剂一般可为无机酸(硫酸、硝酸、盐酸等)、有机酸(草酸、柠檬酸、酒石酸等)、氟硼酸等[11]。
4)熔炼去污：是通过选择合适的炉型，将污染金属与特定组分的助熔剂一起熔炼，使废物中大部分放射性核素富集到炉渣和滤尘中。或者通过采用合理的炉衬配方来吸附部分放射性核素。可有效去除金属废物中放射性核素，达到净化金属废物的目的，实现资源回收利用，并且便于放射性废物处理，实现放射性核素的包容。
5)泡沫去污：是通过用含亲水基团或疏水基团的喷洒洗涤剂或润湿剂，以高压喷射来实现的。泡沫作为化学去污剂的载体，在待去污材料表面上形成，在净化后坍塌并被排出。它产生低容量的二次废物，并已应用于一系列具有复杂内部配置的大型碳钢阀门。与使用化学去污液相比，去污泡沫减少了80%的二次废物[12]。为了克服常规水性泡沫在冬季效率低下的问题。
6)激光去污：是通过使用激光照射，物理剥离基体材料的上层来去除深埋在材料表面的污染物。该过程是非接触/非磨蚀去污过程，可以用于替代化学品或磨蚀性去。去污过程可以通过光纤光束传输系统远程进行，激光头可以由机器人操纵，从而避免工人暴露在潜在的放射性区域[13]。激光清洗的典型机制是蒸发、剥落、消融、产生冲击波。
Table1.Comparisonofdecontaminationmethods
3.3.厂址整治及环境修复技术简介
在核设施运行过程中，由于管道泄漏等原因会造成土壤污染，在退役过程中，必须对这些污染土壤进行修复，已使厂址得到释放使用。土壤修复技术主要有三种，分别为化学修复、物理修复和植物修复技术[14]。
1)化学淋洗：化学修复的一种方法，主要是利用化学药剂清洗土壤所含污染物，使土壤中的污染物在淋洗剂中的溶解度加大，使用液压压头驱动化学药剂，把药剂注入到污染土壤，从土壤提取溶有污染物的浸出液，利用水处理技术析出污染物。一般淋洗剂可以是无机淋洗剂(如酸、碱、盐等无机化合物)、络合剂(如EDTA、NTA、DTPA、柠檬酸、苹果酸等)、表面活性剂。
2)玻璃固化：物理修复的一种方法，主要是将石墨电极插入需去污的土壤中，产生大量的热量使土壤变为熔融态，在地表熔融的同时电极随之下沉，使熔融态土壤的量增加，当石墨电极达到了要求的深度的时候，切断电流，使之冷却，形成玻璃固化体，将放射性物质被包在玻璃体中。
3)植物修复技术：主要将一些植物种植在将要修复的土壤中利用植物的茎、根、叶的特殊的吸附作用吸附放射性核素，最后将该植物收集进行焚烧，将焚烧后的残渣进行固化处置，从而达到修复目的。单独的使用植物修复技术对土壤中的沾污核素富集提取的有效性是有限的，一般情况下多是和一些化学试剂联合使用以强化植物的富集作用。
4.国内外核设施退役情况介绍
4.1.国外核设施退役情况
根据世界核能协会统计，截止到2022年7月，全世界共有439座正在运行的反应堆[16]。截至2021年12月，全球共有202座反应堆已经关停，有的正在退役，有的已经成功退役。在欧美地区，核电站主要退役国家有美国、法国、德国、俄罗斯等。而亚洲地区主要为日本、韩国。
国外核设施退役技术较为成熟，全球范围内核设施退役解决方案核心厂商主要包括美国的EnergySolutions、NorthStarGroupServicesInc.、HoltecDecommissioningInternational和WestingHouse(西屋电气)。法国的Orano等。德国的塞拉菲尔德有限公司、EntsorgungswerkfürNuklearanlagenGmbH等。这些企业具有完善的退役解决方案以及核心退役技术，参与了众多核设施退役工程。
4.2.国内核设施退役情况
1)2004~2007.12：运行状态及退役前期技术准备；
2)2007.12：反应堆最终关停；
3)2008.1~2010.12：停堆封存过渡期(停堆监护期)；
4)2011.1~2020.12：实施退役(其中2011.1~2015.12堆外系统、部件以及构筑物退役、2016.1~2020.12堆本体部件及构筑物退役)；
5)2021.1~2030.12：收尾、并最终完成退役；
中国退役治理的主要技术力量集中于中核集团，中核集团作为中国早期核设施退役治理的主要力量，承担了中国大陆绝大部分老旧核设施的退役工作，已经实施了多项重大退役工作。具有较为成熟的退役技术和经验。中核集团退役力量主要在中核404有限公司、中国核电工程有限公司、中核四川环保有限公司、中国原子能科学研究院、中国辐射防护研究院等。
中核集团下属的中核404有限公司参与了上海应用物理研究所小型反应堆、中国工程物理研究院300堆、清华大学200堆等核设施退役项目。并针对我国退役治理中的难点，开发了包含去污、源项调查、拆除及废物转运检测的多种工装，加快了退役进程，培养了专业人员团队，提高了其在国际核退役市场的竞争力。
中辐院是我国最早从事核设施退役与放射性废物治理研究和工程实施的单位之一，是我国首个核设施退役项目的总承包单位。中辐院具有丰富的退役经验，退役的核设施包括天津铀同位素浓缩试验装置、青海221厂、750厂及中国工程物理研究院核设施，其优势领域在于源项调查能力、去污技术、废物最小化、水泥固化技术。但是，其对于退役后产生的废物处置领域仅局限于安全评价阶段，后续的处置厂设计、工程施工及核素迁移未曾涉足。
中广核集团有限公司的退役治理业务由其下属中广核工程有限公司、中广核铀业发展有限公司负责。中广核工程有限公司是集团退役业务、退役能力建设责任单位，负责退役项目的组织实施，核心技术及产品的研发。中广核铀业发展有限公司作为中广核后端业务总揽单位，参与公海铁联运体系，拥有放射性物质铁路商运资质。
5.存在问题以及发展建议
5.1.目前退役行业存在的问题
2)法律法规：新《核安全法》中的许多条款仍然过于模糊，需要其他行政法规的支持。这一特点使得法律不明确，执行的结果可能不一致，特别是对外国投资者而言；多项标准，如《核电厂退役费用编制方法》《核设施退役厂址土壤中残留放射性水平规定》等，均处于征求意见阶段，未能达到实施标准，无法指导退役规划；管理整个核部门和行业的基本法——《中华人民共和国原子能法》尚未通过，也没有通过该法的确切日期，这是一部可以整合目前零散的法律框架并加强国家核损害责任制度的重要立法；
3)人员及预算：核设施退役需要大量的人力财力，中国目前的退役人员和预算仍然低于全球的平均标准。目前我国核设施退役尚处于起步阶段，退役资金费用估算计算、乏燃料及放废管理费用尚无标准。退役许可证制度不完善，无法满足未来的退役需求。
4)核心技术：退役关键技术仍然有待进一步的发展。
5)应急预案：核设施退役过程存在污染辐射问题，风险管控应急预案仍需要进一步的加强和完善。
6)乏燃料处理：在对乏燃料进行移除时，存在不可预见问题，比如运行商计划将其运输回供应商，存在是否可行的问题。
5.2.国家电投集团退役行业发展状况
国家电力投资集团秉承“市场化、专业化、企业化”的理念，发展专业化退役公司，加大关键技术与工程能力建设，鼓励更多企业进入退役市场，完善便于许可证转让、基金管理等法规政策。近年来通过不断的发展也取得了一定阶段性的成果：
1)整合了内部资源，优化退役业务顶层设计
2021年国家电投下属公司国核铀业进行资源整合，拓展机构和业务规模，并成立核环保产业创新中心，初步完成核环保业务顶层设计。其下属企业上海核工院、重庆核安科技、国电投科学技术研究院均拥有专业设备齐全、技术能力领先的专业团队。已具备退役咨询服务、EPC总包、关键技术及设备研发等能力。制定了集团核环保产业的“十四五”发展，将退役咨询服务、经济型评价、核心技术研发等纳入了集团的发展战略。
2)SDCZC项目取得突破
2021年，在国防科工局的大力支持下，项目先后取得同意开展前期工作的“小路条”文件和同意开展项目建设的核准文件，取得了历史性的突破进展。项目一期一阶段工程计划2025年建成投运，为山东区域核设施运行及退役放射性废物的妥善处置提供有力保障。
3)退役关键技术和能力
国家电投在退役源项分析、设备去污及切割解体技术、退役废物处理处置、退役仿真平台建设等方面科研攻关，取得一定新进展。
在退役源项分析方面：已经掌握了一套较为完善的源项和屏蔽分析程序系统，如DOORS程序包、ORIGEN-S和CORA程序等，并自主研发了结构材料三维活化源项分析程序，可以支持活化源项和沉积源项分析和控制措施研究。
在设备去污方面：掌握了多种先进高效的去污技术，能结合特定去污对象，提出针对性的去污方案。在秦山三厂厂区去污热检修车间内开展了干冰去污技术的探索性试验，去污效果满足去污热检修车间清洗标准。
在设备切割解体方面：积累了一定的研究经验与成果，重点掌握了高放射性大型设备切割和拆除的工艺和技术，具备制定整体工艺与技术方案的能力。
在退役仿真平台建设方面：针对便于退役的数据库要求搭建了仿真平台，实现了目前主流软件和系统的数据接口，对辐射场的数据进行接入和可视化，在此基础上实现了比较详细的退役活动三维仿真与分析。
4)国内外合作交流
5.3.国家电投集团未来退役行业发展建议
结合目前我国核设施退役所存在的一系列问题，国家电力投资集团总结出以下几点发展建议。
1)完善法律法规
2)加强技术攻关
3)优化管理方式
核设施退役管理直接影响整个退役过程的全部方面，需要与合理的管理方式。针对此问题，可参考秦山1号、大亚湾1、2号机组的退役示范工程，学习参考管理方式、标准制定等，为海阳核电站退役提供参考。
4)深化国内外合作
在国内，围绕101重水堆退役工程联盟研究讨论深化合作，参与装备供应等更多退役业务，为集团核电站退役打好基础；积极与中核集团、原子能院深化合作，学习先进技术及管理经验。国际上，积极参与核退役市场，学习国际先进理念和先进技术，汲取国际经验和教训。在现有技术基础上，坚持以我为主的原则，与国际先进退役企业沟通合作，消化吸收优势技术，推进集团优势技术项目研发落地。
5)完善退役计划
6)强化风险控制
核设施退役人员会接触到污染强、辐射剂量率高、易燃有毒等多种危险物质，退役过程中会产生放射性废物，必须有针对性的开展必要的准备工作，应及早考虑将来可能面临的潜在风险，做好完善的应急预案，减少未来付出的代价。