水力空化悬浮搅拌技术在放射性废物回取中的应用

水力空化悬浮搅拌技术在放射性废物回取中的应用

武斌

（中核四川环保工程有限责任公司，四川 广元 628000）

摘要：放射性废物贮罐的拆除及罐内放射性废物的回取是核设施退役工作的重点。正确回取罐内放射性废物是制约贮罐拆除的难题。水力空化悬浮搅拌是以空泡动力学为理论基础发展而成的射流清洗技术，具有安全性高、适用于长距离输送等优点。该技术在国外核设施退役领域得到了普遍的应用，但是我国尚处于起步阶段。本文阐述了水力空化悬浮搅拌技术的理论背景和该技术在我国核设施退役工程中的应用现状，并对未来技术改进的方向进行了展望。

关键词：核设施；退役；放射性废物；水力空化；回取

extraction

0 引言

某基地燃料元件在溶壳过程中产生的废液由高铝废液、洗涤废液蒸残液及其他中放废液组成，统一贮存在贮槽中已40多年。贮存过程中，溶液中的Fe、Al等元素经长期水解后从废液中析出，形成了大量的中放射性水平化学泥浆[1]。该基地曾对中放泥浆进行普查发现，泥浆表观为黄色/黄棕色胶装物质，且夹杂大小不一的白色固体颗粒。存放泥浆的贮槽上层部分是具有一定流动性和粘度的固液混合物；底层物质已经板结，致密且坚硬。对泥浆化学分析发现，泥浆中富含Na+、Al3+、OH-等组分，同时含有相当高浓度的裂变产物和超铀元素（90Sr、137Cs、237Np、239Pu、U），其α核素的浓度已达到中放水平[1-2]。此外，贮槽服役时间过久，存在腐蚀泄露的隐患[3]。为了确保贮存环境的安全、避免放射性物质流入生态圈，该泥浆的及时处理已提上日程，成为核设施退役治理工程的重点。

泥浆回取是妥善处理的先决条件。由于泥浆贮罐底面积较大，罐口尺寸较小，机具进入较为困难；残留废物为α泥浆，放射性水平较高，常规的回取方法并不完全适用[4]。因此，寻找符合工程实际的回取方法势在必行。目前，国际上通用的做法是采用水力空化射流或清淤小车将泥浆集中到方便转出的区域，其中水力空化射流悬浮搅拌使罐底泥浆悬浮并经真空抽吸装置转出，遥控清淤小车对罐底残留物转出[5]。二者工作性质类似，但是空化射流的清理是清淤小车“扫尾”的前端条件。

在充分借鉴国外先进经验的基础上，我国也引入了水力空化悬浮搅拌的放射性废物回取技术，且率先在821厂得到了成功应用，这为我国核设施退役工作积累了宝贵的实践经验。尽管如此，该技术在我国核设施退役领域的应用依然处于起步水平，配套的相关设备和技术仍有发展改进空间。为了使水力空化悬浮搅拌技术更好地为我国核设施退役工作服务，有必要对其在放射性废物中的应用原理和工程经验进行回顾。

1 水力空化原理

1.1 空化概述

在温度基本不变的条件下，液体内部的局部压力低于其饱和蒸气压时，液体内部的气核迅速膨胀，在水中形成含有水蒸汽和其他气体组成的空泡，而这一空泡的形成、发育和溃灭过程，称为空化[6]。空化是液体由液相向气相转变的过程，伴生着多个复杂现象，其中的溃灭过程会产生巨大的瞬时压强，伴随着液体中产生空蚀、噪声、振动和发光等现象[7]。空化的空化泡会造成液体宏观上的不连续性。

1.2 空化理论

结合上文可知，空化的形成实际上与某一温度下液体的饱和蒸气压PV、流场中未受扰动处的压强P0、流速V0，以及液体密度相关[8]：

                          （1）

式（1）中S为空化数，S越小，表明空化越容易发生。借助于公式（1）能够对空化现象发生的可能性进行量化。由于空化现象与空泡内外压强密切相关，因此在空化度的基础上可建立如下基本空化条件：

设某一泡壁均匀的球形空泡在某液体中相对静止，令PR为液体施加在空泡壁的压强、Pg为空泡内部气体压强、Pv为空泡内部饱和蒸气压、为液体表面张力、R为空泡半径，则空泡在该液体中的平衡条件可表示为[9]：

  （2）

空泡内外存在压差时，均会产生膨胀/收缩。欲使空泡发生空化，需满足：

（3）

因此，若要产生空化，就必须降低空泡四周液体的压强；同理，泡壁压强一定时，若要产生空化，就要增加空泡内部压强。

在发生空化的实际场景中，空化与空泡膨胀速率等物理量密切相关，其平衡关系可用Rayleigh方程来表示[10-11]：

（4）

（5）

式中，为液体表面张力、R为空泡半径，PB为空泡内压力，P∞为距空泡无穷远处的压力，为液体密度，μ为液体粘度。

式（4）实际上是式（5）的简化版。由于空泡在最终发生溃灭之前其半径R先增后减，空泡溃灭时R→0。利用待定系数法和积分法对t时刻空泡半径R变化（dR/dt）进行求解，可得到空泡的膨胀/收缩速度和加速度[8]：

（6）

（7）

式（6~7）表明，空泡在膨胀初期（R≈R0），速度和加速度急剧增大。随着膨胀的持续，速度持续增加；空泡膨胀至极点时，液体表面张力促使空泡产生收缩[12]，当空泡接近溃灭时，R→0，此时泡壁的速度和加速度趋近无穷大，溃灭瞬间产生的高速高能射流冲击，就是空化搅拌的动力。

综上所述，假设某液体的密度及饱和蒸气压为常数，当其处于自身压强低于饱和蒸气压且高流速状态时，液体中的气泡就会不断膨胀。随着液体运动，气泡抵达高压强、低流速区后，就会发生塌缩、爆裂，在急剧崩溃的瞬间产生高温(1900K~5000K)高压(140MPa~170MPa)，同时迸发出强烈的冲击波和高频率(102Hz~103Hz)急速(~150m/s)的微射流，这也是水力空化搅拌的理论依据。

考虑到实际水力空化搅拌期间，液流往往存在截面、水头、流速等变量（如管道、阀门、喉管、喷口等部位），因此，利用伯努利方程对某液体从不同截面流入/流出的过程进行推导，可以得到能量平衡关系[13]：

           （8）

式中，为液体密度，g为重力加速度，HW为某截面流入/流出时的压强损失；z1、p0和v0分别为液体从某截面流入时的水头、压力和流速；z2、p1和v1分别为液体从某截面流出时的水头、压力和流速。考虑到一般情况下，截面间距H对水头影响有限，可认为z1= z2，式（2）可简化为：

          （9）

根据排量和截面尺寸的关系可知，当液体从大截面流向小截面时，v1＞v0，随着v1的增加，p1减小。当p1＜p0，空化现象产生，p1越小，空化效应越大。

相比公式（4~7），公式（8~9）除了揭示速度、压力对空化的作用之外，还阐明了实现高效空化搅拌要具备的其他关键条件：（1）HW应尽可能维持较低水平，避免因不合理的变径导致空化效果降低；（2）p0的设计不宜盲目过大，适当增大p0能够产生较大压差，当空化效果到达一定程度后，进一步增大p0会扩大射流区域，当射流抵达边壁，不仅降低空化效果，还会对边壁造成损伤；（3）空化区不宜过深，静水压的增大会对降低p1起到不利作用。

上述理论对水力悬浮空化装置的设计（尤其是喷嘴）非常重要，因为对于整套装置来说，混合泵及压空设备需要提供液流、气体和初始压力，这些都是形成空化的原动力，而喷嘴则是这些原动力的输出端。以角形喷嘴为例：液体流经入口段后在喉部产生压差推动空化，由喉部流入扩散段时空化效应进一步增强。但是，若不针对入口收缩角和喉部直径进行控制，其空化效果就会大打折扣；此外，扩散段是空化效应的集中区，若扩散角和扩散长度设计不当，也会分解空化效果，降低射流速度。

2水力空化悬浮搅拌在放射性废物回取的应用

最初用于放射性废物回取的水力悬浮搅拌装置主要由供料系统、旋转系统和喷射系统组成。各系统功能如下：（1）供料系统。主要由潜水泵、供料泵、不锈钢法兰式金属管等组成。该系统用于特定高差下液体的传送；（2）升降系统。主要由机架、回转支承、升降组件组成；（3）喷射系统。主要由旋转接头、料液输送管、喷嘴等组成。

装置的喷射系统使用了常规型喷嘴（图1），该喷嘴具有湍动能强度大等特点[14]。为了降低喷口-颈部气相聚集，降低了喷口长度。该喷嘴在液体流经过程中随着截面积减小，液流速度增大，压力能逐渐转化为动能，最终在喷口处压力降至最低水平[15]。相比其他喷嘴，该喷嘴可以提前达到空化所需饱和蒸气压。从图1可以发现，该喷嘴实际上是文丘里管的一种变式。

图1 常规型喷嘴示意图

Fig.1 Schematic diagram of conventional

该装置在工作时， 通过潜水泵将罐内清液抽出，输送至供料泵，经供料泵加压后进入带有旋转装置的垂直管道（空化前的压力、水头和水源），再由旋转喷射器喷出带有压力、高速喷射的流体（空化），借助空化效应从不同方向对罐内的液体进行高强度喷射（射流冲击）。此过程循环进行，从而实现废物罐底部废物的悬浮，为抽取运输创造条件。

2.1 中放泥浆回取

水力悬浮装置在我国核设施退役领域的应用起步于1996年。为了解决中放泥浆回取困难的问题，821厂率先开展了水力冲击悬浮抽取泥浆上层清液的试验并获得了成功。随后在2005年~2006年，利用该技术对泥浆抽取进行了热试和热试车工作，积累了重要的实践经验[1]。当时的工艺路线见图2。

图2 水力悬浮搅拌装置工艺路线图

Fig.2 Process route of hydraulic suspension mixing device

该装置在热试工作期间，共进行了喷嘴距槽底200mm和85mm两种高度的运行，高度的调节通过升降机构完成，喷嘴装置转动由减速机提供动力(0.6rpm~3rpm)，分别进行了转速为(1.80~1.83)rpm和(0.89~1.02)rpm的运行，喷嘴流量通过混合悬浮泵出口压力进行控制(151.5m3/h~180m3/h)。

2.2 废树脂回取

水力悬浮搅拌装置在中放泥浆回取热试车的成功，为废树脂回取提供了思路。在泥浆回取的基础上，继而利用自旋转双喷嘴型（图3）水力悬浮搅拌装置对废树脂进行了提取，当旋转喷射器安装高度为70mm时，废树脂搅拌最大管道流量为143m3/h[16]

。表明水力悬浮搅拌在进行废树脂悬浮提取时具有良好的适应性（表1所示）。

表1 不同搅拌方式对废树脂回取的适应性对比[16]

Table 1 Comparison of adaptability of different mixing methods to waste resin extraction[16]

图3 旋转喷射器设计结构图[16]

Fig.3 Structure diagram of rotary ejector[16]

注：1底座；2导流本体；3液流动力装置；3-1涡扇涡轮；3-2扇轮轴补偿；3-3旋转密封；4流体动力；5静电消除装置；6喷扫臂；7喷头；8连接法兰；9行星齿轮；10转向减速箱。

Note: 1 base; 2 persion body; 3 fluid power unit; 3-1 turbofan and turbine; 3-2 fan wheel shaft compensation; 3-3 rotary seal; 4 fluid power; 5 static elimination device; 6 spray arm; 7 nozzle; 8 connecting flange; 9 planetary gear; 10 steering reduction gearbox.

3 水力空化搅拌装置的改造

既然水力空化技术在中放泥浆和废树脂的回取中都具备可行性，而喷射器/喷嘴又如此重要，对喷嘴结构进行改进，从而提高水力空化搅拌效率就具有实际意义。考虑到核行业对安全等级的要求，直接对喷嘴内部结构进行升级的风险性较大，在新的改进中，将更多的喷嘴安装在了喷射器器壁上形成了多喷嘴式自旋转喷射器，该装置由上部的旋转装置和下部的旋转分流体构成。其中，上部为驱动体，其旋转装置通过水力驱动从而带动下部分流体缓慢转动，喷嘴按照不同方向安装在分流体上，将液体喷射出去，喷嘴本身也具备多角度喷射的功能。该喷射器的介绍见文献[17]。

上文所述水力空化装置虽然能够满足工程使用要求，但是随着回取要求的提高，初期装置的一些潜在设计缺陷/隐患也逐渐体现出来：（1）自旋转需要水力驱动。意味着必须匹配大流量循环泵方能实现该功能，这个要求缩小了循环泵的选型范围。在空化理论部分已经分析过入口压力与空化效果的关系，过大的入口压力和入口流量未必会发挥理想效果，然而为了满足清洗距离的要求，高入口压力和大直径喷嘴又缺一不可，这种设计组合是否能适应更高的清除要求尚需论证；（2）涡轮叶片。该装置均在淹没状态下工作，根据空化机理，持续高压高流量的冲击，本身就会对叶片造成空蚀破坏，叶片受损必然影响旋转效果，全面搅拌效果也会大打折扣。考虑到服役环境的特殊性，无论检修与否，均会大幅增加处理成本；（3）清洗范围。通过提高循环泵流量和喷嘴直径，可以在一定范围内提升喷嘴的空化搅拌距离，但是长距离搅拌与高效空化搅拌是两个概念，而能取出泥浆和彻底清理泥浆也不能等同。根据图1可知，喷射器通过供料管与升降电机相连，尽管喷射器通过专门设计可以实现长距离搅拌，但是有限的喷嘴无法确保各个区域空化的有效性；（4）实际条件。若以现有的装置实现更加高效的空化搅拌，就不得不增加装置的数量。但是泥浆储存罐人孔有限，增加装置数量意味着必须开设更多的孔道，这大大增加了放射性废物气凝胶收集的难度；（5）喷嘴清洁。喷射器长期淹没状态作业，难免被泥浆等物质堵塞喷嘴，如何疏通喷嘴是必须要考虑的问题；（6）泥浆板结。随着上层回取难度不大的泥浆被清理，板结在底层的泥浆具有一定的机械强度，先前的装置回取难度较大。

为了解决上述问题，结合前期运行经验，对装置进行了重大的改造，改进后的设备对环境的适应性更强，可以在泥浆高度为30cm、装置距罐底(70~120)cm的苛刻范围内实现泥浆的空化搅拌回取。装置距罐底70cm时，回取泥浆的体积比达到了43%以上；120cm时，达到25%以上，效率提升显著。该装置示意图如图4所示。

图4 改进后的水力空化悬浮搅拌装置示意图

Fig.4 Schematic diagram of improved hydraulic cavitation suspension mixing device

与前期装置相比，改进后的装置仍由供料系统、旋转系统和喷射系统构成。但是系统内设备发生了明显的变化：（1）供料系统。除水泵系统和旁通管路外，进料管沿轴向由下而上开设了数个料液口用于向喷射系统输送液体；（2）旋转系统。除机架和升降组件外，增设旋转接头、回转支承、旋转电机、压空和钢丝绳收拢盘。从设备组成不难看出旋转结构彻底从喷射器中分离，由斜齿轮减速机驱动，不仅确保了整套设备的旋转空化效果，而且更利于维护检修，改进后的旋转结构转速范围也从最初的(0.6~3)rpm提高到了(1~5)rpm；压空的布置不仅提供了空化所必须的气源和压力，而且对喷嘴的清洁形成了保障。增设的钢丝绳收拢盘用于喷嘴支架的展开和收拢，这使得有限孔道内并联多道喷射器成为现实。（2）喷射系统。主要由喷嘴连接用高压软管、空化喷嘴、喷嘴支撑架及收拢钢丝绳（含钢丝绳收拢装置）等部件构成。数个空化喷嘴按照设计要求在喷嘴支架上以某一角度水平排列，形成空化功能强大的喷嘴群，通过钢丝绳收拢装置调节角度，可以对不同位置的泥浆进行彻底的空化清除，使用完毕后，钢丝绳完全收拢，彻底解决了有限孔道内喷嘴大范围布置困难的问题。

4 结论与展望

欧美一些核强国核工业起步较早，对于核设施的退役已经积累了丰富的经验；我国核工业起步相对较晚，按照设计年限推算，核设施退役治理的需求将会越来越紧迫。水力空化悬浮搅拌技术在化工、船舶、医疗、机械等领域已有较为成熟的使用经验，国外已将该技术成熟应用于放射性泥浆的回取和转运，但是在我国的应用才刚刚起步，随着我国核设施退役工作的推进，水力空化搅拌技术将发挥更加重要的作用。

从目前的工程应用现状来看，水力空化悬浮技术在放射性废物的回取还需在以下几个方面加以深入：

（1）厘清回取对象物化特性（泥浆、废树脂）与喷射器空化现象之间的作用机制，为空化技术的深入应用提供理论基础；

（2）评价不同类型喷嘴对湿废物/模拟湿废物的空化悬浮效果，为空化元件的设计改进提供数据基础；

（3）挖掘水力空化悬浮装置对回取现场设施的适应极限，为空化装置的升级增效提供经验基础。

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