闭环铈基系统加速手套箱去污

放射性手套箱是核工业体系中辨识度最高的受污染基础设施之一，也是最难处置的设施之一。用于钚作业的每个手套箱最终都会达到其使用寿命终点。手套箱可以在受污染状态下处置，但成本相当高：作为超铀（TRU）废物处置的费用比作为低放废物处置高出数个数量级，而且会占用位于新墨西哥州（N.M.）卡尔斯巴德（Carlsbad）的废物隔离中试厂（Waste Isolation Pilot Plant）的有限容量。该设施是美国唯一用于处置国防TRU废物的深地质处置库。鉴于这一经济现实，将手套箱去污至低放废物限值成为强烈优先选择的处置路径。目前，这项工作通常由操作人员将手伸入手套孔，反复喷洒和擦拭内表面，直至检测确认污染水平可以接受。该过程缓慢、体力负担重且辐照剂量高，所消耗的擦拭材料、抹布和废试剂本身也会成为放射性废物。

Los Alamos美国国家实验室的一个团队开发了一种截然不同的方法。*手套箱去污系统（GB-Decon）是该实验室模块化电化学核去污系统（MENDS）的旗舰模块。该系统是一个闭环、半自主平台，可在负压条件下使持续再生的铈基氧化剂流过受污染的手套箱表面，无需喷洒、擦拭或敞开转移液体。初步结果表明，GB-Decon通过密封清洗头进行局部处理，可在约20分钟内使304不锈钢表面达到低放废物去污阈值（图1），316不锈钢则约需30分钟；操作人员只需放置清洗头并操作阀门。

GB-Decon所依据的化学技术已经接受了严格的概念验证评估。在采用配套MENDS槽式模块开展的验证试验中，该模块基于相同的核心技术，Haynes 25钴基高温合金试片被有意污染至约每平方厘米每分钟1000万次衰变，比低于100 dpm/cm²的解控准则高5个数量级。传统硝酸／氢氟酸浸泡和擦拭方法需要12小时以上才能达到解控限值；在整个处理过程中，约每小时都要从酸液中取出试片并进行人工擦拭。MENDS系统无需直接操作，在19分钟内便达到相同限值：试片被放入槽内定制的3D打印样品架中，静置至目标时间后，用去离子水短暂冲洗并晾干（图2）。

以下介绍GB-Decon旨在解决的问题、使其成为可能的电化学技术、该模块的实际运行方式，以及验证结果对美国能源部所属设施和更广泛核工业中的手套箱处置与废物管理所具有的意义。

核工业体系的每个领域——发电、医疗、国家安全和科研——都面临一个共同挑战：管理核材料加工和生产过程中产生的废物。美国能够长期贮存核废物的设施极其有限，处置成本也很高。用于核材料加工的设备不可避免地会受到污染。设施可以直接处置处于受污染状态的设备，但成本差异显著：高放废物和TRU废物处置路径的成本比低放废物处置高出数个数量级。只要能够切实将受污染设备去污至低放废物限值，这样做就是经济上合理的选择；因此，去污过程本身的效率、安全性和废物负担都具有切实重要性。

手套箱使这一挑战尤为集中。手套箱体积庞大，在钚设施中随处可见，而且按照设计，其内部是厂址内可接近表面中污染最严重的区域。Rocky Flats以及Hanford的Plutonium Finishing Plant处置行动已大规模表明，手套箱去污和拆除可能造成多么沉重的负担；全行业不断增加的退役工作量只会进一步提升对这种能力的需求。

数十年来，可用于这项工作的方法几乎没有变化。主要技术仍是通常所称的“喷洒和擦拭”：操作人员通过手套孔施加去污剂，并反复对表面进行物理擦拭，直到检测显示污染水平可以接受。这种方法会产生三项相互关联的成本。第一项是工作人员安全：操作人员必须直接操作受污染表面，这不仅会增加辐照剂量和人体工学负担，还会提高包容边界破损风险。第二项是二次废物：每块擦拭材料、抹布和每批废试剂都会成为放射性废物，反而加重了去污原本旨在减轻的处置负担。第三项是时间：直接动手去污速度缓慢、劳动密集，并会占用其他工作所需的受训人员。

Los Alamos美国国家实验室评估了用于钚作业设备的多种常规替代方案。研究人员在大型设备上测试了商业去污产品，包括喷涂式化学试剂，以及以湿态施加、固化后连同污染物一起剥离的可剥离凝胶涂层，但这些产品不是效果不佳，就是与手套箱材料存在化学不相容性，从而危及结构完整性。小型部件的处理情况同样不理想：传统方法是将物件浸泡在浓硝酸与氢氟酸的混合液中，这是常规工业应用中最危险的化学品组合之一；对于严重污染的物件，总处理时间可能超过12小时。

所需的并不是另一种要靠人工施加的化学配方，而是一种完全不同的工艺架构：使操作人员不再直接接触污染物，重复使用固定体积的溶液而非持续消耗试剂，并可与现有设施基础设施集成。GB-Decon由此诞生（图3）。

GB-Decon的核心化学原理已非常成熟。通过文献综述，Los Alamos美国国家实验室团队找到了Pacific Northwest National Laboratory于20世纪80年代开发的催化电化学氧化钚溶解（CEPOD）工艺。该工艺用于溶解氧化钚，以及从废料和废物中浸取钚。CEPOD利用电化学方式生成的高氧化性金属离子，如Co3+和Ce4+，通过氧化溶解将固态金属基材转化为可溶性配合物。就实际过程而言，电化学池按需生成强氧化剂，氧化剂侵蚀受污染表面并将污染物带入溶液，反应后的氧化剂再返回电化学池进行再生。

在候选氧化剂中，Los Alamos美国国家实验室团队选择围绕铈构建系统。铈（III）／铈（IV）氧化还原电对是电化学领域研究最为深入的体系之一，在核去污应用中已有成熟使用记录。它既具有较强的氧化能力，又具备对循环系统最重要的特性：还原后的Ce（III）可在溶液中保持稳定，并且能够反复通过电解轻松再氧化，而不会被消耗。

这种再生能力是核心理念，也是闭环手套箱系统得以实现的关键。由于铈氧化剂可持续进行电化学再生——去污反应消耗Ce（IV）的同时，Ce（III）以同等速度重新氧化为Ce（IV）——该过程消耗的是电子而非化学品。少量固定体积的溶液即可完成多批常规试剂承担的工作，同时不会产生数量相当的废酸和受污染擦拭材料。