大型中放廢液貯罐罐底殘留物回取方法論述

李 昕

（中國核電工程有限公司 化工所，北京100840）

我國的大型放射性廢液貯罐數(shù)量較多，他們的結(jié)構(gòu)、尺寸各有不同，目前所處的狀態(tài)和運行狀況也各不相同。這些貯罐尺寸較大，一般直徑為10 m左右，深度為4～6 m，最大可達12 m×36 m×6 m。在幾十年的長期貯存過程中，內(nèi)容物的放射性特性、化學、物理性質(zhì)都發(fā)生了很大變化；貯槽本身也因長期運行（許多已經(jīng)超設計壽期運行）發(fā)生不同程度的老化、失效、腐蝕，有的貯槽甚至已經(jīng)滲漏。這些大型貯罐底部都存在有不同數(shù)量的沉積物。

通常來說，在處理罐內(nèi)廢液時都會先進行充分的攪拌，盡量使沉積物懸浮起來，以便與液體一同進行處理，但攪拌效果通常比較有限，且由于導出技術(shù)的限制，沉積物最終會有少部分留在罐內(nèi)，這部分殘留物的大部分是固體沉積物，以及少量廢液的混合物。

對于大型放射性廢液貯罐退役來說，罐底殘留物的導出是最基本的前提條件，是后續(xù)工作開展的基礎。但此項工作的開展面臨著很多困難，主要表現(xiàn)在：

·國內(nèi)無工程經(jīng)驗可參照；

·放射性水平較高；

· 罐體尺寸大，且埋于地下；

· 貯罐罐體狀態(tài)難以準確判斷；

· 所能得到的源項數(shù)據(jù)很少；

· 所有操作必須通過遙控手段來實現(xiàn)；

· 原有輔助系統(tǒng)有不同程度的老化失效。

解決上述困難并順利開展工程，需要先進行大量的科研實驗研究，本文就是為解決上述困難提出一些看法和方案。

1 中放廢液貯罐基本情況簡介

目前，我們在工程中遇到的中放廢液貯罐的基本形式主要有兩種，一種為方形貯罐，一種為圓形貯罐，均為混凝土槽內(nèi)襯碳鋼覆面，每兩個貯罐為一組，中間設有管溝、操作廊。其主要參數(shù)如表1所示。

表1 中放廢液貯罐基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of ILLW storage tank

兩種形式貯罐的剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 形式1貯罐剖面圖Fig．1 The side view of type 1 tank

圖2 形式2貯罐剖面圖Fig．2 The side view of type 2 tank

2 國外類似工程情況［1，2］

美國在大型放射性貯罐退役方面已進行過大量工作，主要集中在橡樹嶺實驗室、薩凡納河場址、漢福特場址、弗赫納得場址、愛達荷實驗室、西谷示范工程6個場址。

這些大型放射性廢液貯罐內(nèi)一般都會有三種形態(tài)的廢物，最上層是上清液（Supernate），中間一層是鹽餅（Salt Cake），最下面是淤泥（Sludge）。他們的處理技術(shù)路線是先將上清液倒入到新的貯罐中，再將Salt Cake和Sludge進行回取處理。在這個過程中，主要的問題集中在如何將罐內(nèi)的殘留物回取出來。

在橡樹嶺實驗室使用的是一套綜合的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機械臂、沖刷器及廢物移動和運輸系統(tǒng)組成，利用這套系統(tǒng)成功地將殘留物轉(zhuǎn)移到了接收設施。在薩凡納河場址他們使用了一種履帶式小車，這種小車帶有一個刮板，頂端還有一個沖洗器，可以利用噴射水流將殘留物移動至方便回取的區(qū)域。漢福特場址也在為他們的單壁大罐中的淤積物回取進行研究，內(nèi)容主要包括履帶車系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)及無水清淤的新技術(shù)。愛達荷試驗室使用了旋轉(zhuǎn)水流噴射系統(tǒng)和泵進行了殘留物倒出模擬試驗，最后只在底層留下了0．16 cm厚的殘渣。弗赫納得的項目中使用了一個9．1 m長的機械手，配合水流噴射系統(tǒng)，將殘留廢物移動至射流泵處轉(zhuǎn)運、吸走。西谷示范工程的廢物回取工作已經(jīng)基本完成，正在進行源項調(diào)查工作，他們使用了與橡樹嶺實驗室相同的機械臂配合一個取樣器，該取樣器使用銑刀在貯槽碳鋼表面刮取樣品，配合真空及過濾系統(tǒng)收集脫落物并將其保存，以備轉(zhuǎn)交分析實驗室。

在漢福特、西谷、薩凡納河、溫茨凱爾都使用到了一種長機械臂系統(tǒng)，裝上高壓水槍和真空回取系統(tǒng)，對放射性廢液貯罐進行清污作業(yè)。這套系統(tǒng)通過遙控操作伸縮式長機械臂來實現(xiàn)清洗頭對貯罐的清洗及泥漿的回取。該機械臂由輕質(zhì)、高強度材料制成，具有創(chuàng)新的高性能關節(jié)設計和多重自由度，能夠使清洗頭達到貯罐的所有區(qū)域。機械臂設計還可以按比例放大或修正，以適應最大的貯罐。

漢福特場址開發(fā)的一種真空回取設備，包括一個真空頭、一個真空泵、一個泥漿容器和一個泥漿轉(zhuǎn)移泵（如圖3所示）。加入空氣和水是為了幫助將廢物轉(zhuǎn)移到另一個貯槽。該設備的運行很像一個蒸汽地毯清潔器，射出的水差不多立即就被除去了。這可防止產(chǎn)生大量積水，從而降低泄漏的風險。此外，少量的高壓水可以用來移動廢物，將重的顆粒懸浮起來，從而可以移除。

圖3 漢福特真空回取系統(tǒng)圖［2］Fig．3 The residual waste vacuum retrieval system in Hanford［2］

真空回取設備在完成漢福特C-202和C－203貯槽廢物回取中表現(xiàn)成功。C-202和C－203貯槽中殘留物的體積估計分別為0．555 m3和0．524 m3，都符合《漢福特聯(lián)邦設施協(xié)議和批準命令》的回取標準（技術(shù)限制，并少于0．85 m3）。漢福特計劃用真空回取技術(shù)回取殘余廢物，并在可能有泄漏問題的貯槽使用真空技術(shù)進行大量廢物的回取。

圖4 移動回取系統(tǒng)［2］Fig．4 Mobile retrieval system［2］

可移動回取系統(tǒng)（MRS）包括一個安裝在機械臂上的真空回取裝置以及遠距離操作的貯槽內(nèi)運載工具（ITV）（如圖4所示）。ITV裝備了刮板和噴水器，用來移動真空裝置范圍以內(nèi)的廢物。刮板用來移動或破碎廢物。廢物被真空吸入時，真空系統(tǒng)使用少量的水使廢物移動。廢物被收集在泥漿容器中，隨后從貯槽泵出。鉸接機械臂上安裝了真空頭、真空泵、泥漿容器和泥漿轉(zhuǎn)移泵（和成功用于清除C-203和C－202貯槽泥漿使用的真空回取設備屬同類）。

可移動回取系統(tǒng)使用清水從單壁貯槽中將廢物清除，將貯槽內(nèi)的淤積物攪動并用真空設備清除。再循環(huán)的上清液可以再用來將廢物轉(zhuǎn)移到接收貯槽。再循環(huán)回路包括安裝在導軌上的設備，用來從再循環(huán)液流中除去水，降低用水量。由于這類系統(tǒng)采用的設備已經(jīng)用在了其他貯槽回取任務中，MRS代表了一種在原有回取技術(shù)基礎上的逐步改進。MRS的壓差低，因為貯槽內(nèi)幾乎沒有積水。因而，這些工具適合于有很高泄漏風險的貯槽使用。

本文中涉及的中放廢液貯罐的內(nèi)容物與上述國外貯罐有所不同，我們沒有鹽餅（Salt Cake）層，但這對于兩者的罐底殘留物回取的工作性質(zhì)來說并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，同樣都是有一定量的殘留物需要回取，且殘留物的物理、化學性質(zhì)的差異并不足以對回去方法產(chǎn)生顛覆性影響。因此，從這些國外類似工程的做法中我們可以得到一些有益的信息，并可以加以參考。

3 回取系統(tǒng)的設計需要考慮的因素

回取系統(tǒng)必須具備以下3項功能：① 接近容器內(nèi)所有廢物；② 攪動所有廢物，使它們能夠自由移走；③ 轉(zhuǎn)運廢物到處理、貯存或處置設施。

（1）如何接近貯罐內(nèi)所有殘留物

接近殘留物是實際回取工藝需要考慮的第一項功能。接近廢物往往涉及將工具插入容器，通常通過狹窄的空間，并移動適當?shù)臄噭踊蜣D(zhuǎn)運工具到廢物附近的最佳位置。

可以利用現(xiàn)有開口，如通過立式管道或貯槽頂部的入口接近廢物。利用現(xiàn)有入口需要考慮各類基本問題，如入口的直徑和安全問題。當然也可以開辟新的入口，但必須考慮以下問題。

·新的或改造的入口不能影響貯存容器的總體結(jié)構(gòu)性能。

·通過貯存容器頂蓋接近廢物通常是首選方案，但根據(jù)貯存環(huán)境和廢物的具體情況，也可以考慮通過側(cè)壁或底部接近廢物。

· 必須在充分了解密封和／或輻射防護影響的情況下執(zhí)行操作，這需要考慮另外的環(huán)境保護和工作人員防護措施。

一旦回取系統(tǒng)及其附件安裝在容器中，它們必須有能力接觸到容器中的廢物，或廢物必須能夠流到回取系統(tǒng)入口處。這主要由廢物狀況決定。

· 廢液能夠靠重力流到一點，可以在該點布置固定回取入口。

·淤積物和黏性液體不能用固定入口回取。除非我們將其稀釋或攪動來改變?nèi)萜髦袕U物的特性，回取系統(tǒng)才能具有足夠的能力將殘留物回取出來。

· 黏性極大的黏體（抗流動性極強）不能從一點回取，即使使用稀釋或攪動等方法也不行，就有必要采用另外的措施來使回取系統(tǒng)移動起來，以接近貯罐的每一部分殘留物。

有兩種方法可以接近局部殘留物：長臂機械手和遠距離遙控小車。

長臂機械手

使用長臂機械手能夠從一個或多個固定位置接近貯罐內(nèi)所有殘留物。由于這套設備并不接觸廢物表面，對移動設備進行維護非常簡單。然而，這類系統(tǒng)需要大量的支持設施和較大的初始投資。

遠距離控制工具

使用遠距離遙控小車回取殘留物需要在貯罐局部部署一套工具，使其可以穿過貯罐表面或底部，雖然這樣會面臨很大困難，但在設計和部署這一系統(tǒng)時，這并不是最大的問題。更具挑戰(zhàn)性的問題是電纜管理和回收小車進行維修。

在設計上我們傾向于使用動力機械手，因為動力機械手的負載能力較遠距離遙控小車大得多，它可以攜帶更多的附件，可以單次實現(xiàn)更多的功能。此外，動力機械手不必與放射性殘留物相接觸，這相比于遠距離遙控小車，后續(xù)去污的麻煩要減少很多，并且更容易實現(xiàn)重復利用。

該裝置可以引導可移動殘留物收集系統(tǒng)和壓力水噴射系統(tǒng)，使它們發(fā)揮各自的作用，并且可以移動起來，使它們的作用范圍可以覆蓋整個貯罐，因此要求其有很高的承載能力以及靈活性和穩(wěn)定性。

（2）如何使貯罐中的一些頑固的殘留物活動起來

廢物攪動改變廢物特性或形態(tài)，以便從貯罐中移走殘留物，包括使廢物流體化，它需要將固體轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢砸谱叩某叽绾托螒B(tài)。這包括減小尺寸以利于機械移走，將固體與液體混合產(chǎn)生可以用泵抽吸的泥漿，以及將鹽溶解為能夠用泵抽吸的溶液。攪動系統(tǒng)也可以定義為回取接近系統(tǒng)的一個附件——不是移動回取系統(tǒng)，而是移動廢物到回取系統(tǒng)可操作范圍內(nèi)。

有4種方法可以選擇：（a）水力沖洗射流；（b）空氣噴射；（c）機械干涉；（d）化學和熱方法。

（a）水力沖洗射流

水力沖洗射流又名水力射流，借助水或其他流體（例如上清液）來攪動廢物。射流直接將液體流加壓通過空氣、水或廢物擊碎固體或?qū)⒐腆w掃到不同位置。

壓力和流量是水力射流的兩個設置參數(shù)。低壓、高流量系統(tǒng)通常有足夠的有效范圍，意味著能在固定位置攪動整個貯罐的殘留物。高壓系統(tǒng)通常由于有效范圍短而在局部使用。傳送攪動能量的水力射流的液體流量也與壓力呈反比，低壓系統(tǒng)使用高流量液體，高壓系統(tǒng)使用低流量液體。在這些系統(tǒng)中，某些情況下加入的液體必須立即打走，例如回取泄漏或可能泄漏容器中的廢物。

（b）空氣噴射

與水力系統(tǒng)利用水或其他流體類似，空氣噴射使用壓縮空氣攪動廢物?？梢灾苯邮褂每諝庾骺諝馍淞?，或間接產(chǎn)生水射流。還可以向空氣射流中加入研磨劑，從而產(chǎn)生更強的力用于擊碎固體廢物。加入研磨劑的不利方面是增加了二次廢物量，但對一些泄漏的容器這可能是合理的方案。

（c）機械干涉

通過機械方法可用于廢物的攪動和挖掘。例如，黏結(jié)在容器底面的烘干的廢物或淤積物能夠粉碎后移走。

遠距離遙控小車——配備挖掘或犁地工具，還可利用設備重量壓碎堅硬的淤積物，犁片將疏松的淤積物推至移走工具的位置。

機械臂——在機械臂上裝配挖掘工具，如抓具、鏟和鏟斗。

（d）化學方法

除了水稀釋外，也可以用化學試劑，如酸，來攪動廢物。當然，我們必須意識到，任何廢物的化學處理都可能改變廢物特性，影響到下游工藝（處理和整備）、貯存與處置。

設計上我們傾向于使用水力射流方法，因為它相比于空氣噴射有更好的穩(wěn)定性，工藝更為成熟，它可以使貯罐中的頑固殘留物活動起來，如將附著在罐底、罐壁上的結(jié)晶體、膠狀物，也可以將大塊的固體殘留物打碎，以便于回取系統(tǒng)對其進行收集，而空氣噴射可能會使殘留物的移動方向不受控。相比于機械干涉，水力射流方法會將殘留物清理得更干凈。而化學方法如果不必考慮后續(xù)的處理問題的話，單對殘留物回取而言無疑是一個好方法。

（3）如何轉(zhuǎn)運廢物到處理、貯存或處置設施

這包括兩部分內(nèi)容，第一是收集。通常的方法是用泵或真空抽吸，需要考慮的是泵的揚程、實際抽吸高度等。第二是轉(zhuǎn)運。轉(zhuǎn)運是指將從貯槽移出的廢物運送到目標設施的容器中。選擇輸送方法時需要考慮廢物性質(zhì)、國家法律、管理要求、輸送距離等。一般采用水力輸送或氣體傳送。

（a）水力輸送

水力射流噴射泵——水力射流噴射泵的類型從幾bar到幾百bar。高壓系統(tǒng)在泵送中只加入少量水，但需要更精密的驅(qū)動泵，通常需要使用清潔的水。低壓系統(tǒng)較為便宜，更適應于使用循環(huán)的污染液體。

蒸汽噴射泵——蒸汽噴射泵的高驅(qū)動能力，使得泵送期間只需要加入極少量的水，通常需要一個分離貯槽用以排出氣體。

雙隔板主動置換泵——這種簡單的、空氣運轉(zhuǎn)的主動置換泵具有相對較低的泵速，但能夠?qū)U物抽到18 m高的位置（在從較深的地下貯槽回取廢物時，這是一項很重要的能力）。這種泵結(jié)實可靠，但是易受沙和砂礫等污垢的影響。

真空抽吸泵——這種泵包括一個帶有底部止回閥的泵室。底部止回閥是一個位于泵底部的閥門，讓水只能進入不能出去。在泵室內(nèi)形成真空，使液體和泥漿吸入泵室。然后泵室加壓，止回閥關閉，強迫泵室內(nèi)液體沿外部管道從泵室向貯槽流動。排出管線上的止回閥防止材料回流到泵室中。這種泵設計置于容器底部，通過容器底部和入口間一個1英寸的缺口，真空抽取淤積物。

（b）氣體傳送

氣體傳送是利用高速空氣流將液體和固體廢物帶出廢物容器。這種系統(tǒng)具有消除自由液體，減少潛在容器泄漏的優(yōu)點。然而，這種系統(tǒng)使得回取系統(tǒng)支持設備比較復雜。

鼓風機驅(qū)動系統(tǒng)——使用貯槽外安裝的鼓風機，這種類型的系統(tǒng)能獲得非常高的氣體流速，回取效果很好，但是需要帶有屏蔽的貯槽外過濾設施。

噴射器驅(qū)動系統(tǒng)——噴射器氣流速度較小，僅需要較少的貯槽外密封設施。但是，噴射器仍然要使用過濾設備。

水力驅(qū)動系統(tǒng)能夠用于短程輸送，若要更長的輸送距離，就需要氣體傳送器和增壓泵。

設計上我們傾向于使用氣體傳送方法，這是由貯罐及殘留物的客觀條件決定的，我們需要較長的輸送距離。并且氣體傳送所產(chǎn)生的二次廢物相對較少，這更符合廢物最小化的設計原則。除此之外，我們考慮該系統(tǒng)不僅可提供對殘留物的抽吸動力，還應具備殘留物收集、轉(zhuǎn)運功能，可實現(xiàn)與目標設施對接，并將殘留物輸送到目標設施的接收容器中。

綜上所述，可用一個示意圖（見圖5）來更直觀的說明。

圖5 貯罐殘留物回取裝置設想圖Fig．5 Envisaged storage tank residual waste retrieval system

5 后續(xù)工作的建議

通過前文對大型中放廢液貯罐罐底殘留物回取方法的論述可以看出，該項工作是一項綜合性很強的工作，拆開來看每一個裝置都是很常見且成熟的裝置，動力機械手、水力射流系統(tǒng)、真空抽吸裝置都是很成熟，各個領域的應用也很多，但是要將它們組合起來成為一套整體來運作，并能順利應用到工程上卻不是一件容易的事情，需要開展工程驗證試驗。

驗證試驗可分為4個部分：

· 殘留物抽吸、輸送系統(tǒng)的研究及驗證；

· 水力射流裝置應用研究及驗證；

· 運載裝置即動力機械手應用研究；

· 聯(lián)合運轉(zhuǎn)的驗證試驗。

前三項研究不是去研究裝置或系統(tǒng)本身，而是要研究、驗證每一套裝置或系統(tǒng)如何與另外兩套裝置或系統(tǒng)配合，從而很好地將他們集成到一起。

（1）殘留物抽吸、輸送系統(tǒng)的研究及驗證

根據(jù)中放大罐實際情況和工藝要求，對真空抽吸方法進行驗證試驗，摸索真空度、氣流流量、流速、抽吸管尺寸等參數(shù)，確定收集裝置的容積、屏蔽厚度、管徑、耐壓能力、與抽吸裝置和接收設施的接口及其密封形式、與運載裝置的配合形式等。對該系統(tǒng)與動力機械手的配合方式進行研究、論證，得出明確的設備技術(shù)規(guī)格要求。

（2）水力射流裝置應用研究及驗證

用壓力水噴射系統(tǒng)將模擬罐內(nèi)的模擬殘留的較頑固、較黏稠的物體從罐體上剝離或打散，以使抽吸系統(tǒng)能夠順利地將其收集進行驗證試驗，摸索出合適的噴射壓力、噴射距離、噴射角度等運行參數(shù)。對該裝置與動力機械手的配合方式進行研究、論證，得出明確的設備技術(shù)規(guī)格要求。

（3）運載裝置應用研究

根據(jù)上述兩套裝置提出的需求，經(jīng)過適應性論證，對動力機械手提出明確的技術(shù)規(guī)格要求，對動力機械手主體、工具頭及其動力、控制、監(jiān)視系統(tǒng)的性能進行驗證，包括機械手的操作范圍、負載能力、穩(wěn)定性、靈活性等。

（4）聯(lián)合運轉(zhuǎn)的驗證試驗

在上述所有單項試驗均完成且達到試驗目標后，進行模擬實際罐底殘留物的所有操作流程及動作，以驗證該裝置是否可以穩(wěn)定運行。

6 結(jié)論

本文通過闡述大型中放廢液貯罐特點及罐底殘留物回取的難點問題，結(jié)合國外相關經(jīng)驗、設計上需要考慮的問題及各種問題的解決方法，提出了一個初步可行的罐底殘留物回取系統(tǒng)的設想方案，并對后續(xù)工作、科研的開展提出了建議，對今后大型中放廢液貯罐罐底殘留物回取方面的工作具有一定參考價值和指導意義。

［1］ Peter W．Gibbons．貯槽集中區(qū)高放廢物貯槽回取活動概況［J］．放射性廢物管理與核設施退役，2008（5）：24-31．

［2］ TANK WASTE RETRIEVAL，PROCESSING，AND ON-SITE DISPOSAL AT THREE DEPARTMENT OF ENGERGY SITES：FINAL REPORT Committee on the Management of Certain Radioactive Waste Streams Stored in Tanks at Three Department of Energy Sites National Research Council ［R／OL］．［2006］，http：／／www．nap．edu／catalog／11618．html