小口深坑式廢物庫(kù)中放固體廢物回取整備

李振臣++李文鈺++王帥++張永康++徐江++童剛

摘 要：某地坑式廢物庫(kù)內(nèi)存放了核設(shè)施早期運(yùn)行產(chǎn)生的大量中放固體廢物，廢物總活度上萬(wàn)居里，這種廢物貯存方式不符合現(xiàn)行規(guī)范，給周圍環(huán)境帶來(lái)極大的安全隱患，需盡快妥善回取并整備?；谠搹U物庫(kù)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了“動(dòng)力機(jī)械手遠(yuǎn)程操作”的回取工藝路線，在實(shí)施過(guò)程中解決了坑口改造與大劑量廢物整備的難題，最終成功地實(shí)施了坑式中放固體廢物的回取與整備包裝。

關(guān)鍵詞：廢物庫(kù)結(jié)構(gòu) 源項(xiàng) 動(dòng)力機(jī)械手 中放廢物 回取整備

中圖分類號(hào)：TQ94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（b）-0021-05

Retrieval and Conditioning of Intermediate Level Radioactive Solid Waste From Storage Facilities of a Type Export Small and Deep Pit

Li Zhenchen Li Wenyu Wang Shuai Zhang Yongkang Xu Jiang Tong Gang

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan， 610005， China）

Abstract：A pit waste storage facilities stored a large number of intermediate level radioactive solid wastes （ILW） from the nuclear facilities in early operation to produce， the total waste activity was above tens of thousands of Curie， this mode of waste storage does not meet the current specifications， which brings a great security risk to the surrounding environment and should be retrieved and conditioned as soon as possible. Based on the actual situation of the waste storage facilities， a retrieval technical process route of "dynamic manipulator through remote operation" was designed， the problem of high dose waste conditioning and pit exit remodeling were solved in the implementation process，finally， the ILW was successfully retrieved and conditioned.

Key Words：Structure of waste storage facilities；Source term； Power manipulator；Intermediate level radioactive solid waste；Retrieval and conditioning

某放射性廢物庫(kù)是利用排風(fēng)塔下的地坑貯存放射性廢物的建筑，建造到停止使用30多年來(lái)，存放了核設(shè)施運(yùn)行、檢修活動(dòng)中所產(chǎn)生的低、中放固體廢物。由于歷史原因，該廢物庫(kù)的選址、設(shè)計(jì)、建造和管理不符合我國(guó)現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，廢物庫(kù)緊鄰河流，為消除廢物庫(kù)對(duì)環(huán)境的潛在危害，需盡快對(duì)廢物進(jìn)行回取并整備，對(duì)廢物庫(kù)實(shí)施退役。在該廢物庫(kù)中，設(shè)置有低放廢物坑和中放廢物坑，分別存有低放廢物和中放廢物。其中中放廢物由于坑口小且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、廢物輻射水平高，導(dǎo)致回取的難度與安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院針對(duì)該廢物庫(kù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“動(dòng)力機(jī)械手遠(yuǎn)程操作”的回取工藝路線，在實(shí)施過(guò)程中解決了坑口改造與大劑量廢物整備的難題，最終成功實(shí)施了中放固體廢物的回取與整備。

1 廢物庫(kù)結(jié)構(gòu)與廢物源項(xiàng)

1.1 廢物庫(kù)

廢物庫(kù)是利用排風(fēng)塔下的結(jié)構(gòu)空間貯存廢物的設(shè)施，廢物庫(kù)和排風(fēng)塔的排風(fēng)部分在結(jié)構(gòu)上是完全分隔開(kāi)的，相互之間沒(méi)有影響。建造于20世紀(jì)60年代，2000年停止使用。廢物庫(kù)庫(kù)內(nèi)設(shè)置了12個(gè)廢物貯存坑，分為外圈和中心兩個(gè)貯存區(qū)。外圈貯存區(qū)為低放廢物貯存區(qū)，設(shè)置了7個(gè)廢物貯存坑；中心貯存區(qū)為中放廢物貯存區(qū)，設(shè)置了5個(gè)廢物貯存坑。

中放貯存區(qū)操作大廳為直徑11.2 m、高5.65 m的圓形大廳，600 mm厚的混凝土墻體使該區(qū)與低放操作區(qū)分隔開(kāi)，通過(guò)2 m寬的門洞連接低放操作區(qū)。內(nèi)部有400 mm×400 mm的混凝土立柱4根，梁上安裝有5 t軌式單梁電動(dòng)葫蘆2臺(tái)；地下設(shè)5個(gè)廢物貯存坑，其編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#，其中1#坑貯存有中放固體廢物。廢物庫(kù)平面圖見(jiàn)圖1。

1.2 中放廢物坑

中放廢物坑是3 m×3 m×7.4 m的方形坑，頂部是1.7 m的混凝土屏蔽層，屏蔽層中間設(shè)置有一套孔道裝置，該裝置與混凝土屏蔽層澆筑在一起，有鋼筋連接。孔道裝置外形為橢圓形，內(nèi)部為Ф300 mm的圓形孔道，高度與混凝土屏蔽層一致，總重約6.8 t。由操作機(jī)構(gòu)、鑄鐵蓋板、鉛塞、鑄鐵箱、鑄鐵筒和橢圓形碳鋼圍板等組件構(gòu)成，各部件之間無(wú)連接件連接?？涌诮Y(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.3 廢物源項(xiàng)

中放廢物坑內(nèi)主要存放著各種罐狀廢物，相互重疊，無(wú)序堆放，廢物外形尺寸有Ф63 mm×200 mm、Ф57 mm×90 mm、Ф15 mm×90 mm、Ф235 mm×1000 mm、Ф26 mm×27 mm、Ф23.4 mm×36.7 mm等多種規(guī)格，材料為鋁、不銹鋼、碳鋼等，總體積約15 m3，廢物表面最大輻射水平約4.5 Sv/h，主要核素為60Co?？觾?nèi)廢物堆放情況如圖3所示。

2 廢物回取技術(shù)方案

2.1 回取技術(shù)難點(diǎn)分析

（1）廢物庫(kù)內(nèi)操作空間狹窄，中放貯存區(qū)操作大廳為直徑11.2 m、高5.65 m的圓形大廳，但是操作大廳的立柱及坑口的位置導(dǎo)致操作大廳內(nèi)實(shí)際可供操作的空間十分狹窄。

（2）廢物輻射水平高，中放廢物表面劑量率最高達(dá)4.5 Sv/h，人員無(wú)法近距離進(jìn)行操作，同時(shí)對(duì)回取設(shè)備的耐輻照性能要求也很高。

（3）回取操作難度大，中放廢物貯存坑較深，坑口小孔道長(zhǎng)，回取機(jī)具進(jìn)出坑內(nèi)抓取廢物的操作十分困難。

2.2 工藝方案

充分考慮廢物回取的技術(shù)難點(diǎn)，退役中工作人員無(wú)法近距離進(jìn)行操作，只能采用遠(yuǎn)距離遙控設(shè)備（機(jī)器人）對(duì)坑內(nèi)的廢物進(jìn)行回取、分揀和裝箱。通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)距離遙控設(shè)備進(jìn)行調(diào)研、比較，確定廢物庫(kù)退役中坑內(nèi)廢物的回取采用動(dòng)力機(jī)械手。動(dòng)力機(jī)械手的主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控操作，減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度及受照劑量；（2）回取操作中裝置上下由伸縮套筒控制，克服了坑深造成的回取困難，使回取操作簡(jiǎn)單靈活；（3）作業(yè)面大，抓取重量的范圍寬，可回取坑內(nèi)全部廢物；（4）動(dòng)力機(jī)械手臂沒(méi)有外露線，回取操作安全可靠。

中放廢物回取整備包括廢物回取、裝箱、封蓋、監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。中放廢物回取是利用動(dòng)力機(jī)械手裝置將廢物坑內(nèi)的廢物抓取出來(lái)，全過(guò)程由工作人員在控制間遠(yuǎn)距離操作；用動(dòng)力機(jī)械手將抓取的廢物直接裝入屏蔽鋼箱（外形尺寸為1 200 mm×1 200 mm×2 400 mm，碳鋼材質(zhì)，屏蔽厚度為120 mm）內(nèi)，在回取過(guò)程中監(jiān)測(cè)廢物表面和鋼箱表面的輻射水平。排風(fēng)是通過(guò)原有排風(fēng)管道，經(jīng)中效過(guò)濾器和高效過(guò)濾器過(guò)濾后排入排風(fēng)塔。輻射監(jiān)測(cè)采用固定式γ輻射水平監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，固定式γ探測(cè)器分別安裝在坑口處（用于測(cè)量廢物表面）、廢物箱處（用于測(cè)量廢物箱表面及1 m處）、控制室（測(cè)量人員工作環(huán)境），控制、顯示單元安裝在控制室。廢物箱封蓋是利用動(dòng)力機(jī)械手與5 t吊車配合進(jìn)行，封蓋后用軌道小車將廢物包運(yùn)輸至去污間進(jìn)行去污、測(cè)量，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后送出庫(kù)外，并運(yùn)輸至整備車間水泥固定生產(chǎn)線進(jìn)行水泥固定處理。

2.3 工藝流程

中放廢物回取工藝流程如下。

（1）投入通風(fēng)系統(tǒng)與輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（2）屏蔽廢物箱用軌道小車運(yùn)送至取樣去污間，工作人員在此用電動(dòng)扳手將頂蓋固定螺栓全部擰開(kāi)，再將廢物箱運(yùn)至中放廢物坑口位置擺放。

（3）遠(yuǎn)程操作打開(kāi)中放坑蓋板。

（4）動(dòng)力機(jī)械手運(yùn)行至中放坑口中心位置，伸縮套筒下降，操縱動(dòng)力機(jī)械手將坑內(nèi)的廢物夾起，伸縮套筒上升，調(diào)整動(dòng)力機(jī)械手使其處于垂直向下位置，逐步離開(kāi)中放坑。

（5）當(dāng)廢物吊出坑口后，移動(dòng)至γ探測(cè)器旁，對(duì)廢物進(jìn)行測(cè)量并分類包裝，對(duì)表面輻射水平小于100 mSv/h的廢物，則將廢物放入屏蔽箱內(nèi)，并擺放好；對(duì)輻射水平大于100 mSv/h，則重新放入坑內(nèi)指定區(qū)域，最后集中處理這一部分廢物。

（6）在廢物裝箱過(guò)程中，監(jiān)測(cè)廢物箱表面的輻射水平，箱體表面的輻射水平不能超過(guò)5 mSv/h，當(dāng)廢物裝滿后，利用動(dòng)力機(jī)械手配合用5 t吊車將鋼箱箱蓋蓋上。

（7）軌道小車駛出，進(jìn)入取樣去污間，在取樣去污間中操作人員將箱體與頂蓋用螺栓進(jìn)行密封固定，對(duì)箱體表面進(jìn)行擦拭，擦拭樣品送測(cè)量間進(jìn)行測(cè)量，如廢物箱的表面污染超標(biāo)，則通過(guò)擦拭去污方法使箱的表面污染水平≤4 Bq/cm2；并對(duì)箱體的表面劑量率和1 m處劑量率進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行記錄和簡(jiǎn)單的標(biāo)識(shí)。

（8）軌道小車駛?cè)肼短斓踹\(yùn)場(chǎng)地，用龍門吊將屏蔽廢物箱裝到運(yùn)輸車上，運(yùn)往整備車間進(jìn)行水泥固定處理。

中放廢物回取工藝流程示意圖如圖4所示。

2.4 主要設(shè)備

動(dòng)力機(jī)械手裝置是一款遙控操作的機(jī)電設(shè)備。動(dòng)力機(jī)械手裝置共有10個(gè)自由度，其中動(dòng)力機(jī)械手手臂有6個(gè)自由度，軌道大車和小車、伸縮套筒升降及旋轉(zhuǎn)共4個(gè)自由度。動(dòng)力機(jī)械手回取裝置被設(shè)計(jì)成電動(dòng)懸掛式吊車，由大車、小車、伸縮套筒、動(dòng)力機(jī)械手、伸縮套筒上的2 t吊鉤、抓具和視頻等構(gòu)成，視頻安裝在動(dòng)力機(jī)械手臂和伸縮套筒上。機(jī)械手終端工具（抓具、夾鉗）可以遠(yuǎn)距離操作進(jìn)行互換，用于自動(dòng)更換抓具的工具安放在現(xiàn)場(chǎng)。動(dòng)力機(jī)械手回取裝置的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 回取實(shí)施

由于機(jī)械手伸縮套筒的最大直徑為495 mm，而中放坑孔道的內(nèi)徑只有300 mm，不滿足機(jī)械手的伸縮套筒進(jìn)出坑口的要求，因此先對(duì)廢物坑口進(jìn)行了擴(kuò)孔改造，再開(kāi)展了廢物回取與整備。

3.1 坑口改造

坑口改造分為兩步，第一步對(duì)孔道裝置進(jìn)行拆除；第二步對(duì)坑口進(jìn)行擴(kuò)孔改造。第一步是利用混凝土鉆孔機(jī)在坑口周圍鉆孔，使得孔道裝置（鑄鐵蓋、鑄鐵箱）與周圍混凝土松動(dòng)后，利用千斤頂將鑄鐵蓋、鑄鐵箱、鑄鐵筒逐個(gè)頂起，最后恢復(fù)坑口，蓋上鉛蓋板。中間過(guò)程輔以吊車遠(yuǎn)距離吊運(yùn)頂起的鑄鐵件和用于人員防護(hù)的鉛塞、鉛蓋板等，同時(shí)全程進(jìn)行劑量監(jiān)測(cè)，保證了人員安全。第二步首先采用柔性屏蔽技術(shù)對(duì)坑內(nèi)廢物進(jìn)行屏蔽，屏蔽后坑口輻射水平降低至約10 μSv/h，利用混凝土鉆孔機(jī)沿坑口橢圓形邊緣鉆一圈孔，使中心混凝土與坑口周圍的混凝土脫離，并將其吊運(yùn)至指定位置；完成中心混凝土拆除后，在坑口孔道上安裝鋼襯，使坑口成為一個(gè)表面光滑的橢圓形孔道；在坑口上方安裝滑動(dòng)屏蔽蓋，起到屏蔽和防止人員跌落等作用。

經(jīng)過(guò)改造后，坑口變?yōu)橐粋€(gè)1 400 mm×900 mm的橢圓形孔道，孔道高為1 700 mm，頂部為一個(gè)可在控制室遠(yuǎn)程操作的滑動(dòng)屏蔽蓋。

3.2 廢物回取

在廢物回取前，先在坑口及軌道周圍鋪設(shè)了一層防護(hù)層，確保回取過(guò)程中一旦有廢物灑落不會(huì)造成地面、設(shè)備的玷污，并能夠及時(shí)、快捷地進(jìn)行清理。按照工藝方案與流程開(kāi)展了中放廢物的回取，先用動(dòng)力機(jī)械手夾取了體積較大、形狀規(guī)整的罐狀廢物，大件廢物回取完后，剩余一部分較小的雜物、塵土等無(wú)法夾取，利用動(dòng)力機(jī)械手夾持特制的小掃把將底部的雜質(zhì)掃到一起，用專用工裝將剩余雜物鏟出裝箱，最后用吸塵器吸取塵土等，最終將坑內(nèi)廢物全部回取。

3.3 廢物分類整備

廢物的抓取、裝箱按照輻射水平大小的原則進(jìn)行分類，在廢物回取過(guò)程中逐個(gè)測(cè)量了廢物的輻射水平，將100 mSv/h的廢物直接裝入屏蔽鋼箱內(nèi)，廢物包表面最大輻射水平為4.71 mSv/h。

表面輻射水平超過(guò)100 mSv/h的廢物大部分在100 mSv/h～1 Sv/h，個(gè)別廢物超過(guò)1 Sv/h，最大為9.2 Sv/h。對(duì)這部分廢物采取在鋼箱內(nèi)用重混凝土澆筑一定厚度的屏蔽層的方式重新設(shè)計(jì)制作屏蔽鋼箱進(jìn)行包裝，厚度根據(jù)廢物的輻射水平計(jì)算得出。共設(shè)計(jì)制作了兩種規(guī)格的包裝箱，對(duì)100 mSv/h～1 Sv/h的廢物采用260 mm后的重混凝土屏蔽層，對(duì)超過(guò)1 Sv/h的廢物采用370 mm厚的重混凝土屏蔽層。經(jīng)過(guò)加裝屏蔽層的鋼箱包裝大劑量廢物可保證廢物包表面輻射水平均在5 mSv/h以下。

4 結(jié)論

（1）采用動(dòng)力機(jī)械手回取中放廢物具有設(shè)備簡(jiǎn)單、回取效率高、自動(dòng)化程度高、人員受照風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了狹小空間內(nèi)中放廢物的回取難題。

（2）通過(guò)對(duì)廢物輻射水平的監(jiān)測(cè)，掌握了廢物的源項(xiàng)數(shù)據(jù)，為廢物的分類整備提供了重要依據(jù)。

（3）在鋼箱內(nèi)加裝混凝土屏蔽層的做法成功地解決了大劑量廢物的整備問(wèn)題。

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