某近地表處置場(chǎng)廢物處置碼放工藝優(yōu)化研究

王 杰，高彥鋒，圣 鋒，董志強(qiáng)

(中核清原環(huán)境技術(shù)工程有限責(zé)任公司，北京 100037)

放射性廢物管理是一個(gè)典型的多因素多目標(biāo)問(wèn)題，處置作為放射性廢物安全管理的核心及最后一個(gè)重要環(huán)節(jié)，應(yīng)關(guān)注的方向是如何合理利用有限的處置資源并實(shí)現(xiàn)廢物的永久安全處置，力求達(dá)到最佳的環(huán)境和社會(huì)效益，并最終推動(dòng)廢物處置活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展[1]。一般而言，優(yōu)化是解決多因素多目標(biāo)問(wèn)題的主要途徑。所謂優(yōu)化，即是綜合考慮和選擇所有可能減少輻射危害和降低成本等多方面的措施，進(jìn)行多方案比較，最終確定滿意的方案[2]。某近地表處置場(chǎng)根據(jù)安全分析結(jié)果，需對(duì)處于不同表面劑量率區(qū)間的廢物包實(shí)施分格碼放的處置方案，此方案雖可有效降低因天空反散射引起的輻射照射劑量，但卻造成處置單元有效容積利用率降低等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文在嚴(yán)格遵守安全分析報(bào)告和環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告等相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合處置實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)反饋，提出碼放工藝的優(yōu)化方案。

1 分格碼放方案

1.1 處置場(chǎng)基本概況

我國(guó)西南某處置場(chǎng)是我國(guó)首個(gè)建成并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控廢物包處置且整體自動(dòng)化程度較高的近地表處置場(chǎng)，布局詳見圖1所示。處置場(chǎng)采用地上土丘式的處置方式，規(guī)劃處置容量18萬(wàn)m3，已建成處置容量3.2萬(wàn)m3，截止2019年底累計(jì)處置廢物量約1.9萬(wàn)m3[3]。

圖1 處置場(chǎng)布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of disposal site layout

1.2 原設(shè)計(jì)碼放方案存在問(wèn)題

為考慮及評(píng)價(jià)高表面劑量率廢物包處置過(guò)程中γ射線天空反散射影響，設(shè)計(jì)單位根據(jù)處置單元結(jié)構(gòu)和廢物源項(xiàng)等情況開展設(shè)計(jì)及通過(guò)天空反散射模擬計(jì)算，提出如下碼放方案，即：①表面劑量率小于1.5 mSv/h的廢物包不需分格直接處置；②表面劑量率大于1.5 mSv/h、且小于10 mSv/h的廢物包按照一個(gè)處置單元?jiǎng)澐譃?格的方式處置；③表面劑量率大于10 mSv/h、且小于45.5 mSv/h的廢物包按照一個(gè)處置單元?jiǎng)澐譃?5格的方式處置。碼放方案有效降低了天空反散射對(duì)處置區(qū)周圍環(huán)境的輻射劑量，但是在廢物處置實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案存在如下問(wèn)題。

1.2.1處置單元容積利用率降低

圖2為按碼放方案設(shè)計(jì)的400 L鋼桶廢物包在不同表面劑量率情況下對(duì)應(yīng)的3種分格碼放示意圖，表1為不同分格方式對(duì)應(yīng)的處置單元容積利用率。由表1可知，隨著分格格間數(shù)量的增加，處置單元容積利用率呈下降趨勢(shì)。主要問(wèn)題一：上述3種碼放方案均是依據(jù)使用機(jī)械式吊具而設(shè)計(jì)，未考慮機(jī)械式吊具在抓/放廢物包時(shí)需要一定的伸展空間，即廢物包與廢物包之間的間距應(yīng)≥40 mm、廢物包與處置單元墻體間應(yīng)預(yù)留≥300 mm安全距離；主要問(wèn)題二：圖2中25分格方案的設(shè)計(jì)圖上廢物包靠墻間距僅為113 mm，直接造成現(xiàn)場(chǎng)碼放時(shí)無(wú)法執(zhí)行。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，格間僅能碼放(5×5)桶/層而非(6×6)桶/層，造成格間較大的空隙剩余，且無(wú)法利用的現(xiàn)實(shí)(如圖2中25分格實(shí)際中黃色標(biāo)記桶)，由此容積率由43.9%大幅降低至29.62%。

圖2 不同表面劑量率廢物包的分格碼放示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid stacking of wastes with different surface dose rates

表1 不同表面劑量率廢物包的分格碼放容積利用率Tab.1 Volume utilization rate of grid stacking of wastes with different surface dose rates

1.2.2實(shí)際碼放與原設(shè)計(jì)碼放方案不匹配

處置單元呈“一”字形布設(shè)，造成廢物處置時(shí)需先處置滿一個(gè)處置單元后，再處置相鄰第二個(gè)處置單元。因此，廢物處置前需根據(jù)擬處置廢物包的表面劑量率區(qū)間決定是否對(duì)處置單元內(nèi)部進(jìn)行分格施工；實(shí)際上，擬處置的廢物包表面劑量率并不全在設(shè)計(jì)分格方案的劑量率區(qū)間范圍內(nèi)，且廢物包數(shù)量并不足以碼放滿已設(shè)置好的格間，尤其是表面劑量率在10 mSv/h以上的廢物包，若提前按選定的分格方案設(shè)置好格間，則可能造成格間內(nèi)碼放不屬于該分格方案應(yīng)碼放的同一表面劑量率區(qū)間的廢物包，即出現(xiàn)不匹配的問(wèn)題。

2 分格碼放優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

處置場(chǎng)資源非常有限，需在不超過(guò)接收總活度限值前提下盡可能提高廢物在處置場(chǎng)的處置容量，而處置單元容積利用率大小是一個(gè)最直觀的指標(biāo)。處置單元容積利用率的大小，并不是要求處置單元設(shè)計(jì)足夠大，而是要求在特定的處置單元結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，綜合考慮輻射防護(hù)、碼放方案對(duì)處置單元整體結(jié)構(gòu)安全等影響因素，合理設(shè)計(jì)碼放方案，盡可能地提高處置單元的容積利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)約有限的處置資源并降低處置成本的目標(biāo)。因此碼放方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)需考慮諸如碼放安全穩(wěn)定性、單元整體穩(wěn)定性、間隙大小不影響填充材料自由流動(dòng)性、輻射防護(hù)等要求。

2.2 碼放方式優(yōu)化選擇

碼放方案優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種數(shù)學(xué)命題，需要通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算提出碼放方式的選擇方案。碼放方式與處置單元容積利用率密切相關(guān)，而處置單元容積利用率是廢物包的總體積與處置單元凈體積之比，即：

(1)

式(1)中，D0為處置單元容積利用率，無(wú)量綱；Vw為廢物包總體積，m3；Vc為處置單元凈體積，m3。由式(1)知，Vc一定時(shí)，D0與Vw呈正比關(guān)系。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，箱體廢物包的D0值最高，箱體和桶體混合廢物包的D0值次之，桶體廢物包D0值再次之。同時(shí)，廢物包的碼放方式對(duì)D0值大小有直接影響。實(shí)踐中常用的碼放方式主要是“井字形”(見圖3中左圖)和“菱形”(圖3中右圖)兩種。在不考慮間隙的情況下，由公式(1)計(jì)算可知，“井字形”情形下D0最大值為0.785，“菱形”情形下D0最大值為0.785λ(λ為一常數(shù))；選取不同的Di(行數(shù))和Dj(列數(shù))值分別進(jìn)行計(jì)算，得出：當(dāng)Di≥4，Dj≥6；Di≥5，Dj≥4；Di≥6，Dj≥3；Di≥7，Dj≥2時(shí)；λ>1，采用“菱形”碼放方案時(shí)處置單元的容積利用率要高于“井字形”碼放方案時(shí)處置單元的容積利用率。

圖3 碼放方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of stacking method

2.3 碼放間距優(yōu)化設(shè)計(jì)

碼放間距的設(shè)計(jì)是碼放方案優(yōu)化的補(bǔ)充。圖4左側(cè)上圖為使用機(jī)械吊具進(jìn)行井字型定位碼放的間距設(shè)計(jì)圖，桶與桶的間距≥40 mm，桶與處置單元內(nèi)墻(或格墻)的間距≥300 mm。圖4左側(cè)下圖為使用電磁吊具進(jìn)行菱形定位碼放的間距設(shè)計(jì)圖，桶與桶的間距≥20 mm，桶與處置單元內(nèi)墻(或格墻)的間距≥100 mm。圖4右圖為采用4桶電磁吊具進(jìn)行菱形定位碼放時(shí)桶蓋邊緣與處置單元內(nèi)墻間距離，實(shí)測(cè)距離為103 mm，滿足要求。

圖4 廢物包碼放間距設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)碼放間距示意圖Fig.4 Schematic diagram of the stacking spacing design and the measured stacking spacing of waste package

2.4 碼放方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖5顯示了優(yōu)化后的表面劑量率小于1.5 mSv/h和1.5～10 mSv/h的廢物包碼放方案設(shè)計(jì)和3#處置單元按優(yōu)化方案碼放廢物包后形成的效果示意圖，表3為優(yōu)化前后廢物包分格碼放容積率的比較。由表3可知：不分格優(yōu)化后處置單元容積利用率提高11.09%；6分格優(yōu)化后處置單元容積利用率提高11.42%～15.45%，且優(yōu)化方案已在3#處置單元實(shí)踐。圖6顯示了優(yōu)化后的表面劑量率10 mSv/h以上的廢物包碼放方案設(shè)計(jì)和2#處置單元實(shí)際碼放廢物包后形成的效果示意圖。由表3可知：通過(guò)優(yōu)化原設(shè)計(jì)格間尺寸、優(yōu)化格間布局和新優(yōu)化碼放方案的多種優(yōu)化后處置單元容積利用率為8.24%～23.69%，且優(yōu)化格間布局碼放方案已在2#處置單元實(shí)踐。上述優(yōu)化方案實(shí)踐表明，優(yōu)化方案處置單元容積利用率高、節(jié)省更換吊具時(shí)間以及更匹配廢物的及時(shí)處置需求。

圖5 表面劑量率10 mSv/h以下優(yōu)化碼放方案及實(shí)際碼放效果示意圖Fig.5 Schematic diagram of optimized stacking plan and actual stacking effect with surface dose rate below 10 mSv/h

表3 不同表面劑量率廢物包的分格碼放容積利用率Tab.3 Volume utilization rate of grid stacking of waste packets with different surface dose rates

根據(jù)處置實(shí)踐需求，設(shè)計(jì)單位針對(duì)經(jīng)驗(yàn)反饋建議提出了“當(dāng)400 L桶表面劑量率為20 mSv/h和30 mSv/h時(shí)對(duì)應(yīng)的分格方案”的新分格原則：廢物包表面劑量率最大為20 mSv/h時(shí)，單個(gè)格間內(nèi)最上層裸露的最多桶數(shù)量不超過(guò)100桶/(格間·層)；同理，表面劑量率最大為30 mSv/h時(shí)，裸露桶數(shù)量不超過(guò)64桶/(格間·層)；表面劑量率最大為45.5 mSv/h時(shí)，裸露桶數(shù)量不超過(guò)36桶/(格間·層)。鑒于設(shè)計(jì)單位未給出具體的分格設(shè)計(jì)布局和詳細(xì)格間尺寸，參照已有碼放方案設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐處置需求，設(shè)計(jì)了如圖6所示的新分格A、B、C和組合優(yōu)化方案。新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：滿足不同表面劑量率廢物包的碼放需求，減少了處置單元內(nèi)格間數(shù)量，提高了處置單元容積利用率和降低了分格施工周期及成本；同時(shí)，碼放過(guò)程基本上實(shí)現(xiàn)全程使用4桶專用電磁吊具，即使不能全程使用，也減少了單桶碼放數(shù)量及更換不同規(guī)格吊具次數(shù)和時(shí)間。

圖6 表面劑量率10 mSv/h以上優(yōu)化碼放方案及實(shí)際碼放效果示意圖Fig.6 Schematic diagram of optimized stacking plan and actual stackingeffect with surface dose rate above 10 mSv/h

3 優(yōu)化效果分析

3.1 分格施工成本

施工成本大小取決于處置單元經(jīng)分格后形成格間的數(shù)量，采用分格施工的全費(fèi)用綜合單價(jià)的計(jì)價(jià)模式對(duì)施工成本進(jìn)行控制，利用公式(2)計(jì)算各個(gè)方案的施工成本:

S=P×Q

(2)

式(2)中，P為綜合單價(jià)，元(RMB)/m3；Q為工程量，m3；S為施工成本，元(RMB)。

表4列出了各個(gè)方案的施工成本。

表4 不同方案在不同情形下施工成本對(duì)比Tab.4 Comparison of construction cost of different schemes under different situations

由表4可知，格間數(shù)量與施工成本呈正比關(guān)系，優(yōu)化后碼放方案的施工成本節(jié)約比為可節(jié)約的施工成本的1.14%～49.49%。施工成本節(jié)約的同時(shí)，施工周期也相應(yīng)減少，如6分格方案原設(shè)計(jì)施工工期需要45 d，而3#處置單元采用優(yōu)化方案實(shí)際施工工期僅為8 d。施工成本的降低和施工周期的縮減是優(yōu)化方案的優(yōu)點(diǎn)，不僅有利于增加廢物處置的時(shí)間窗口和大幅降低作業(yè)人員的受照輻射劑量，而且非常有利于節(jié)約寶貴的處置資源以及實(shí)現(xiàn)“利益-代價(jià)”最優(yōu)化。

3.2 碼放耗時(shí)

建設(shè)階段配備的不同規(guī)格的廢物包吊具，因處置任務(wù)艱巨無(wú)法滿足需求，故開發(fā)研制了多桶電磁吊具，該吊具可同時(shí)實(shí)現(xiàn)4 桶400 L 廢物包的抓取、變形、吊運(yùn)、定位、碼放等功能。雖然新的吊具滿足了廢物處置需求，但是受限于處置單元上方20 t數(shù)控吊車的運(yùn)作效率，千余次廢物包吊裝碼放耗時(shí)統(tǒng)計(jì)表明，機(jī)械吊具碼放單個(gè)廢物包往返平均耗時(shí)約23.5 min，多桶電磁吊具同時(shí)碼放4個(gè)廢物包往返平均耗時(shí)約36 min。根據(jù)此統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以每天工作8 h、期間無(wú)其他作業(yè)活動(dòng)為計(jì)算基數(shù)，計(jì)算得出表4中各優(yōu)化方案的總耗時(shí)結(jié)果。由表4可知，優(yōu)化的碼放方案總耗時(shí)大幅縮減，平均耗時(shí)110 d。實(shí)際處置中，2#、4#處置單元平均耗時(shí)約120 d，期間還包括砂漿充填、數(shù)控吊車檢修維修和無(wú)廢物處置等待等時(shí)間。碼放耗時(shí)的縮減，不僅有利于提高處置場(chǎng)的年處置能力，而且確保廢物獲得及時(shí)的安全處置，消除潛在安全隱患。

3.3 輻射劑量

為使作業(yè)人員在處置活動(dòng)中接受的輻射照射不超過(guò)國(guó)家規(guī)定限值要求，規(guī)定處置單元墻體外300 mm處及封頂施工作業(yè)時(shí)輻射劑量率控制限值不超過(guò)25 μSv/h。以碼放滿廢物包的2#和3#處置單元為例，經(jīng)表5實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與輻射劑量控制限值25 μSv/h對(duì)比分析認(rèn)為，2#單元封頂后劑量高于封頂前劑量是受正在作業(yè)的3#處置單元碼放廢物包的天空反散射影響，但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均低于控制限值，則表示采用2.4節(jié)優(yōu)化后的碼放方案符合要求。同時(shí)，利用天空反散射劑量當(dāng)量率的經(jīng)驗(yàn)公式(3)和點(diǎn)核積分法的經(jīng)驗(yàn)公式[5]計(jì)算檢驗(yàn)優(yōu)化后的碼放方案是否滿足控制限值25 μSv/h要求。假設(shè)頂層碼放廢物包表面劑量率最高為20 mSv/h，總放射性活度為1.26×1011Bq，高度7 m，利用公式(3)計(jì)算得距離該源1.5 m處的劑量率為16.33 μSv/h，點(diǎn)核積分法計(jì)算的劑量率約為22.25 μSv/h，均小于控制限值。但是在實(shí)際廢物處置活動(dòng)中，不會(huì)將表面劑量率為20 mSv/h的廢物包碼放在頂層，因此實(shí)際劑量率將遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值。

表5 2#、3#處置單元封頂前后實(shí)測(cè)劑量率Tab.5 The measured dose rate before and after the disposal unit is capped of 2#，3# cell

(3)

其中

(4)

3.4 國(guó)外同類處置場(chǎng)碼放方式

法國(guó)奧布處置場(chǎng)的處置單元結(jié)構(gòu)與本文處置場(chǎng)相同，內(nèi)部尺寸均為25 m×25 m×8 m。奧布處置場(chǎng)可以處置各種類型的廢物包，有100 L、200 L、400 L、800 L鋼桶，5 m3、10 m3鋼箱，CD1～CD4混凝土桶、混凝土方箱以及核電廠更換下的大型部件。除大型部件是單獨(dú)格間處置，其余廢物包均采用處置單元內(nèi)部不分格方式處置。由于采用一次只吊一桶/箱的吊具、混凝土制和金屬制廢物包分類碼放在不同處置單元內(nèi)的方式，廢物包的碼放間距為10 cm，單個(gè)處置單元容積利用率在48%左右[6]，碼放示意圖示于圖7。對(duì)比表3可知，處置單元分格方案是影響處置單元容積利用率大小的關(guān)鍵因素，某處置場(chǎng)在不分格和6分格情形下其容積利用率優(yōu)于奧布處置場(chǎng)，但在25分格情形下奧布處置場(chǎng)占有優(yōu)勢(shì)。

圖7 法國(guó)奧布處置場(chǎng)廢物包碼放示意圖Fig.7 Schematic diagram of waste package placement at La Aube

4 結(jié)語(yǔ)

處置場(chǎng)碼放工藝的優(yōu)化是一個(gè)持續(xù)、不間斷改進(jìn)的過(guò)程。本文針對(duì)原設(shè)計(jì)碼放方案在處置實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的諸如處置單元容積利用率低等問(wèn)題，對(duì)原方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明：一定行列數(shù)情況下“菱形”碼放方式的容積利用率高于“井字形”，不分格碼放方案優(yōu)化后容積率提升11.09%、6分格碼放方案優(yōu)化后容積率平均提升13.57%、25分格碼放方案優(yōu)化后容積率平均提升18.01%，且個(gè)別已在處置場(chǎng)得到實(shí)踐應(yīng)用并取得良好的效果。最后又從施工成本、碼放耗時(shí)、輻射劑量和國(guó)外同類處置場(chǎng)碼放方式四個(gè)方面對(duì)優(yōu)化的碼放方案進(jìn)行了效果分析和容積利用率對(duì)比，分析認(rèn)為優(yōu)化后碼放方案是合理可行的，滿足廢物處置需求。

本文提出的碼放優(yōu)化方案，很大程度上解決了實(shí)際處置遇到的問(wèn)題，也提高了處置單元容積利用率，對(duì)節(jié)約有限的處置資源是有利的。但在碼放方案優(yōu)化設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)碼放方式易受處置單元“一”字形布局、擬處置廢物包的表面劑量率和吊具類型等影響。因此，在今后的工作中可以從以下幾個(gè)方面持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)并進(jìn)行能力建設(shè)，如天空反散射計(jì)算能力、處置單元優(yōu)化布局、新型吊具研發(fā)及現(xiàn)有吊具功能的改進(jìn)和輻射防護(hù)全過(guò)程的最優(yōu)化管理。