某溶洞放射性廢物庫(kù)通風(fēng)降氡技術(shù)研究

柳景景，李 陽(yáng)，張德全，曹 京，邵磊昌

(1.中核環(huán)保工程設(shè)計(jì)研究有限公司，北京 101149；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

放射性廢物庫(kù)的安全問題是關(guān)系到周圍環(huán)境質(zhì)量狀況和附近居民安全健康的重大問題[1]。國(guó)家高度重視廢物庫(kù)的安全穩(wěn)定問題，并陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)放射性廢物貯存及處置標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)某溶洞內(nèi)長(zhǎng)期存放大量放射性廢物，該溶洞廢物庫(kù)存在地下暗流去向不明、原洞體工程建設(shè)不規(guī)范、附近環(huán)境敏感等多重問題，特別是大量放射性廢物的貯存對(duì)該溶洞周圍環(huán)境和公眾構(gòu)成潛在危害[2]，目前該溶洞廢物庫(kù)已不符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

該溶洞廢物庫(kù)封存多年，洞內(nèi)未設(shè)計(jì)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，不具備廢物庫(kù)退役人員活動(dòng)所需的空氣環(huán)境及儀器設(shè)備必要的使用條件[3]。為此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研究通風(fēng)降氡技術(shù)方案，為退役治理實(shí)施過程提供必要的空氣環(huán)境安全保障。

1 溶洞放射性廢物庫(kù)概況

該溶洞為一個(gè)天然的石灰?guī)r溶洞，收貯化工廠和冶煉廠產(chǎn)生的放射性廢渣，于1970年投入使用，目前庫(kù)內(nèi)放射性廢渣總量約2.6萬(wàn)t。洞內(nèi)寬敞、平坦，洞長(zhǎng)約為136 m，寬為15～38 m，高為3～11 m；由外到內(nèi)分為A區(qū)、鐳鋇渣區(qū)、獨(dú)居石廢渣區(qū)和綠柱石廢渣區(qū)，各區(qū)域面積及分布情況如圖1所示，區(qū)域有效容積分別為2 677、194、6 075、6 056 m3。獨(dú)居石廢渣區(qū)與綠柱石廢渣區(qū)設(shè)置在屏蔽墻內(nèi)。

圖1 放射性廢物庫(kù)平面示意圖

1.1 廢物庫(kù)存在的問題

該溶洞周邊屬于亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)域，常年雨水充足。洞內(nèi)廢渣堆放不規(guī)整，洞頂?shù)牡乇砀采w工程存在一定的隱患，洞頂原有的8個(gè)滴水區(qū)只密封了3個(gè)；特別是放置鐳鋇渣的庫(kù)房上端有一個(gè)較大的滴水區(qū)，不能確定鐳鋇渣的密封情況是否受到影響。

經(jīng)過多年封存，洞內(nèi)設(shè)施現(xiàn)狀與封洞時(shí)存在一定差異：1)鐳鋇渣庫(kù)房的東北角因山體滑坡致使庫(kù)房部分坍塌，房梁斷裂；2)鐳鋇渣混凝土池頂部出現(xiàn)破口，因洞內(nèi)環(huán)境潮濕，庫(kù)房頂部滴水落入混凝土池內(nèi)，致使鐳鋇渣被浸濕，箱內(nèi)有積水；3)溶洞進(jìn)口處上方有部分巖石滑落，墜落在洞內(nèi)道路上。

因?yàn)檎{(diào)查時(shí)洞內(nèi)已經(jīng)堆放有大量放射性廢渣，未能深入調(diào)查洞體地質(zhì)情況，地下暗河的連通情況也未查明，放射性物質(zhì)存在擴(kuò)散的途徑。

由于缺乏日常管理，洞頂及山體周邊開礦采石、開挖景石等情況時(shí)有發(fā)生。這些活動(dòng)均有可能損傷洞體，造成洞內(nèi)漏水，導(dǎo)致放射性廢物隨水流散失，對(duì)周邊環(huán)境造成危害。如果發(fā)生山體滑坡或地震等地質(zhì)災(zāi)害，有可能造成放射性廢物的大量流失。

1.2 廢物庫(kù)退役治理方案簡(jiǎn)述

為保障洞內(nèi)人員的輻射安全，在開展退役工作之前需要對(duì)洞內(nèi)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，參照《鈾礦冶輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)規(guī)定》，洞內(nèi)氡濃度設(shè)計(jì)限值為2.70 kBq/m3[4]。在設(shè)計(jì)中貫徹放射性廢物最小化原則，將放射性廢物與非放射性廢物區(qū)分；不允許污染物擴(kuò)散到周圍環(huán)境[5]；在整治后，不產(chǎn)生新的污染物。因此，在廢物填埋方案中，要求在運(yùn)輸粉末狀放射性廢物前必須進(jìn)行穩(wěn)定化處理，在運(yùn)輸過程中必須妥善包裝，以保證安全運(yùn)輸。在整治過程中，遵循“邊退役治理邊監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)指導(dǎo)整治”的原則。

依據(jù)上述原則，結(jié)合洞內(nèi)各種廢物貯存現(xiàn)狀，確定退役治理分階段實(shí)施：第一階段對(duì)溶洞內(nèi)的放射性廢物予以徹底回取清除，并進(jìn)行穩(wěn)定化處理；第二階段進(jìn)行溶洞環(huán)境整治與恢復(fù)工作，包括建筑物的去污拆除、洞側(cè)壁的去污、污染土壤的清除以及整個(gè)洞體環(huán)境的恢復(fù)[6]。

該溶洞廢物庫(kù)退役治理的最終目的是清空洞體內(nèi)所有放射性廢物，并將洞內(nèi)環(huán)境整治至無(wú)限制開放水平，徹底消除該溶洞對(duì)公眾、環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2 廢物庫(kù)通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

在該溶洞的入口附近上方，有一個(gè)天然進(jìn)風(fēng)口；在獨(dú)居石廢渣區(qū)附近有一個(gè)磚砌式排風(fēng)口，排風(fēng)口直徑約2 m，直通山頂。

由于溶洞已封存多年，現(xiàn)分別在未通風(fēng)及開啟自然通風(fēng)條件下對(duì)洞內(nèi)氡及其子體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，考慮人員輻射防護(hù)劑量要求[7]，僅用自動(dòng)化設(shè)備對(duì)A區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 溶洞廢物庫(kù)氡及其子體濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表1可看出：在未通風(fēng)情況下，洞內(nèi)的氡活度濃度較高，為79.36 kBq/m3；洞口開啟并自然通風(fēng)1日后，洞內(nèi)的氡活度濃度為43.24 kBq/m3。

3 通風(fēng)降氡初步試驗(yàn)

3.1 初步試驗(yàn)方案及結(jié)果

洞內(nèi)堆放有獨(dú)居石廢渣、鐳鋇渣及綠柱石廢渣，廢渣中的放射性核素衰變產(chǎn)生大量氡。為掌握洞內(nèi)實(shí)際情況，進(jìn)行通風(fēng)試驗(yàn)，并敷設(shè)臨時(shí)風(fēng)管進(jìn)行全面排風(fēng)，按照5次/h的換氣頻次計(jì)算，各區(qū)域通風(fēng)換氣體積見表2，計(jì)算出總需要的排風(fēng)量為75 010 m3/h。通風(fēng)時(shí)，均勻設(shè)置洞內(nèi)排風(fēng)管道的吸入口，排風(fēng)口的排風(fēng)量為固定值。在溶洞口外風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置送風(fēng)機(jī)，向洞內(nèi)補(bǔ)充負(fù)壓新風(fēng)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 機(jī)械通風(fēng)條件下庫(kù)內(nèi)氡及其子體濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表2可知：開啟機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)后，洞內(nèi)氡活度濃度下降至0.41～10.10 kBq/m3；洞內(nèi)獨(dú)居石廢渣區(qū)及綠柱石廢渣區(qū)的氡活度濃度仍高于設(shè)計(jì)限值(2.70 kBq/m3)。

3.2 通風(fēng)降氡初步試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合試驗(yàn)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以看出通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)量設(shè)計(jì)已經(jīng)滿足規(guī)范要求；但部分區(qū)域的氡濃度仍然沒有降低至設(shè)計(jì)限值以下。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能有：1)風(fēng)量分配不合理，未設(shè)置局部通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)缺乏針對(duì)性；2)氣流組織較混亂，存在二次污染；3)風(fēng)量計(jì)算時(shí)采用估算方法，缺少各區(qū)域廢渣堆表面氡析出率數(shù)據(jù)，風(fēng)量計(jì)算不夠精確。

4 通風(fēng)降氡技術(shù)方案優(yōu)化

方案優(yōu)化時(shí)，需要監(jiān)測(cè)各區(qū)域廢渣堆的表面氡析出率數(shù)據(jù)并進(jìn)行全面排風(fēng)量核算，然后根據(jù)污染程度合理分配各區(qū)域最小排風(fēng)量，合理組織氣流，使污染物從濃度較低的區(qū)域向濃度較高的區(qū)域流動(dòng)。對(duì)鐳鋇渣廢物庫(kù)采取局部通風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)置移動(dòng)式凈化機(jī)組對(duì)庫(kù)房進(jìn)行排風(fēng)過濾處理。

4.1 廢渣堆表面氡析出率監(jiān)測(cè)

在未通風(fēng)條件下，對(duì)洞內(nèi)廢渣堆表面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)。采樣點(diǎn)數(shù)量根據(jù)面積及現(xiàn)場(chǎng)情況確定，50 m2以下的區(qū)域設(shè)置1～3個(gè)采樣點(diǎn)，50～100 m2的區(qū)域設(shè)置3～5個(gè)采樣點(diǎn)，100 m2以上的區(qū)域設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，布點(diǎn)情況如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖

采用直讀式RECM-Ⅲ氡析出率儀測(cè)量廢渣堆表面氡析出率。測(cè)量時(shí)間為15 min，保持位置不動(dòng)每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次，取平均值計(jì)入表3。表3中1#～5#為不同布點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)DX1～DX15布點(diǎn)。

表3 溶洞廢物庫(kù)內(nèi)廢渣堆表面氡析出率監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表3可知，獨(dú)居石廢渣區(qū)的氡析出率最高，平均值為2.73 Bq/(m2·s)，這是因獨(dú)居石廢渣中含有一定的鐳造成的。

4.2 溶洞內(nèi)各區(qū)域最小排風(fēng)量計(jì)算

穩(wěn)定狀態(tài)下的全面排風(fēng)量計(jì)算公式[8]為

(1)

式中：L—最小排風(fēng)量，m3/s；y0—送風(fēng)空氣中有害物(氡)活度濃度，Bq/m3，y0取0；y2—經(jīng)過t時(shí)間(24 h)后室內(nèi)空氣中有害物濃度，取氡活度濃度限值2 700 Bq/m3；x—有害物(氡)散發(fā)量，Bq/s，其值根據(jù)公式(2)計(jì)算；K—安全系數(shù)，取3～10，具體取值見表4。

x=CS，

(2)

式中：x—有害物(氡)散發(fā)量，Bq/s；C—氡析出率，Bq/(m2·s)；S—堆渣面積，m2。

最小排風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見表4，計(jì)算得到的總排風(fēng)量為75 045 m3/h。

表4 各區(qū)域最小排風(fēng)量

4.3 通風(fēng)降氡技術(shù)優(yōu)化方案及應(yīng)用效果

綜上，確定優(yōu)化通風(fēng)降氡方案：1)總排風(fēng)量為75 045 m3/h，并根據(jù)表4中各區(qū)域最小排風(fēng)量確定各區(qū)域排風(fēng)、吸風(fēng)口數(shù)量；2)通風(fēng)氣流按照A區(qū)→鐳鋇渣區(qū)→綠柱石廢渣區(qū)→獨(dú)居石廢渣區(qū)順序設(shè)計(jì)，使風(fēng)從污染物濃度較低的區(qū)域向濃度較高的區(qū)域流動(dòng)；3)對(duì)鐳鋇渣區(qū)采取局部通風(fēng)系統(tǒng)，單獨(dú)敷設(shè)風(fēng)管直排至排風(fēng)門增強(qiáng)降氡效果，局部排風(fēng)量按照最小排風(fēng)量720 m3/h設(shè)計(jì)。庫(kù)房?jī)?nèi)設(shè)置1臺(tái)移動(dòng)式凈化機(jī)組對(duì)其進(jìn)行排風(fēng)過濾處理，凈化機(jī)組包括風(fēng)機(jī)、初效過濾器和高效粒子過濾器。移動(dòng)式凈化機(jī)組可降低廢物庫(kù)及人員工作面的放射性劑量水平，并保持內(nèi)部呈負(fù)壓狀態(tài)。

優(yōu)化后的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)開啟24 h后，對(duì)洞內(nèi)的氡活度濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每次測(cè)量時(shí)間為15 min，對(duì)每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次，取平均值計(jì)入表5?？梢钥闯?，各區(qū)域氡活度濃度均降至2.70 kBq/m3以下。

表5 通風(fēng)方案優(yōu)化前后庫(kù)內(nèi)氡濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)該溶洞廢物庫(kù)的氡氣釋放數(shù)據(jù)，依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算各區(qū)的最小排風(fēng)量，并確定了降氡技術(shù)方案的總排風(fēng)量為75 045 m3/h。通過針對(duì)性地分配通風(fēng)量，在鐳鋇渣區(qū)設(shè)置局部通風(fēng)系統(tǒng)，合理組織氣流使風(fēng)從污染物濃度較低的區(qū)域向濃度較高的區(qū)域流動(dòng)，可使得洞內(nèi)氡活度濃度降為0.31～2.51 Bq/m3。優(yōu)化后的通風(fēng)方案有效保障了工作人員的環(huán)境安全。