地下廢液儲(chǔ)存罐放射性淤泥回取方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

任 韌，郭亞平，張立軍

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

1 背景

101堆是中國第一座核反應(yīng)堆，1958年在中國原子能科學(xué)研究院建成并運(yùn)行，該堆已經(jīng)于2007年停堆，進(jìn)入退役準(zhǔn)備期[1-2]。101堆廢水貯存罐于20世紀(jì)60年代初投入使用。2015年，廢水貯存罐內(nèi)的放射性廢水被轉(zhuǎn)運(yùn)并完成了廢液處理。后續(xù)利用高壓水清洗設(shè)備對(duì)3個(gè)廢水貯存罐側(cè)壁進(jìn)行了初步清洗，并對(duì)產(chǎn)生的清洗廢液進(jìn)行了處理。

目前101堆第一階段退役已獲批復(fù)，退役工作正在開展，而101堆3個(gè)廢水儲(chǔ)存罐的清理是在退役期需要解決的重要工作[3]。為此，本文開展了101堆廢水罐淤泥清理方案設(shè)計(jì)及實(shí)施工作，通過設(shè)計(jì)的淤泥取樣和淤泥回收工具，完成了101堆廢水罐內(nèi)的淤泥清理工作，顯著降低了其放射性水平。

2 方案及工具設(shè)計(jì)

2.1 101堆廢水罐結(jié)構(gòu)

3個(gè)廢水貯存罐位于101堆廠房外西南側(cè)，用于儲(chǔ)存反應(yīng)堆產(chǎn)生的放射性廢水。廢水貯存罐每個(gè)容積為300m3，埋于地下，其上蓋板與地面平齊。廢水罐體直徑10m，罐體上部是高3m，直徑為1m的圓筒；罐體結(jié)構(gòu)材料為6mm厚的雙層鋼板；頂部向下5.5m內(nèi)全部為混凝土，上部圓筒部分厚度為150mm，中間部分厚度為200mm，5.5m向下至底部?jī)?nèi)有雙層鋼板。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 101堆廢水罐尺寸模型

為了將101廢水罐中的淤泥徹底清除，本文針對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行了方案及相關(guān)工具設(shè)計(jì)，并完成了清理任務(wù)。前期通過對(duì)廢水罐進(jìn)行取樣時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)3個(gè)廢水罐內(nèi)均無積水存在，呈板結(jié)狀態(tài)如圖2所示。

圖2 廢水罐罐底情況

2.2 限制條件[4-9]

（1）取樣工具。①在取樣過程中，人員在罐口位置進(jìn)行取樣設(shè)備操作；②取樣工具取樣后在回收樣品過程中應(yīng)便于操作人員操作；③取樣器在垂直方向移動(dòng)高度范圍應(yīng)符合廢水罐內(nèi)部深度；④取樣工具由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需設(shè)置專門的控制單元，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制；⑤控制部分具備遠(yuǎn)距離啟停、異常情況下自動(dòng)斷電等保護(hù)功能，在遇到廢水罐底部不銹鋼鋼板時(shí)必須能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警，并自動(dòng)停止工具，不允許將不銹鋼鋼板 破壞。

（2）回取工具。①由于空間尺寸受到限制，同時(shí)滿足負(fù)載及爬坡需求；②通過線控方式，控制機(jī)器人在罐體底部進(jìn)行移動(dòng)并完成淤泥清理作業(yè)，發(fā)生故障時(shí)，控制終端處顯示異常情況，并發(fā)出聲光報(bào)警；③配備泥土松動(dòng)裝置，由清淤電機(jī)帶動(dòng)刷盤旋轉(zhuǎn)，將罐底的淤泥打散，進(jìn)行后續(xù)處理；④配備負(fù)壓吸取功能，可將罐底松散狀態(tài)的淤泥收集，收集后的淤泥暫存于暫存罐內(nèi)；⑤配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由機(jī)器人上攝像頭及環(huán)境攝像頭組成，可同時(shí)監(jiān)控機(jī)器人位置、姿態(tài)及機(jī)器人前部待作業(yè)位置實(shí)際狀態(tài)；⑥配備作業(yè)輔助裝置，包含機(jī)器人從井口吊起放下的吊裝工具、通訊及供電線纜絞盤、井口環(huán)境檢測(cè)及導(dǎo)向用的裝置等。

2.3 方案設(shè)計(jì)

為了完成廢水罐罐內(nèi)淤泥和殘水清理工作，設(shè)計(jì)了如下的工作方案流程，首先開展廢水罐現(xiàn)狀調(diào)查；設(shè)計(jì)廢水罐淤泥取樣工具進(jìn)行取樣，并對(duì)其放射性劑量進(jìn)行評(píng)估；設(shè)計(jì)淤泥、廢水清理機(jī)器人；進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工處理，完成清理廢物的轉(zhuǎn)運(yùn)工作；最后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及清理設(shè)備進(jìn)行恢復(fù)。圖3為淤泥及廢水清理方案流程圖。

圖3 淤泥及廢水清理方案流程

2.4 廢水罐淤泥取樣工具設(shè)計(jì)

為了對(duì)廢水罐底部放射性淤泥進(jìn)行取樣并評(píng)估其放射性，設(shè)計(jì)了一種放射性廢水儲(chǔ)存罐取樣裝置，其示意圖如圖4所示。該取樣工具由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)置有專門的控制單元，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，取樣機(jī)構(gòu)可在上下、左右、前后一定范圍內(nèi)移動(dòng)，精確定位取樣位置，能夠減少操作人員受到的輻射劑量；此外，控制部分具備遠(yuǎn)距離啟停、異常情況下自動(dòng)斷電等保護(hù)功能，在遇到廢水罐底部不銹鋼鋼板時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警，并自動(dòng)停止取樣，保護(hù)不銹鋼鋼板不被破壞；配備了攝像工具和照明工具，能夠?qū)⑷游恢玫膱D像實(shí)時(shí)傳送到顯示設(shè)備上，方便現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行操作。

圖4 取樣工具整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 淤泥自動(dòng)回取工具設(shè)計(jì)

由于廢水罐口狹窄、罐深超過10m、內(nèi)部空氣稀薄、放射性劑量高，人員無法直接到罐底開展操作，因此為了降低安全隱患，減少人員受照劑量，設(shè)計(jì)了淤泥自動(dòng)回取機(jī)器人設(shè)備代替人員進(jìn)入環(huán)境復(fù)雜、輻射劑量高的工作環(huán)境完成淤泥清理工作。

淤泥自動(dòng)回取設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，主要包括淤泥松動(dòng)吸取、淤泥負(fù)壓吸附和淤泥暫存卸料等主體裝置。此外，該淤泥自動(dòng)回取設(shè)備也遠(yuǎn)程操控移動(dòng)功能、視頻監(jiān)控及圖像傳輸功能、作業(yè)照明功能。

圖5 淤泥自動(dòng)回取設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖

通過線控方式，控制機(jī)器人在罐體底部進(jìn)行移動(dòng)并完成淤泥清理作業(yè)，控制終端始終顯示機(jī)器人本體的基本信息、故障信息、操作信息、異常報(bào)警信息等，并可實(shí)時(shí)回傳機(jī)器人作業(yè)時(shí)的圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，控制終端處顯示異常情況，并發(fā)出聲光報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行處理。淤泥回取機(jī)器人設(shè)計(jì)控制邏輯如圖6所示。

圖6 機(jī)器人控制邏輯

3 廢水罐清理

3.1 任務(wù)要求

廢水罐罐內(nèi)淤泥回取干凈，罐內(nèi)不存在可流動(dòng)介質(zhì)，通過觀察每個(gè)廢水罐罐內(nèi)固體殘留量不大于1L；清理過程不能對(duì)廢水罐內(nèi)表面產(chǎn)生任何損傷；此外，現(xiàn)場(chǎng)施工人員個(gè)人所受劑量要求小于3.75mSv。

3.2 源項(xiàng)調(diào)查

首先采用設(shè)計(jì)的取樣工具，對(duì)廢水罐底部殘留淤泥進(jìn)行取樣和測(cè)量分析。1#廢水罐底泥基本集中在罐底平臺(tái)，厚度在3～5cm；2#廢水罐底泥基本集中在罐底平臺(tái)，厚度在1～2cm；3#廢水罐底泥主要集中在罐底平臺(tái)，部分在直徑5m范圍不均勻分布，厚度在3～5cm。

通過對(duì)3個(gè)廢水罐源項(xiàng)調(diào)查、取樣分析，廢水罐內(nèi)源項(xiàng)結(jié)果見表1。

表1 廢水罐底泥源項(xiàng)調(diào)查結(jié)果

3個(gè)廢水罐內(nèi)主要放射性核素是137Cs、60Co，按照《放射性廢物分類》2017（65號(hào)文）規(guī)定進(jìn)行廢物分類，廢水罐內(nèi)底泥均屬于低放廢物。

3.3 淤泥回取及清理

采用設(shè)計(jì)研制的淤泥自動(dòng)回取機(jī)器人對(duì)廢水罐內(nèi)泥土進(jìn)行回取。首先，利用輔助作業(yè)吊裝設(shè)備將機(jī)器人吊運(yùn)至廢水罐底部；通過地面有線操控機(jī)器人進(jìn)行罐底作業(yè)，操作機(jī)器人通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)罐底淤泥或已經(jīng)板結(jié)的泥土先進(jìn)行破碎后再通過機(jī)器人回取，回取后的淤泥裝入轉(zhuǎn)運(yùn)吊桶后通過機(jī)械龍門架提出廢水罐至地面，將淤泥裝入特定廢物桶暫存。

清理工作完成后，3個(gè)廢水罐井口位置劑量率約為原來的1/8。表3為清理前后3個(gè)廢水罐口位置劑量率對(duì)比。

表3 清理前后3個(gè)廢水罐口位置劑量率對(duì)比

本次清理工作達(dá)到了預(yù)期任務(wù)目標(biāo)，廢水罐罐內(nèi)淤泥已回取干凈，罐內(nèi)不存在可流動(dòng)介質(zhì)，通過觀察廢水罐罐內(nèi)固體殘留量不大于1L；清理過程中未對(duì)廢水罐內(nèi)表面產(chǎn)生任何損傷；實(shí)施期間工作人員最大有效劑量為0.169mSv/人，未超過方案設(shè)計(jì)中的限值3.75mSv/人。

4 結(jié)論

針對(duì)101堆廢水貯存罐淤泥清理工作，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案及取樣清理工具設(shè)計(jì)，順利將101廢水罐罐內(nèi)的淤泥清理干凈，符合最終狀態(tài)要求。設(shè)計(jì)研制了底泥取樣專用工具，完成了遠(yuǎn)距離底泥取樣和放射性測(cè)量分析；設(shè)計(jì)研發(fā)了地下罐體底泥回取遠(yuǎn)程遙控設(shè)備并進(jìn)行了工程實(shí)施，為類似工程提供了良好的經(jīng)驗(yàn)借鑒。此外，實(shí)施過程中輻射安全措施、工業(yè)安全措施合理有效，未發(fā)生輻射安全和工業(yè)安全事件。