小口深坑式廢物庫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：某地坑式廢物庫內存放了核設施早期運行產生的大量中放固體廢物，廢物總活度上萬居里，這種廢物貯存方式不符合現行規范，給周圍環境帶來極大的安全隱患，需盡快妥善回取并整備。基于該廢物庫的實際情況，設計了“動力機械手遠程操作”的回取工藝路線，在實施過程中解決了坑口改造與大劑量廢物整備的難題，最終成功地實施了坑式中放固體廢物的回取與整備包裝。

關鍵詞：廢物庫結構 源項 動力機械手 中放廢物 回取整備

中圖分類號：TQ94 文獻標識碼：A 文章編號：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

某放射性廢物庫是利用排風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，存放了核設施運行、檢修活動中所產生的低、中放固體廢物。由于歷史原因，該廢物庫的選址、設計、建造和管理不符合我國現行的有關標準和規范，廢物庫緊鄰河流，為消除廢物庫對環境的潛在危害，需盡快對廢物進行回取并整備，對廢物庫實施退役。在該廢物庫中，設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構復雜、廢物輻射水平高，導致回取的難度與安全風險極大。

中國核動力研究設計院針對該廢物庫的特點，設計了“動力機械手遠程操作”的回取工藝路線，在實施過程中解決了坑口改造與大劑量廢物整備的難題，最終成功實施了中放固體廢物的回取與整備。

1 廢物庫結構與廢物源項

1.1 廢物庫

廢物庫是利用排風塔下的結構空間貯存廢物的設施，廢物庫和排風塔的排風部分在結構上是完全分隔開的，相互之間沒有影響。建造于20世紀60年代，2000年停止使用。廢物庫庫內設置了12個廢物貯存坑，分為外圈和中心兩個貯存區。外圈貯存區為低放廢物貯存區，設置了7個廢物貯存坑；中心貯存區為中放廢物貯存區，設置了5個廢物貯存坑。

中放貯存區操作大廳為直徑11.2 m、高5.65 m的圓形大廳，600 mm厚的混凝土墻體使該區與低放操作區分隔開，通過2 m寬的門洞連接低放操作區。內部有400 mm×400 mm的混凝土立柱4根，梁上安裝有5 t軌式單梁電動葫蘆2臺；地下設5個廢物貯存坑，其編號為1#、2#、3#、4#、5#，其中1#坑貯存有中放固體廢物。廢物庫平面圖見圖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。由操作機構、鑄鐵蓋板、鉛塞、鑄鐵箱、鑄鐵筒和橢圓形碳鋼圍板等組件構成，各部件之間無連接件連接。坑口結構示意圖如圖2所示。

1.3 廢物源項

中放廢物坑內主要存放著各種罐狀廢物，相互重疊，無序堆放，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。坑內廢物堆放情況如圖3所示。

2 廢物回取技術方案

2.1 回取技術難點分析

（1）廢物庫內操作空間狹窄，中放貯存區操作大廳為直徑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致操作大廳內實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4.5 Sv/h，人員無法近距離進行操作，同時對回取設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，回取機具進出坑內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難點，退役中工作人員無法近距離進行操作，只能采用遠距離遙控設備（機器人）對坑內的廢物進行回取、分揀和裝箱。通過對遠距離遙控設備進行調研、比較，確定廢物庫退役中坑內廢物的回取采用動力機械手。動力機械手的主要優點如下：（1）實現遠距離遙控操作，減少人員勞動強度及受照劑量；（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，使回取操作簡單靈活；（3）作業面大，抓取重量的范圍寬，可回取坑內全部廢物；（4）動力機械手臂沒有外露線，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、監測等內容。中放廢物回取是利用動力機械手裝置將廢物坑內的廢物抓取出來，全過程由工作人員在控制間遠距離操作；用動力機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，屏蔽厚度為120 mm）內，在回取過程中監測廢物表面和鋼箱表面的輻射水平。排風是通過原有排風管道，經中效過濾器和高效過濾器過濾后排入排風塔。輻射監測采用固定式γ輻射水平監測系統，固定式γ探測器分別安裝在坑口處（用于測量廢物表面）、廢物箱處（用于測量廢物箱表面及1 m處）、控制室（測量人員工作環境），控制、顯示單元安裝在控制室。廢物箱封蓋是利用動力機械手與5 t吊車配合進行，封蓋后用軌道小車將廢物包運輸至去污間進行去污、測量，達到標準后送出庫外，并運輸至整備車間水泥固定生產線進行水泥固定處理。

2.3 工藝流程

中放廢物回取工藝流程如下。

（1）投入通風系統與輻射監測系統。

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

（3）遠程操作打開中放坑蓋板。

（4）動力機械手運行至中放坑口中心位置，伸縮套筒下降，操縱動力機械手將坑內的廢物夾起，伸縮套筒上升，調整動力機械手使其處于垂直向下位置，逐步離開中放坑。

（5）當廢物吊出坑口后，移動至γ探測器旁，對廢物進行測量并分類包裝，對表面輻射水平小于100 mSv/h的廢物，則將廢物放入屏蔽箱內，并擺放好；對輻射水平大于100 mSv/h，則重新放入坑內指定區域，最后集中處理這一部分廢物。

（6）在廢物裝箱過程中，監測廢物箱表面的輻射水平，箱體表面的輻射水平不能超過5 mSv/h，當廢物裝滿后，利用動力機械手配合用5 t吊車將鋼箱箱蓋蓋上。

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

（8）軌道小車駛入露天吊運場地，用龍門吊將屏蔽廢物箱裝到運輸車上，運往整備車間進行水泥固定處理。

中放廢物回取工藝流程示意圖如圖4所示。

2.4 主要設備

動力機械手裝置是一款遙控操作的機電設備。動力機械手裝置共有10個自由度，其中動力機械手手臂有6個自由度，軌道大車和小車、伸縮套筒升降及旋轉共4個自由度。動力機械手回取裝置被設計成電動懸掛式吊車，由大車、小車、伸縮套筒、動力機械手、伸縮套筒上的2 t吊鉤、抓具和視頻等構成，視頻安裝在動力機械手臂和伸縮套筒上。機械手終端工具（抓具、夾鉗）可以遠距離操作進行互換，用于自動更換抓具的工具安放在現場。動力機械手回取裝置的主要技術參數見表1。

3 回取實施

由于機械手伸縮套筒的最大直徑為495 mm，而中放坑孔道的內徑只有300 mm，不滿足機械手的伸縮套筒進出坑口的要求，因此先對廢物坑口進行了擴孔改造，再開展了廢物回取與整備。

3.1 坑口改造

坑口改造分為兩步，第一步對孔道裝置進行拆除；第二步對坑口進行擴孔改造。第一步是利用混凝土鉆孔機在坑口周圍鉆孔，使得孔道裝置（鑄鐵蓋、鑄鐵箱）與周圍混凝土松動后，利用千斤頂將鑄鐵蓋、鑄鐵箱、鑄鐵筒逐個頂起，最后恢復坑口，蓋上鉛蓋板。中間過程輔以吊車遠距離吊運頂起的鑄鐵件和用于人員防護的鉛塞、鉛蓋板等，同時全程進行劑量監測，保證了人員安全。第二步首先采用柔性屏蔽技術對坑內廢物進行屏蔽，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，使坑口成為一個表面光滑的橢圓形孔道；在坑口上方安裝滑動屏蔽蓋，起到屏蔽和防止人員跌落等作用。

經過改造后，坑口變為一個1 400 mm×900 mm的橢圓形孔道，孔道高為1 700 mm，頂部為一個可在控制室遠程操作的滑動屏蔽蓋。

3.2 廢物回取

在廢物回取前，先在坑口及軌道周圍鋪設了一層防護層，確保回取過程中一旦有廢物灑落不會造成地面、設備的玷污，并能夠及時、快捷地進行清理。按照工藝方案與流程開展了中放廢物的回取，先用動力機械手夾取了體積較大、形狀規整的罐狀廢物，大件廢物回取完后，剩余一部分較小的雜物、塵土等無法夾取，利用動力機械手夾持特制的小掃把將底部的雜質掃到一起，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行分類，在廢物回取過程中逐個測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，廢物包表面最大輻射水平為4.71 mSv/h。

表面輻射水平超過100 mSv/h的廢物大部分在100 mSv/h～1 Sv/h，個別廢物超過1 Sv/h，最大為9.2 Sv/h。對這部分廢物采取在鋼箱內用重混凝土澆筑一定厚度的屏蔽層的方式重新設計制作屏蔽鋼箱進行包裝，厚度根據廢物的輻射水平計算得出。共設計制作了兩種規格的包裝箱，對100 mSv/h～1 Sv/h的廢物采用260 mm后的重混凝土屏蔽層，對超過1 Sv/h的廢物采用370 mm厚的重混凝土屏蔽層。經過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 結論

（1）采用動力機械手回取中放廢物具有設備簡單、回取效率高、自動化程度高、人員受照風險低等優點，有效解決了狹小空間內中放廢物的回取難題。

（2）通過對廢物輻射水平的監測，掌握了廢物的源項數據，為廢物的分類整備提供了重要依據。

（3）在鋼箱內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題。

參考文獻

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