放射性廢物分揀系統(tǒng)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

趙 芳 ，鄒樹(shù)梁 ，王湘江 ，劉君琰 ，劉昌福

（1.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001；2.核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng)421001）

放射性廢物分揀系統(tǒng)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

趙 芳1，2，鄒樹(shù)梁2，王湘江1，2，劉君琰1，2，劉昌福1，2

（1.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001；2.核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng)421001）

介紹了放射性廢物分揀測(cè)量系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)。該裝置由傳送裝置和探測(cè)裝置組成，通過(guò)振動(dòng)給料斗均勻送料至傳送帶上，由機(jī)械擋刀確定土壤的厚度，放射性廢物在傳送帶運(yùn)輸過(guò)程中進(jìn)行輻射探測(cè)器的探測(cè)。并對(duì)測(cè)量裝置中的主要部件和探測(cè)方法進(jìn)行具體設(shè)計(jì)分析。采用雙探測(cè)器兩段式探測(cè)的方法進(jìn)行粗、精探測(cè)，使探測(cè)結(jié)果更精確，對(duì)屏蔽體厚度進(jìn)行具體計(jì)算。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全程無(wú)人操作和全自動(dòng)化的探測(cè)和分揀等特點(diǎn)，可滿足不同放射性固體廢物的分揀與測(cè)量。

分揀系統(tǒng)；探測(cè)方法；自動(dòng)化；傳送裝置

數(shù)十年來(lái)，我國(guó)的核工業(yè)與非核工業(yè)在科研過(guò)程中產(chǎn)生并積累了一定數(shù)量的放射性廢物。不同企業(yè)單位對(duì)放射性廢物采取分揀的方法措施大都不同，分揀技術(shù)缺乏論證性，沒(méi)有形成系統(tǒng)性、全流程的綜合考慮。因此，對(duì)放射性廢物分揀技術(shù)開(kāi)展系統(tǒng)性的研究，科學(xué)合理的進(jìn)行放射性廢物工作，將放射性廢物進(jìn)行合理的貯存、科學(xué)分類(lèi)和優(yōu)化處理，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

目前，國(guó)內(nèi)外放射性廢物的分揀工作大部分是通過(guò)人工方式或者半自動(dòng)化分揀方式完成的。加拿大的萊普羅角核電站的所有分揀工作都是采用手工方式進(jìn)行的，將分揀物裝箱后運(yùn)到場(chǎng)址外的垃圾填埋場(chǎng)處理[1]。捷克的杜科凡尼核電站也是采用人工方式分揀出放射性廢物，這些放射性固體廢物再進(jìn)行進(jìn)一步處置[2]。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能利用研究所在對(duì)放射性廢物臨時(shí)存放退役的過(guò)程中，對(duì)該庫(kù)放射性廢物進(jìn)行了分揀，在現(xiàn)場(chǎng)將放射性廢物分為中放、低放、極低放廢物和普通垃圾[3]；某放射性廢物庫(kù)退役中通過(guò)分揀，共分揀31 t豁免廢物，國(guó)內(nèi)核電站在其放射性廢物管理中也有相關(guān)的放射性廢物分揀要求和措施[4-5]。采用人工分揀的方法存在過(guò)程復(fù)雜，操作麻煩而且效率低等缺點(diǎn)，所以對(duì)放射性廢物分揀采用系統(tǒng)化的全自動(dòng)化是迫切需要的。

根據(jù)使用需求，本工作設(shè)計(jì)了放射性廢物分揀測(cè)量系統(tǒng)裝置。采用雙探測(cè)器兩段式探測(cè)的方法進(jìn)行粗、精探測(cè)，使探測(cè)結(jié)果更精確，并對(duì)屏蔽體厚度進(jìn)行具體計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了全程無(wú)人操作和全自動(dòng)化的探測(cè)和分揀，可滿足不同放射性固體廢物的分揀與測(cè)量的需求[6-7]。

1 裝置簡(jiǎn)介

1.1 總體結(jié)構(gòu)

放射性土壤分揀系統(tǒng)測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。該裝置主要由給料斗、機(jī)械刀、輻射探測(cè)器、抑塵裝置、傳送帶裝置及屏蔽裝置組成[8-10]。

圖1 分揀系統(tǒng)示意圖

1.2 工作原理

通過(guò)各裝置工作的連接與匹配，達(dá)到放射性土壤放射性水平的連續(xù)測(cè)量和放射性土壤的連續(xù)分揀的目的。該測(cè)量裝置首先通過(guò)給料斗連續(xù)均勻地送料，把放射性土壤傳送至傳送帶上，此前，傳送帶與給料斗同時(shí)啟動(dòng)。需要指出的是，在輻射探測(cè)器開(kāi)始探測(cè)之前需要設(shè)定傳送帶上一定均勻的厚度的放射性土壤。本文采取的是雙探測(cè)器兩段式探測(cè)的方法，通過(guò)連續(xù)探測(cè)與間斷探測(cè)相結(jié)合，對(duì)放射性土壤進(jìn)行了粗略探測(cè)和精準(zhǔn)探測(cè)，為放射性水平的高低的探測(cè)提供了高效的方法，達(dá)到了放射性土壤分揀的目的。

2 主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 給料斗的設(shè)計(jì)

給料斗被安裝在傳送帶初始端的正上方，根據(jù)該裝置工作狀態(tài)的需求，給料斗選擇慣性平旋型振動(dòng)給料斗。它的主要作用是破拱和給料，其破拱助流效果大大優(yōu)于專(zhuān)用的其他破拱助流裝置。慣性平旋型振動(dòng)給料斗的機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 慣性平旋型振動(dòng)給料斗示意圖

2.2 機(jī)械擋刀的設(shè)計(jì)

機(jī)械擋刀的機(jī)構(gòu)如圖3所示。圖3中，1為高度調(diào)整機(jī)構(gòu)；2為機(jī)械擋刀；3為擋刀支架。機(jī)械擋刀安裝在傳送帶支架的初始位置，其距離振動(dòng)給料斗的距離為200 mm≤D≤400 mm.該機(jī)械擋刀的材料為鋼材，采用螺釘連接的固定方式固定在傳送帶支架上。機(jī)械擋刀的主要作用：（1）可上下調(diào)節(jié)高度以實(shí)現(xiàn)放射性土壤不同厚度的需要，確定了傳送帶上放射性土壤的厚度，為輻射探測(cè)器的探測(cè)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值；（2）固定的放射性土壤厚度，同時(shí)確定了探測(cè)器探測(cè)的每段土壤的體積，從而得出準(zhǔn)確的探測(cè)效率，計(jì)算出單位時(shí)間裝置的工作處理量[11-13]。

圖3 機(jī)械擋刀示意圖

2.3 抑塵噴嘴的設(shè)計(jì)

放射性土壤在傳送帶上傳送的過(guò)程中，由于傳送帶在工作狀態(tài)會(huì)伴隨不同程度的振動(dòng)，會(huì)不可避免地產(chǎn)生大量放射性粉塵，嚴(yán)重影響輻射探測(cè)器探頭部分的探測(cè)，本文主要針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套抑塵裝置，由于本文要求噴霧量小，噴霧范圍小，故設(shè)計(jì)了一種特定功能下的噴嘴，通過(guò)改變抑塵裝置各元器件的選型及各動(dòng)力參數(shù)，達(dá)到該抑塵噴嘴的要求。抑塵噴嘴的機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 抑塵噴嘴示意圖

2.4 傳送帶裝置的設(shè)計(jì)

傳送帶裝置是放射性土壤測(cè)量裝置的主體傳動(dòng)部分，主要由傳送帶、傳送帶支架、擋板、滾筒、傳動(dòng)軸等五部分組成，其中，傳送帶支架安裝在底盤(pán)上，傳送帶連接主動(dòng)軸與傳動(dòng)軸，擋板安裝在傳送帶兩側(cè)位置，滾筒有若干個(gè)，安裝在傳送帶下方位置，起支撐重量的作用。放射性土壤分揀探測(cè)系統(tǒng)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)形式為水平直線輸送，所以傳送帶選擇的是普通光滑傳送帶，這樣可以實(shí)現(xiàn)放射性土壤在傳送過(guò)程中減少傳送帶與土壤的粘度，對(duì)放射性土壤可以實(shí)現(xiàn)快速有效的分揀。傳送帶的傾斜角為0°，傳送帶的傾斜角度的設(shè)計(jì)主要符合放射性土壤在傳送帶上探測(cè)的要求以及在傳送帶上分揀的要求。傳送速度V可調(diào)，長(zhǎng)度L可根據(jù)需求可調(diào)。如圖5所示。

圖5 傳送帶裝置的示意圖

3 探測(cè)裝置設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

放射性土壤分揀測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)裝置是由箱體、探測(cè)準(zhǔn)直器（屏蔽體）和輻射探測(cè)器三部分組成。箱體的主要功能是為輻射探測(cè)器對(duì)放射性土壤進(jìn)行安全有效的探測(cè)提供容器。箱體的材料為45#鋼材，箱體安裝在傳送帶的正上方，兩個(gè)箱體間隔的距離可根據(jù)輻射探測(cè)器的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。探測(cè)準(zhǔn)直器（屏蔽體)主體采用B/Pb復(fù)合核屏蔽材料，由于金屬Pb的特殊性質(zhì)，其對(duì)γ射性有很好的屏蔽吸收作用。結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。探測(cè)準(zhǔn)直器（屏蔽體)的主要作用有兩點(diǎn)：其一是屏蔽本底，為輻射探測(cè)器提供精準(zhǔn)探測(cè)；其二是為輻射探測(cè)器確定探測(cè)放射性土壤的范圍。

圖6 探測(cè)裝置示意圖

3.2 探測(cè)方法的設(shè)計(jì)分析

本文設(shè)計(jì)了一種雙探測(cè)器兩段式的探測(cè)方法，該方法具有探測(cè)效率高、探測(cè)過(guò)程的連貫性、探測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，雙探測(cè)器兩段式的探測(cè)方法示意圖如圖7所示。本裝置配置了兩套探測(cè)器，實(shí)行兩段式的探測(cè)方法。兩套探測(cè)器的型號(hào)和大小相同，探測(cè)裝置的探測(cè)器為南京核安核能科技有限公司的identi FINDER型NaI（TI)閃爍體γ探測(cè)器，其探測(cè)面積為600 mm × 600 mm，能量范圍：202 keV～3.02 MeV，能量分辨率為662 keV.

圖7 探測(cè)方法示意圖

1號(hào)探測(cè)裝置為粗略探測(cè)，其探測(cè)裝置箱體安裝在傳送帶前端位置；2號(hào)探測(cè)裝置為精準(zhǔn)探測(cè)，其探測(cè)裝置箱體安裝在傳送帶中間位置，輻射探測(cè)器距離放射性土壤的表面大約在5 cm～10 cm之間。兩個(gè)探測(cè)裝置均分設(shè)I、II、III、IV和V檔次，其探測(cè)對(duì)象列于表1.

表1 測(cè)器探測(cè)對(duì)象表

3.3 屏蔽厚度的計(jì)算

為了屏蔽外界環(huán)境以及散射γ射線入射對(duì)探測(cè)器測(cè)量造成的影響，采用蒙特卡洛方法設(shè)計(jì)屏蔽體結(jié)構(gòu)并計(jì)算屏蔽體厚度。放射源采用137Csγ射線放射，光子能量為0.662 MeV，放射源是柱源，半徑為30 cm，土壤的厚度為10 cm，對(duì)三種不同等級(jí)放射性廢物活度進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)放射性廢物的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 9133-1995《放射性廢物的分類(lèi)》對(duì)土壤進(jìn)行分類(lèi)：

豁免廢物：10 cm處，≤7.75×105Bq/kg；低放廢物：10 cm 處，＞ 7.75× 105Bq/kg，≤ 4× 106Bq/kg；中放廢物：10 cm處，＞4×106Bq/kg，≤ 4×1011Bq/kg.

模擬實(shí)驗(yàn)條件如下表2所示，模擬計(jì)算結(jié)果如下表3所示。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)條件表

表3 模擬計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果得出鉛屏蔽的厚度不同時(shí)，得到的劑量率也不同，當(dāng)屏蔽體厚度大于6 cm后，隨著屏蔽層厚度的進(jìn)一步增大，屏蔽效果的提升不明顯；由表4數(shù)據(jù)分析得到NaI（TI）閃爍體γ探測(cè)器的探測(cè)量程至少在6.3560μGy/h～3.3721Gy/h之間。為NaI（TI）閃爍體γ探測(cè)器的選型提供依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了放射性土壤測(cè)量系統(tǒng)的工作原理及探測(cè)方法，對(duì)關(guān)鍵部件和探測(cè)方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。該裝置設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定性好。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)裝置，通過(guò)多種裝置的組合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量與輸送的功能，可以有效提高探測(cè)效率，對(duì)放射性土壤的分揀具有重要意義。本次設(shè)計(jì)的探測(cè)方法是雙探測(cè)器兩段式的探測(cè)方法，具有創(chuàng)新性；使用蒙特卡洛模擬方法模擬計(jì)算，計(jì)算得出不同放射性水平時(shí)注鉛屏蔽厚度的數(shù)值，得出探測(cè)器探測(cè)劑量率數(shù)值的范圍，為探測(cè)器的選型提供依據(jù)。

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Design and Research of Measuring Device for Radioactive Soil Sorting System

ZHAO Fang1，2，ZOU Shu-liang2，WANG Xiang-jiang1，2，LIU Jun-yan1，2，LIU Chang-fu1，2
（1.University of South China School of Mechanical Engineering，Hengyang Hunan 421001，China；2.Hunan Key Laboratory of Emergency Safety Operation Technology and Equipment for Nuclear Facilities，Hengyang Hunan 421001，China）

The design of radioactive waste sorting and measuring system is introduced.The device consists of a transmission device and detection device，the vibration to the hopper evenly feed to the conveyor belt，the mechanical knife block to determine the soil thickness，radioactive waste on the conveyor belt to detect the radiation detector in the process of transportation.And the measurement device in the main components and detection methods for specific design analysis.The two-stage detection method of double detector is used for coarse and fine detection，so that the detection result is more accurate and the thickness of the shield is calculated.Can achieve full unattended operation and fully automated detection and sorting characteristics，to meet the different radioactive solid waste sorting and measurement.

sorting system；detection method；automation；transmission device

TH122

A

1672-545X（2017）10-0017-04

2017-07-09

核設(shè)施退役和核泄漏安全處理技術(shù)及裝備研發(fā)（02072012KJT01)

趙 芳（1991-)，女，湖南湘潭人，在讀碩士生，研究方向?yàn)楹嗽O(shè)施應(yīng)急技術(shù)與裝備研究；鄒樹(shù)梁（1956-），男，江西安福人，教授，博士生導(dǎo)師，攻讀方向?yàn)楹嗽O(shè)施應(yīng)急技術(shù)與裝備研究。