某近地表處置場廢物處置碼放工藝優化研究

王 杰，高彥鋒，圣 鋒，董志強

(中核清原環境技術工程有限責任公司，北京 100037)

放射性廢物管理是一個典型的多因素多目標問題，處置作為放射性廢物安全管理的核心及最后一個重要環節，應關注的方向是如何合理利用有限的處置資源并實現廢物的永久安全處置，力求達到最佳的環境和社會效益，并最終推動廢物處置活動的可持續發展[1]。一般而言，優化是解決多因素多目標問題的主要途徑。所謂優化，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，進行多方案比較，最終確定滿意的方案[2]。某近地表處置場根據安全分析結果，需對處于不同表面劑量率區間的廢物包實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題。針對這些問題，本文在嚴格遵守安全分析報告和環境影響評價報告等相關要求的基礎上，結合處置實踐經驗反饋，提出碼放工藝的優化方案。

1 分格碼放方案

1.1 處置場基本概況

我國西南某處置場是我國首個建成并實現遠程遙控廢物包處置且整體自動化程度較高的近地表處置場，布局詳見圖1所示。處置場采用地上土丘式的處置方式，規劃處置容量18萬m3，已建成處置容量3.2萬m3，截止2019年底累計處置廢物量約1.9萬m3[3]。

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

1.2 原設計碼放方案存在問題

為考慮及評價高表面劑量率廢物包處置過程中γ射線天空反散射影響，設計單位根據處置單元結構和廢物源項等情況開展設計及通過天空反散射模擬計算，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的廢物包按照一個處置單元劃分為6格的方式處置；③表面劑量率大于10 mSv/h、且小于45.5 mSv/h的廢物包按照一個處置單元劃分為25格的方式處置。碼放方案有效降低了天空反散射對處置區周圍環境的輻射劑量，但是在廢物處置實踐應用中發現原設計方案存在如下問題。

1.2.1處置單元容積利用率降低

圖2為按碼放方案設計的400 L鋼桶廢物包在不同表面劑量率情況下對應的3種分格碼放示意圖，表1為不同分格方式對應的處置單元容積利用率。由表1可知，隨著分格格間數量的增加，處置單元容積利用率呈下降趨勢。主要問題一：上述3種碼放方案均是依據使用機械式吊具而設計，未考慮機械式吊具在抓/放廢物包時需要一定的伸展空間，即廢物包與廢物包之間的間距應≥40 mm、廢物包與處置單元墻體間應預留≥300 mm安全距離；主要問題二：圖2中25分格方案的設計圖上廢物包靠墻間距僅為113 mm，直接造成現場碼放時無法執行。經實際測量，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，且無法利用的現實(如圖2中25分格實際中黃色標記桶)，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實際碼放與原設計碼放方案不匹配

處置單元呈“一”字形布設，造成廢物處置時需先處置滿一個處置單元后，再處置相鄰第二個處置單元。因此，廢物處置前需根據擬處置廢物包的表面劑量率區間決定是否對處置單元內部進行分格施工；實際上，擬處置的廢物包表面劑量率并不全在設計分格方案的劑量率區間范圍內，且廢物包數量并不足以碼放滿已設置好的格間，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置好格間，則可能造成格間內碼放不屬于該分格方案應碼放的同一表面劑量率區間的廢物包，即出現不匹配的問題。

2 分格碼放優化方案設計

2.1 優化設計原則

處置場資源非常有限，需在不超過接收總活度限值前提下盡可能提高廢物在處置場的處置容量，而處置單元容積利用率大小是一個最直觀的指標。處置單元容積利用率的大小，并不是要求處置單元設計足夠大，而是要求在特定的處置單元結構尺寸的情況下，綜合考慮輻射防護、碼放方案對處置單元整體結構安全等影響因素，合理設計碼放方案，盡可能地提高處置單元的容積利用率，實現節約有限的處置資源并降低處置成本的目標。因此碼放方案的優化設計需考慮諸如碼放安全穩定性、單元整體穩定性、間隙大小不影響填充材料自由流動性、輻射防護等要求。

2.2 碼放方式優化選擇

碼放方案優化設計是一種數學命題，需要通過數學計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，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，D0與Vw呈正比關系。實踐經驗表明，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，廢物包的碼放方式對D0值大小有直接影響。實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)；選取不同的Di(行數)和Dj(列數)值分別進行計算，得出：當Di≥4，Dj≥6；Di≥5，Dj≥4；Di≥6，Dj≥3；Di≥7，Dj≥2時；λ>1，采用“菱形”碼放方案時處置單元的容積利用率要高于“井字形”碼放方案時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 碼放間距優化設計

碼放間距的設計是碼放方案優化的補充。圖4左側上圖為使用機械吊具進行井字型定位碼放的間距設計圖，桶與桶的間距≥40 mm，桶與處置單元內墻(或格墻)的間距≥300 mm。圖4左側下圖為使用電磁吊具進行菱形定位碼放的間距設計圖，桶與桶的間距≥20 mm，桶與處置單元內墻(或格墻)的間距≥100 mm。圖4右圖為采用4桶電磁吊具進行菱形定位碼放時桶蓋邊緣與處置單元內墻間距離，實測距離為103 mm，滿足要求。

圖4 廢物包碼放間距設計和實測碼放間距示意圖Fig.4 Schematic diagram of the stacking spacing design and the measured stacking spacing of waste package

2.4 碼放方案優化設計

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

圖5 表面劑量率10 mSv/h以下優化碼放方案及實際碼放效果示意圖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

根據處置實踐需求，設計單位針對經驗反饋建議提出了“當400 L桶表面劑量率為20 mSv/h和30 mSv/h時對應的分格方案”的新分格原則：廢物包表面劑量率最大為20 mSv/h時，單個格間內最上層裸露的最多桶數量不超過100桶/(格間·層)；同理，表面劑量率最大為30 mSv/h時，裸露桶數量不超過64桶/(格間·層)；表面劑量率最大為45.5 mSv/h時，裸露桶數量不超過36桶/(格間·層)。鑒于設計單位未給出具體的分格設計布局和詳細格間尺寸，參照已有碼放方案設計經驗和實踐處置需求，設計了如圖6所示的新分格A、B、C和組合優化方案。新設計的特點是：滿足不同表面劑量率廢物包的碼放需求，減少了處置單元內格間數量，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，碼放過程基本上實現全程使用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量及更換不同規格吊具次數和時間。

圖6 表面劑量率10 mSv/h以上優化碼放方案及實際碼放效果示意圖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分格后形成格間的數量，采用分格施工的全費用綜合單價的計價模式對施工成本進行控制，利用公式(2)計算各個方案的施工成本:

S=P×Q

(2)

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

表4列出了各個方案的施工成本。

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

由表4可知，格間數量與施工成本呈正比關系，優化后碼放方案的施工成本節約比為可節約的施工成本的1.14%～49.49%。施工成本節約的同時，施工周期也相應減少，如6分格方案原設計施工工期需要45 d，而3#處置單元采用優化方案實際施工工期僅為8 d。施工成本的降低和施工周期的縮減是優化方案的優點，不僅有利于增加廢物處置的時間窗口和大幅降低作業人員的受照輻射劑量，而且非常有利于節約寶貴的處置資源以及實現“利益-代價”最優化。

3.2 碼放耗時

建設階段配備的不同規格的廢物包吊具，因處置任務艱巨無法滿足需求，故開發研制了多桶電磁吊具，該吊具可同時實現4 桶400 L 廢物包的抓取、變形、吊運、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數控吊車的運作效率，千余次廢物包吊裝碼放耗時統計表明，機械吊具碼放單個廢物包往返平均耗時約23.5 min，多桶電磁吊具同時碼放4個廢物包往返平均耗時約36 min。根據此統計數據，以每天工作8 h、期間無其他作業活動為計算基數，計算得出表4中各優化方案的總耗時結果。由表4可知，優化的碼放方案總耗時大幅縮減，平均耗時110 d。實際處置中，2#、4#處置單元平均耗時約120 d，期間還包括砂漿充填、數控吊車檢修維修和無廢物處置等待等時間。碼放耗時的縮減，不僅有利于提高處置場的年處置能力，而且確保廢物獲得及時的安全處置，消除潛在安全隱患。

3.3 輻射劑量

為使作業人員在處置活動中接受的輻射照射不超過國家規定限值要求，規定處置單元墻體外300 mm處及封頂施工作業時輻射劑量率控制限值不超過25 μSv/h。以碼放滿廢物包的2#和3#處置單元為例，經表5實測數據與輻射劑量控制限值25 μSv/h對比分析認為，2#單元封頂后劑量高于封頂前劑量是受正在作業的3#處置單元碼放廢物包的天空反散射影響，但實測數據均低于控制限值，則表示采用2.4節優化后的碼放方案符合要求。同時，利用天空反散射劑量當量率的經驗公式(3)和點核積分法的經驗公式[5]計算檢驗優化后的碼放方案是否滿足控制限值25 μSv/h要求。假設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)計算得距離該源1.5 m處的劑量率為16.33 μSv/h，點核積分法計算的劑量率約為22.25 μSv/h，均小于控制限值。但是在實際廢物處置活動中，不會將表面劑量率為20 mSv/h的廢物包碼放在頂層，因此實際劑量率將遠低于理論計算值。

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

(3)

其中

(4)

3.4 國外同類處置場碼放方式

法國奧布處置場的處置單元結構與本文處置場相同，內部尺寸均為25 m×25 m×8 m。奧布處置場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。除大型部件是單獨格間處置，其余廢物包均采用處置單元內部不分格方式處置。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的方式，廢物包的碼放間距為10 cm，單個處置單元容積利用率在48%左右[6]，碼放示意圖示于圖7。對比表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鍵因素，某處置場在不分格和6分格情形下其容積利用率優于奧布處置場，但在25分格情形下奧布處置場占有優勢。

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

4 結語

處置場碼放工藝的優化是一個持續、不間斷改進的過程。本文針對原設計碼放方案在處置實踐中發現的諸如處置單元容積利用率低等問題，對原方案進行了優化設計。優化結果表明：一定行列數情況下“菱形”碼放方式的容積利用率高于“井字形”，不分格碼放方案優化后容積率提升11.09%、6分格碼放方案優化后容積率平均提升13.57%、25分格碼放方案優化后容積率平均提升18.01%，且個別已在處置場得到實踐應用并取得良好的效果。最后又從施工成本、碼放耗時、輻射劑量和國外同類處置場碼放方式四個方面對優化的碼放方案進行了效果分析和容積利用率對比，分析認為優化后碼放方案是合理可行的，滿足廢物處置需求。

本文提出的碼放優化方案，很大程度上解決了實際處置遇到的問題，也提高了處置單元容積利用率，對節約有限的處置資源是有利的。但在碼放方案優化設計中，發現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方面持續優化改進并進行能力建設，如天空反散射計算能力、處置單元優化布局、新型吊具研發及現有吊具功能的改進和輻射防護全過程的最優化管理。