放射性廢物暫存庫安防及廢物桶自動運輸系統的設計探討

□王興華 侯鐵鋼 王學思 李元崗 蘇曉書

隨著核科學技術的廣泛應用和快速發展，放射源廣泛應用在工業、勘探、醫療、科教以及國防建設等領域，積存和產生的放射性固體廢物也日益增多，有效實行放射性廢物管理制度，建設必要的放射性廢物暫存和處理設施，將大大降低放射性廢物對公眾健康和社會安全帶來的危害[1]。本文針對某新建放射性廢物暫存庫(以下簡稱“暫存庫”)，對暫存庫廢物桶轉運系統的優化設計進行分析和探討。

一、運輸系統簡介

目前，暫存庫廢物桶的運輸方式主要有輥道運輸、有軌轉運車、無軌轉運車等。

(一)輥道。輥道主要由軌架、滾筒、傳動鏈輪、驅動電機、定位開關、電氣控制柜等組成。輥道的控制采用PLC控制系統，在控制室通過操作臺上的人機交互界面及輔助按鈕等進行監視控制。輥道運輸缺點：占地空間大，且只能單桶單列進行運輸，傳動系統也相對復雜，設備出現故障概率高。

(二)有軌轉運車。有軌轉運車由機車單元、運行軌道、運行控制單元等三大部分組成。其中機車單元包括牽引機車運輸系統和自動保護系統，運行控制單元包括信息采集系統、操作臺系統、無線通信系統和UPS供電系統。有軌轉運車是與地面導向軌道接觸式的運輸車，采用軌道滑觸線或蓄電池方式進行供電。

表1 各運輸系統特點比較列表

(三)無軌轉運車。無軌運輸小車主要部件為：激光安全傳感器、驅動電機、供電電池、車體機構件以及其它配件等。無軌小車的控制系統通過無線局域網網絡與電腦聯網，實現大容量的數據傳輸，從而實現實時監控小車的位置信息、報警信息以及遠程調度等功能。對于無軌小車的精確導向需要鋪設磁條。磁條導航技術是在轉運小車需要行走的路徑上鋪設橡膠材質的磁條，通過在轉運小車上安裝有磁導航傳感器來實現小車的行走控制，從而實現小車的精確行駛路徑。通過上述介紹，輥道運輸、有軌轉運車與無軌轉運車特點比較如表1所示。

二、暫存庫設計實例

(一)暫存庫簡介。該暫存庫主要分為輔助用房區和廢物暫存區。輔助用房區局部地下一層，地上二層，局部三層，布置公共值班室、衛生通過間、配電室、進風間、排風間、會議室等，作為公共配套系統用房，同時為進入放射性操作工作區域的人員提供更衣、淋浴場所。廢物暫存庫為地上一層建筑，建筑長85.55m，寬54.60m，采用鋼筋混凝土框架結構，庫內設有廢物運輸車接收和卸貨區域，廠房內設置有數控起重機和電動轉運小車作為吊運、碼放及轉運設備，該廢物庫區共設置為5個子庫區(1～5#庫)，各個子庫可分別獨立運行。

該暫存庫暫存的放射性廢物主要為200L桶包裝的工作服、勞保用品、紙張、棉紗、塑料等軟質輕低放射性廢物[2]。廢物鋼桶[3]大小型式采用200L鋼桶，型號為LID-Ⅱb，外形尺寸Φ585×900。該暫存庫作為XXX的配套廠房，用以接收外來廢物，暫存，并根據后續處理需要進行廢物的轉運。

圖1 暫存庫平面圖

(二)廢物桶出入庫暫存流程。該暫存庫暫存為低放廢物，可以實現對核電、醫療和科研低放廢物以及減容項目產生的中低放玻璃固化體進行收貯管理。暫存庫中200L廢物桶裝卸流程框圖如圖2所示。

圖2 200L廢物桶裝卸流程框圖

核電站等(廢物產生單位)在運行過程中產生的固體廢物，通過一定的整備后裝入200L廢物桶內，當廢物桶由廢物車運至暫存庫車輛停放區后，辦理交接手續，現場檢查廢物桶表面劑量率，未超過暫存庫接收限值，方可進行下一步接收工作。

經檢查核實認定可接收后，打開暫存庫裝卸車間的大門，廢物運輸卡車駛入暫存庫內的裝卸車間，打開車廂上方開口，根據廢物桶管理系統確定廢物桶碼放位置，將其廢物桶需要碼放坐標系輸入自動控制系統，確定暫存庫區，選擇轉運小車與吊車運輸方式。

與視頻監控系統配合，控制起重機抓取機構至廢物運輸車廢物桶相應位置，點擊操作按鈕，自動抓取機構抓起廢物桶，吊運到庫區廢物桶對應位置，抓具松開。重復進行該操作，直至廢物桶碼放完畢。當廢物桶需在各區之間轉運時，起重機將廢物桶放置到轉運小車上，由轉運小車運輸至相應庫區，再通過該庫區內起重機和自動抓取機構吊運至指定的碼放坐標位置。

通知廢物運輸車駛出裝卸車間，關閉裝卸車間大門。除定期對設備進行維護和事故工況外，廢物桶裝卸碼放均為遠程遙控操作，工作人員的入庫操作時間將會大大減少，可有效減少工作人員的受照劑量。

三、廢物庫自動運輸系統

自動運輸系統主要由200L廢物桶自動抓取機構及其控制系統、廢物桶運輸車和工業電視監控系統組成，其中廢物桶自動抓取及其控制系統為關鍵工藝設備。

(一)廢物桶自動抓取機構及其控制系統。廢物桶自動抓取設備及其控制系統主要包括1臺電動雙梁橋式起重機、1套抓取機械手、1套自動控制系統。

1.電動雙梁橋式起重機。吊裝200L廢物桶設備為遠程操作的雙梁橋式起重機。起重機安裝在放射性廢物暫存庫大廳土建結構的牛腿上，作為起吊和運輸放射性廢物桶的重要設備。其行程覆蓋了暫存庫大廳和裝卸車間，采用機械齒輪條傳動和光電傳感器和超聲波位移傳感器進行定位，以確保其對抓取的廢物桶的定位準確可靠，從而實現廢物桶的自動抓取。同時加裝平行調整裝置，以減少起重機行走的不平行度，確保運行的平穩可靠。

由于暫存庫作為核設施具有一定輻射劑量工作場所，設計時充分考慮輻射劑量對工作人員的影響，因而選用遠程遙控操作。操作人員在控制室內對廢物桶的抓取和提升進行操作，僅在事故工況下出入廢物庫大廳，盡可能減少在輻射工作場所停留的時間。遠距離控制操作廢物裝卸要求高定位精度、高操作安全性和高可靠性。起重機配套升降定位機構包括橋架及大車運行及定位機構、小車運行及定位機構、起升及剛性伸縮定位機構、抓具和同步電氣控制系統，以滿足運行要求。升降機構主要包括起升電動機、減速器、制動器、吊具、防晃裝置、限位開關等。

2.自動抓取機械手。機械手安裝在雙梁橋式起重機升降機構構件上，與起重機升降機構和大小車行走機構互相配合，用于200L廢物鋼桶轉運裝卸。為保證庫容利用率，廢物桶桶間距需足夠小，同時保證機械手順利碼放與起吊操作空間，這需要起重機和抓取機械手行走精度高，定位準確，因此設計采用高精度的剛性伸縮套筒抓具。伸縮套筒抓具采用液壓驅動，具有足夠的抓取提升能力和伸縮長度，抓取過程中動作平穩。抓具位于套筒底端，根據廢物桶規格進行設計，采用四抓卡口式，結構相對簡單，可靠性高。該機構各組成零部件應滿足相應的剛度、強度以及耐磨度等要求。

3.控制系統。為了滿足精確定位和大慣量位能負載的驅動要求，設備的控制系統穩定可靠，該起重機的電氣控制系統由西門子PLC系統與西門子變頻驅動、遙控器裝置、監視系統、變頻電動機、低壓電氣系統及輔助系統組成。各系統間通過電氣連接構成一個整體。

(二)轉運小車。暫存庫區內轉運小車的功能是與起重機配合，實現廢物桶在庫區內的吊裝與轉運。為保證安全平穩地運行，廢物桶運輸車采用電動平板車，其裝載面可保證4個廢物桶的放置和固定，運行速度范圍為0～25m/s。轉運小車沿各個庫區之間預留的通道行走，也延伸運行可到達暫存大廳1～5的起重機覆蓋區域內。運輸車具有遠程遙控性。作業人員在控制室借助工業視頻監控系統以及轉運小車控制系統實現對小車前進、后退、轉彎等指令的操作。本工程中采用無軌轉運小車對200L廢物桶進行運輸。

四、工業視頻監控系統

(一)視頻監控系統。視頻監控系統主要通過設在前端的攝像機進行連續的監控，對出入口及重要部位進行監視和錄像；通過在安裝入侵探測器區域設置全方位攝像機，可以快速與入侵報警系統的報警信號聯動，顯示相關報警區域的圖像，為保安值班人員確認敵情提供有效的手段。視頻監控系統由前端設備、傳輸系統、后端管理三部分組成。

在主要出入口、人流物流通道、存儲區域、走廊及安裝有入侵探測器區域設置室內定焦紅外高清網絡攝像機；有吊頂區域采用半球攝像機。室外的車輛停放區、暫存庫外墻一周設置室外定焦紅外高清網絡攝像機。因此，工業視頻監控系統包括球形攝像機和監控設備，球形攝像機分別設置在廢物庫操作區、廢物暫存區和行車上，監控控制設備設置在控制室內。操作人員通過控制室內的顯示器可觀察廢物庫內的情況，并遠距離操控行車，完成庫內的轉移與吊運工作。

本暫存庫工業視頻監控系統可全方位、無死角地監控并顯示暫存庫內放射性廢物桶的轉運、存儲和回取操作，作為工作人員操作吊車、下達吊運裝卸等指令的輔助手段。

五、實保系統

(一)入侵探測報警系統。入侵探測報警系統是利用傳感器技術和電子信息技術探測并指示非法進入或試圖非法進入設防區域的行為，處理報警信息、發出報警信息的電子系統或網絡。

暫存庫等重點部位設置紅外/微波雙鑒探測器和平衡式門磁開關。暫存庫外墻設置主動紅外入侵探測器。在值班室設入侵探測報警主機、聲光報警器及緊急腳挑按鈕，緊急腳挑按鈕可一鍵報警至有關部門。

(二)電子巡更系統。出入口控制系統主要是對進出該區域的人員和車輛出入權限的統一授權管理，通過系統自動識別通行人員的授權卡權限和密碼控制人員和車輛的通行。在出入口設置門禁系統，重點部位如暫存庫、值班室、設備機房等均采用雙向(刷卡與密碼)識別，其余出入口采用單向識別，門禁控制信號引至值班室統一管理。暫存庫的電動屏蔽門均使用雙人雙鎖管理方式進行運行。

六、輻射監測系統

為保證工作人員、公眾和環境輻射安全，定期開展輻射監測工作，監測主要為工作場所監測、工作人員劑量監測和環境監測。

(一)工作場所監測。在卸車區域設置γ劑量率儀表和報警裝置，就地顯示輻射劑量水平，并遠距離傳輸至監控平臺。采用便攜式γ劑量率對工作場所γ輻射水平進行監測，監測頻次為1次/半月。采用便攜式αβ表面污染監測儀對工作場所表面污染水平進行監測，監測頻次為1次/月。定期對工作場所內氣溶膠總α總β進行取樣監測，取樣頻次為1次/半月。

(二)個人劑量監測。工作人員進入放射性工作場所必須佩帶個人劑量計和個人劑量報警儀，并統一建立工作個人劑量檔案，檔案長期保存。

(三)環境監測。采用便攜式γ劑量率儀對暫存庫四周γ輻射水平進行監測，監測頻次為1次/半年。定期對氣載和廢液流出物進行監測，使之滿足相關排放要求。

七、結語

隨著核科學技術的快速發展和廣泛應用，放射性廢物產生量逐年遞增，提高放射性廢物暫存庫的自動化水平可保障其安全、高效運行。該暫存庫設置的遠程控制運輸及轉運系統，可提高廢物貨包轉運和碼放的自動化水平，保證廢物桶碼放位置的高精度與安全性。通過設置安防系統與輻射監測系統，既可以降低工作人員的勞動強度和受照劑量，又可以有效地保證暫存庫安全運行。未來放射性廢物自動運輸系統將獲得廣泛的應用發展。