放射性地下構筑物退役技術路線研究

鄭 莉，龍再沄，王昊雷

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

1 概述

目前，我國歷史遺留的、在運及在建的核設施中都存在一定數量的地下建(構)筑物，地下建(構)筑物由于其特殊的位置，給其退役增加了一定的難度，為了保護工作人員、公眾及環境的安全，如何更快速高效地完成其退役，且保證其退役過程中不對環境造成過多的放射性影響，將是其退役技術路線確定時一個重要的考慮內容。

本文將根據不同類型地下建(構)筑物的特點出發，對其內部廢物回取、建(構)筑物主體拆除技術路線進行論證，從而針對不同類型的地下建(構)筑物提出推薦的技術路線及其論證時需考慮的方面，為今后地下建(構)筑物的退役提供技術路線確定的參考方法。

2 放射性地下構建(構)物類型及特點

我國現有放射性地下建(構)筑物主要包括兩大類：一類是直接埋于地下的構筑物；一類是建筑物的地下部分。這兩類設施的特點如下：

1)直埋于地下的構筑物。這類設施多以貯罐、水池及廢物坑等類型設施為主，其多為歷史遺留設施，建于20世紀50年代～70年代之間，依靠將其建在地下達到利用周圍土壤進行屏蔽的作用。這類設施由于直埋于地下，且沒有其他建(構)筑物將其與環境隔離，因此一旦將其外部構筑物主體破壞，則其中存放的放射性物質將直接與環境連通。

2)建筑物的地下部分。我國建設的部分核設施包括地上及地下兩部分，這類核設施的地下部分包括布置管道及設備等放射性物項的普通房間，留有專門的出入口可供人員及設備進入，對于這類房間其雖位于地下，但其退役與地上部分沒有差別，本文不再特殊論述。

部分地下房間布置有大型貯罐或是封閉的設備室，其大部分為放射性廢液的貯存區域，沒有專門的人員進出通道，需要考慮特殊的方法及手段，但由于其位于建筑物內部，與環境之間存在建筑物外墻的隔離，在其主體被打開后不會與環境直接連通。

本文以下論述的地下建(構)筑物退役主要針對的就是直埋于地下的構筑物，以及建筑物內部位于地下的大型貯罐及設備室退役，下文統稱為地下構筑物退役。

3 放射性地下構筑物退役技術路線分析

由于待退役的地下構筑物在退役時都存放有液體或固體放射性廢物，因此其退役包括廢物回取及構筑物主體拆除兩大部分內容，以下將針對兩部分內容分別進行論述及分析。

3.1 廢物回取方法

放射性廢物的回取工程作為一類較為特殊的工程，其特點為[1]：

1)放射性廢物源項信息多數不完整，甚至缺乏源項數據。2)廢物貯存設施內部輻射較強，多數不適于人員進入或直接操作。3)廢物轉運設備沒有考慮廢物回取的需求，而且老化損壞情況嚴重，無法在回取過程中直接利用。4)多數情況下，廢物堆放和包裝方式混亂。5)通風標準較低，甚至存在與外環境連通的現象。6)輻射防護設計標準低，基本沒有劑量報警系統和放射性氣溶膠監測系統。

以上特點增大了回取工程在設計和施工上的難度，必須根據回取廢物類型特點及回取目標來制定回取計劃，選擇或設計專用回取設備。

以下將根據常見的不同類型的廢物分別介紹常見的回取設備種類。

3.1.1 液體(含泥漿)類廢物回取技術

1)液體輸送泵。若地下貯罐中存有的液體廢物流動性較好，或可實現多點布設設備，則可以簡單通過放入泵類設備實現放射性液體廢物的回取，幾種常見類型的液體輸送泵介紹如下：a.離心泵。離心泵是最常見的泵，可以使用長軸由電機驅動，也可以使用一個緊密連接的潛水器系統。在薩凡納河，使用四個長軸垂直離心泵將大部分的污泥從一個3 000 m3容量的儲罐中移出。這些110 kW的水泵綜合使用雙射流和泵系統混搭回取放射性廢物。位于中心線的泵把放射性廢物吸入，然后廢物通過兩個噴射器從位于兩端的泵排出。b.水力噴射泵。水力噴射泵的范圍從低壓(7 bar)驅動到高壓(700 bar)驅動。高壓驅動系統在抽水過程中需要添加少量的水(通常需要使用干凈的水)，但需要更復雜的驅動泵。低壓驅動系統更便宜、更易于使用于回收液體。c.蒸汽噴射泵。這種泵在美國廢液回取中已實行多年。蒸汽噴射泵(也稱為蒸汽噴射器)需要最低的凈加水量，形成特定高驅動能量，從而實現抽水過程。蒸汽噴射泵使用過程中，通常需要一個分離儲罐排出夾帶的氣體。d.氣動容積泵。氣動容積泵有相對較低的泵率，但能提升放射性廢物高度可超過18 m(當待回取廢物位于埋深較深的結構或容器中時，這可能是一個重要的能力)。它性能可靠，但很容易被固體材料(砂和礫石等)纏住。在已有實踐中，一個有著12 m壓頭，0.5 m3/min流量的氣動雙隔膜泵可以用來清除存于薩凡納河儲罐中超過7.5 m3的污泥和近1 100 m3的氚化水。另一個項目中，利用了一個簡單而廉價的容積式泵在伊拉克的地下儲罐中泵取污泥和液體。e.射流泵。射流泵使用射流止回閥或射流放大器來形成真空和排出液體壓力。這個系統允許泵不用向儲罐內引入移動部件。兩種類型的射流泵通常用于回取放射性廢物：射流二極管泵和反向流動分流器。射流二極管泵的二極管充滿在一個單向流動和25%逆轉流道內。通過噴射泵吸入作用，反向流分流器吸引液體進入電荷容器。當電荷容器排放，噴射泵噴射更多液體增加流量。

2)輔助工裝。目前我國存放放射性廢液的貯罐中，大部分由于廢液貯存時間較長，貯罐底部存有一定厚度的泥漿，需要一并回取。由于泥漿長時間沉積，流動性較差，單純通過泵進行定點回取效果不好，需要有輔助工裝配合泵實現放射性廢液及泥漿的回取。下面介紹兩種常用的輔助工裝:a.機械臂。機械臂可通過在貯罐頂部選定位置開孔后安裝，而后攜帶泵的抽吸口在貯罐內部移動來接近所有的廢物，實現貯罐內部各位置處廢液及泥漿的回取操作。這樣的系統需要一個廣泛的基礎設施和大量的初始投資。下面描述幾個已有應用的長距離機械臂[2]:一是改進后的輕型實用臂(MLDUA)。這個系統使用一個彎曲度為7°的自由機械臂，能夠通過30 cm(實際間隙27 cm)開口來部署各種回取工具。機械臂部署在橡樹嶺的7個地下儲罐：兩個直徑7.5 m容器，5個直徑15 m容器。機械臂可達到的范圍是：垂直距離15 m；水平距離4.5 m。它是能夠達到90 kg的有效載荷。因為MLDUA可達的水平距離有限，在一個直徑15 m的儲罐內，要實現罐內完全覆蓋，需要部署4個位置點。二是先進的廢物回取系統。這個系統包括一個可達4.5 m距離的回取機械臂，安裝在一個從地面延伸到儲罐頂部的工具部署桿。該系統是遠程操作，機械臂和可以沿著部署桿上下移動的其他工具安裝在桿上。這個系統可以通過60 cm開口插入，配合使用蒸汽噴射泵從儲罐底部取出真空污泥殘渣，這個系統采用γ測量工具和泄水射流噴嘴來對回取機械臂末端和清潔罐壁進行特性調查。它被用于美國西谷示范工程。b.泥漿回取機器人。機械臂適用于貯罐內部沒有遮擋物，當有些貯罐由于尺寸較大，內部布設有支撐柱等結構，會阻礙機械臂操作；或當貯罐尺寸較大，需要在多點布設機械臂以滿足覆蓋全部空間時，可考慮利用可移動的機械設備作為載帶平臺，輔助泵完成全部范圍內的廢物回取工作。在民用行業上，常用一種水下清淤機器人在特殊環境下代替人進行城市河道、涵洞清淤等作業，其依靠電纜提供的動力驅動載體上裝有的推進器在水下運動，并裝設照明、攝像、水下成像聲納等觀測設備以及液壓驅動絞龍來完成水下工作的作業工具。自動清淤機器人代替人進行地下管道的清淤疏通，既提高了工作效率又降低了成本，有效地解決了市政、污水、供排水、工礦企業地下管道疏通的難題。機器人的帶纜帶管最大作業距離200 m，帶纜最大作業距離是500 m。如圖1所示為水下清淤機器人本體，其可搭配絞籠或機械臂等不同設備實現不同的操作需求。

受其啟發，中國核電工程有限公司研制了一臺泥漿回取機器人，其可攜帶渣漿泵等回取設備進入貯罐底部，通過在貯罐底部邊行走邊進行回取，可實現貯罐殘留放射性泥漿及廢液的回取操作。

3.1.2 固體廢物回取技術

在固體廢物回取時，由于不同廢物貯存設施的尺寸、結構形式、廢物堆積及存放形式等現場情況差別較大，因此，需要根據現場實際情況考慮選用或設計滿足廢物回取要求的設備，下面對幾種常用的工裝及使用實例進行介紹[3]:

1)伸縮臂抓斗(見圖2)。工程上常用的一種挖掘工具為伸縮臂抓斗，該種設備噸位往往在20 t以上，用于開挖工程量巨大、深度較深的基坑、豎井等。此種工具用于回取時，效率高，抱合力大，適用于大面積、放射性水平較低且作業空間開闊的廢物回取場景。其最大的缺點是靈活性差、體積龐大，特別是對于狹窄井口的貯存井而言，井口正下方以外的空間難以抵達。此外，若待回取設施周邊存在其他核設施，會使得操作空間局促、工作高度很大，易造成設施的損壞，且不易于包容設施的設計與安裝。

2)抓斗機(見圖3)。挖掘抓斗機主要適用于開挖建筑物基礎，挖掘基坑，裝載、夯土、破碎等作業；更換工作裝置或裝配特殊機械臂后可進行抓取、夾持、剪切、鉆孔等諸多作業。此類設備具有多種動作方式，操作較為復雜；機械臂傳動裝置過多，整體故障幾率會隨之增大，若當手臂延展至空間狹小的廢物貯存設施內發生故障時，設備本身所占空間會阻礙其他工具進入井內，難以進行維修，從而導致項目進度停滯。因此，此類設備也適用于大面積、放射性水平較低且作業空間開闊的廢物回取場景。

3)套筒回取設備(見圖4)。可伸縮套筒臂通常是由一系列同心、薄壁的單元相互嵌套在其中而形成。滑動套管之間帶有導向滑動裝置，展開形式分為同步展開和逐步順次展開。該設備已經被應用于乏燃料池中乏燃料的放置與取出，也應用于法國馬庫爾后處理廠石墨泥漿廢物回取、轉移、去污的退役項目中。該設備可勻速伸長套筒并能保證高精度，適用于一定深度的固體廢物回取工作，但由于套筒單元連接承受力矩與扭矩能力有限(高精度)，當廢物深度超過20 m后，套筒末端會較脆弱，且設計制造費用極高，因此套筒回取設備不適用于過深位置的廢物回取工作。

4)起重設備+抓具(見圖5)。核級起重設備已經被廣泛應用到核電站，以嶺澳核電站為例，起重設備多達250余臺，10余種類型，電動類起重量從1 t到407 t，其精度、安全、可靠性都已達到很高水平。此類設備在國際上也同樣成功應用于核設施退役工程中。起重設備具有耐特殊環境性能好，安全可靠性高、保護系統齊全(超載、超速、限位、斷軸、斷繩等保護)、動作平穩、定位準確等特點。例如德國研制的放射性廢物回取裝置——A1000系統，由起重設備、伸縮桿、操作機手臂、滑軌、電器系統等組成，此類設備適用于安裝其中設備的場合，且需要考慮伸縮桿的有效工作范圍，當廢物所在位置深度過深時，可能會超過其有效工作范圍。

5)載帶平臺+機械臂。退役工程中，也經常需要采用定制特殊設備或系統，以適用于現場的設施結構尺寸、放射性水平、人員防護要求等多方面的制約因素。機械臂用途廣泛，也許是目前最好的仿真手工具，因此特別適用于在人員禁區內進行精細作業(劑量高、高空或密閉空間作業)。為了適應現場情況，可能會研制特殊工裝攜帶機械臂完成廢物回取工作，例如安裝有機械臂的載帶平臺可放入廢物貯存設施內部，實現廢物回取操作，對于較深位置的廢物回取是一個較好的彌補和選擇。

例如，英國有類似的深井廢物回取工程，井深約30 m，其回取裝置是采用卷揚機懸吊回取裝置的框架，在回取裝置的框架上配置機械手的方式。該裝置采用吊架搭載機械手的方法，吊架由環形梁和直梁組成，機械手可沿吊架直梁水平移動，直梁可在環形梁上旋轉。環形梁由四根鋼纜吊裝，并且裝有三個液壓支腿，可由環形梁伸向井壁，使其可穩定懸停在井內的任意高度(見圖6)。

至今，國外已研制出大量的回取裝置用于放射性廢物的回取過程，裝置的研制思路多是以市場上成熟的工業機器人為主體和基礎，配以外圍功能單元，一般根據具體情況再配置行走裝置和末端執行器等[4-5]。

3.2 放射性地下構筑物拆除

待完成廢物回取操作后，就需要進行構筑物主體的拆除工作。由于構筑物位于地下，因此其拆除有從內向外及從外向內拆除兩條技術路線。

3.2.1 從內向外拆除

此類技術路線主要指先從內部將構筑物內的管道、覆面等放射性物項拆除，而后再進行構筑物混凝土主體的拆除工作。采用這種技術路線，常用的手段是通過安裝機械臂或放入可行走設備等作為載帶平臺，來攜帶拆除工具完成放射性物項的拆除工作，拆除產生的廢物也將通過該構筑物已有或新開出口運出。此技術路線要求待拆除建構筑物內部沒有大量阻擋物，不能影響機械臂作業或將拆除設備放入其內部，且由于此時放射性物項未全部拆除，因此一般需要采用遠距離拆除手段，拆除難度較大，效率稍低。但由于這種拆除方式實施時，構筑物混凝土主體尚未拆除，所有放射性作業全部都在完好的構筑物屏障內完成，因此本技術路線對放射性具有較好的包容性，且作業時不受地下水等外部環境的影響。

3.2.2 從外向內拆除

此類技術路線包括兩種情況:一種是完全從外部進行拆除，即首先完成混凝土主體的拆除工作，將內部放射性物項暴露出來后再行切割拆除，這種主要為破壞性拆除，如圖7所示；一種是先從外部進行局部拆除，而后設備位于構筑物外部進行內部物項的拆除工作，如圖8所示。

此種技術路線相對從內向外拆除而言具有較強的靈活性，無論待拆除構筑物內部是否布滿放射性構件都可以用此方法進行拆除；但由于其需要將拆除設備放置在構筑物外側，因此需要在構筑物外側有足夠的作業空間，且其受到構筑物外側環境影響較大；另一方面，由于當本拆除作業實施時，所有放射性物項尚未拆除，因此，一旦將構筑物破壞，則放射性氣氛將直接與周圍環境連通，需要考慮額外的措施控制放射性氣溶膠的擴散范圍，防止對環境及公眾造成污染。

3.2.3 地下構筑物拆除技術路線選擇分析

根據不同技術路線的特點，在選擇采用何種拆除技術路線時需要綜合考慮以下幾個方面，以確保最終確定的技術路線合理可行，且對環境和公眾安全是友好的：1)構筑物周圍環境：若該構筑物整體全部直埋于地下，采用從外向內拆除時需要將周圍土壤全部挖開，額外增加了開挖土壤、放坡等工作，此時若構筑物埋深較深，還有可能已經低于地下水位，又會額外采用抽排地下水等降水操作，這會造成項目整體工作量及經費的大幅增加。而且采用從外向內拆除，一旦將建(構)筑物主體破壞，放射性氣氛將進入周圍環境中，當構筑物尺寸較大時，與環境的隔離措施很難實施或代價十分巨大，因此，這種情況下，推薦采用從內向外拆除的技術路線。若該構筑物位于建筑物內部，周圍有足夠的作業空間，可實現放射性較好的包容，則周圍環境這個因素對技術路線的選擇影響不大，需要從別的方面出發，論證并選擇最終采用何種拆除技術路線。2)放射性物項拆除難度：若待拆除建(構)筑物內部比較復雜，布滿如冷卻蛇管等放射性物項，阻礙了機械臂的安裝或拆除設備的放入，則推薦采用從外向內拆除的技術路線，為了防止對周圍環境造成影響，可考慮如圖8的操作方式，先從外部局部開孔，一方面便于在構筑物內部騰出作業空間，另一方面由于開孔較小，也有利于采取措施對放射性進行包容，避免對環境造成影響。若待拆除建(構)筑物內部比較空曠，不影響拆除設備的安裝及操作，則放射性物項拆除難度的影響不大，需要從別的方面出發，論證并選擇最終采用何種拆除技術路線。3)構筑物尺寸及結構形式：若待拆除構筑物結構形式比較簡單，不含有待拆除物項，僅存在內部表面污染，則需考慮其尺寸，若尺寸較小，則推薦采用從外向內拆除的技術路線，先將內表面污染去除后，使其主體達到解控水平，而后挖開周圍土壤，讓其按照一般建(構)筑物進行拆除；若其尺寸較大，則推薦采用從內向外拆除的技術路線，先將內表面污染去除后，使其主體達到解控水平，而后將頂蓋拆除，放入拆除設備從內部將構筑物主體進行拆除。

4 結論

1)本文通過對我國現有放射性地下建(構)筑物的特點進行梳理，發現直埋于地下的構筑物，或建筑物內存放廢液或其他廢物的構筑物的拆除難度較大，需要考慮其退役技術路線，這類設施的退役主要包括廢物回取和構筑物主體拆除兩部分內容。2)放射性地下構筑物內一般存放有放射性液體廢物和放射性固體廢物兩種廢物類型，本文針對不同類型的放射性廢物，介紹了常用的廢物回取工具及手段，以及各種工具和手段的特點及適用場景，在實際退役過程中需要綜合考慮構筑物結構形式、尺寸、周圍設施的舉例以及廢物存放情況和特性等方面選擇確定合適的廢物回取技術路線。3)針對放射性地下構筑物，其拆除可分為從內向外拆除和從外向內拆除兩條技術路線，本文通過介紹兩種技術路線的操作方式以及優缺點，給出了部分場景下的推薦技術路線，但是在實際退役工程中，需要綜合考慮構筑物周圍環境、構筑物內部放射性物項拆除難度、構筑物尺寸及結構形式等因素的影響，選擇確定合適的技術路線，確保其退役過程不會對環境和公眾安全造成不可接受的影響。