某大型低中放固體廢物暫存庫設計

周文波

(中核環保工程設計研究有限公司,北京 100191)

1 項目背景

某新建核燃料循環商用后處理廠在運行后,將會產生大量放射性廢物。根據《放射性廢物安全監督管理規定》(1997年11月5日國家核安全局批準發布,自1997年11月5日起實施)要求:“營運單位必須通過對核設施合適的設計、運行、維修與退役,使放射性廢物的產生處于實際可行的最低限度。必須適當考慮放射性廢物產生和管理各步驟間的相互依賴關系。保證放射性廢物的處理和整備工作符合計劃的貯存方式,使之在規定的貯存期限可回取廢物進行最終處置。”為滿足國家相關部門的監管要求,為某核燃料循環處理設施配套了相應放射性水平廢物處理、整備及暫存設施。

某核燃料循環商用后處理廠在運行過程中產生的低中放廢物經相應的處理設施低中放廢物處理、整備后,形成性能穩定的水泥固化/水泥固定體廢物,滿足GB 9132—2018低、水平放射性固體廢物近地表處置安全規定[1]第5章“廢物包”中對廢物體特性要求,可直接送往近地表低中放固體廢物處置場進行處置。但由于某商用后處理示范廠產生的中低放水泥固化體/固定體廢物包表面劑量率較高,不符合我國現有的近地表中低放固體廢物處置場接收準則要求,故這些廢物包不能得到及時有效的處置,為滿足某核燃料循環商用后處理廠的正常運行需求,在廠區內建設中低放固體廢物暫存庫是十分必要的。

目前,國內中低放固體廢物暫存庫的工程設計經驗較為豐富,特別是沿海在運核電廠均配套了中低放固體廢物暫存庫,積累了大量的廢物庫設計、運行經驗。本項目在設計之初,對國內現有各類型放射性廢物暫存庫的設計進行充分調研、分析和總結,形成初步的概念設計。但在進一步設計過程中,發現由于本項目產生的水泥固化體/水泥固定體廢物包數量較大,廢物最終處置條件尚不具備,因此需要建設一個大型的廢物暫存庫才能滿足某核燃料循環商用后處理廠正常運行需求,同時對廢物暫存效率也提出較高的要求。傳統的廢物暫存庫(如早期軍工核廢物暫存庫和現階段運行的核電廠廢物暫存庫、城市廢物庫等)每年接收暫存的廢物量相對較少,對廢物暫存效率要求不高,多采用“一物一吊”的廢物暫存工藝設計方案,如果采用傳統的廢物暫存工藝設計方案,很難滿足本廢物庫的正常運行需求。

因此,本廢物庫在詳細設計過程中,基于廢物源項特性,充分吸收現有放射性固體廢物暫存庫設計和運行經驗,借鑒箱式廢物包裝容器的自動化吊運方式,對桶裝廢物吊裝方式進行優化,創新性的開發“吊籃”設備,實現多桶吊運,顯著提高廢物暫存效率,滿足大型中低放固體廢物暫存庫的運行需求。

2 接收廢物源項

某中低放固體廢物暫存庫在運行期間主要接收的廢物源項為400 L中低放廢液水泥固化桶/中低放水泥固定桶,其特性參數見表1。

表1 400 L桶放射性廢物特性參數統計表

由表1可得,某中低放固體廢物暫存庫接收的400 L桶裝廢物,放射性水平較高,最大表面劑量率為90 mSv/h,而我國西北某近地表放射性固體廢物處置場的接收限值20 mSv/h,接收廢物不能直接送處,待專項近地表處置庫建設投運后方可完成最后的處置工作;廢物接收量大,相比傳統的放射性廢物暫存庫(一般廢物庫年最大接收量不超過4 000桶),本廢物庫對廢物的暫存效率要求較高;故在本廢物庫設計過程中需要重點考慮輻射防護及廢物暫存效率等因素。

3 工藝方案設計

3.1 設計原則

1)嚴格遵守國家有關法律、法規和標準要求。2)充分考慮廢物在暫存過程中及暫存期間的輻射防護問題,盡量減少對人和環境的影響。3)在工藝設備選型中,既要選用技術成熟可靠的工藝設備,還要滿足工況要求。4)廢物暫存一定時間后,可利用暫存工藝設備實現廢物的回取。5)盡量減少工程建設投資。

3.2 總體思路

根據第1章節對接收廢物源項特性分析,在本廢物庫設計過程中需要考慮以下幾個方面:

1)輻射防護最優化。廢物包表面劑量率較高,在廢物進入廢物庫后,在吊裝過程中采用遠程遙控操作技術,盡可能避免工作人員近距離接觸廢物包,以減少人員受照劑量;廢物包在廠房內運輸過程中,通過增加廢物庫主體墻壁厚度,滿足廢物庫外環境放射性水平要求;廢物包在暫存期間,需要引入屏蔽蓋板,以滿足天空散射要求。

2)提高廢物暫存效率。廢物接收量較大,廢物暫不能及時處置,導致廢物庫建設規模較大,在廢物暫存過程中,可減少廢物運輸距離,提高吊裝設備運行速度;改變傳統的單桶吊裝廢物模式,開發多桶廢物吊裝模式,提高廢物暫存效率。

3.3 工藝流程

某廢物庫建成運行后,廢物進入廠房內的主要暫存工藝流程如下:

起重機吊起目標暫存井蓋板放相鄰暫存井頂部→運輸車駕駛室內控制打開屏蔽容器蓋板→起重機自動識別屏蔽容器內廢物包→起重機自動抓取屏蔽容器內廢物包→起重機將廢物包放置目標暫存井內→起重機將目標暫存井蓋板復位→關閉屏蔽容器蓋板,運輸車駛出暫存庫。

3.4 廢物庫設計方案

3.4.1 廠房總體布置

為滿足某廢物庫基本功能,廠房內需要設計汽車門斗、廢物暫存區、進風機房、排風機房、配電室、值班室、控制室等。

考慮到本廢物庫規模較大,為減少廢物在廠房內的運輸距離,設計兩個汽車門斗,提高廢物暫存效率,特別是考慮到達廢物暫存期5 a(GB 14589—1993核電廠低、中水平放射性固體廢物暫時貯存技術規定)[2]后,廢物庫除每天接收大量后處理廠配套的放射性廢物處理設施產生的水泥固化體/水泥固定體廢物包,還需將已到達暫存期的廢物包運出廢物庫,設計兩個汽車門斗更有利于保障后處理廠的正常運行。

為方便直觀查看廢物庫內廢物暫存情況,控制室設置在廢物庫一側二樓,控制室與廢物暫存區屏蔽墻設置鉛玻璃窺視窗,工作人員可通過窺視窗直接查看廢物庫暫存區內廢吊裝作業過程。

某中低放固體廢物暫存庫總體布置(輻射分區)圖見圖1。

3.4.2 工藝設備

傳統的放射性固體廢物暫存庫由于接收廢物數量較少,對廢物暫存效率要求不高,通常采用主1臺數控起重機配套伸縮套筒、單桶吊具可實現遠程遙控完成廢物桶的暫存;而本廢物庫接收的廢物數量較大,生產任務重,因此對廢物暫存效率提出較高的要求,而傳統的“一桶一吊”模式不能滿足本廢物庫的正常生產需求,需要針對吊裝設備進行一定的研究。

本項目借鑒某低中放固體廢物處置場鋼箱包裝廢物吊裝方式,自創一種“吊籃”設備,每個吊籃可容納4個廢物桶。在上游水泥固化廠房(廢液處理設施)或者水泥固定廠房(固體廢物整備設施)完成廢物包裝后,可預先將水泥固化體/水泥固定體廢物包裝入吊籃設備(如圖2所示),廢物運輸車將廢物桶連同吊籃一起運送到本廢物庫,再通過起重機配套專用吊具吊裝吊籃來實現多桶廢物的吊裝;同時再增加1臺數控起重機,由此可極大的提高廢物暫存效率,滿足廢物庫的生產任務。

3.4.3 貯存單元設計

為提高廢物庫的庫容量,未對廢物包采取屏蔽措施,但根據表1本廢物庫接收廢物源項特性可知廢物放射性水平較高,廢物包進入本廢物暫存庫后,廠房內外輻射劑量顯著增加,為減少對外環境的影響,廠房外劑量可通過增加廢物庫墻體和屋頂厚度來控制;考慮到本廢物庫建筑面積較大,如果同樣采用增加廠房屋頂厚度來滿足天空散射要求,將會顯著增加廠房基礎的承載力,提高土建工程建設成本,同時造成廢物庫庫容減少,工程投資規模顯著增加。

參考核電廠廢物暫存庫較高水平桶裝廢物貯存單元的設計理念,將本廢物庫貯存單元設計為“井”式結構,即根據廢物包的外形尺寸及吊裝空間,按照一定的距離在廢物庫廢物暫存區地面上縱橫方向由鋼筋混凝土墻圍成一個個廢物包貯存單元,貯存單元頂部設計屏蔽蓋板,這樣既可滿足天空散射要求,又可對廠房內整體輻射分區進行優化。

為提高貯存單元屏蔽蓋板的屏蔽效果,核電廠廢物暫存庫貯存單元屏蔽蓋板多采用“T”型結構,本廢物庫的屏蔽蓋板亦設計為“T”型結構,考慮到本廢物庫建設規模較大,貯存單元數量較多,為降低工程建設成本,屏蔽蓋板采用混凝土內嵌外包鋼覆面,可提高屏蔽蓋板的使用壽命。屏蔽蓋板外形同貯存單元一樣為正方形結構,在吊裝過程中可能會因伸縮套筒發生一定的偏轉,將會導致貯存單元屏蔽蓋板不能完全覆蓋整個貯存單元頂部,降低屏蔽效果;為保障屏蔽蓋板的有效性,將方形貯存單元頂部的屏蔽蓋板設計為圓形,可有效地解決因伸縮套筒發生偏轉導致屏蔽蓋板不易碼放、屏蔽效果減弱的問題。

為提高廢物庫庫容有效利用率,將廢物貯存單元內的廢物桶按照4層碼放來設計(符合《EJ 1042—2014低、中水平放射性固體廢物容器 鋼桶》堆碼試驗要求[3])。

貯存單元結構示意圖如圖3所示。

3.4.4 輻射分區

根據廢物庫總體布置及源項情況,按照《EJ 849—94核燃料后處理廠輻射安全設計規定》[4]將廢物庫進行“四區”設計,其中白區有進風機房、配電室;綠區有值班室、控制室、汽車門斗等;橙區有廢物暫存區貯存單元屏蔽蓋板以上部分,排風機房和過渡間等;紅區有廢物暫存區貯存單元內部(即屏蔽蓋板以下),詳見圖1。

3.4.5 暫存效率

按照圖1廢物庫總體布置圖,對400 L廢物桶在廠房由汽車門斗1/2處與400 L鋼桶貯存單元之間進行廢物暫存作業效率核算。運輸車每次運載4桶廢物,廠房內廢物運輸能力不少80桶/d,在計算廢物在廠房內暫存作業效率時以4桶廢物暫存平均用時、80桶廢物暫存用時及吊車數量為對比因素。4桶廢物暫存用時包括運輸車進入汽車門斗1/2指定位置用時、4桶廢物全部由汽車門斗1/2處運輸車運送至目標貯存單元用時和吊車將相鄰空貯存單元屏蔽蓋板吊運至目標貯存單元頂部用時。4桶廢物暫存平均用時由在汽車門斗1/2處,將運輸車上的400 L桶廢物全部暫存于最遠端貯存單元用時和最近端貯存單元用時的平均用時組成[5-8]。單桶吊運與多桶吊運方案效率對比見表2。

表2 單桶吊運與多桶吊運方案效率對比

某低中放固體廢物暫存庫運行后按照3班配,每班工作8 h,每班有效吊裝作業時間為6 h(根據西南某近地表放射性固體廢物處置場運行經驗),則:

1)單桶吊運方案。廢物庫在運行后(包括處置),每年需完成14 000桶廢物暫存/送處作業,采用單桶吊運,需要工作約390 d方可滿足工況需求,而一年最多工作365 d,故需要兩臺數控吊車才能滿足工況需求。

2)多桶吊運方案。廢物庫在運行后(包括處置),每年需完成14 000桶廢物暫存/送處作業,采用多桶吊運,需要工作約98 d就可滿足工況需求。

多桶吊運方案有效減少吊車對400 L廢物桶和貯存單元屏蔽蓋板的抓取、吊運、碼放工序操作,從而極大提高廢物在廠房內的運輸效率,因此在暫存效率方面優勢非常明顯。

3.4.6 經濟性

工程設計的經濟性主要體現在工程建設費用(設備費、材料費等)和建設周期等,傳統的單桶吊運方案與新型開發的多桶吊運方案的經濟性對比見表3。

表3 單桶吊運方案與吊籃方案經濟性對比表

表3中,相比單桶吊運方案,吊籃吊運方案增加了吊籃設備費,但減少吊車、蓋板等設備費用,多桶吊運方案貯存單元規格較大,使用建筑材料少,也縮短建設周期,具有較好的經濟性。

4 結論

根據本廢物庫接收廢物源項特性,充分借鑒國內低中放固體廢物暫存庫及低中放固體廢物處置場設計、運行經驗,開發“吊籃”設備,從總體布置、工藝設備、貯存單元、輻射分區等方面進行研究,完成對某乏燃料后處理商用后處理示范廠配套工程大型低中放固體廢物暫存庫的設計,并對廢物的暫存效率和工程經濟性進行比較,進一步證明在本廢物庫設計中引入的“多桶吊運”方案的合理、經濟性。同時本廢物庫的設計,也豐富了國內放射性固體廢物暫存庫的工程設計,為今后其他大型放射性廢物庫的設計提供了較好的工程設計參考。