放射性固体废物一维应力压缩的应用研究

吕海雷，初丽丽，张存平

(中国原子能科学研究院 放射性三废设施治理工程部，北京 102413)



放射性固体废物一维应力压缩的应用研究

吕海雷，初丽丽，张存平

(中国原子能科学研究院 放射性三废设施治理工程部，北京 102413)

通过对放射性固体废物桶内压缩过程的研究，建立了废物桶内一维应力压缩模型，并根据模型设计最优压缩策略对放射性固体废物装填进行指导。结果表明，不同的压缩策略废物的装填总量以及压缩后的桶内装填效率差别较大，装填总量相差1倍左右，装填效率相差20%～30%。采用压缩策略的装填方式较无序装填方式在废物减容方面提高10%左右，且废物装填次数也显著降低，符合工程应用与废物最小化要求。

放射性固体废物；预压缩；一维应力压缩；压缩策略；废物最小化

压缩减容是放射性固体废物重要的处理方式，广泛应用于废物产生场所以及废物处理设施。根据压缩方式的特点，分为桶内压缩和超级压缩，二者的不同在于桶内压缩主要减小的是桶内废物间孔隙，超级压缩主要减小的是废物内部孔隙。中国原子能科学研究院(简称原子能院)放射性固体废物回取与整备处理示范设施是含桶内压缩与超级压缩的完备的放射性固体废物整备处理生产线。废物经分拣预压缩后送去超级压缩以及水泥固化形成可最终处置的包装体。

超级压缩是废物桶及其内装的固体废物在高压下被压成稳定的压饼，废物可被压缩至接近其理论密度，但有研究[1]表明固体废物超级压缩初期，压力主要是克服桶壁的强度，桶内废物间的孔隙并未受到压缩。如何合理有效地在废物桶受压变形前在废物桶中装填更多的废物以提高废物桶的使用效率，是废物最小化的一个重要环节。另一方面，桶内压缩通常需要多次投料、多次压缩，废物种类的不同、装填位置的不同均会对减容效果产生影响，因此合理的装填方式方可满足废物最小化的要求。

本文通过建立模拟放射性废物桶内压缩数学模型，分析废物桶内压缩的特点，获得各类废物桶内压缩的规律，并选取最合理的废物装填策略，以达到废物的最大装填量，满足废物最小化要求。

1 模拟放射性固体废物桶内一维应力压缩数学模型

一维应力压缩是指仅考虑模拟废物在垂直方向应力作用下的竖向压缩，而不考虑侧向挤出。采用分层总和法计算模拟废物的压缩量，将模拟废物分成若干层依次进行压缩，假定模拟废物层不发生侧向挤出(压缩机在装填废物前预先放置套桶，防止侧向挤出)，采用侧限压缩指标计算每层的压缩量，然后求和计算模拟废物的预压缩效率。

1.1 基本假定

1) 模拟固体废物竖向压缩时不产生侧向变形；

2) 假定模拟废物中，各种废物的尺寸已满足装填要求；

3) 不考虑上层装填废物重力对下层废物的压缩作用。

1.2 模拟废物压缩量的计算

模拟废物中孔隙的体积与模拟废物体积之比称为孔隙比，用e表示，表达式为：

(1)

其示意图如图1所示。

图1 孔隙比示意图Fig.1 Sketch map of pore-solids ratio

从图1可知，孔隙率ε与孔隙比e的关系如下：

(2)

1) 装填1层模拟废物后压缩量的计算

(3)

(4)

2) 装填第2次模拟废物后第1层废物压缩量的计算

(5)

(6)

3) 装填第n次模拟废物后第1层废物压缩量的计算

(7)

则第1层模拟废物经n次压缩后的压缩量为：

(8)

4) 装填n次废物后第1层废物累计压缩量的计算

装填第n次模拟废物后，在n层模拟废物自身重量与预压实设备的共同作用下，第1层废物累计压缩量为：

(9)

5) 装填第n层废物后第j层废物压缩量的计算

(10)

则第j层模拟废物经n-j次压缩后的压缩量为：

(11)

6) 装填n次废物后第j层废物累计压缩量的计算

装填第n次模拟废物后，在n-j层模拟废物自身重量与预压实设备的共同作用下，第j层废物累计压缩量为：

(12)

7) 废物桶装填效率的计算

(13)

2 孔隙率测定

根据原子能院在科研和生产过程中产生的废物和其他废物库中废物及今后在核设施退设中产生的废物的组成情况，本实验选取了棉制品(如布、棉纱等)、纸、木材、砖、金属管道等模拟废物。实验设备采用原子能院放射性固体废物回取与整备处理示范设施预压工作箱内20 t预压机。

各模拟物料的物理密度列于表1。

表1 模拟废物的物理密度Table 1 Physical density of simulation waste

1) 初始孔隙率的测定

将一定量单一或按比例混合的模拟废物，分别装入实验用标准200 L废物桶中，通过多次装填并记录装填高度，与理想状态下模拟废物体积对比，计算获得模拟废物的初始平均孔隙率。

2) 分次压缩后模拟废物孔隙率的测定

通过对单一或按比例混合的模拟废物进行多次装填，获得20 t压力下各类废物在不同分层上的孔隙比。

对常用的废物进行反复装填与压缩，并通过计算获得孔隙率，结果列于表2。

由表2可看出，废物在经过3次压缩后，孔隙率基本趋于稳定，可压缩性大幅减弱，在实际工程应用中，采用3次压缩是相对合理的压缩方式。

3 压缩策略研究

由表2可看出，废物经过3次桶内压缩后，基本可达到较理想的压缩状态。从工程应用角度出发，在实际废物预压缩过程中，采用3次填装压缩方式，且每次装填高度不低于桶高的1/3。

表2 孔隙率测定结果Table 2 Measurement results of porosity

注：预压实后分层废物高度测量以被压缩模拟废物反弹后数据测量为准

假设废物经过3次装填，装填高度分别为x1、x2和x3，根据不同分层上的孔隙率变化量，设计最优化的废物装填方式，使废物装填的效率达到最高。

根据一维应力压缩模型设计压缩方式，图2为废物3次装填压缩的一般规律，最下层废物经过3次压缩达到理想的压缩状态，上层废物也达到一定的压缩，满足废物压缩减容的目的。

图2 废物装填过程Fig.2 Process of waste filling

针对模拟放射性固体废物，废物经过3次装填，各层的压缩符合该类固体废物压缩特征，仅需考虑废物每次的装填高度即可。

按照设计的废物压缩思路，利用最优化方法，要使废物桶装填量最大，须满足以下条件：

max(x1+x2+x3)

x1≤h

(14)

将上式整理后，可得：

max(x1+x2+x3)

x1≤h

(15)

通过计算，可获得废物装填的理论高度等参数。

4 试验数据分析

通过试验数据可计算得到废物在压缩的不同阶段的孔隙率变化量，如表3所列。

表3 废物在不同压缩阶段的孔隙率变化量Table 3 Variety of porosity in variant steps

4.1 单种废物压缩试验结果

根据废物在不同压缩阶段孔隙率变化量，利用MATLAB对单种废物的装填进行仿真，仿真结果列于表4。

从表4数据可看出，经过初次压缩后孔隙率变化较大的废物(如木、纸、棉等)，在经过3次装填压缩后，会产生较大的空间，影响废物桶的装填效率。而压缩后孔隙率变化不大的废物(如金属管、砖等)经过3次装填后可达到较为理想的装填效果。因此，在实际生产过程中应将压缩过程中孔隙率变化相差较大的废物进行混合装填，以达到理想的压缩减容效果。

表4 单种废物装填仿真结果Table 4 Simulation results of single waste filling

4.2 2种混合废物装填结果

根据单种废物压缩实验结果，选取孔隙率变化量较大的棉与金属管进行混合装填，利用MATLAB对两种废物混合装填进行仿真(两种废物混合共有6种装填方式)，仿真结果列于表5。

表5 两种废物混合装填仿真结果Table 5 Simulation results of two types of wastes mixed filling

从表5可看出，将棉与金属管两种废物进行混合后，可有效提高废物桶的装填效率，综合考虑减容效果与废物桶装填效率分析，第1种与第3种装填方式为最优装填方式，可满足废物最小化目的。两种优化装填方式的区别在于，对于给定的固体废物，其中存在孔隙率变化量不同的两种固体废物，根据两种废物的比例进行选取。给定废物中孔隙率变化量大的废物占多数时，选用第1种装填方式，反之选取第3种装填方式。

此外，从试验结果也可看出，在装填过程中，应将孔隙率变化量较大的废物(如棉、纸等)装填在废物桶的最下层，能达到较理想的减容效果和减小废物桶的使用。

4.3 3种混合废物装填结果

根据单一废物压缩试验结果，选取孔隙率变化量较大的棉、纸与金属管进行混合装填，利用MATLAB对3种废物混合装填进行仿真(3种废物混合，共6种装填方式)，仿真结果列于表6。

从表6可看出，棉、纸与金属管3种废物进行混合，从废物压缩总量及废物桶装填效率综合分析，第2种与第5种装填方式废物减容效果较好，而在这2种装填方式中，虽废物桶的装填效率一致，但废物装填量却不相同，废物孔隙率变化量最大的装填在最下层，孔隙率变化量较小的装填在中间层，孔隙率变化量最小的装填在最上层，废物减容效果与废物桶的装填效率达到最优。

在实际工程应用中，应根据不同废物的孔隙率变化量的大小对废物的装填次序进行调整，将孔隙率变化量递增的次序作为废物的装填顺序，达到废物最小化的目的。

表6 3种废物混合装填仿真结果Table 6 Simulation results of three types of wastes mixed filling

5 算例分析

原子能院放射性固体废物回取与整备处理示范设施工艺系统调试过程中对预压系统进行调试，按木、棉、混凝土的质量比为1∶1∶8选取模拟废物，共计135 kg，经预压后桶内压缩密度为0.71 g/cm3。利用本文设计的数学模型对该比例混合废物进行复核，达到验证模型有效性的目的。

根据本文3种混合废物的压缩策略，按废物的孔隙率大小进行排序，依次装填棉、木和砖，并与实际装填进行对比，结果列于表7。实际装填过程中未使用压缩策略对压缩过程进行优化。由表7可看出，经过优化的装填方式在废物减容方面可提高10%左右，且装填的次数也小于实际的装填次数(表中棉实际装填量为2次装填结果)，满足工程需要。

表7 模拟装填与实际装填结果对比Table 7 Results comparison of reality filling and simulated filling

6 结论

通过建立放射性固体废物桶内一维应力压缩模型，分析模拟固体废物在不同压缩次数下的压缩变化规律，并根据废物在各阶段的压缩规律，设计合理的装填压缩策略，实现废物压缩减容过程中最优的装填方式。利用压缩策略对各种放射性固体废物混合装填方式进行仿真计算后可看出，不同的废物装填方式对最终废物桶的装填效率及装填量影响较大。因此，在工程应用中选取合理的压缩策略对废物的装填压缩进行指导，不但可提高废物处置效率，还可实现废物最小化的目的。

[1] 杜洪铭. 低、中水平放射性固体废物的现状和压缩减容实验研究[R]. 北京：中国原子能科学研究院，1998.

[2] 张存平,刘春秀,吕海雷,等. 中国原子能科学研究院放射性固体废物回取与整备处理示范设施工艺冷调试报告[R]. 北京:中国原子能科学研究院,2010.

[3] 顾忠茂. 核废物处理技术[M]. 北京:原子能出版社,2009.

[4] 罗上庚. 放射性废物概论[M]. 北京:原子能出版社,2003.

[5] 张振营,杨云芳,吴长富,等. 城市固体垃圾一维应力压缩计算研究[J]. 浙江理工大学学报,2009,26(1):132-136.

ZHANG Zhenying, YANG Yunfang, WU Changfu, et al. Study on the calculation of one-dimension stress compression for municipal solid waste[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University, 2009, 26(1): 132-136(in Chinese).

[6] 曹卫华，郭正. 最优化方法及MATLAB的实现[M]. 北京:化学工业出版社,2005.

Research on One-dimension Stress Compression of Radioactive Solid Waste

LV Hai-lei, CHU Li-li, ZHANG Cun-ping

(EngineeringDepartmentofNuclearFacilities’ConstructionandDecommissioning,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

The one-dimension stress compression model was built through the research on compression in drum for radioactive solid waste. The compression process was optimized by taking advantage of that model, and filling process of radioactive solid waste was guided. The test results show that big differences exist in total volume of filling and efficiency of filling after pre-compression for different models. Comparing the best model with the worst model, the volume of filling can double and the efficiency of filling increases 20%-30%. The volume reduction ratio increases 10% and times of waste filling obviously decreases guided by compression strategy compared with random filling. It can well meet the requirements of waste minimization and future operation.

radioactive solid waste; precompression; one-dimension stress compression; compression strategy; waste minimization

2014-01-24;

2014-05-21

吕海雷(1979—)，男，陕西咸阳人，工程师，硕士研究生，控制理论与控制工程专业

TL941.31

A

1000-6931(2015)06-1137-06

10.7538/yzk.2015.49.06.1137