小口深坑式废物库中放固体废物回取整备

李振臣++李文钰++王帅++张永康++徐江++童刚

摘 要：某地坑式废物库内存放了核设施早期运行产生的大量中放固体废物，废物总活度上万居里，这种废物贮存方式不符合现行规范，给周围环境带来极大的安全隐患，需尽快妥善回取并整备。基于该废物库的实际情况，设计了“动力机械手远程操作”的回取工艺路线，在实施过程中解决了坑口改造与大剂量废物整备的难题，最终成功地实施了坑式中放固体废物的回取与整备包装。

关键词：废物库结构 源项 动力机械手 中放废物 回取整备

中图分类号：TQ94 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（b）-0021-05

Retrieval and Conditioning of Intermediate Level Radioactive Solid Waste From Storage Facilities of a Type Export Small and Deep Pit

Li Zhenchen Li Wenyu Wang Shuai Zhang Yongkang Xu Jiang Tong Gang

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan， 610005， China）

Abstract：A pit waste storage facilities stored a large number of intermediate level radioactive solid wastes （ILW） from the nuclear facilities in early operation to produce， the total waste activity was above tens of thousands of Curie， this mode of waste storage does not meet the current specifications， which brings a great security risk to the surrounding environment and should be retrieved and conditioned as soon as possible. Based on the actual situation of the waste storage facilities， a retrieval technical process route of "dynamic manipulator through remote operation" was designed， the problem of high dose waste conditioning and pit exit remodeling were solved in the implementation process，finally， the ILW was successfully retrieved and conditioned.

Key Words：Structure of waste storage facilities；Source term； Power manipulator；Intermediate level radioactive solid waste；Retrieval and conditioning

某放射性废物库是利用排风塔下的地坑贮存放射性废物的建筑，建造到停止使用30多年来，存放了核设施运行、检修活动中所產生的低、中放固体废物。由于历史原因，该废物库的选址、设计、建造和管理不符合我国现行的有关标准和规范，废物库紧邻河流，为消除废物库对环境的潜在危害，需尽快对废物进行回取并整备，对废物库实施退役。在该废物库中，设置有低放废物坑和中放废物坑，分别存有低放废物和中放废物。其中中放废物由于坑口小且结构复杂、废物辐射水平高，导致回取的难度与安全风险极大。

中国核动力研究设计院针对该废物库的特点，设计了“动力机械手远程操作”的回取工艺路线，在实施过程中解决了坑口改造与大剂量废物整备的难题，最终成功实施了中放固体废物的回取与整备。

1 废物库结构与废物源项

1.1 废物库

废物库是利用排风塔下的结构空间贮存废物的设施，废物库和排风塔的排风部分在结构上是完全分隔开的，相互之间没有影响。建造于20世纪60年代，2000年停止使用。废物库库内设置了12个废物贮存坑，分为外圈和中心两个贮存区。外圈贮存区为低放废物贮存区，设置了7个废物贮存坑；中心贮存区为中放废物贮存区，设置了5个废物贮存坑。

中放贮存区操作大厅为直径11.2 m、高5.65 m的圆形大厅，600 mm厚的混凝土墙体使该区与低放操作区分隔开，通过2 m宽的门洞连接低放操作区。内部有400 mm×400 mm的混凝土立柱4根，梁上安装有5 t轨式单梁电动葫芦2台；地下设5个废物贮存坑，其编号为1#、2#、3#、4#、5#，其中1#坑贮存有中放固体废物。废物库平面图见图1。

1.2 中放废物坑

中放废物坑是3 m×3 m×7.4 m的方形坑，顶部是1.7 m的混凝土屏蔽层，屏蔽层中间设置有一套孔道装置，该装置与混凝土屏蔽层浇筑在一起，有钢筋连接。孔道装置外形为椭圆形，内部为Ф300 mm的圆形孔道，高度与混凝土屏蔽层一致，总重约6.8 t。由操作机构、铸铁盖板、铅塞、铸铁箱、铸铁筒和椭圆形碳钢围板等组件构成，各部件之间无连接件连接。坑口结构示意图如图2所示。

1.3 废物源项

中放废物坑内主要存放着各种罐状废物，相互重叠，无序堆放，废物外形尺寸有Ф63 mm×200 mm、Ф57 mm×90 mm、Ф15 mm×90 mm、Ф235 mm×1000 mm、Ф26 mm×27 mm、Ф23.4 mm×36.7 mm等多种规格，材料为铝、不锈钢、碳钢等，总体积约15 m3，废物表面最大辐射水平约4.5 Sv/h，主要核素为60Co。坑内废物堆放情况如图3所示。

2 废物回取技术方案

2.1 回取技术难点分析

（1）废物库内操作空间狭窄，中放贮存区操作大厅为直径11.2 m、高5.65 m的圆形大厅，但是操作大厅的立柱及坑口的位置导致操作大厅内实际可供操作的空间十分狭窄。

（2）废物辐射水平高，中放废物表面剂量率最高达4.5 Sv/h，人员无法近距离进行操作，同时对回取设备的耐辐照性能要求也很高。

（3）回取操作难度大，中放废物贮存坑较深，坑口小孔道长，回取机具进出坑内抓取废物的操作十分困难。

2.2 工艺方案

充分考虑废物回取的技术难点，退役中工作人员无法近距离进行操作，只能采用远距离遥控设备（机器人）对坑内的废物进行回取、分拣和装箱。通过对远距离遥控设备进行调研、比较，确定废物库退役中坑内废物的回取采用动力机械手。动力机械手的主要优点如下：（1）实现远距离遥控操作，减少人员劳动强度及受照剂量；（2）回取操作中装置上下由伸缩套筒控制，克服了坑深造成的回取困难，使回取操作简单灵活；（3）作业面大，抓取重量的范围宽，可回取坑内全部废物；（4）动力机械手臂没有外露线，回取操作安全可靠。

中放废物回取整备包括废物回取、装箱、封盖、监测等内容。中放废物回取是利用动力机械手装置将废物坑内的废物抓取出来，全过程由工作人员在控制间远距离操作；用动力机械手将抓取的废物直接装入屏蔽钢箱（外形尺寸为1 200 mm×1 200 mm×2 400 mm，碳钢材质，屏蔽厚度为120 mm）内，在回取过程中监测废物表面和钢箱表面的辐射水平。排风是通过原有排风管道，经中效过滤器和高效过滤器过滤后排入排风塔。辐射监测采用固定式γ辐射水平监测系统，固定式γ探测器分别安装在坑口处（用于测量废物表面）、废物箱处（用于测量废物箱表面及1 m处）、控制室（测量人员工作环境），控制、显示单元安装在控制室。废物箱封盖是利用动力机械手与5 t吊车配合进行，封盖后用轨道小车将废物包运输至去污间进行去污、测量，达到标准后送出库外，并运输至整备车间水泥固定生产线进行水泥固定处理。

2.3 工艺流程

中放废物回取工艺流程如下。

（1）投入通风系统与辐射监测系统。

（2）屏蔽废物箱用轨道小车运送至取样去污间，工作人员在此用电动扳手将顶盖固定螺栓全部拧开，再将废物箱运至中放废物坑口位置摆放。

（3）远程操作打开中放坑盖板。

（4）动力机械手运行至中放坑口中心位置，伸缩套筒下降，操纵动力机械手将坑内的废物夹起，伸缩套筒上升，调整动力机械手使其处于垂直向下位置，逐步离开中放坑。

（5）当废物吊出坑口后，移动至γ探测器旁，对废物进行测量并分类包装，对表面辐射水平小于100 mSv/h的废物，则将废物放入屏蔽箱内，并摆放好；对辐射水平大于100 mSv/h，则重新放入坑内指定区域，最后集中处理这一部分废物。

（6）在废物装箱过程中，监测废物箱表面的辐射水平，箱体表面的辐射水平不能超过5 mSv/h，当废物装满后，利用动力机械手配合用5 t吊车将钢箱箱盖盖上。

（7）轨道小车驶出，进入取样去污间，在取样去污间中操作人员将箱体与顶盖用螺栓进行密封固定，对箱体表面进行擦拭，擦拭样品送测量间进行测量，如废物箱的表面污染超标，则通过擦拭去污方法使箱的表面污染水平≤4 Bq/cm2；并对箱体的表面剂量率和1 m处剂量率进行测量，并进行记录和简单的标识。

（8）轨道小车驶入露天吊运场地，用龙门吊将屏蔽废物箱装到运输车上，运往整备车间进行水泥固定处理。

中放废物回取工艺流程示意图如图4所示。

2.4 主要设备

动力机械手装置是一款遥控操作的机电设备。动力机械手装置共有10个自由度，其中动力机械手手臂有6个自由度，轨道大车和小车、伸缩套筒升降及旋转共4个自由度。动力机械手回取装置被设计成电动悬挂式吊车，由大车、小车、伸缩套筒、动力机械手、伸缩套筒上的2 t吊钩、抓具和视频等构成，视频安装在动力机械手臂和伸缩套筒上。机械手终端工具（抓具、夹钳）可以远距离操作进行互换，用于自动更换抓具的工具安放在现场。动力机械手回取装置的主要技术参数见表1。

3 回取实施

由于机械手伸缩套筒的最大直径为495 mm，而中放坑孔道的内径只有300 mm，不满足机械手的伸缩套筒进出坑口的要求，因此先对废物坑口进行了扩孔改造，再开展了废物回取与整备。

3.1 坑口改造

坑口改造分为两步，第一步对孔道装置进行拆除；第二步对坑口进行扩孔改造。第一步是利用混凝土钻孔机在坑口周围钻孔，使得孔道装置（铸铁盖、铸铁箱）与周围混凝土松动后，利用千斤顶将铸铁盖、铸铁箱、铸铁筒逐个顶起，最后恢复坑口，盖上铅盖板。中间过程辅以吊车远距离吊运顶起的铸铁件和用于人员防护的铅塞、铅盖板等，同时全程进行剂量监测，保证了人员安全。第二步首先采用柔性屏蔽技术对坑内废物进行屏蔽，屏蔽后坑口辐射水平降低至约10 μSv/h，利用混凝土钻孔机沿坑口椭圆形边缘钻一圈孔，使中心混凝土与坑口周围的混凝土脱离，并将其吊运至指定位置；完成中心混凝土拆除后，在坑口孔道上安装钢衬，使坑口成为一个表面光滑的椭圆形孔道；在坑口上方安装滑动屏蔽盖，起到屏蔽和防止人员跌落等作用。

经过改造后，坑口变为一个1 400 mm×900 mm的椭圆形孔道，孔道高为1 700 mm，顶部为一个可在控制室远程操作的滑动屏蔽盖。

3.2 废物回取

在废物回取前，先在坑口及轨道周围铺设了一层防护层，确保回取过程中一旦有废物洒落不会造成地面、设备的玷污，并能够及时、快捷地进行清理。按照工艺方案与流程开展了中放废物的回取，先用动力机械手夹取了体积较大、形状规整的罐状废物，大件废物回取完后，剩余一部分较小的杂物、尘土等无法夹取，利用动力机械手夹持特制的小扫把将底部的杂质扫到一起，用专用工装将剩余杂物铲出装箱，最后用吸尘器吸取尘土等，最终将坑内废物全部回取。

3.3 废物分类整备

废物的抓取、装箱按照辐射水平大小的原则进行分类，在废物回取过程中逐个测量了废物的辐射水平，将100 mSv/h的废物直接装入屏蔽钢箱内，废物包表面最大辐射水平为4.71 mSv/h。

表面辐射水平超过100 mSv/h的废物大部分在100 mSv/h～1 Sv/h，个别废物超过1 Sv/h，最大为9.2 Sv/h。对这部分废物采取在钢箱内用重混凝土浇筑一定厚度的屏蔽层的方式重新设计制作屏蔽钢箱进行包装，厚度根据废物的辐射水平计算得出。共设计制作了两种规格的包装箱，對100 mSv/h～1 Sv/h的废物采用260 mm后的重混凝土屏蔽层，对超过1 Sv/h的废物采用370 mm厚的重混凝土屏蔽层。经过加装屏蔽层的钢箱包装大剂量废物可保证废物包表面辐射水平均在5 mSv/h以下。

4 结论

（1）采用动力机械手回取中放废物具有设备简单、回取效率高、自动化程度高、人员受照风险低等优点，有效解决了狭小空间内中放废物的回取难题。

（2）通过对废物辐射水平的监测，掌握了废物的源项数据，为废物的分类整备提供了重要依据。

（3）在钢箱内加装混凝土屏蔽层的做法成功地解决了大剂量废物的整备问题。

参考文献

[1] 李忠镝，何春英.放射性固体废物回取工程设计方案研究[J].国防技术基础，2006（6）：42-45.

[2] 张存平，李美山，纪永红，等.坑式废物库高水平放射性固体废物回取整备[J].原子能科学技术，2011，45（10）：82-161.

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