周文波

(中核環(huán)保工程設(shè)計研究有限公司,北京 100191)

1 項目背景

某新建核燃料循環(huán)商用后處理廠在運行后,將會產(chǎn)生大量放射性廢物。根據(jù)《放射性廢物安全監(jiān)督管理規(guī)定》(1997年11月5日國家核安全局批準(zhǔn)發(fā)布,自1997年11月5日起實施)要求:“營運單位必須通過對核設(shè)施合適的設(shè)計、運行、維修與退役,使放射性廢物的產(chǎn)生處于實際可行的最低限度。必須適當(dāng)考慮放射性廢物產(chǎn)生和管理各步驟間的相互依賴關(guān)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(guī)定的貯存期限可回取廢物進行最終處置。”為滿足國家相關(guān)部門的監(jiān)管要求,為某核燃料循環(huán)處理設(shè)施配套了相應(yīng)放射性水平廢物處理、整備及暫存設(shè)施。

某核燃料循環(huán)商用后處理廠在運行過程中產(chǎn)生的低中放廢物經(jīng)相應(yīng)的處理設(shè)施低中放廢物處理、整備后,形成性能穩(wěn)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(guī)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(chǎn)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(xiàn)有的近地表中低放固體廢物處置場接收準(zhǔn)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(huán)商用后處理廠的正常運行需求,在廠區(qū)內(nèi)建設(shè)中低放固體廢物暫存庫是十分必要的。

目前,國內(nèi)中低放固體廢物暫存庫的工程設(shè)計經(jīng)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(shè)計、運行經(jīng)驗。本項目在設(shè)計之初,對國內(nèi)現(xiàn)有各類型放射性廢物暫存庫的設(shè)計進行充分調(diào)研、分析和總結(jié),形成初步的概念設(shè)計。但在進一步設(shè)計過程中,發(fā)現(xiàn)由于本項目產(chǎn)生的水泥固化體/水泥固定體廢物包數(shù)量較大,廢物最終處置條件尚不具備,因此需要建設(shè)一個大型的廢物暫存庫才能滿足某核燃料循環(huán)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(tǒng)的廢物暫存庫(如早期軍工核廢物暫存庫和現(xiàn)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(shè)計方案,如果采用傳統(tǒng)的廢物暫存工藝設(shè)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(shè)計過程中,基于廢物源項特性,充分吸收現(xiàn)有放射性固體廢物暫存庫設(shè)計和運行經(jīng)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(yōu)化,創(chuàng)新性的開發(fā)“吊籃”設(shè)備,實現(xiàn)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(shù)見表1。

表1 400 L桶放射性廢物特性參數(shù)統(tǒng)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(shè)投運后方可完成最后的處置工作;廢物接收量大,相比傳統(tǒng)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(shè)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(shè)計

3.1 設(shè)計原則

1)嚴(yán)格遵守國家有關(guān)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境的影響。3)在工藝設(shè)備選型中,既要選用技術(shù)成熟可靠的工藝設(shè)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(shè)備實現(xiàn)廢物的回取。5)盡量減少工程建設(shè)投資。

3.2 總體思路

根據(jù)第1章節(jié)對接收廢物源項特性分析,在本廢物庫設(shè)計過程中需要考慮以下幾個方面:

1)輻射防護最優(yōu)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(shù),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(nèi)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(huán)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(dǎo)致廢物庫建設(shè)規(guī)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(shè)備運行速度;改變傳統(tǒng)的單桶吊裝廢物模式,開發(fā)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(nèi)的主要暫存工藝流程如下:

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

3.4 廢物庫設(shè)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(nèi)需要設(shè)計汽車門斗、廢物暫存區(qū)、進風(fēng)機房、排風(fēng)機房、配電室、值班室、控制室等。

考慮到本廢物庫規(guī)模較大,為減少廢物在廠房內(nèi)的運輸距離,設(shè)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(shù)規(guī)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(shè)施產(chǎn)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(shè)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(nèi)廢物暫存情況,控制室設(shè)置在廢物庫一側(cè)二樓,控制室與廢物暫存區(qū)屏蔽墻設(shè)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(qū)內(nèi)廢吊裝作業(yè)過程。

某中低放固體廢物暫存庫總體布置(輻射分區(qū))圖見圖1。

3.4.2 工藝設(shè)備

傳統(tǒng)的放射性固體廢物暫存庫由于接收廢物數(shù)量較少,對廢物暫存效率要求不高,通常采用主1臺數(shù)控起重機配套伸縮套筒、單桶吊具可實現(xiàn)遠程遙控完成廢物桶的暫存;而本廢物庫接收的廢物數(shù)量較大,生產(chǎn)任務(wù)重,因此對廢物暫存效率提出較高的要求,而傳統(tǒng)的“一桶一吊”模式不能滿足本廢物庫的正常生產(chǎn)需求,需要針對吊裝設(shè)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(chuàng)一種“吊籃”設(shè)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(shè)施)或者水泥固定廠房(固體廢物整備設(shè)施)完成廢物包裝后,可預(yù)先將水泥固化體/水泥固定體廢物包裝入吊籃設(shè)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(xiàn)多桶廢物的吊裝;同時再增加1臺數(shù)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(chǎn)任務(wù)。

3.4.3 貯存單元設(shè)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(jù)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(nèi)外輻射劑量顯著增加,為減少對外環(huán)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(chǔ)的承載力,提高土建工程建設(shè)成本,同時造成廢物庫庫容減少,工程投資規(guī)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(shè)計理念,將本廢物庫貯存單元設(shè)計為“井”式結(jié)構(gòu),即根據(jù)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(qū)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(shè)計屏蔽蓋板,這樣既可滿足天空散射要求,又可對廠房內(nèi)整體輻射分區(qū)進行優(yōu)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(jié)構(gòu),本廢物庫的屏蔽蓋板亦設(shè)計為“T”型結(jié)構(gòu),考慮到本廢物庫建設(shè)規(guī)模較大,貯存單元數(shù)量較多,為降低工程建設(shè)成本,屏蔽蓋板采用混凝土內(nèi)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(jié)構(gòu),在吊裝過程中可能會因伸縮套筒發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn),將會導(dǎo)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(shè)計為圓形,可有效地解決因伸縮套筒發(fā)生偏轉(zhuǎn)導(dǎo)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(nèi)的廢物桶按照4層碼放來設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

3.4.4 輻射分區(qū)

根據(jù)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(shè)計規(guī)定》[4]將廢物庫進行“四區(qū)”設(shè)計,其中白區(qū)有進風(fēng)機房、配電室;綠區(qū)有值班室、控制室、汽車門斗等;橙區(qū)有廢物暫存區(qū)貯存單元屏蔽蓋板以上部分,排風(fēng)機房和過渡間等;紅區(qū)有廢物暫存區(qū)貯存單元內(nèi)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(yè)效率核算。運輸車每次運載4桶廢物,廠房內(nèi)廢物運輸能力不少80桶/d,在計算廢物在廠房內(nèi)暫存作業(yè)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(shù)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(biāo)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(biāo)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(yè)時間為6 h(根據(jù)西南某近地表放射性固體廢物處置場運行經(jīng)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(yè),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(shù)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(yè),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(nèi)的運輸效率,因此在暫存效率方面優(yōu)勢非常明顯。

3.4.6 經(jīng)濟性

工程設(shè)計的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在工程建設(shè)費用(設(shè)備費、材料費等)和建設(shè)周期等,傳統(tǒng)的單桶吊運方案與新型開發(fā)的多桶吊運方案的經(jīng)濟性對比見表3。

表3 單桶吊運方案與吊籃方案經(jīng)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(shè)備費,但減少吊車、蓋板等設(shè)備費用,多桶吊運方案貯存單元規(guī)格較大,使用建筑材料少,也縮短建設(shè)周期,具有較好的經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

根據(jù)本廢物庫接收廢物源項特性,充分借鑒國內(nèi)低中放固體廢物暫存庫及低中放固體廢物處置場設(shè)計、運行經(jīng)驗,開發(fā)“吊籃”設(shè)備,從總體布置、工藝設(shè)備、貯存單元、輻射分區(qū)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(shè)計,并對廢物的暫存效率和工程經(jīng)濟性進行比較,進一步證明在本廢物庫設(shè)計中引入的“多桶吊運”方案的合理、經(jīng)濟性。同時本廢物庫的設(shè)計,也豐富了國內(nèi)放射性固體廢物暫存庫的工程設(shè)計,為今后其他大型放射性廢物庫的設(shè)計提供了較好的工程設(shè)計參考。