小口深坑内放射性固体废物回取

李振臣　黄文涛　唐杨　徐江　张家衡　童刚

【摘 要】某废物库内存放了大量的放射性固体废物，废物堆积杂乱，不满足现行放射性废物管理和处置要求，废物库已超期服役，给周围环境带来极大的安全隐患，需尽快回取废物并妥善处理。根据现场实际情况，制定了动力机械手和电动抓具配合远距离遥控操回取废物的技术路线，并最终安全、高效地完成了放射性固体废物的回取工作。

【关键词】放射性固体废物；动力机械手；电动抓具；高效回取

某放射性废物库利用排风塔下部的地坑贮存废物，运行三十多年来存放了核设施运行、检修活动中所产生的大量放射性固体废物。坑内废物以不规则的方式堆积，大件废物没有包装，部分雜项废物用塑料袋或编织袋包装，既不符合目前放射性废物的暂时贮存规定，更不符合放射性废物的永久处置规定。废物库已超期服役，又紧邻河流，给周围环境带来极大的安全隐患，因此需要尽快将放射性废物回取并妥善处理。由于废物入库资料不全，废物杂乱地贮存在地坑内，废物坑的结构复杂，导致废物回取的难度极大。根据现场实际情况，中国核动力研究设计院制定了利用动力机械手和电动抓具配合远距离遥控操作回取废物的技术路线，并最终安全、高效地完成了放射性固体废物的回取工作。

1 废物库及废物源项

1.1 废物库的结构

废物库是利用排风塔下的地坑贮存放射性废物的设施，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。

低放废物贮存区操作大厅为宽3.5m、高5.25m的环形大厅，7个废物贮存坑为地下贮存坑，每个坑的尺寸是顶宽3.36m、底宽1.595m、高8.35m，两边为弧形，环中心弧长为5.75m，顶部为0.3m的混凝土屏蔽层，每个坑各有2个直径1m的圆形坑口。每个贮存坑的容积约100m3，全部装满了废物。

废物库的结构如图1所示。

1.2 废物源项

废物库低放贮存坑内的放射性废物种类繁多、形状复杂，大小、质量不一，交错板结，单件废物质量一般小于50kg，最大件质量约700kg，废物辐射水平均在1mSv/h以上，局部热点高达20Sv/h，废物堆积情况如图2所示。

2 技术方案和设备

2.1 回取技术难点分析

1）环形操作大厅宽度只有3.5m、高度5.25m，操作空间比较狭窄。

2）废物辐射水平高，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）废物坑口小、坑深、肚大，回取机具进出坑内抓取废物的操作十分困难。

4）废物堆放混乱，各类废物交错板结在一起，废物分拣和抓取的难度大、效率低。

2.2 回取方案

充分考虑废物回取的技术难点，由于部分废物辐射水平较高，退役中工作人员不能长时间近距离进行操作，因此考虑主要采用动力机械手对坑内的废物进行回取、分拣和装箱。同时坑内废物数量较大，其中散状、包装破损废物占很大比例，动力机械手单次夹取废物量较小，设备上升、下降、转移速度较慢，单独采用动力机械手难以保证废物回取的效率，因此考虑采用经过改进的四瓣液压电动抓具来进行散状废物的集中抓取，相比较于动力机械手，电动抓具单次抓取量大、速度快。因此确定采用动力机械手与新型电动液压四瓣抓斗配合进行远距离遥控操作回取的方案。动力机械手安装在专用环形轨道上，电动抓具吊挂在5t电动葫芦的吊钩上，电动葫芦安装在环形操作大厅的环形轨道上。

动力机械手的优点是：1）依靠伸缩套筒上下，克服了坑深的困难；2）机械手作业面大，可覆盖废物坑内全部区域，可实现所有废物的回取；3）夹具可更换，可夹取各种形状的废物。但是动力机械手单次夹取废物量小、运行速度慢、回取效率较低，而电动抓具依靠电动葫芦上下运行速度快，单次抓取废物量大，回取效率高。两种机具有效配合，可保证将坑内全部废物回取，又提高了回取效率。

2.3 回取工艺流程

低放废物回取的工艺流程如下：

1）回取时，先利用动力机械手夹持辐射监测设备测量废物表面辐射水平，找出热点；

2）对辐射水平较大、质量较轻的物体用动力机械手直接夹取至坑外并装入废物包装容器；

3）对于大量的杂项废物，利用电动抓具抓取至坑外并装入废物包装容器；

4）利用动力机械手将坑口正下方周边的废物抓取至坑口正下方，再利用电动抓具将坑口正下方废物抓取至坑外并装入废物包装箱或转运容器中；

5）对于体积过大的废物，利用动力机械手与吊车配合抓取至坑外并装入废物包装容器中；

6）废物全部抓取后，利用工业吸尘装置对坑内进行清扫吸尘。

2.4 主要设备介绍

2.4.1 动力机械手

动力机械手由本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种可仿人操作、自动控制、在三维空间完成各种作业的机电一体化、自动化生产的设备。动力机械手既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。动力机械手主要包括：行走机构、伸缩套筒、2t伸缩吊钩、机械手、抓具、控制台和视频装置等组成。动力机械手的主要参数如下：

a.动力机械手最大工作长度：～14m；

b.伸缩套筒长度：10m；

c.抓取能力：90kg；

d.配套工具：抓斗、切割机、夹具。

2.4.2 电动抓具

电动抓具由电动液压四瓣抓斗、抓斗出坑引导帽、防护装置等部分组成，可在控制室内遥控操作。电动抓具可利用自身重力压住废物，利用液压产生的向内抓力抓取废物。电动抓具的主要参数如下：

a.自重：～1t；

b.内向抓力：～1t；

c.额定抓取量：0.2m3/斗。

3 回取实施

实施低放固体废物回取前，对回取机器人和电动液压四瓣抓斗做好防护措施，避免设备被污染。

回取低放废物时，全过程由工作人员在控制间遥控操作。先利用动力机械手将坑口正下方周边的废物抓取至坑口正下方，再利用电动抓具将废物抓取至坑外并装入废物包装箱或转运容器中。对于体积过大的废物，利用动力机械手与吊车配合抓取至坑外并装入废物包装箱中。

坑内低放废物回取技术的成功运用，在17个月内完成了废物库7个低放坑内废物的回取，经监测全部为低放废物，其安全性、可靠性、高效性较强，操作过程中人员受照剂量较小，证明了操作过程安全可靠。

4 结论

1）动力机械手与电动抓具配合进行远距离遥控操作的回取工艺，实现了全部坑内低放废物的回取、分拣与整备。

2）本技术还可以推广运用于国内众多坑式废物的回取、处置，为各类坑式废物库的退役提供技术支持。

【参考文献】

[1]张存平，李美山，纪永红，初丽丽，刘春秀，叶国安.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（10）.

[2]IAEA.Retrieval and condition of solid radio-active waste from old facilities，technical report series NO.456[R].Vienna：IAEA，2007.

[3]罗上庚.放射性废物处理与处置[M].北京：中国环境科学出版社，2007.

[责任编辑：田吉捷]