放射性废物分拣系统测量装置设计

赵 芳 ，邹树梁 ，王湘江 ，刘君琰 ，刘昌福

（1.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳421001；2.核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室，湖南 衡阳421001）

放射性废物分拣系统测量装置设计

赵 芳1，2，邹树梁2，王湘江1，2，刘君琰1，2，刘昌福1，2

（1.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳421001；2.核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室，湖南 衡阳421001）

介绍了放射性废物分拣测量系统装置的设计。该装置由传送装置和探测装置组成，通过振动给料斗均匀送料至传送带上，由机械挡刀确定土壤的厚度，放射性废物在传送带运输过程中进行辐射探测器的探测。并对测量装置中的主要部件和探测方法进行具体设计分析。采用双探测器两段式探测的方法进行粗、精探测，使探测结果更精确，对屏蔽体厚度进行具体计算。该装置能够实现全程无人操作和全自动化的探测和分拣等特点，可满足不同放射性固体废物的分拣与测量。

分拣系统；探测方法；自动化；传送装置

数十年来，我国的核工业与非核工业在科研过程中产生并积累了一定数量的放射性废物。不同企业单位对放射性废物采取分拣的方法措施大都不同，分拣技术缺乏论证性，没有形成系统性、全流程的综合考虑。因此，对放射性废物分拣技术开展系统性的研究，科学合理的进行放射性废物工作，将放射性废物进行合理的贮存、科学分类和优化处理，具有很大的经济效益与社会效益。

目前，国内外放射性废物的分拣工作大部分是通过人工方式或者半自动化分拣方式完成的。加拿大的莱普罗角核电站的所有分拣工作都是采用手工方式进行的，将分拣物装箱后运到场址外的垃圾填埋场处理[1]。捷克的杜科凡尼核电站也是采用人工方式分拣出放射性废物，这些放射性固体废物再进行进一步处置[2]。中国农业科学院原子能利用研究所在对放射性废物临时存放退役的过程中，对该库放射性废物进行了分拣，在现场将放射性废物分为中放、低放、极低放废物和普通垃圾[3]；某放射性废物库退役中通过分拣，共分拣31 t豁免废物，国内核电站在其放射性废物管理中也有相关的放射性废物分拣要求和措施[4-5]。采用人工分拣的方法存在过程复杂，操作麻烦而且效率低等缺点，所以对放射性废物分拣采用系统化的全自动化是迫切需要的。

根据使用需求，本工作设计了放射性废物分拣测量系统装置。采用双探测器两段式探测的方法进行粗、精探测，使探测结果更精确，并对屏蔽体厚度进行具体计算，实现了全程无人操作和全自动化的探测和分拣，可满足不同放射性固体废物的分拣与测量的需求[6-7]。

1 装置简介

1.1 总体结构

放射性土壤分拣系统测量装置的整体结构布局如图1所示。该装置主要由给料斗、机械刀、辐射探测器、抑尘装置、传送带装置及屏蔽装置组成[8-10]。

图1 分拣系统示意图

1.2 工作原理

通过各装置工作的连接与匹配，达到放射性土壤放射性水平的连续测量和放射性土壤的连续分拣的目的。该测量装置首先通过给料斗连续均匀地送料，把放射性土壤传送至传送带上，此前，传送带与给料斗同时启动。需要指出的是，在辐射探测器开始探测之前需要设定传送带上一定均匀的厚度的放射性土壤。本文采取的是双探测器两段式探测的方法，通过连续探测与间断探测相结合，对放射性土壤进行了粗略探测和精准探测，为放射性水平的高低的探测提供了高效的方法，达到了放射性土壤分拣的目的。

2 主要部件的设计

2.1 给料斗的设计

给料斗被安装在传送带初始端的正上方，根据该装置工作状态的需求，给料斗选择惯性平旋型振动给料斗。它的主要作用是破拱和给料，其破拱助流效果大大优于专用的其他破拱助流装置。惯性平旋型振动给料斗的机构如图2所示。

图2 惯性平旋型振动给料斗示意图

2.2 机械挡刀的设计

机械挡刀的机构如图3所示。图3中，1为高度调整机构；2为机械挡刀；3为挡刀支架。机械挡刀安装在传送带支架的初始位置，其距离振动给料斗的距离为200 mm≤D≤400 mm.该机械挡刀的材料为钢材，采用螺钉连接的固定方式固定在传送带支架上。机械挡刀的主要作用：（1）可上下调节高度以实现放射性土壤不同厚度的需要，确定了传送带上放射性土壤的厚度，为辐射探测器的探测提供了一个标准值；（2）固定的放射性土壤厚度，同时确定了探测器探测的每段土壤的体积，从而得出准确的探测效率，计算出单位时间装置的工作处理量[11-13]。

图3 机械挡刀示意图

2.3 抑尘喷嘴的设计

放射性土壤在传送带上传送的过程中，由于传送带在工作状态会伴随不同程度的振动，会不可避免地产生大量放射性粉尘，严重影响辐射探测器探头部分的探测，本文主要针对该问题设计了一套抑尘装置，由于本文要求喷雾量小，喷雾范围小，故设计了一种特定功能下的喷嘴，通过改变抑尘装置各元器件的选型及各动力参数，达到该抑尘喷嘴的要求。抑尘喷嘴的机构如图4所示。

图4 抑尘喷嘴示意图

2.4 传送带装置的设计

传送带装置是放射性土壤测量装置的主体传动部分，主要由传送带、传送带支架、挡板、滚筒、传动轴等五部分组成，其中，传送带支架安装在底盘上，传送带连接主动轴与传动轴，挡板安装在传送带两侧位置，滚筒有若干个，安装在传送带下方位置，起支撑重量的作用。放射性土壤分拣探测系统带式输送机的结构形式为水平直线输送，所以传送带选择的是普通光滑传送带，这样可以实现放射性土壤在传送过程中减少传送带与土壤的粘度，对放射性土壤可以实现快速有效的分拣。传送带的倾斜角为0°，传送带的倾斜角度的设计主要符合放射性土壤在传送带上探测的要求以及在传送带上分拣的要求。传送速度V可调，长度L可根据需求可调。如图5所示。

图5 传送带装置的示意图

3 探测装置设计

3.1 总体设计

放射性土壤分拣测量系统的探测装置是由箱体、探测准直器（屏蔽体）和辐射探测器三部分组成。箱体的主要功能是为辐射探测器对放射性土壤进行安全有效的探测提供容器。箱体的材料为45#钢材，箱体安装在传送带的正上方，两个箱体间隔的距离可根据辐射探测器的工作状态进行调节。探测准直器（屏蔽体)主体采用B/Pb复合核屏蔽材料，由于金属Pb的特殊性质，其对γ射性有很好的屏蔽吸收作用。结构示意图如图6所示。探测准直器（屏蔽体)的主要作用有两点：其一是屏蔽本底，为辐射探测器提供精准探测；其二是为辐射探测器确定探测放射性土壤的范围。

图6 探测装置示意图

3.2 探测方法的设计分析

本文设计了一种双探测器两段式的探测方法，该方法具有探测效率高、探测过程的连贯性、探测结果精准等优点，双探测器两段式的探测方法示意图如图7所示。本装置配置了两套探测器，实行两段式的探测方法。两套探测器的型号和大小相同，探测装置的探测器为南京核安核能科技有限公司的identi FINDER型NaI（TI)闪烁体γ探测器，其探测面积为600 mm × 600 mm，能量范围：202 keV～3.02 MeV，能量分辨率为662 keV.

图7 探测方法示意图

1号探测装置为粗略探测，其探测装置箱体安装在传送带前端位置；2号探测装置为精准探测，其探测装置箱体安装在传送带中间位置，辐射探测器距离放射性土壤的表面大约在5 cm～10 cm之间。两个探测装置均分设I、II、III、IV和V档次，其探测对象列于表1.

表1 测器探测对象表

3.3 屏蔽厚度的计算

为了屏蔽外界环境以及散射γ射线入射对探测器测量造成的影响，采用蒙特卡洛方法设计屏蔽体结构并计算屏蔽体厚度。放射源采用137Csγ射线放射，光子能量为0.662 MeV，放射源是柱源，半径为30 cm，土壤的厚度为10 cm，对三种不同等级放射性废物活度进行模拟计算。根据放射性废物的分类标准GB 9133-1995《放射性废物的分类》对土壤进行分类：

豁免废物：10 cm处，≤7.75×105Bq/kg；低放废物：10 cm 处，＞ 7.75× 105Bq/kg，≤ 4× 106Bq/kg；中放废物：10 cm处，＞4×106Bq/kg，≤ 4×1011Bq/kg.

模拟实验条件如下表2所示，模拟计算结果如下表3所示。

表2 模拟实验条件表

表3 模拟计算结果表

根据模拟计算结果得出铅屏蔽的厚度不同时，得到的剂量率也不同，当屏蔽体厚度大于6 cm后，随着屏蔽层厚度的进一步增大，屏蔽效果的提升不明显；由表4数据分析得到NaI（TI）闪烁体γ探测器的探测量程至少在6.3560μGy/h～3.3721Gy/h之间。为NaI（TI）闪烁体γ探测器的选型提供依据。

4 结束语

本文介绍了放射性土壤测量系统的工作原理及探测方法，对关键部件和探测方法进行了设计与分析。该装置设计合理，稳定性好。本次设计的系统装置，通过多种装置的组合，实现了自动测量与输送的功能，可以有效提高探测效率，对放射性土壤的分拣具有重要意义。本次设计的探测方法是双探测器两段式的探测方法，具有创新性；使用蒙特卡洛模拟方法模拟计算，计算得出不同放射性水平时注铅屏蔽厚度的数值，得出探测器探测剂量率数值的范围，为探测器的选型提供依据。

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Design and Research of Measuring Device for Radioactive Soil Sorting System

ZHAO Fang1，2，ZOU Shu-liang2，WANG Xiang-jiang1，2，LIU Jun-yan1，2，LIU Chang-fu1，2
（1.University of South China School of Mechanical Engineering，Hengyang Hunan 421001，China；2.Hunan Key Laboratory of Emergency Safety Operation Technology and Equipment for Nuclear Facilities，Hengyang Hunan 421001，China）

The design of radioactive waste sorting and measuring system is introduced.The device consists of a transmission device and detection device，the vibration to the hopper evenly feed to the conveyor belt，the mechanical knife block to determine the soil thickness，radioactive waste on the conveyor belt to detect the radiation detector in the process of transportation.And the measurement device in the main components and detection methods for specific design analysis.The two-stage detection method of double detector is used for coarse and fine detection，so that the detection result is more accurate and the thickness of the shield is calculated.Can achieve full unattended operation and fully automated detection and sorting characteristics，to meet the different radioactive solid waste sorting and measurement.

sorting system；detection method；automation；transmission device

TH122

A

1672-545X（2017）10-0017-04

2017-07-09

核设施退役和核泄漏安全处理技术及装备研发（02072012KJT01)

赵 芳（1991-)，女，湖南湘潭人，在读硕士生，研究方向为核设施应急技术与装备研究；邹树梁（1956-），男，江西安福人，教授，博士生导师，攻读方向为核设施应急技术与装备研究。