高完整性容器HIC封盖工艺应用探讨

(江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042)

随着核电站的运行，将不可避免地产生一定量的放射性废物，其中液态的废物(蒸残液和废树脂)占了相当大的比例，这些废物必须进行必要的处理，使之形成均一、稳定的固体废物包，以满足临时贮存和外运要求。临时贮存的废物包(如：200 L桶)在送到处置场之前需要进行二次包装，包装容器为混凝土高完整性容器(以下简称“HIC”)。为了保证二次包装后的废物包的安全性能[1]，需要通过HIC封盖设备将密封材料(水泥砂浆)注入HIC容器和200 L钢桶之间及HIC容器桶体与盖板之间的环形空间。经养护一定时间后，固化后的密封材料将HIC容器、200 L钢桶和盖板粘结为一体，形成满足外运处置要求的混凝土高完整性容器废物包。

1 HIC封盖工艺介绍

工艺流程

田湾核电站T4UKT采用的HIC容器(见图1)有效容积为300 L，每个HIC容器能够盛装1个200 L钢桶[2](见图2)。装有废树脂、蒸残液干燥压实饼的200 L钢桶在送往最终处置场前，需装入HIC容器内。

图1 HIC容器Fig.1 HIC container

图2 200 L钢桶Fig.2 Steel drum 200 L

HIC容器(含盖板)经厂房设置的数控起重机运至HIC封盖设备接收位置，通过HIC取封盖装置将HIC盖板打开，再通过另一台数控起重机将200 L钢桶吊入HIC容器内后将盖板复位，通过HIC封盖设备将配置好的密封材料注入HIC容器桶与盖板之间的环形空间。灌注封盖完毕后，HIC废物包被吊至HIC废物包暂存区进行养护。工艺流程示意图如图3所示。

图3 HIC封盖操作工艺流程示意图Fig.3 HIC capping operation process

HIC封盖设备主要由密封材料配置单元、密封材料灌注单元、HIC取封盖单元和清洗水回用循环单元组成。主要设备性能及运行特性[3]如表1所示。

表1 主要设备一览表Table 1 Main equipment

(1)密封材料配置单元

密封材料配制单元包括料仓(带除尘)、螺旋输送机、水计量仓、砂计量仓、水泥计量仓、搅拌机等，用于配置密封材料。密封材料主要由硅酸盐水泥、硅微粉、粗石英砂和细石英砂等4种原材料组成，并分别设置了料仓，料仓上配有开袋装置和除尘装置，确保人工上料时能够方便、快速地将原材料投入料仓，并避免扬尘。

每个料仓配有一个螺旋输送机，用于将原材料输送至计量仓，其中硅酸盐水泥和硅微粉共用一个计量仓，粗石英砂和细石英砂共用一个计量仓。共用的计量仓采用增法计量。硅酸盐水泥和硅微粉计量仓采用气动蝶阀控制下料，粗石英砂和细石英砂计量仓采用电动卸料装置下料。还设有一个水计量仓，水计量仓的出口配有增压泵，用于快速地将拌合用水添加至搅拌容器。

除硅酸盐水泥、硅微粉、粗石英砂和细石英砂等4种大剂量的原材料外，其他的少量添加剂采用人工投加至搅拌容器，其中固体原材料通过搅拌容器的加料口添加，液体原材料投入至水计量仓后与水一起添加。搅拌机每次搅拌出来的砂浆最大量为300 L，可满足3个HIC封盖用量，也可根据实际需要调节1～3个HIC封盖用量的配置量。密封材料配置单元如图4所示。

图4 密封材料配置单元Fig.4 Sealing material configuration unit

(2)密封材料灌注单元

密封材料灌注单元包括砂浆泵、流量计、灌注头等。密封材料配制单元将搅拌好的砂浆注入至砂浆泵的料斗后，开启砂浆泵，密封材料通过灌注头注入至HIC容器与盖板之间的环形空间或200 L钢桶与HIC容器的缝隙，当达到设定的累计流量时，砂浆泵停机，以防止因流量过大而导致密封材料溢出HIC容器。

当灌注操作完成后，向料斗内注入清洗水，砂浆泵开启清洗管道和灌注头，清洗完成后，开启气动排污阀，料斗内残余的废水排放至沉降池。密封材料灌注单元如图5所示。灌注后的HIC容器如图6所示。

图5 密封材料灌注管线和灌注头Fig.5 Sealing material filling line and filling head

图6 灌注后的HIC容器Fig.6 HIC container after filling sealing materials

(3)HIC取封盖单元

取封盖单元包括盖板架、盖板抓具、抓具回转装置、抓具升降装置、灌注头回转装置、HIC回转装置、HIC容器接收平台、废液收集装置等。

HIC容器接收平台用于接收起重机吊运过来的HIC容器，并将HIC容器对中，HIC容器接收平台安装在回转支承上，具有旋转功能，便于灌注头准确找到HIC容器上的浇注口。

HIC容器就位后，抓具回转装置将盖板抓具旋转至HIC容器上方，抓具升降装置控制盖板装置伸入至HIC容器盖板的环形空间处，盖板抓具上的三爪卡盘收紧，控制抓爪抓住盖板。抓起盖板后，抓具复位至盖板架的上方。

盖板取走后，起重机将200 L钢桶吊入至HIC容器内，就位后将盖板移回盖好。然后灌注头回转装置将灌注头旋转至HIC容器上方，控制HIC容器旋转使浇注口对准灌注头的出料口，对准后进行200 L钢桶固定的灌注操作。当灌注到环形腔与盖板的接触界面时，启动旋转平台进行旋转灌注，直至灌注面与盖板面平齐。当灌注完成后，灌注头复位。HIC取封盖单元如图7所示。

图7 HIC取封盖单元Fig.7 HIC decapping unit

(4)清洗水回用循环单元

为节约清洗用水，设置了清洗水回用循环单元。清洗水回用循环单元包括清洗水循环泵、管道、阀门等。所有灌注操作完成后，清洗搅拌机、灌注管道和灌注头，清洗的废水通过废液收集装置流入至沉降池。需要用水时，清洗水循环泵将沉降池中经过沉降处理的水抽出，经过Y型过滤器过滤后输送到用水设备中以达到水循环利用的目的。每次清洗产生的废液量不大于0.1 m3。

2 需关注的技术问题

2.1 钢桶漂浮

在灌注密封材料的过程中，因浮力过大使得200 L钢桶在HIC容器内漂浮。通常情况下，200 L废物包的重量在200 kg到300 kg(取决于内容物是废树脂还是蒸残液)，但经试验测得钢桶及内容物总重至少在520 kg才不至漂浮。因此，一次灌注的方法肯定不能使钢桶稳定地固定住。为了避免钢桶漂浮，可以采用两次灌注的方式来解决。第一次灌注高度500 mm(约为HIC容器的1/2高度)，待养护固定钢桶后再进行第二次灌注。两次灌浆的操作工艺有利于密封材料的充分流动、填充钢桶底部与HIC容器之间的间隙，更重要的是能固定住钢桶，确保钢桶在第二次灌注时钢桶不漂浮。由此可见，钢桶漂浮问题应在灌注过程中给予重点关注。

2.2 密封材料配方

密封材料配方会直接影响废物包的物理性能、机械性能以及化学性能[4]等。采用合适的配方，密封材料具有良好的流动性，固化体具有良好的强度和耐久性；采用不恰当的配方，密封材料体积稳定性差，在养护过程及HIC废物包存放期间，密封结构会出现裂纹、空洞，与HIC容器及盖板之间出现脱离、分层现象，还可能造成HIC封盖设备密封材料输送管道堵塞。因此，必须重视密封材料配方的研制。

2.3 灌浆密封面沉降

灌注完成后，在HIC养护过程中可能会出现灌浆密封面沉降的现象。造成这种现象的原因一方面是由于钢桶底部存在一定的空隙，水泥砂浆流动缓慢导致HIC废物包在养护阶段灌浆密封面下沉；另一方面在灌注的过程中会有气泡产生，气泡排出速度较慢，在养护阶段气泡逐渐排出后造成灌浆密封面下降。密封面的沉降对灌浆后HIC容器的物理性能、机械性能有非常不利的影响。因此无论哪种原因，灌浆密封面沉降都要给予妥善解决。针对上面的问题，可以采用两次或多次的灌注方式浇筑密封材料，使密封材料能够充分填充钢桶底部间隙，待密封材料固化后再进行下一次灌注；也可以在HIC容器接收平台底部增加振动装置，在灌注后振动HIC容器，加速密封材料中气泡的快速排出。

3 模拟试验

HIC封盖设备进行了多次联调试验和模拟封盖试验，并对HIC废物包封盖后的质量性能进行了验证，分别进行了跌落试验和剖切试验。

(1)跌落试验

HIC废物包做了2组顶部45°角和底部45°角跌落试验[5](如图8所示)，HIC从1.2 m处自由坠落，撞击地面上放置40 mm厚的钢板。试验结果显示盖板没有脱离桶体，HIC容器与盖板之间的环形密封处无裂纹，内容物无散落，仅撞击处表面发生局部破损，满足GB 36900.2—2018《低、中水平放射性废物高完整性容器—混凝土容器》的要求。

图8 HIC跌落试验Fig.8 Drop test of HIC

(2)剖切试验

封盖后的HIC做了纵向剖切试验(如图9所示)。剖切试验旨在检验水泥砂浆是否完全填满HIC废物包的间隙，固化体中是否存在较大的空洞。试验结果显示密封材料在桶内流动良好，仅有少量直径较小(<2 mm)的气孔均匀分散在密封材料中，满足技术要求。

图9 HIC剖切试验Fig.9 Incision test of HIC

4 结束语

HIC封盖工艺系统中的设备都是技术成熟、可靠的产品，但把这些设备组合起来进行HIC封盖的工程应用在国内尚属首次，缺少实际运行经验，在一些技术方面值得进一步研究和探讨。但从长远来看，国内一些核电站已经成功引入废树脂热态超压技术和蒸残液蒸干压实工艺处理放射性废物，并被越来越多的核电站所采用，其产生废物包(废树脂、蒸残液)外运前必须装入HIC进行二次包装。因此，HIC封盖工艺必将成为废物包外运前的一项重要工艺；同时，其在田湾核电站的成功应用具有很强的示范作用，填补了国内在该工艺上的空白，为后续HIC封盖工艺进一步优化提供了丰富的经验和数据支持。