某近地表处置场废物处置码放工艺优化研究

王 杰，高彦锋，圣 锋，董志强

(中核清原环境技术工程有限责任公司，北京 100037)

放射性废物管理是一个典型的多因素多目标问题，处置作为放射性废物安全管理的核心及最后一个重要环节，应关注的方向是如何合理利用有限的处置资源并实现废物的永久安全处置，力求达到最佳的环境和社会效益，并最终推动废物处置活动的可持续发展[1]。一般而言，优化是解决多因素多目标问题的主要途径。所谓优化，即是综合考虑和选择所有可能减少辐射危害和降低成本等多方面的措施，进行多方案比较，最终确定满意的方案[2]。某近地表处置场根据安全分析结果，需对处于不同表面剂量率区间的废物包实施分格码放的处置方案，此方案虽可有效降低因天空反散射引起的辐射照射剂量，但却造成处置单元有效容积利用率降低等问题。针对这些问题，本文在严格遵守安全分析报告和环境影响评价报告等相关要求的基础上，结合处置实践经验反馈，提出码放工艺的优化方案。

1 分格码放方案

1.1 处置场基本概况

我国西南某处置场是我国首个建成并实现远程遥控废物包处置且整体自动化程度较高的近地表处置场，布局详见图1所示。处置场采用地上土丘式的处置方式，规划处置容量18万m3，已建成处置容量3.2万m3，截止2019年底累计处置废物量约1.9万m3[3]。

图1 处置场布局示意图Fig.1 Schematic diagram of disposal site layout

1.2 原设计码放方案存在问题

为考虑及评价高表面剂量率废物包处置过程中γ射线天空反散射影响，设计单位根据处置单元结构和废物源项等情况开展设计及通过天空反散射模拟计算，提出如下码放方案，即：①表面剂量率小于1.5 mSv/h的废物包不需分格直接处置；②表面剂量率大于1.5 mSv/h、且小于10 mSv/h的废物包按照一个处置单元划分为6格的方式处置；③表面剂量率大于10 mSv/h、且小于45.5 mSv/h的废物包按照一个处置单元划分为25格的方式处置。码放方案有效降低了天空反散射对处置区周围环境的辐射剂量，但是在废物处置实践应用中发现原设计方案存在如下问题。

1.2.1处置单元容积利用率降低

图2为按码放方案设计的400 L钢桶废物包在不同表面剂量率情况下对应的3种分格码放示意图，表1为不同分格方式对应的处置单元容积利用率。由表1可知，随着分格格间数量的增加，处置单元容积利用率呈下降趋势。主要问题一：上述3种码放方案均是依据使用机械式吊具而设计，未考虑机械式吊具在抓/放废物包时需要一定的伸展空间，即废物包与废物包之间的间距应≥40 mm、废物包与处置单元墙体间应预留≥300 mm安全距离；主要问题二：图2中25分格方案的设计图上废物包靠墙间距仅为113 mm，直接造成现场码放时无法执行。经实际测量，格间仅能码放(5×5)桶/层而非(6×6)桶/层，造成格间较大的空隙剩余，且无法利用的现实(如图2中25分格实际中黄色标记桶)，由此容积率由43.9%大幅降低至29.62%。

图2 不同表面剂量率废物包的分格码放示意图Fig.2 Schematic diagram of grid stacking of wastes with different surface dose rates

表1 不同表面剂量率废物包的分格码放容积利用率Tab.1 Volume utilization rate of grid stacking of wastes with different surface dose rates

1.2.2实际码放与原设计码放方案不匹配

处置单元呈“一”字形布设，造成废物处置时需先处置满一个处置单元后，再处置相邻第二个处置单元。因此，废物处置前需根据拟处置废物包的表面剂量率区间决定是否对处置单元内部进行分格施工；实际上，拟处置的废物包表面剂量率并不全在设计分格方案的剂量率区间范围内，且废物包数量并不足以码放满已设置好的格间，尤其是表面剂量率在10 mSv/h以上的废物包，若提前按选定的分格方案设置好格间，则可能造成格间内码放不属于该分格方案应码放的同一表面剂量率区间的废物包，即出现不匹配的问题。

2 分格码放优化方案设计

2.1 优化设计原则

处置场资源非常有限，需在不超过接收总活度限值前提下尽可能提高废物在处置场的处置容量，而处置单元容积利用率大小是一个最直观的指标。处置单元容积利用率的大小，并不是要求处置单元设计足够大，而是要求在特定的处置单元结构尺寸的情况下，综合考虑辐射防护、码放方案对处置单元整体结构安全等影响因素，合理设计码放方案，尽可能地提高处置单元的容积利用率，实现节约有限的处置资源并降低处置成本的目标。因此码放方案的优化设计需考虑诸如码放安全稳定性、单元整体稳定性、间隙大小不影响填充材料自由流动性、辐射防护等要求。

2.2 码放方式优化选择

码放方案优化设计是一种数学命题，需要通过数学计算提出码放方式的选择方案。码放方式与处置单元容积利用率密切相关，而处置单元容积利用率是废物包的总体积与处置单元净体积之比，即：

(1)

式(1)中，D0为处置单元容积利用率，无量纲；Vw为废物包总体积，m3；Vc为处置单元净体积，m3。由式(1)知，Vc一定时，D0与Vw呈正比关系。实践经验表明，箱体废物包的D0值最高，箱体和桶体混合废物包的D0值次之，桶体废物包D0值再次之。同时，废物包的码放方式对D0值大小有直接影响。实践中常用的码放方式主要是“井字形”(见图3中左图)和“菱形”(图3中右图)两种。在不考虑间隙的情况下，由公式(1)计算可知，“井字形”情形下D0最大值为0.785，“菱形”情形下D0最大值为0.785λ(λ为一常数)；选取不同的Di(行数)和Dj(列数)值分别进行计算，得出：当Di≥4，Dj≥6；Di≥5，Dj≥4；Di≥6，Dj≥3；Di≥7，Dj≥2时；λ>1，采用“菱形”码放方案时处置单元的容积利用率要高于“井字形”码放方案时处置单元的容积利用率。

图3 码放方式示意图Fig.3 Schematic diagram of stacking method

2.3 码放间距优化设计

码放间距的设计是码放方案优化的补充。图4左侧上图为使用机械吊具进行井字型定位码放的间距设计图，桶与桶的间距≥40 mm，桶与处置单元内墙(或格墙)的间距≥300 mm。图4左侧下图为使用电磁吊具进行菱形定位码放的间距设计图，桶与桶的间距≥20 mm，桶与处置单元内墙(或格墙)的间距≥100 mm。图4右图为采用4桶电磁吊具进行菱形定位码放时桶盖边缘与处置单元内墙间距离，实测距离为103 mm，满足要求。

图4 废物包码放间距设计和实测码放间距示意图Fig.4 Schematic diagram of the stacking spacing design and the measured stacking spacing of waste package

2.4 码放方案优化设计

图5显示了优化后的表面剂量率小于1.5 mSv/h和1.5～10 mSv/h的废物包码放方案设计和3#处置单元按优化方案码放废物包后形成的效果示意图，表3为优化前后废物包分格码放容积率的比较。由表3可知：不分格优化后处置单元容积利用率提高11.09%；6分格优化后处置单元容积利用率提高11.42%～15.45%，且优化方案已在3#处置单元实践。图6显示了优化后的表面剂量率10 mSv/h以上的废物包码放方案设计和2#处置单元实际码放废物包后形成的效果示意图。由表3可知：通过优化原设计格间尺寸、优化格间布局和新优化码放方案的多种优化后处置单元容积利用率为8.24%～23.69%，且优化格间布局码放方案已在2#处置单元实践。上述优化方案实践表明，优化方案处置单元容积利用率高、节省更换吊具时间以及更匹配废物的及时处置需求。

图5 表面剂量率10 mSv/h以下优化码放方案及实际码放效果示意图Fig.5 Schematic diagram of optimized stacking plan and actual stacking effect with surface dose rate below 10 mSv/h

表3 不同表面剂量率废物包的分格码放容积利用率Tab.3 Volume utilization rate of grid stacking of waste packets with different surface dose rates

根据处置实践需求，设计单位针对经验反馈建议提出了“当400 L桶表面剂量率为20 mSv/h和30 mSv/h时对应的分格方案”的新分格原则：废物包表面剂量率最大为20 mSv/h时，单个格间内最上层裸露的最多桶数量不超过100桶/(格间·层)；同理，表面剂量率最大为30 mSv/h时，裸露桶数量不超过64桶/(格间·层)；表面剂量率最大为45.5 mSv/h时，裸露桶数量不超过36桶/(格间·层)。鉴于设计单位未给出具体的分格设计布局和详细格间尺寸，参照已有码放方案设计经验和实践处置需求，设计了如图6所示的新分格A、B、C和组合优化方案。新设计的特点是：满足不同表面剂量率废物包的码放需求，减少了处置单元内格间数量，提高了处置单元容积利用率和降低了分格施工周期及成本；同时，码放过程基本上实现全程使用4桶专用电磁吊具，即使不能全程使用，也减少了单桶码放数量及更换不同规格吊具次数和时间。

图6 表面剂量率10 mSv/h以上优化码放方案及实际码放效果示意图Fig.6 Schematic diagram of optimized stacking plan and actual stackingeffect with surface dose rate above 10 mSv/h

3 优化效果分析

3.1 分格施工成本

施工成本大小取决于处置单元经分格后形成格间的数量，采用分格施工的全费用综合单价的计价模式对施工成本进行控制，利用公式(2)计算各个方案的施工成本:

S=P×Q

(2)

式(2)中，P为综合单价，元(RMB)/m3；Q为工程量，m3；S为施工成本，元(RMB)。

表4列出了各个方案的施工成本。

表4 不同方案在不同情形下施工成本对比Tab.4 Comparison of construction cost of different schemes under different situations

由表4可知，格间数量与施工成本呈正比关系，优化后码放方案的施工成本节约比为可节约的施工成本的1.14%～49.49%。施工成本节约的同时，施工周期也相应减少，如6分格方案原设计施工工期需要45 d，而3#处置单元采用优化方案实际施工工期仅为8 d。施工成本的降低和施工周期的缩减是优化方案的优点，不仅有利于增加废物处置的时间窗口和大幅降低作业人员的受照辐射剂量，而且非常有利于节约宝贵的处置资源以及实现“利益-代价”最优化。

3.2 码放耗时

建设阶段配备的不同规格的废物包吊具，因处置任务艰巨无法满足需求，故开发研制了多桶电磁吊具，该吊具可同时实现4 桶400 L 废物包的抓取、变形、吊运、定位、码放等功能。虽然新的吊具满足了废物处置需求，但是受限于处置单元上方20 t数控吊车的运作效率，千余次废物包吊装码放耗时统计表明，机械吊具码放单个废物包往返平均耗时约23.5 min，多桶电磁吊具同时码放4个废物包往返平均耗时约36 min。根据此统计数据，以每天工作8 h、期间无其他作业活动为计算基数，计算得出表4中各优化方案的总耗时结果。由表4可知，优化的码放方案总耗时大幅缩减，平均耗时110 d。实际处置中，2#、4#处置单元平均耗时约120 d，期间还包括砂浆充填、数控吊车检修维修和无废物处置等待等时间。码放耗时的缩减，不仅有利于提高处置场的年处置能力，而且确保废物获得及时的安全处置，消除潜在安全隐患。

3.3 辐射剂量

为使作业人员在处置活动中接受的辐射照射不超过国家规定限值要求，规定处置单元墙体外300 mm处及封顶施工作业时辐射剂量率控制限值不超过25 μSv/h。以码放满废物包的2#和3#处置单元为例，经表5实测数据与辐射剂量控制限值25 μSv/h对比分析认为，2#单元封顶后剂量高于封顶前剂量是受正在作业的3#处置单元码放废物包的天空反散射影响，但实测数据均低于控制限值，则表示采用2.4节优化后的码放方案符合要求。同时，利用天空反散射剂量当量率的经验公式(3)和点核积分法的经验公式[5]计算检验优化后的码放方案是否满足控制限值25 μSv/h要求。假设顶层码放废物包表面剂量率最高为20 mSv/h，总放射性活度为1.26×1011Bq，高度7 m，利用公式(3)计算得距离该源1.5 m处的剂量率为16.33 μSv/h，点核积分法计算的剂量率约为22.25 μSv/h，均小于控制限值。但是在实际废物处置活动中，不会将表面剂量率为20 mSv/h的废物包码放在顶层，因此实际剂量率将远低于理论计算值。

表5 2#、3#处置单元封顶前后实测剂量率Tab.5 The measured dose rate before and after the disposal unit is capped of 2#，3# cell

(3)

其中

(4)

3.4 国外同类处置场码放方式

法国奥布处置场的处置单元结构与本文处置场相同，内部尺寸均为25 m×25 m×8 m。奥布处置场可以处置各种类型的废物包，有100 L、200 L、400 L、800 L钢桶，5 m3、10 m3钢箱，CD1～CD4混凝土桶、混凝土方箱以及核电厂更换下的大型部件。除大型部件是单独格间处置，其余废物包均采用处置单元内部不分格方式处置。由于采用一次只吊一桶/箱的吊具、混凝土制和金属制废物包分类码放在不同处置单元内的方式，废物包的码放间距为10 cm，单个处置单元容积利用率在48%左右[6]，码放示意图示于图7。对比表3可知，处置单元分格方案是影响处置单元容积利用率大小的关键因素，某处置场在不分格和6分格情形下其容积利用率优于奥布处置场，但在25分格情形下奥布处置场占有优势。

图7 法国奥布处置场废物包码放示意图Fig.7 Schematic diagram of waste package placement at La Aube

4 结语

处置场码放工艺的优化是一个持续、不间断改进的过程。本文针对原设计码放方案在处置实践中发现的诸如处置单元容积利用率低等问题，对原方案进行了优化设计。优化结果表明：一定行列数情况下“菱形”码放方式的容积利用率高于“井字形”，不分格码放方案优化后容积率提升11.09%、6分格码放方案优化后容积率平均提升13.57%、25分格码放方案优化后容积率平均提升18.01%，且个别已在处置场得到实践应用并取得良好的效果。最后又从施工成本、码放耗时、辐射剂量和国外同类处置场码放方式四个方面对优化的码放方案进行了效果分析和容积利用率对比，分析认为优化后码放方案是合理可行的，满足废物处置需求。

本文提出的码放优化方案，很大程度上解决了实际处置遇到的问题，也提高了处置单元容积利用率，对节约有限的处置资源是有利的。但在码放方案优化设计中，发现码放方式易受处置单元“一”字形布局、拟处置废物包的表面剂量率和吊具类型等影响。因此，在今后的工作中可以从以下几个方面持续优化改进并进行能力建设，如天空反散射计算能力、处置单元优化布局、新型吊具研发及现有吊具功能的改进和辐射防护全过程的最优化管理。