某溶洞放射性废物库通风降氡技术研究

柳景景，李 阳，张德全，曹 京，邵磊昌

(1.中核环保工程设计研究有限公司，北京 101149；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

放射性废物库的安全问题是关系到周围环境质量状况和附近居民安全健康的重大问题[1]。国家高度重视废物库的安全稳定问题，并陆续出台了相关放射性废物贮存及处置标准。中国某溶洞内长期存放大量放射性废物，该溶洞废物库存在地下暗流去向不明、原洞体工程建设不规范、附近环境敏感等多重问题，特别是大量放射性废物的贮存对该溶洞周围环境和公众构成潜在危害[2]，目前该溶洞废物库已不符合现行国家标准的要求。

该溶洞废物库封存多年，洞内未设计机械通风系统，不具备废物库退役人员活动所需的空气环境及仪器设备必要的使用条件[3]。为此，结合现场实际情况，研究通风降氡技术方案，为退役治理实施过程提供必要的空气环境安全保障。

1 溶洞放射性废物库概况

该溶洞为一个天然的石灰岩溶洞，收贮化工厂和冶炼厂产生的放射性废渣，于1970年投入使用，目前库内放射性废渣总量约2.6万t。洞内宽敞、平坦，洞长约为136 m，宽为15～38 m，高为3～11 m；由外到内分为A区、镭钡渣区、独居石废渣区和绿柱石废渣区，各区域面积及分布情况如图1所示，区域有效容积分别为2 677、194、6 075、6 056 m3。独居石废渣区与绿柱石废渣区设置在屏蔽墙内。

图1 放射性废物库平面示意图

1.1 废物库存在的问题

该溶洞周边属于亚热带湿润区域，常年雨水充足。洞内废渣堆放不规整，洞顶的地表覆盖工程存在一定的隐患，洞顶原有的8个滴水区只密封了3个；特别是放置镭钡渣的库房上端有一个较大的滴水区，不能确定镭钡渣的密封情况是否受到影响。

经过多年封存，洞内设施现状与封洞时存在一定差异：1)镭钡渣库房的东北角因山体滑坡致使库房部分坍塌，房梁断裂；2)镭钡渣混凝土池顶部出现破口，因洞内环境潮湿，库房顶部滴水落入混凝土池内，致使镭钡渣被浸湿，箱内有积水；3)溶洞进口处上方有部分岩石滑落，坠落在洞内道路上。

因为调查时洞内已经堆放有大量放射性废渣，未能深入调查洞体地质情况，地下暗河的连通情况也未查明，放射性物质存在扩散的途径。

由于缺乏日常管理，洞顶及山体周边开矿采石、开挖景石等情况时有发生。这些活动均有可能损伤洞体，造成洞内漏水，导致放射性废物随水流散失，对周边环境造成危害。如果发生山体滑坡或地震等地质灾害，有可能造成放射性废物的大量流失。

1.2 废物库退役治理方案简述

为保障洞内人员的辐射安全，在开展退役工作之前需要对洞内进行机械通风，参照《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》，洞内氡浓度设计限值为2.70 kBq/m3[4]。在设计中贯彻放射性废物最小化原则，将放射性废物与非放射性废物区分；不允许污染物扩散到周围环境[5]；在整治后，不产生新的污染物。因此，在废物填埋方案中，要求在运输粉末状放射性废物前必须进行稳定化处理，在运输过程中必须妥善包装，以保证安全运输。在整治过程中，遵循“边退役治理边监测、监测指导整治”的原则。

依据上述原则，结合洞内各种废物贮存现状，确定退役治理分阶段实施：第一阶段对溶洞内的放射性废物予以彻底回取清除，并进行稳定化处理；第二阶段进行溶洞环境整治与恢复工作，包括建筑物的去污拆除、洞侧壁的去污、污染土壤的清除以及整个洞体环境的恢复[6]。

该溶洞废物库退役治理的最终目的是清空洞体内所有放射性废物，并将洞内环境整治至无限制开放水平，彻底消除该溶洞对公众、环境的风险隐患。

2 废物库通风系统现状

在该溶洞的入口附近上方，有一个天然进风口；在独居石废渣区附近有一个砖砌式排风口，排风口直径约2 m，直通山顶。

由于溶洞已封存多年，现分别在未通风及开启自然通风条件下对洞内氡及其子体浓度进行监测，考虑人员辐射防护剂量要求[7]，仅用自动化设备对A区进行监测，监测结果见表1。

表1 溶洞废物库氡及其子体浓度监测结果

由表1可看出：在未通风情况下，洞内的氡活度浓度较高，为79.36 kBq/m3；洞口开启并自然通风1日后，洞内的氡活度浓度为43.24 kBq/m3。

3 通风降氡初步试验

3.1 初步试验方案及结果

洞内堆放有独居石废渣、镭钡渣及绿柱石废渣，废渣中的放射性核素衰变产生大量氡。为掌握洞内实际情况，进行通风试验，并敷设临时风管进行全面排风，按照5次/h的换气频次计算，各区域通风换气体积见表2，计算出总需要的排风量为75 010 m3/h。通风时，均匀设置洞内排风管道的吸入口，排风口的排风量为固定值。在溶洞口外风机房内设置送风机，向洞内补充负压新风。试验结果见表2。

表2 机械通风条件下库内氡及其子体浓度监测结果

由表2可知：开启机械通风系统后，洞内氡活度浓度下降至0.41～10.10 kBq/m3；洞内独居石废渣区及绿柱石废渣区的氡活度浓度仍高于设计限值(2.70 kBq/m3)。

3.2 通风降氡初步试验结果分析

结合试验通风系统设计方案并分析监测结果，可以看出通风系统的排风量设计已经满足规范要求；但部分区域的氡浓度仍然没有降低至设计限值以下。出现该现象的原因可能有：1)风量分配不合理，未设置局部通风系统，通风缺乏针对性；2)气流组织较混乱，存在二次污染；3)风量计算时采用估算方法，缺少各区域废渣堆表面氡析出率数据，风量计算不够精确。

4 通风降氡技术方案优化

方案优化时，需要监测各区域废渣堆的表面氡析出率数据并进行全面排风量核算，然后根据污染程度合理分配各区域最小排风量，合理组织气流，使污染物从浓度较低的区域向浓度较高的区域流动。对镭钡渣废物库采取局部通风系统，设置移动式净化机组对库房进行排风过滤处理。

4.1 废渣堆表面氡析出率监测

在未通风条件下，对洞内废渣堆表面进行现场布点。采样点数量根据面积及现场情况确定，50 m2以下的区域设置1～3个采样点，50～100 m2的区域设置3～5个采样点，100 m2以上的区域设置5个采样点，布点情况如图2所示。

图2 监测布点示意图

采用直读式RECM-Ⅲ氡析出率仪测量废渣堆表面氡析出率。测量时间为15 min，保持位置不动每个点测量3次，取平均值计入表3。表3中1#～5#为不同布点监测结果，分别对应区域内DX1～DX15布点。

表3 溶洞废物库内废渣堆表面氡析出率监测结果

由表3可知，独居石废渣区的氡析出率最高，平均值为2.73 Bq/(m2·s)，这是因独居石废渣中含有一定的镭造成的。

4.2 溶洞内各区域最小排风量计算

稳定状态下的全面排风量计算公式[8]为

(1)

式中：L—最小排风量，m3/s；y0—送风空气中有害物(氡)活度浓度，Bq/m3，y0取0；y2—经过t时间(24 h)后室内空气中有害物浓度，取氡活度浓度限值2 700 Bq/m3；x—有害物(氡)散发量，Bq/s，其值根据公式(2)计算；K—安全系数，取3～10，具体取值见表4。

x=CS，

(2)

式中：x—有害物(氡)散发量，Bq/s；C—氡析出率，Bq/(m2·s)；S—堆渣面积，m2。

最小排风量计算结果见表4，计算得到的总排风量为75 045 m3/h。

表4 各区域最小排风量

4.3 通风降氡技术优化方案及应用效果

综上，确定优化通风降氡方案：1)总排风量为75 045 m3/h，并根据表4中各区域最小排风量确定各区域排风、吸风口数量；2)通风气流按照A区→镭钡渣区→绿柱石废渣区→独居石废渣区顺序设计，使风从污染物浓度较低的区域向浓度较高的区域流动；3)对镭钡渣区采取局部通风系统，单独敷设风管直排至排风门增强降氡效果，局部排风量按照最小排风量720 m3/h设计。库房内设置1台移动式净化机组对其进行排风过滤处理，净化机组包括风机、初效过滤器和高效粒子过滤器。移动式净化机组可降低废物库及人员工作面的放射性剂量水平，并保持内部呈负压状态。

优化后的机械通风系统开启24 h后，对洞内的氡活度浓度进行监测，每次测量时间为15 min，对每个点测量3次，取平均值计入表5。可以看出，各区域氡活度浓度均降至2.70 kBq/m3以下。

表5 通风方案优化前后库内氡浓度监测结果

5 结论

现场监测该溶洞废物库的氡气释放数据，依据监测数据计算各区的最小排风量，并确定了降氡技术方案的总排风量为75 045 m3/h。通过针对性地分配通风量，在镭钡渣区设置局部通风系统，合理组织气流使风从污染物浓度较低的区域向浓度较高的区域流动，可使得洞内氡活度浓度降为0.31～2.51 Bq/m3。优化后的通风方案有效保障了工作人员的环境安全。