地下废液储存罐放射性淤泥回取方案设计及应用

任 韧，郭亚平，张立军

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

1 背景

101堆是中国第一座核反应堆，1958年在中国原子能科学研究院建成并运行，该堆已经于2007年停堆，进入退役准备期[1-2]。101堆废水贮存罐于20世纪60年代初投入使用。2015年，废水贮存罐内的放射性废水被转运并完成了废液处理。后续利用高压水清洗设备对3个废水贮存罐侧壁进行了初步清洗，并对产生的清洗废液进行了处理。

目前101堆第一阶段退役已获批复，退役工作正在开展，而101堆3个废水储存罐的清理是在退役期需要解决的重要工作[3]。为此，本文开展了101堆废水罐淤泥清理方案设计及实施工作，通过设计的淤泥取样和淤泥回收工具，完成了101堆废水罐内的淤泥清理工作，显著降低了其放射性水平。

2 方案及工具设计

2.1 101堆废水罐结构

3个废水贮存罐位于101堆厂房外西南侧，用于储存反应堆产生的放射性废水。废水贮存罐每个容积为300m3，埋于地下，其上盖板与地面平齐。废水罐体直径10m，罐体上部是高3m，直径为1m的圆筒；罐体结构材料为6mm厚的双层钢板；顶部向下5.5m内全部为混凝土，上部圆筒部分厚度为150mm，中间部分厚度为200mm，5.5m向下至底部内有双层钢板。其结构如图1所示。

图1 101堆废水罐尺寸模型

为了将101废水罐中的淤泥彻底清除，本文针对该目标进行了方案及相关工具设计，并完成了清理任务。前期通过对废水罐进行取样时观察发现3个废水罐内均无积水存在，呈板结状态如图2所示。

图2 废水罐罐底情况

2.2 限制条件[4-9]

（1）取样工具。①在取样过程中，人员在罐口位置进行取样设备操作；②取样工具取样后在回收样品过程中应便于操作人员操作；③取样器在垂直方向移动高度范围应符合废水罐内部深度；④取样工具由电机驱动，需设置专门的控制单元，可实现远距离控制；⑤控制部分具备远距离启停、异常情况下自动断电等保护功能，在遇到废水罐底部不锈钢钢板时必须能够实现报警，并自动停止工具，不允许将不锈钢钢板 破坏。

（2）回取工具。①由于空间尺寸受到限制，同时满足负载及爬坡需求；②通过线控方式，控制机器人在罐体底部进行移动并完成淤泥清理作业，发生故障时，控制终端处显示异常情况，并发出声光报警；③配备泥土松动装置，由清淤电机带动刷盘旋转，将罐底的淤泥打散，进行后续处理；④配备负压吸取功能，可将罐底松散状态的淤泥收集，收集后的淤泥暂存于暂存罐内；⑤配备视频监控系统，由机器人上摄像头及环境摄像头组成，可同时监控机器人位置、姿态及机器人前部待作业位置实际状态；⑥配备作业辅助装置，包含机器人从井口吊起放下的吊装工具、通讯及供电线缆绞盘、井口环境检测及导向用的装置等。

2.3 方案设计

为了完成废水罐罐内淤泥和残水清理工作，设计了如下的工作方案流程，首先开展废水罐现状调查；设计废水罐淤泥取样工具进行取样，并对其放射性剂量进行评估；设计淤泥、废水清理机器人；进行现场施工处理，完成清理废物的转运工作；最后对现场及清理设备进行恢复。图3为淤泥及废水清理方案流程图。

图3 淤泥及废水清理方案流程

2.4 废水罐淤泥取样工具设计

为了对废水罐底部放射性淤泥进行取样并评估其放射性，设计了一种放射性废水储存罐取样装置，其示意图如图4所示。该取样工具由电机驱动，设置有专门的控制单元，可实现远距离控制，取样机构可在上下、左右、前后一定范围内移动，精确定位取样位置，能够减少操作人员受到的辐射剂量；此外，控制部分具备远距离启停、异常情况下自动断电等保护功能，在遇到废水罐底部不锈钢钢板时能够实现报警，并自动停止取样，保护不锈钢钢板不被破坏；配备了摄像工具和照明工具，能够将取样位置的图像实时传送到显示设备上，方便现场施工人员进行操作。

图4 取样工具整体结构示意图

2.5 淤泥自动回取工具设计

由于废水罐口狭窄、罐深超过10m、内部空气稀薄、放射性剂量高，人员无法直接到罐底开展操作，因此为了降低安全隐患，减少人员受照剂量，设计了淤泥自动回取机器人设备代替人员进入环境复杂、辐射剂量高的工作环境完成淤泥清理工作。

淤泥自动回取设备整体结构示意图如图5所示，主要包括淤泥松动吸取、淤泥负压吸附和淤泥暂存卸料等主体装置。此外，该淤泥自动回取设备也远程操控移动功能、视频监控及图像传输功能、作业照明功能。

图5 淤泥自动回取设备整体结构示意图

通过线控方式，控制机器人在罐体底部进行移动并完成淤泥清理作业，控制终端始终显示机器人本体的基本信息、故障信息、操作信息、异常报警信息等，并可实时回传机器人作业时的图像数据。当机器人发生故障时，控制终端处显示异常情况，并发出声光报警，提示操作人员进行处理。淤泥回取机器人设计控制逻辑如图6所示。

图6 机器人控制逻辑

3 废水罐清理

3.1 任务要求

废水罐罐内淤泥回取干净，罐内不存在可流动介质，通过观察每个废水罐罐内固体残留量不大于1L；清理过程不能对废水罐内表面产生任何损伤；此外，现场施工人员个人所受剂量要求小于3.75mSv。

3.2 源项调查

首先采用设计的取样工具，对废水罐底部残留淤泥进行取样和测量分析。1#废水罐底泥基本集中在罐底平台，厚度在3～5cm；2#废水罐底泥基本集中在罐底平台，厚度在1～2cm；3#废水罐底泥主要集中在罐底平台，部分在直径5m范围不均匀分布，厚度在3～5cm。

通过对3个废水罐源项调查、取样分析，废水罐内源项结果见表1。

表1 废水罐底泥源项调查结果

3个废水罐内主要放射性核素是137Cs、60Co，按照《放射性废物分类》2017（65号文）规定进行废物分类，废水罐内底泥均属于低放废物。

3.3 淤泥回取及清理

采用设计研制的淤泥自动回取机器人对废水罐内泥土进行回取。首先，利用辅助作业吊装设备将机器人吊运至废水罐底部；通过地面有线操控机器人进行罐底作业，操作机器人通过视频监控系统对罐底淤泥或已经板结的泥土先进行破碎后再通过机器人回取，回取后的淤泥装入转运吊桶后通过机械龙门架提出废水罐至地面，将淤泥装入特定废物桶暂存。

清理工作完成后，3个废水罐井口位置剂量率约为原来的1/8。表3为清理前后3个废水罐口位置剂量率对比。

表3 清理前后3个废水罐口位置剂量率对比

本次清理工作达到了预期任务目标，废水罐罐内淤泥已回取干净，罐内不存在可流动介质，通过观察废水罐罐内固体残留量不大于1L；清理过程中未对废水罐内表面产生任何损伤；实施期间工作人员最大有效剂量为0.169mSv/人，未超过方案设计中的限值3.75mSv/人。

4 结论

针对101堆废水贮存罐淤泥清理工作，进行了现场实施方案及取样清理工具设计，顺利将101废水罐罐内的淤泥清理干净，符合最终状态要求。设计研制了底泥取样专用工具，完成了远距离底泥取样和放射性测量分析；设计研发了地下罐体底泥回取远程遥控设备并进行了工程实施，为类似工程提供了良好的经验借鉴。此外，实施过程中辐射安全措施、工业安全措施合理有效，未发生辐射安全和工业安全事件。