放射性地下构筑物退役技术路线研究

郑 莉，龙再沄，王昊雷

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

1 概述

目前，我国历史遗留的、在运及在建的核设施中都存在一定数量的地下建(构)筑物，地下建(构)筑物由于其特殊的位置，给其退役增加了一定的难度，为了保护工作人员、公众及环境的安全，如何更快速高效地完成其退役，且保证其退役过程中不对环境造成过多的放射性影响，将是其退役技术路线确定时一个重要的考虑内容。

本文将根据不同类型地下建(构)筑物的特点出发，对其内部废物回取、建(构)筑物主体拆除技术路线进行论证，从而针对不同类型的地下建(构)筑物提出推荐的技术路线及其论证时需考虑的方面，为今后地下建(构)筑物的退役提供技术路线确定的参考方法。

2 放射性地下构建(构)物类型及特点

我国现有放射性地下建(构)筑物主要包括两大类：一类是直接埋于地下的构筑物；一类是建筑物的地下部分。这两类设施的特点如下：

1)直埋于地下的构筑物。这类设施多以贮罐、水池及废物坑等类型设施为主，其多为历史遗留设施，建于20世纪50年代～70年代之间，依靠将其建在地下达到利用周围土壤进行屏蔽的作用。这类设施由于直埋于地下，且没有其他建(构)筑物将其与环境隔离，因此一旦将其外部构筑物主体破坏，则其中存放的放射性物质将直接与环境连通。

2)建筑物的地下部分。我国建设的部分核设施包括地上及地下两部分，这类核设施的地下部分包括布置管道及设备等放射性物项的普通房间，留有专门的出入口可供人员及设备进入，对于这类房间其虽位于地下，但其退役与地上部分没有差别，本文不再特殊论述。

部分地下房间布置有大型贮罐或是封闭的设备室，其大部分为放射性废液的贮存区域，没有专门的人员进出通道，需要考虑特殊的方法及手段，但由于其位于建筑物内部，与环境之间存在建筑物外墙的隔离，在其主体被打开后不会与环境直接连通。

本文以下论述的地下建(构)筑物退役主要针对的就是直埋于地下的构筑物，以及建筑物内部位于地下的大型贮罐及设备室退役，下文统称为地下构筑物退役。

3 放射性地下构筑物退役技术路线分析

由于待退役的地下构筑物在退役时都存放有液体或固体放射性废物，因此其退役包括废物回取及构筑物主体拆除两大部分内容，以下将针对两部分内容分别进行论述及分析。

3.1 废物回取方法

放射性废物的回取工程作为一类较为特殊的工程，其特点为[1]：

1)放射性废物源项信息多数不完整，甚至缺乏源项数据。2)废物贮存设施内部辐射较强，多数不适于人员进入或直接操作。3)废物转运设备没有考虑废物回取的需求，而且老化损坏情况严重，无法在回取过程中直接利用。4)多数情况下，废物堆放和包装方式混乱。5)通风标准较低，甚至存在与外环境连通的现象。6)辐射防护设计标准低，基本没有剂量报警系统和放射性气溶胶监测系统。

以上特点增大了回取工程在设计和施工上的难度，必须根据回取废物类型特点及回取目标来制定回取计划，选择或设计专用回取设备。

以下将根据常见的不同类型的废物分别介绍常见的回取设备种类。

3.1.1 液体(含泥浆)类废物回取技术

1)液体输送泵。若地下贮罐中存有的液体废物流动性较好，或可实现多点布设设备，则可以简单通过放入泵类设备实现放射性液体废物的回取，几种常见类型的液体输送泵介绍如下：a.离心泵。离心泵是最常见的泵，可以使用长轴由电机驱动，也可以使用一个紧密连接的潜水器系统。在萨凡纳河，使用四个长轴垂直离心泵将大部分的污泥从一个3 000 m3容量的储罐中移出。这些110 kW的水泵综合使用双射流和泵系统混搭回取放射性废物。位于中心线的泵把放射性废物吸入，然后废物通过两个喷射器从位于两端的泵排出。b.水力喷射泵。水力喷射泵的范围从低压(7 bar)驱动到高压(700 bar)驱动。高压驱动系统在抽水过程中需要添加少量的水(通常需要使用干净的水)，但需要更复杂的驱动泵。低压驱动系统更便宜、更易于使用于回收液体。c.蒸汽喷射泵。这种泵在美国废液回取中已实行多年。蒸汽喷射泵(也称为蒸汽喷射器)需要最低的净加水量，形成特定高驱动能量，从而实现抽水过程。蒸汽喷射泵使用过程中，通常需要一个分离储罐排出夹带的气体。d.气动容积泵。气动容积泵有相对较低的泵率，但能提升放射性废物高度可超过18 m(当待回取废物位于埋深较深的结构或容器中时，这可能是一个重要的能力)。它性能可靠，但很容易被固体材料(砂和砾石等)缠住。在已有实践中，一个有着12 m压头，0.5 m3/min流量的气动双隔膜泵可以用来清除存于萨凡纳河储罐中超过7.5 m3的污泥和近1 100 m3的氚化水。另一个项目中，利用了一个简单而廉价的容积式泵在伊拉克的地下储罐中泵取污泥和液体。e.射流泵。射流泵使用射流止回阀或射流放大器来形成真空和排出液体压力。这个系统允许泵不用向储罐内引入移动部件。两种类型的射流泵通常用于回取放射性废物：射流二极管泵和反向流动分流器。射流二极管泵的二极管充满在一个单向流动和25%逆转流道内。通过喷射泵吸入作用，反向流分流器吸引液体进入电荷容器。当电荷容器排放，喷射泵喷射更多液体增加流量。

2)辅助工装。目前我国存放放射性废液的贮罐中，大部分由于废液贮存时间较长，贮罐底部存有一定厚度的泥浆，需要一并回取。由于泥浆长时间沉积，流动性较差，单纯通过泵进行定点回取效果不好，需要有辅助工装配合泵实现放射性废液及泥浆的回取。下面介绍两种常用的辅助工装:a.机械臂。机械臂可通过在贮罐顶部选定位置开孔后安装，而后携带泵的抽吸口在贮罐内部移动来接近所有的废物，实现贮罐内部各位置处废液及泥浆的回取操作。这样的系统需要一个广泛的基础设施和大量的初始投资。下面描述几个已有应用的长距离机械臂[2]:一是改进后的轻型实用臂(MLDUA)。这个系统使用一个弯曲度为7°的自由机械臂，能够通过30 cm(实际间隙27 cm)开口来部署各种回取工具。机械臂部署在橡树岭的7个地下储罐：两个直径7.5 m容器，5个直径15 m容器。机械臂可达到的范围是：垂直距离15 m；水平距离4.5 m。它是能够达到90 kg的有效载荷。因为MLDUA可达的水平距离有限，在一个直径15 m的储罐内，要实现罐内完全覆盖，需要部署4个位置点。二是先进的废物回取系统。这个系统包括一个可达4.5 m距离的回取机械臂，安装在一个从地面延伸到储罐顶部的工具部署杆。该系统是远程操作，机械臂和可以沿着部署杆上下移动的其他工具安装在杆上。这个系统可以通过60 cm开口插入，配合使用蒸汽喷射泵从储罐底部取出真空污泥残渣，这个系统采用γ测量工具和泄水射流喷嘴来对回取机械臂末端和清洁罐壁进行特性调查。它被用于美国西谷示范工程。b.泥浆回取机器人。机械臂适用于贮罐内部没有遮挡物，当有些贮罐由于尺寸较大，内部布设有支撑柱等结构，会阻碍机械臂操作；或当贮罐尺寸较大，需要在多点布设机械臂以满足覆盖全部空间时，可考虑利用可移动的机械设备作为载带平台，辅助泵完成全部范围内的废物回取工作。在民用行业上，常用一种水下清淤机器人在特殊环境下代替人进行城市河道、涵洞清淤等作业，其依靠电缆提供的动力驱动载体上装有的推进器在水下运动，并装设照明、摄像、水下成像声纳等观测设备以及液压驱动绞龙来完成水下工作的作业工具。自动清淤机器人代替人进行地下管道的清淤疏通，既提高了工作效率又降低了成本，有效地解决了市政、污水、供排水、工矿企业地下管道疏通的难题。机器人的带缆带管最大作业距离200 m，带缆最大作业距离是500 m。如图1所示为水下清淤机器人本体，其可搭配绞笼或机械臂等不同设备实现不同的操作需求。

受其启发，中国核电工程有限公司研制了一台泥浆回取机器人，其可携带渣浆泵等回取设备进入贮罐底部，通过在贮罐底部边行走边进行回取，可实现贮罐残留放射性泥浆及废液的回取操作。

3.1.2 固体废物回取技术

在固体废物回取时，由于不同废物贮存设施的尺寸、结构形式、废物堆积及存放形式等现场情况差别较大，因此，需要根据现场实际情况考虑选用或设计满足废物回取要求的设备，下面对几种常用的工装及使用实例进行介绍[3]:

1)伸缩臂抓斗(见图2)。工程上常用的一种挖掘工具为伸缩臂抓斗，该种设备吨位往往在20 t以上，用于开挖工程量巨大、深度较深的基坑、竖井等。此种工具用于回取时，效率高，抱合力大，适用于大面积、放射性水平较低且作业空间开阔的废物回取场景。其最大的缺点是灵活性差、体积庞大，特别是对于狭窄井口的贮存井而言，井口正下方以外的空间难以抵达。此外，若待回取设施周边存在其他核设施，会使得操作空间局促、工作高度很大，易造成设施的损坏，且不易于包容设施的设计与安装。

2)抓斗机(见图3)。挖掘抓斗机主要适用于开挖建筑物基础，挖掘基坑，装载、夯土、破碎等作业；更换工作装置或装配特殊机械臂后可进行抓取、夹持、剪切、钻孔等诸多作业。此类设备具有多种动作方式，操作较为复杂；机械臂传动装置过多，整体故障几率会随之增大，若当手臂延展至空间狭小的废物贮存设施内发生故障时，设备本身所占空间会阻碍其他工具进入井内，难以进行维修，从而导致项目进度停滞。因此，此类设备也适用于大面积、放射性水平较低且作业空间开阔的废物回取场景。

3)套筒回取设备(见图4)。可伸缩套筒臂通常是由一系列同心、薄壁的单元相互嵌套在其中而形成。滑动套管之间带有导向滑动装置，展开形式分为同步展开和逐步顺次展开。该设备已经被应用于乏燃料池中乏燃料的放置与取出，也应用于法国马库尔后处理厂石墨泥浆废物回取、转移、去污的退役项目中。该设备可匀速伸长套筒并能保证高精度，适用于一定深度的固体废物回取工作，但由于套筒单元连接承受力矩与扭矩能力有限(高精度)，当废物深度超过20 m后，套筒末端会较脆弱，且设计制造费用极高，因此套筒回取设备不适用于过深位置的废物回取工作。

4)起重设备+抓具(见图5)。核级起重设备已经被广泛应用到核电站，以岭澳核电站为例，起重设备多达250余台，10余种类型，电动类起重量从1 t到407 t，其精度、安全、可靠性都已达到很高水平。此类设备在国际上也同样成功应用于核设施退役工程中。起重设备具有耐特殊环境性能好，安全可靠性高、保护系统齐全(超载、超速、限位、断轴、断绳等保护)、动作平稳、定位准确等特点。例如德国研制的放射性废物回取装置——A1000系统，由起重设备、伸缩杆、操作机手臂、滑轨、电器系统等组成，此类设备适用于安装其中设备的场合，且需要考虑伸缩杆的有效工作范围，当废物所在位置深度过深时，可能会超过其有效工作范围。

5)载带平台+机械臂。退役工程中，也经常需要采用定制特殊设备或系统，以适用于现场的设施结构尺寸、放射性水平、人员防护要求等多方面的制约因素。机械臂用途广泛，也许是目前最好的仿真手工具，因此特别适用于在人员禁区内进行精细作业(剂量高、高空或密闭空间作业)。为了适应现场情况，可能会研制特殊工装携带机械臂完成废物回取工作，例如安装有机械臂的载带平台可放入废物贮存设施内部，实现废物回取操作，对于较深位置的废物回取是一个较好的弥补和选择。

例如，英国有类似的深井废物回取工程，井深约30 m，其回取装置是采用卷扬机悬吊回取装置的框架，在回取装置的框架上配置机械手的方式。该装置采用吊架搭载机械手的方法，吊架由环形梁和直梁组成，机械手可沿吊架直梁水平移动，直梁可在环形梁上旋转。环形梁由四根钢缆吊装，并且装有三个液压支腿，可由环形梁伸向井壁，使其可稳定悬停在井内的任意高度(见图6)。

至今，国外已研制出大量的回取装置用于放射性废物的回取过程，装置的研制思路多是以市场上成熟的工业机器人为主体和基础，配以外围功能单元，一般根据具体情况再配置行走装置和末端执行器等[4-5]。

3.2 放射性地下构筑物拆除

待完成废物回取操作后，就需要进行构筑物主体的拆除工作。由于构筑物位于地下，因此其拆除有从内向外及从外向内拆除两条技术路线。

3.2.1 从内向外拆除

此类技术路线主要指先从内部将构筑物内的管道、覆面等放射性物项拆除，而后再进行构筑物混凝土主体的拆除工作。采用这种技术路线，常用的手段是通过安装机械臂或放入可行走设备等作为载带平台，来携带拆除工具完成放射性物项的拆除工作，拆除产生的废物也将通过该构筑物已有或新开出口运出。此技术路线要求待拆除建构筑物内部没有大量阻挡物，不能影响机械臂作业或将拆除设备放入其内部，且由于此时放射性物项未全部拆除，因此一般需要采用远距离拆除手段，拆除难度较大，效率稍低。但由于这种拆除方式实施时，构筑物混凝土主体尚未拆除，所有放射性作业全部都在完好的构筑物屏障内完成，因此本技术路线对放射性具有较好的包容性，且作业时不受地下水等外部环境的影响。

3.2.2 从外向内拆除

此类技术路线包括两种情况:一种是完全从外部进行拆除，即首先完成混凝土主体的拆除工作，将内部放射性物项暴露出来后再行切割拆除，这种主要为破坏性拆除，如图7所示；一种是先从外部进行局部拆除，而后设备位于构筑物外部进行内部物项的拆除工作，如图8所示。

此种技术路线相对从内向外拆除而言具有较强的灵活性，无论待拆除构筑物内部是否布满放射性构件都可以用此方法进行拆除；但由于其需要将拆除设备放置在构筑物外侧，因此需要在构筑物外侧有足够的作业空间，且其受到构筑物外侧环境影响较大；另一方面，由于当本拆除作业实施时，所有放射性物项尚未拆除，因此，一旦将构筑物破坏，则放射性气氛将直接与周围环境连通，需要考虑额外的措施控制放射性气溶胶的扩散范围，防止对环境及公众造成污染。

3.2.3 地下构筑物拆除技术路线选择分析

根据不同技术路线的特点，在选择采用何种拆除技术路线时需要综合考虑以下几个方面，以确保最终确定的技术路线合理可行，且对环境和公众安全是友好的：1)构筑物周围环境：若该构筑物整体全部直埋于地下，采用从外向内拆除时需要将周围土壤全部挖开，额外增加了开挖土壤、放坡等工作，此时若构筑物埋深较深，还有可能已经低于地下水位，又会额外采用抽排地下水等降水操作，这会造成项目整体工作量及经费的大幅增加。而且采用从外向内拆除，一旦将建(构)筑物主体破坏，放射性气氛将进入周围环境中，当构筑物尺寸较大时，与环境的隔离措施很难实施或代价十分巨大，因此，这种情况下，推荐采用从内向外拆除的技术路线。若该构筑物位于建筑物内部，周围有足够的作业空间，可实现放射性较好的包容，则周围环境这个因素对技术路线的选择影响不大，需要从别的方面出发，论证并选择最终采用何种拆除技术路线。2)放射性物项拆除难度：若待拆除建(构)筑物内部比较复杂，布满如冷却蛇管等放射性物项，阻碍了机械臂的安装或拆除设备的放入，则推荐采用从外向内拆除的技术路线，为了防止对周围环境造成影响，可考虑如图8的操作方式，先从外部局部开孔，一方面便于在构筑物内部腾出作业空间，另一方面由于开孔较小，也有利于采取措施对放射性进行包容，避免对环境造成影响。若待拆除建(构)筑物内部比较空旷，不影响拆除设备的安装及操作，则放射性物项拆除难度的影响不大，需要从别的方面出发，论证并选择最终采用何种拆除技术路线。3)构筑物尺寸及结构形式：若待拆除构筑物结构形式比较简单，不含有待拆除物项，仅存在内部表面污染，则需考虑其尺寸，若尺寸较小，则推荐采用从外向内拆除的技术路线，先将内表面污染去除后，使其主体达到解控水平，而后挖开周围土壤，让其按照一般建(构)筑物进行拆除；若其尺寸较大，则推荐采用从内向外拆除的技术路线，先将内表面污染去除后，使其主体达到解控水平，而后将顶盖拆除，放入拆除设备从内部将构筑物主体进行拆除。

4 结论

1)本文通过对我国现有放射性地下建(构)筑物的特点进行梳理，发现直埋于地下的构筑物，或建筑物内存放废液或其他废物的构筑物的拆除难度较大，需要考虑其退役技术路线，这类设施的退役主要包括废物回取和构筑物主体拆除两部分内容。2)放射性地下构筑物内一般存放有放射性液体废物和放射性固体废物两种废物类型，本文针对不同类型的放射性废物，介绍了常用的废物回取工具及手段，以及各种工具和手段的特点及适用场景，在实际退役过程中需要综合考虑构筑物结构形式、尺寸、周围设施的举例以及废物存放情况和特性等方面选择确定合适的废物回取技术路线。3)针对放射性地下构筑物，其拆除可分为从内向外拆除和从外向内拆除两条技术路线，本文通过介绍两种技术路线的操作方式以及优缺点，给出了部分场景下的推荐技术路线，但是在实际退役工程中，需要综合考虑构筑物周围环境、构筑物内部放射性物项拆除难度、构筑物尺寸及结构形式等因素的影响，选择确定合适的技术路线，确保其退役过程不会对环境和公众安全造成不可接受的影响。