放射性廢物水泥固定過程中抗漂浮裝置的初步設計

王展鵬 于 博 薛艷軍 林桐旭 徐 坤

(山東核環保有限公司, 山東 煙臺, 265116)

目前，大部分核電站產生的放射性固體廢物都采取超壓減容和水泥固定的方法進行處理[1,2]。水泥固定具有處理簡單，加工技術良好，固定產品的熱穩定性、化學穩定性和生物化學穩定性良好等優點。由于灌漿所用水泥密度往往高于超壓后的放射性廢物壓餅密度，在灌漿過程中經常出現廢物壓餅漂浮問題，致使灌漿過程無法正常進行，需要人工干預，也導致工作人員接受不必要的照射[3]。

1 某核電站放射性廢物水泥固定流程

某核電站廠址放射性廢物處理設施固廢處理流程如圖1所示。來自核島的裝有技術廢物的200 L桶首先進入射線成像裝置進行無損檢測，以確定桶內是否存在不可壓縮的廢物，然后將200 L桶的廢物倒入分揀手套箱進行分揀，其中可壓縮廢物直接裝入分揀手套箱內的廢物桶，并由分揀手套箱自帶的預壓機將桶內的廢物壓實，壓實并裝滿的200 L桶經軌道移動至核素分析裝置(HRGS系統)進行核素種類、活度及廢物桶重量測量，然后移動至超壓機進行壓縮(減壓比1∶5～1∶10)。超壓后的壓餅測量完高度后暫存在優選臺，待存滿8個壓餅后，由壓餅裝載人員進行優選分裝，壓餅使用壓餅抓具裝入320 L再包裝桶內，之后在灌漿站灌漿及封蓋。水泥固定后的再包裝桶被運往暫存庫進行暫存[4]。

200 L桶內廢物主要是來自核島產生的技術廢物，包括聚乙烯制品、棉織品、橡膠制品，以及部分不可壓縮的金屬、方木等?？胀爸?8.7 kg，為直開口鋼桶，外徑588 mm，高903 mm，壓縮后外徑會少許擴大，空桶壓縮后高度在100 mm以上，320 L再包裝桶也為直開口鋼桶，內徑580 mm，內高959 mm。如圖1，壓餅優選后通過抓具整齊的放入320 L再包裝桶中間。表1中列出了部分200 L桶調試時壓縮后的實測數據。

圖2給出了灌漿站和壓餅抓具示意圖，水泥灌漿頭由一定高度的框架支撐，框架高度允許再包裝桶移動至灌漿站，桶下方為振動臺，可在灌漿過程根據需要開啟，使水泥漿填充密實。水泥灌漿開始前，灌漿頭先下降至再包裝桶上方位置，水泥漿液符合輸送條件后，操作人員開啟水泥灌漿電動閥，啟動灌漿泵，開始進行灌漿操作，灌漿頭上部設有雷達液位計，當再包裝桶內的水泥漿液位高度達到設定值時，灌漿自動停止。

灌漿所使用的水泥漿液密度約為1 680 kg/m3(由灌漿系統水泥漿液配方計算而來)，在實際運行過程中，由于200 L桶內混裝金屬、棉織品、聚乙烯等各種技術廢物，超級壓縮過程中金屬制品難以壓縮，但是棉織品和聚乙烯制品還未完全壓實，導致桶內形成空腔，尤其是聚乙烯制品可能包含空氣。所以，當壓餅內部存有空腔或者內容物密度小，都可能導致壓餅在灌漿或水泥固定過程中出現壓餅漂浮或傾斜而漏出水面(下文簡稱“上浮冒頭”)，不能實現完全包容放射性廢物的目的，導致再包裝桶的放射性劑量升高。若出現壓餅上浮冒頭情況時，就需要人工進行干預，會使人員受到不必要的照射(超壓室和水泥灌漿室的輻射防護分區屬于黃區，場所劑量率為0.1～1 mSv/h，為限制人員出入區域)。

2 抗漂浮裝置的設計

為解決壓餅在灌漿或水泥固定過程中出現壓餅漂浮或傾斜問題，本文在原包裝桶桶壁四處褶皺導軌上分別加裝一個防漂浮擋片(設計簡圖示于圖3)，檔片為金屬材質，加裝高度為距離桶底部內表面820 mm(實際可用裝載高度為790 mm)，以便阻擋壓餅在灌漿時漂浮超出擋片高度，同時又保證壓餅裝載時抓具和壓餅能正常伸入320 L包裝桶內部，抓具拔出后擋片能及時反彈歸位。

圖4給出了320 L桶抗漂浮裝置安裝前后的照片，擋片的轉軸安裝在桶壁褶皺導軌上，使擋片能在垂直面上順時針90°旋轉，保證壓餅能夠順利進入桶內，壓餅裝載完畢后擋片在彈簧的作用下回彈歸位，擋片后固定一個限位塊，使擋片可以阻擋壓餅反彈或者漂浮。

圖3 抗漂浮裝置設計簡圖

圖4 320 L桶抗漂浮裝置安裝前、后示意圖

3 建模分析擋片長度和裝載率的關系

擋片安裝完畢后，確實減少了壓餅上浮冒頭的現象，但是漂浮情況還是存在。根據生產活動的實際要求，抗漂浮裝置的抗漂浮率必須達到100%，所以在擋片長度一定的情況下，再包裝桶裝載率要盡可能大，這樣剩余的空間就越小，最上層壓餅的騰挪空間也越小，壓餅漂浮超出擋片的可能性就越小。從廢物桶大小規格可以看出，壓餅與320 L的內徑之間的間距非常小，實際上也是只有最上層壓餅出現上浮冒頭現象，所以只需要對最上層壓餅進行數學建模分析即可。

基于上述要求，建立數學模型，模擬計算出當漂浮率為0時，擋片長度與再包裝桶裝載率的函數關系，驗證擋片有效性的同時，確定一個安全的裝載高度區間(漂浮率為0)，操作人員在壓餅裝載的優選過程中，只需要將320 L桶的裝載率控制在安全裝載高度區間內，就可以確保最上層壓餅不出現上浮冒頭現象。

由于灌漿后，最上層壓餅在包裝桶內的位置不固定，冒頭情況多樣，數學模型就無法建立，實際操作中發現若是壓餅水平上浮的話，是一定無法越過擋片的，只有在壓餅傾斜上浮時才有可能冒頭(圖5)。所以，以壓餅最有可能超出擋片的位置進行計算，若此時壓餅的漂浮率為0，則壓餅的任意其他位置的漂浮率也為0，此時推導出的安全裝載區間也必然在其他情況下的安全裝在區間內。

為方便平面之間坐標系的建立，先不考慮最上層壓餅厚度，因為壓餅過厚，傾斜時與320 L桶內壁接觸便不可能漂浮，如圖6所示，以o(0,0)為原點，320 L再包裝桶俯視圖為平面建立平面直角坐標系，x、y分別表示坐標中點的橫坐標和縱坐標，坐標系中較大圓為320 L再包裝桶(內徑340 mm)，其中擋片的延長線與x軸夾角為30°(抓具和320 L桶的原設計和制造就是120°和60°的夾角)。

圖5 灌漿過程中最上層壓餅移位傾斜的情況簡圖

圖6 以壓餅在桶內最不利位置的情況建立水平直角坐標系的數學模擬模型

結合實際情況，當320 L再包裝桶內不斷的注入密度約為1 680 kg/m3的水泥漿液時，最不利的情況就是壓餅以直線ox為軸z點為中心向上傾斜，當壓餅最外側恰好超出1、2號擋片時壓餅就突破擋片限制，上浮冒頭了。所以數學模型建模思路就是：聯解直線S和圓Q的軌跡方程，求得交點坐標，然后用交點坐標表示出1號擋片的長度以及壓餅傾斜的高度，前文說明最上層壓餅要上浮冒頭需要一定的騰挪空間，這個騰挪空間就是此時壓餅所需的傾斜高度。擋片在320 L桶內的高度減去壓餅傾斜高度得到剩余壓餅的裝載高度，從而建立了擋片與裝載高度的關系公式，也就得到了每個擋片長度時對應的壓餅安全裝載區間。圖6中圓Q的軌跡就是壓餅傾斜后在平面直角坐標系平面內的投影。

圖6中壓餅在320 L桶內的位置即為最不利情況下壓餅恰好可以超出擋片的情況。壓餅外圓不傾斜時的軌跡方程為：

(1)

式中，x為壓餅外圓的橫坐標，mm；R為320 L桶內徑，取340 mm；y為壓餅外圓的縱坐標，mm；r為壓餅的外徑，取305 mm。

代入式(1)得：

(2)

設此時的壓餅的傾斜角度為a，可以分析出壓餅外圓傾斜度為a時在水平面坐標軸上的投影坐標方程式為：

(3)

直線S的方程為：

(4)

當Q=S時，聯解方程式(3)、(4)，可求得兩方程式的交點坐標：

(5)

由式(5)得交點橫坐標x值。

則此時擋片的長度N(mm)為：

(6)

由于此時壓餅的傾斜高度為H(mm)，得：

(7)

聯解式(5)～式(7)，可得N和H之間的函數關系公式。

表2 部分計算數據結果截取

根據表2的數據分析可知，壓餅恰好超出擋板的H傾斜高度與擋片的長度N成正比，擋片越長壓餅所需要傾斜的高度就越高，意味著壓餅越難超出擋片。然而并不是擋片越長越好，還要考慮其他各方面因素，從擋片的強度和材料的耗費以及最大裝載率來說擋片越短越好，同時要考慮壓餅入桶后擋片的回彈空間問題。

為了能更好的表達變量之間的關系，引入如下定義。

最低裝填高度E(mm)：壓餅恰好可以超出擋板，并與擋板相交時，再包裝桶的壓餅的裝填高度，當裝填高度高于最低裝填高度E時為安全(不可超出)高度，當裝填高度低于最低裝填高度E時為危險(可超出)高度。

最高裝填高度F(mm)：當抓具將壓餅放入廢物桶后，擋片必須能順利回彈，如果壓餅裝載率過高，擋片卡住，擋片的阻擋作用失效，所以最高裝填高度F就是擋片恰好能順利回彈時壓餅的裝載高度。

有效裝填高度G(mm)：320 L再包裝桶可用的壓餅裝載空間高度，G=790 mm。

最低裝載率T，最低裝填高度時的裝載率：

最高裝載率R，最高裝填高度時的裝載率：

要用傾斜高度表示出此時再包裝桶的裝載高度，就必須考慮最上層壓餅的厚度，設再包裝桶內最上層一個壓餅的厚度為P(mm)得，

E=790-H+P(1-cosa)

最大有效裝載高度F，擋片恰好可以回彈到位時桶的最大裝載高度：

所以安全裝載區間e為：T

由上述計算可以看出，當最上層一個壓餅厚度P值和檔片長度N值確定時，就可以確定出320 L再包裝桶漂浮率為0的安全裝載區間，為操作員的手動操作甚至是全自動的優選裝載過程提供依據。

4 《壓餅優選安全裝載區間表》的應用

實際上壓餅裝載過程中，優選臺上存放8個壓餅，抓具抓持壓餅的同時測量壓餅的高度，操作人員根據壓餅高度對壓餅進行優選以達到320 L桶的最高裝載率，達到廢物最小化的目的，但是這樣做有可能增大了壓餅上浮冒頭的概率，也可能造成擋片被壓餅擋住，無法回彈，失去作用。

為解決上述問題，并使320 L再包裝桶擋片長度的選用更合理，本文通過計算制做表格《壓餅優選安全裝載區間表》(選用部分數據示于表3)供操作人員參考使用。

表3 壓餅優選安全裝載安全區間 (%)1)

1) 通過計算得到的320 L再包裝桶相對應的安全裝在區間。

舉例說明，壓餅裝載人員在壓餅優選裝載過程中，先對壓餅的平均密度和內容物(廢物跟蹤系統已有完整的數據)進行分析，如果不存在上浮冒頭風險，壓餅裝載人員就可選用無擋片的320 L桶再包裝桶，已達到廢物最小化目的，如果存在上浮冒頭風險，壓餅裝載人員就可以參照《壓餅優選安全裝載區間表》根據裝載率和最上層壓餅厚度選用合適擋片長度的320 L桶進行裝載。

根據經驗每裝載一層壓餅都會增加約320 L桶0.5%的實際裝填率，所以實際裝填率需要考慮c×0.5%的修正(c為裝載層數)，防止超出安全裝載率區間上限，導致壓餅無法回彈。

5 結語

核電廠放射性技術廢物的壓縮減容和水泥固定處理是非常重要的處理方式之一，本文在320 L再包裝桶中設計安裝一種壓餅的抗漂浮裝置，在水泥灌漿固定過程中，壓餅的上浮冒頭現象能被有效的阻擋，以減少人員的干預，從而避免人員受到不必要的照射。建立了數學建模，對擋片和壓餅的裝載率進行分析，并為320 L桶制作了《壓餅優選安全裝載區間表》，為操作人員對不同擋片320 L桶的選用以及壓餅的優選裝載和放射性廢物最小化提供理論依據。

該裝置不僅能有效的阻擋壓餅的漂浮，且制造簡單、成本低廉，不需要人工干預，幾乎不會增加放射性廢物產生量，大大降低人員受輻照劑量。