放射性廢物處理中心廢樹脂運輸槽車系統概述

楊 彤,趙志軍,馬援東

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000)

田灣核電站VVER機組燃料水池和含硼水貯槽水凈化系統(FAL)、反應堆冷卻劑凈化系統(KBE)、冷卻劑貯存系統(KBB)和冷卻劑處理系統(KBF)等都使用離子交換樹脂凈化水質[1]，確保水質滿足各系統使用要求。這些放射性樹脂在失效后不能復用，因此被稱為放射性廢樹脂(以下簡稱：廢樹脂)。根據VVER機組運行實際情況，每臺機組每年預計產生約13.9 m3的廢樹脂。由于廢樹脂富集了放射性核素[2]，必須對其進行適當的處理。為此，田灣核電站建立了一個獨立的子項——放射性廢物處理中心，用于處理全廠機組運行過程中產生的廢樹脂，蒸殘液以及雜項固體干廢物。VVER機組的廢樹脂臨時儲存在核輔助廠房(UKA)液體放射性廢物貯存系統(KPK)貯存容器中，需要處理時通過廢樹脂運輸槽車將廢樹脂轉運到放射性廢物處理中心。同時，在UKA廠房和放射性廢物處理中心廠房中設有廢樹脂運輸的接口箱，用于廢樹脂轉運時槽車與廠房內廢樹脂運輸系統的接駁。

1 廢樹脂運輸槽車

1.1 廢樹脂運輸槽車介紹

放射性廢物處理中心廢樹脂運輸槽車包括牽引車、拖車和箱體等部件，其中牽引車和拖車為常規運輸車輛，本文不做介紹，因此本文介紹的槽車特指箱體部分。放射性廢物處理中心使用的廢樹脂槽車是由國外某公司設計供貨的，每次可運輸約1 m3的廢樹脂。槽車中的貯槽、儀表、泵、閥均由槽車自行控制，隨車設有就地控制系統，其中，閥門為氣動閥門，并設有空壓機為其提供壓縮空氣。槽車將“就位”“連續液位”“高液位”和“高高液位”信號送到主控室，同時高高液位信號也送到就地控制臺進行報警，以便就地操作緊急停泵。在極特殊情況下，如果運輸容器發生泄漏，集裝箱中設置的泄漏報警裝置會探測到，并進行報警。

相比于國內其他核電站槽車，放射性廢物處理中心廢樹脂運輸槽車具有如下特點：

1)廢樹脂正壓輸送。廢樹脂既可以通過正壓輸送也可以通過負壓輸送，正壓輸送是通過設置在核島廠房的軟管泵將廢樹脂輸送到槽車中，而負壓輸送則要在槽車中配備負壓系統，通過槽車自身形成負壓進行廢樹脂的輸送。相比于負壓輸送，正壓輸送具有槽車內部系統簡單，操作簡便，可靠性高等優點。

2)獨特的篩網結構。在槽車廢樹脂運輸容器內底部設有獨特的篩網結構，篩網間隙為0.2 mm，用來分離廢樹脂和運輸水。廢樹脂裝載時，通過篩網分離作用將廢樹脂留存，運輸水則通過篩網下部返回廠房中。待廢樹脂運輸到放射性廢物處理中心后，通過篩網下部引入的運輸水對其進行反沖洗來實現廢樹脂卸載。因此槽車在廢樹脂運輸過程中不含運輸水，且能夠一次運輸較多廢樹脂。

3)安全性更高。廢樹脂運輸槽車內運輸容器、屏蔽容器安全裕量大，安全系統設計冗余，確保了槽車的安全性能，而且田灣核電站廢樹脂運輸槽車取得了《危險貨物國際道路運輸歐洲公約》安全認證(ADR認證)，具備裝載放射性廢樹脂在公路上行駛的條件，因此該槽車具有非常高的安全性。

1.2 槽車組成

槽車主要包括集裝箱、廢樹脂運輸容器、屏蔽容器、軟管泵、快速接頭、運輸軟管及配套閥門、泄漏報警系統、液位測量系統、就地控制系統等。

1)廢樹脂運輸容器采用316 L不銹鋼制造而成，在容器外還外加一層厚度為120 mm的屏蔽容器。為起到更好的屏蔽作用，在兩層容器頂部空間填充了鉛粒，確保在運輸過程中槽車外表面劑量率滿足國標GB 11806—2019《放射性物質安全運輸規程》第8.4.2.3條[3]不超過2 mSv/h的要求。槽車罐體簡圖如圖1所示。

圖1 槽車罐體Fig.1 Tank of transport wagon

2)集裝箱采用國際標準ISO集裝箱，便于集裝箱與運輸車輛固定。運輸容器、屏蔽容器以及上述輔助設備均裝在集裝箱中，集裝箱上頂部蓋板可拆卸，并設有兩個通道，滿足槽車內部設備運維及保養的要求。同時，槽車集裝箱取得了《國際集裝箱安全公約》安全認證檢驗證書(CSC證書)，確保廢樹脂運輸安全可靠。因此，集裝箱是保護廢樹脂運輸過程中的一道重要屏障。集裝箱簡圖如圖2所示。

圖2 集裝箱Fig.2 Container

3)快速接頭采用國外某公司生產的雙球閥型干式快速接頭，最大工作壓力為10 bar。該快速接頭具有安全連鎖功能，只有在關閉情況下，系統才能進行廢樹脂運輸工作。在快速接頭連接和斷開時，沒有液體流出和滴落，避免造成液體外流的放射性風險。快速接頭示意圖如圖3所示。

圖3 快速接頭Fig.3 Quickcoupler

4)接口箱用于廢樹脂運輸時與槽車中伸出的快速接頭連接，是槽車運輸廢樹脂必不可少的設備，安裝在核島UKA廠房濕廢物轉運間及放射性廢物處理中心濕廢物轉運間墻上。接口箱內設有兩個配對快速接頭，均為無滴漏雙球閥快速接頭，一個用于廢樹脂和水的混合物的運輸，一個用于沖排水運輸和系統排氣。接口箱示意圖如圖4所示。

圖4 接口箱Fig.4 Interface box

廢樹脂運輸槽車主要設備性能如表1所示。

表1 主要設備一覽表

1.3 VVER機組廢樹脂轉運流程

1.3.1 相關系統

液體放射性廢物轉運系統(KPH)用于將VVER機組核島內液體放射性廢物貯存系統(KPK)貯存的廢樹脂轉運到KPM系統的運輸槽車，KPH系統設備在VVER機組UKA廠房內各設一套。廢樹脂槽車在裝載、運輸、卸載廢樹脂過程中主要包括如下系統：

1)KPK系統：VVER機組核島液體放射性廢物貯存系統；

2)KPH系統：VVER機組液體放射性廢物轉運系統；

3)KPM系統：放射性廢物處理中心廢樹脂運輸系統。

1.3.2 廢樹脂運輸前的準備

廢樹脂運輸槽車停靠在UKA廠房外限定位置，UKA廠房外墻上的保護裝置與槽車尾部形成密封，以保證在軟管和快速接頭出現特殊情況時將放射性介質滯留在控制區,再由工作人員站在UKA廠房濕廢物轉運間鋼平臺上打開外墻上的邊界門，然后將槽車上的軟管和快速接頭通過槽車導軌伸入UKA廠房內，此時軟管和快速接頭中沒有放射性介質。工作人員站在鋼平臺上連接槽車軟管、供電電纜、控制電纜并打開快速接頭上的手動閥門，然后通過槽車控制系統使槽車處于可以接收廢樹脂的狀態。

當槽車的電纜和軟管與接口箱連接完畢后，操作人員離開濕廢物轉運操作間，進行遙控操作。在輸送廢樹脂前，需要對軟管和快速接頭進行工作壓力下的壓力試驗，以檢測設備可能出現的泄漏或故障，同時在使用前需要對各種閥門、壓力開關、液位檢測的功能進行驗證，以確認槽車上各閥門和儀表處于正常狀態，確保槽車檢查和試驗完成后處于可用狀態。然后操作人員向主控室發送“就位”信號。

1.3.3 向槽車裝載廢樹脂

主控室控制KPK系統廢樹脂輸送泵將貯存的廢樹脂開始進行循環攪拌，以確保廢樹脂輸送的順利進行,然后打開相應閥門，將攪拌均勻的廢樹脂通過KPK系統輸送泵輸送到槽車中，輸送時廢樹脂和水的比例約為1∶1，可通過管道視鏡來觀察廢樹脂的流動情況，同時槽車上另一個快速接頭連接核島通風系統進行排氣。廢樹脂槽車運輸容器底部設有篩網將廢樹脂和水進行分離，槽車在接收廢樹脂的過程中，廢樹脂被篩網攔截下來，沖排水則透過篩網由下面管線送回到KPK系統廢樹脂貯槽中，因此槽車運輸廢樹脂的過程中，運輸容器內基本上都是廢樹脂，只有少量的游離水存在。當槽車內廢樹脂到達高液位后，KPH系統將切換到循環模式，KPK系統輸送泵轉運的廢樹脂和水的混合物將直接返回到KPK系統的廢樹脂貯槽，不再送往槽車。

然后打開泵入口的除鹽水閥門，對KPK系統樹脂輸送泵入口、管道及接口箱進行沖洗，再進行反向沖洗，將輸送管線上殘留的廢樹脂輸送回KPK系統。由于運輸管道和軟管設有坡度，沖洗水靠重力最終流入運輸槽車。管線清洗結束后，操作人員進入UKA接口箱房間，斷開與接口箱相連的快速接頭和電纜，槽車上所有閥門均處于關閉狀態，廢樹脂裝載完成，槽車離開UKA廠房前往放射性廢物處理中心。工藝流程示意圖如圖5所示。

圖5 向槽車裝載廢樹脂Fig.5 Loadingspent resin to transport wagon

1.3.4 向放射性廢物處理中心卸載廢樹脂

裝載廢樹脂的運輸槽車駛入放射性廢物處理中心濕廢物運輸間，車輛駛入后關閉濕廢物運輸間大門，確保卸載過程滿足輻射防護要求。操作人員進入該房間內設置的鋼平臺，打開接口箱和槽車尾部快速接頭邊界門，連接供電電纜和信號電纜，通過槽車接口箱取出快速接頭。然后將快速接頭與接口箱相應的配對接頭兩端對準夾緊并旋轉90°，完成接頭對接工作。接口箱底部設有地漏，地漏連接至廠房廢液收集系統，在特殊情況下快速接頭密封墊圈損壞時，接口箱中的地漏將收集這些廢水至廢液收集系統，防止放射性運輸水釋放到環境中。

槽車運輸容器的底部設有篩網，卸載廢樹脂時通過槽車自帶的軟管泵不斷向濾網下注水，注入的水來自放射性廢物處理中心廢樹脂貯槽，水流能夠造成容器底部局部擾動，緊貼篩網的部分廢樹脂和水快速混合，然后通過放射性廢物處理中心KPM系統輸送泵將篩網附近的樹脂和水的混合物輸送到放射性廢物處理中心廢樹脂接收槽中。轉運過程中水和樹脂的混合比例仍為1∶1。

槽車卸載廢樹脂完成以后，輸送泵和管道用除鹽水進行沖洗，由于管道和軟管設有坡度，沖洗水靠重力流入運輸槽車，槽車內的沖排水可以通過KPM系統輸送泵送到廢樹脂接收槽中，然后斷開快速接頭，廢樹脂卸載完成。由于快速接頭閥門上設有機械鎖裝置，當斷開快速接頭時，需操作人員按住機械鎖才能打開快速接頭，快速接頭和軟管均放置在槽車尾部專用托盤內以備下次轉運時使用。工藝流程簡圖如圖6所示。

圖6 槽車卸載廢樹脂工藝流程簡圖Fig.6 The process flow of unloading spent resin from transport wagon

2 模擬試驗

廢樹脂運輸槽車在設備出廠前進行了多次調試試驗和模擬樹脂輸送試驗，并對廢樹脂運輸槽車的各部件功能進行了驗證。

2.1 模擬裝水試驗及壓力試驗

模擬裝水試驗旨在驗證廢樹脂運輸槽車的功能性，驗證槽車內容器的有效容積和最大容積，槽車內高液位、高高液位情況下是否報警以及各設備部件之間的聯鎖是否正確；壓力試驗旨在驗證快速接頭、運輸軟管、閥門、容器等部件是否存在泄漏情況，各種儀表的顯示是否正常以及整個槽車運輸系統的密閉性是否良好。這兩項試驗是進行模擬樹脂輸送試驗的前提，能夠避免直接輸送樹脂時因槽車發生功能性問題而造成樹脂堵管。多次試驗結果表明，槽車的各部件功能運轉正常，輸送過程中無跑冒滴漏現象，具備樹脂輸送條件。

2.2 模擬樹脂輸送試驗

在模擬裝水試驗和壓力試驗后，進行了模擬樹脂輸送試驗。模擬樹脂輸送試驗旨在檢驗槽車的可用性，能否順利完成廢樹脂轉運工作，以及樹脂卸載后是否會在槽車中大量留存和輸送過程中會不會造成樹脂堵管。為了真實還原廢樹脂實際運輸情況，試驗采用了與VVER機組運行所用型號相同的樹脂模擬“廢樹脂”開展輸送試驗。首先制備了樹脂和水的混合物，體積為2 m3，其中樹脂和水的體積各占50%；再通過臨時試驗泵和管道模擬核島KPK系統，將樹脂通過接口箱送入槽車中，然后對樹脂輸送管道進行沖洗并斷開接口箱連接，整個過程平均用時約18 min；樹脂輸送完成后停留30 min(模擬槽車運輸時間)，再將槽車中的樹脂進行卸載，含連接快速接頭連接、卸載、沖洗等時間在內，整個過程平均用時約16 min。試驗結果顯示，對比裝載和卸載前后的樹脂體積，體積基本上處于同一水平線上，表明樹脂已經基本上排空，沒有在槽車中大量留存。裝載和卸載時間均控制在20 min內，輸送效率較高，槽車內無堵管及泄漏情況發生，技術成熟可靠。

3 需關注的問題

3.1 壓力試驗

壓力試驗是每次廢樹脂運輸前不可缺少的試驗，尤其槽車在長時間未使用后，更要進行壓力試驗。壓力試驗前需要將槽車中盛裝一定量的水，然后采用壓縮空氣對系統進行加壓到10 bar且保壓10 min，壓力保持不降低說明槽車處于可用狀態，如果壓力降低或者出現滴漏現象，則要進一步排查問題根源并及時解決。在壓力試驗中可以測試泵、閥門、電機是否正常運轉，儀器儀表是否顯示正常，快速接頭、輸送軟管是否存在泄漏等。壓力試驗選取的壓力值不宜過大，否則容易造成設備損壞或者降低設備使用壽命，建議選取工作壓力進行試驗即可。

3.2 樹脂運輸堵管

根據田灣核電站廢樹脂輸送運行經驗反饋，廢樹脂和水的混合物在沒有攪拌的情況下，30 s內就會沉積下來，此時管道中全是沉積的樹脂無法再進行輸送。另外，如果廢樹脂與水的混合不均勻、不充分，管道阻力系數增大，也容易造成管道堵塞。因此，廢樹脂輸送前必須進行充分攪拌，控制好水和樹脂的混合比率，使廢樹脂和水滿足1∶1的輸送要求，水作為廢樹脂的運輸介質，必要時可加大水的比例，而且在廢樹脂輸送完成后輸送泵不能立刻停止，必須立即在泵入口接入除鹽水進行泵和管道沖洗，然后才能停泵，沖洗水可以返回到KPK貯槽或KPM貯槽中,繼續作為運輸水使用。

3.3 槽車國產化

槽車國產化是放射性廢物處理領域必須要解決的問題，隨著放射性廢物處理中心成為國內新建核電站的“標配”，以及廢樹脂熱態超級技術和改進技術在國內的成功推廣，槽車國產化工作已經勢在必行。目前國內核電站運行使用的廢樹脂運輸槽車都是從國外進口的，不僅價格昂貴，而且后期維護保養成本較高。因此，槽車國產化需要著手解決以下幾個問題：1)關鍵設備國產化問題(如：無泄露快速接頭)；2)系統設計模擬和驗證問題；3)控制系統集成問題；4)運輸容器和屏蔽設計制造問題等。隨著對槽車國產化研究的不斷深入，據了解目前國內一些設備廠家已經積極行動起來，正在開展槽車國產化分析研究工作，有望制造出符合國內用戶需求的廢樹脂運輸槽車。

4 結論

隨著放射性廢物處理中心的應用和不斷推廣，廢樹脂轉運已成為廢物處理工藝中一個重要環節。大量試驗及現場實際運行結果表明，田灣核電站放射性廢物處理中心廢樹脂運輸槽車是安全、成熟、可靠的，能夠順利完成廢樹脂轉運工作，并且該槽車是目前國內核電站唯一取得ADR認證的槽車，其整體安全性能得到國際上權威機構認可。田灣核電站廢樹脂運輸槽車的成功投用具有很強的示范作用，為槽車國產化提供了一定數據支持和經驗參考，應用前景廣闊。