地下廢液儲存罐放射性淤泥回取方案設計及應用

任 韌，郭亞平，張立軍

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

1 背景

101堆是中國第一座核反應堆，1958年在中國原子能科學研究院建成并運行，該堆已經于2007年停堆，進入退役準備期[1-2]。101堆廢水貯存罐于20世紀60年代初投入使用。2015年，廢水貯存罐內的放射性廢水被轉運并完成了廢液處理。后續利用高壓水清洗設備對3個廢水貯存罐側壁進行了初步清洗，并對產生的清洗廢液進行了處理。

目前101堆第一階段退役已獲批復，退役工作正在開展，而101堆3個廢水儲存罐的清理是在退役期需要解決的重要工作[3]。為此，本文開展了101堆廢水罐淤泥清理方案設計及實施工作，通過設計的淤泥取樣和淤泥回收工具，完成了101堆廢水罐內的淤泥清理工作，顯著降低了其放射性水平。

2 方案及工具設計

2.1 101堆廢水罐結構

3個廢水貯存罐位于101堆廠房外西南側，用于儲存反應堆產生的放射性廢水。廢水貯存罐每個容積為300m3，埋于地下，其上蓋板與地面平齊。廢水罐體直徑10m，罐體上部是高3m，直徑為1m的圓筒；罐體結構材料為6mm厚的雙層鋼板；頂部向下5.5m內全部為混凝土，上部圓筒部分厚度為150mm，中間部分厚度為200mm，5.5m向下至底部內有雙層鋼板。其結構如圖1所示。

圖1 101堆廢水罐尺寸模型

為了將101廢水罐中的淤泥徹底清除，本文針對該目標進行了方案及相關工具設計，并完成了清理任務。前期通過對廢水罐進行取樣時觀察發現3個廢水罐內均無積水存在，呈板結狀態如圖2所示。

圖2 廢水罐罐底情況

2.2 限制條件[4-9]

（1）取樣工具。①在取樣過程中，人員在罐口位置進行取樣設備操作；②取樣工具取樣后在回收樣品過程中應便于操作人員操作；③取樣器在垂直方向移動高度范圍應符合廢水罐內部深度；④取樣工具由電機驅動，需設置專門的控制單元，可實現遠距離控制；⑤控制部分具備遠距離啟停、異常情況下自動斷電等保護功能，在遇到廢水罐底部不銹鋼鋼板時必須能夠實現報警，并自動停止工具，不允許將不銹鋼鋼板 破壞。

（2）回取工具。①由于空間尺寸受到限制，同時滿足負載及爬坡需求；②通過線控方式，控制機器人在罐體底部進行移動并完成淤泥清理作業，發生故障時，控制終端處顯示異常情況，并發出聲光報警；③配備泥土松動裝置，由清淤電機帶動刷盤旋轉，將罐底的淤泥打散，進行后續處理；④配備負壓吸取功能，可將罐底松散狀態的淤泥收集，收集后的淤泥暫存于暫存罐內；⑤配備視頻監控系統，由機器人上攝像頭及環境攝像頭組成，可同時監控機器人位置、姿態及機器人前部待作業位置實際狀態；⑥配備作業輔助裝置，包含機器人從井口吊起放下的吊裝工具、通訊及供電線纜絞盤、井口環境檢測及導向用的裝置等。

2.3 方案設計

為了完成廢水罐罐內淤泥和殘水清理工作，設計了如下的工作方案流程，首先開展廢水罐現狀調查；設計廢水罐淤泥取樣工具進行取樣，并對其放射性劑量進行評估；設計淤泥、廢水清理機器人；進行現場施工處理，完成清理廢物的轉運工作；最后對現場及清理設備進行恢復。圖3為淤泥及廢水清理方案流程圖。

圖3 淤泥及廢水清理方案流程

2.4 廢水罐淤泥取樣工具設計

為了對廢水罐底部放射性淤泥進行取樣并評估其放射性，設計了一種放射性廢水儲存罐取樣裝置，其示意圖如圖4所示。該取樣工具由電機驅動，設置有專門的控制單元，可實現遠距離控制，取樣機構可在上下、左右、前后一定范圍內移動，精確定位取樣位置，能夠減少操作人員受到的輻射劑量；此外，控制部分具備遠距離啟停、異常情況下自動斷電等保護功能，在遇到廢水罐底部不銹鋼鋼板時能夠實現報警，并自動停止取樣，保護不銹鋼鋼板不被破壞；配備了攝像工具和照明工具，能夠將取樣位置的圖像實時傳送到顯示設備上，方便現場施工人員進行操作。

圖4 取樣工具整體結構示意圖

2.5 淤泥自動回取工具設計

由于廢水罐口狹窄、罐深超過10m、內部空氣稀薄、放射性劑量高，人員無法直接到罐底開展操作，因此為了降低安全隱患，減少人員受照劑量，設計了淤泥自動回取機器人設備代替人員進入環境復雜、輻射劑量高的工作環境完成淤泥清理工作。

淤泥自動回取設備整體結構示意圖如圖5所示，主要包括淤泥松動吸取、淤泥負壓吸附和淤泥暫存卸料等主體裝置。此外，該淤泥自動回取設備也遠程操控移動功能、視頻監控及圖像傳輸功能、作業照明功能。

圖5 淤泥自動回取設備整體結構示意圖

通過線控方式，控制機器人在罐體底部進行移動并完成淤泥清理作業，控制終端始終顯示機器人本體的基本信息、故障信息、操作信息、異常報警信息等，并可實時回傳機器人作業時的圖像數據。當機器人發生故障時，控制終端處顯示異常情況，并發出聲光報警，提示操作人員進行處理。淤泥回取機器人設計控制邏輯如圖6所示。

圖6 機器人控制邏輯

3 廢水罐清理

3.1 任務要求

廢水罐罐內淤泥回取干凈，罐內不存在可流動介質，通過觀察每個廢水罐罐內固體殘留量不大于1L；清理過程不能對廢水罐內表面產生任何損傷；此外，現場施工人員個人所受劑量要求小于3.75mSv。

3.2 源項調查

首先采用設計的取樣工具，對廢水罐底部殘留淤泥進行取樣和測量分析。1#廢水罐底泥基本集中在罐底平臺，厚度在3～5cm；2#廢水罐底泥基本集中在罐底平臺，厚度在1～2cm；3#廢水罐底泥主要集中在罐底平臺，部分在直徑5m范圍不均勻分布，厚度在3～5cm。

通過對3個廢水罐源項調查、取樣分析，廢水罐內源項結果見表1。

表1 廢水罐底泥源項調查結果

3個廢水罐內主要放射性核素是137Cs、60Co，按照《放射性廢物分類》2017（65號文）規定進行廢物分類，廢水罐內底泥均屬于低放廢物。

3.3 淤泥回取及清理

采用設計研制的淤泥自動回取機器人對廢水罐內泥土進行回取。首先，利用輔助作業吊裝設備將機器人吊運至廢水罐底部；通過地面有線操控機器人進行罐底作業，操作機器人通過視頻監控系統對罐底淤泥或已經板結的泥土先進行破碎后再通過機器人回取，回取后的淤泥裝入轉運吊桶后通過機械龍門架提出廢水罐至地面，將淤泥裝入特定廢物桶暫存。

清理工作完成后，3個廢水罐井口位置劑量率約為原來的1/8。表3為清理前后3個廢水罐口位置劑量率對比。

表3 清理前后3個廢水罐口位置劑量率對比

本次清理工作達到了預期任務目標，廢水罐罐內淤泥已回取干凈，罐內不存在可流動介質，通過觀察廢水罐罐內固體殘留量不大于1L；清理過程中未對廢水罐內表面產生任何損傷；實施期間工作人員最大有效劑量為0.169mSv/人，未超過方案設計中的限值3.75mSv/人。

4 結論

針對101堆廢水貯存罐淤泥清理工作，進行了現場實施方案及取樣清理工具設計，順利將101廢水罐罐內的淤泥清理干凈，符合最終狀態要求。設計研制了底泥取樣專用工具，完成了遠距離底泥取樣和放射性測量分析；設計研發了地下罐體底泥回取遠程遙控設備并進行了工程實施，為類似工程提供了良好的經驗借鑒。此外，實施過程中輻射安全措施、工業安全措施合理有效，未發生輻射安全和工業安全事件。