放射性廢物暫存庫安防及廢物桶自動運輸系統(tǒng)的設(shè)計探討

□王興華 侯鐵鋼 王學(xué)思 李元崗 蘇曉書

隨著核科學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，放射源廣泛應(yīng)用在工業(yè)、勘探、醫(yī)療、科教以及國防建設(shè)等領(lǐng)域，積存和產(chǎn)生的放射性固體廢物也日益增多，有效實行放射性廢物管理制度，建設(shè)必要的放射性廢物暫存和處理設(shè)施，將大大降低放射性廢物對公眾健康和社會安全帶來的危害[1]。本文針對某新建放射性廢物暫存庫(以下簡稱“暫存庫”)，對暫存庫廢物桶轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析和探討。

一、運輸系統(tǒng)簡介

目前，暫存庫廢物桶的運輸方式主要有輥道運輸、有軌轉(zhuǎn)運車、無軌轉(zhuǎn)運車等。

(一)輥道。輥道主要由軌架、滾筒、傳動鏈輪、驅(qū)動電機(jī)、定位開關(guān)、電氣控制柜等組成。輥道的控制采用PLC控制系統(tǒng)，在控制室通過操作臺上的人機(jī)交互界面及輔助按鈕等進(jìn)行監(jiān)視控制。輥道運輸缺點：占地空間大，且只能單桶單列進(jìn)行運輸，傳動系統(tǒng)也相對復(fù)雜，設(shè)備出現(xiàn)故障概率高。

(二)有軌轉(zhuǎn)運車。有軌轉(zhuǎn)運車由機(jī)車單元、運行軌道、運行控制單元等三大部分組成。其中機(jī)車單元包括牽引機(jī)車運輸系統(tǒng)和自動保護(hù)系統(tǒng)，運行控制單元包括信息采集系統(tǒng)、操作臺系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和UPS供電系統(tǒng)。有軌轉(zhuǎn)運車是與地面導(dǎo)向軌道接觸式的運輸車，采用軌道滑觸線或蓄電池方式進(jìn)行供電。

表1 各運輸系統(tǒng)特點比較列表

(三)無軌轉(zhuǎn)運車。無軌運輸小車主要部件為：激光安全傳感器、驅(qū)動電機(jī)、供電電池、車體機(jī)構(gòu)件以及其它配件等。無軌小車的控制系統(tǒng)通過無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與電腦聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控小車的位置信息、報警信息以及遠(yuǎn)程調(diào)度等功能。對于無軌小車的精確導(dǎo)向需要鋪設(shè)磁條。磁條導(dǎo)航技術(shù)是在轉(zhuǎn)運小車需要行走的路徑上鋪設(shè)橡膠材質(zhì)的磁條，通過在轉(zhuǎn)運小車上安裝有磁導(dǎo)航傳感器來實現(xiàn)小車的行走控制，從而實現(xiàn)小車的精確行駛路徑。通過上述介紹，輥道運輸、有軌轉(zhuǎn)運車與無軌轉(zhuǎn)運車特點比較如表1所示。

二、暫存庫設(shè)計實例

(一)暫存庫簡介。該暫存庫主要分為輔助用房區(qū)和廢物暫存區(qū)。輔助用房區(qū)局部地下一層，地上二層，局部三層，布置公共值班室、衛(wèi)生通過間、配電室、進(jìn)風(fēng)間、排風(fēng)間、會議室等，作為公共配套系統(tǒng)用房，同時為進(jìn)入放射性操作工作區(qū)域的人員提供更衣、淋浴場所。廢物暫存庫為地上一層建筑，建筑長85.55m，寬54.60m，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，庫內(nèi)設(shè)有廢物運輸車接收和卸貨區(qū)域，廠房內(nèi)設(shè)置有數(shù)控起重機(jī)和電動轉(zhuǎn)運小車作為吊運、碼放及轉(zhuǎn)運設(shè)備，該廢物庫區(qū)共設(shè)置為5個子庫區(qū)(1～5#庫)，各個子庫可分別獨立運行。

該暫存庫暫存的放射性廢物主要為200L桶包裝的工作服、勞保用品、紙張、棉紗、塑料等軟質(zhì)輕低放射性廢物[2]。廢物鋼桶[3]大小型式采用200L鋼桶，型號為LID-Ⅱb，外形尺寸Φ585×900。該暫存庫作為XXX的配套廠房，用以接收外來廢物，暫存，并根據(jù)后續(xù)處理需要進(jìn)行廢物的轉(zhuǎn)運。

圖1 暫存庫平面圖

(二)廢物桶出入庫暫存流程。該暫存庫暫存為低放廢物，可以實現(xiàn)對核電、醫(yī)療和科研低放廢物以及減容項目產(chǎn)生的中低放玻璃固化體進(jìn)行收貯管理。暫存庫中200L廢物桶裝卸流程框圖如圖2所示。

圖2 200L廢物桶裝卸流程框圖

核電站等(廢物產(chǎn)生單位)在運行過程中產(chǎn)生的固體廢物，通過一定的整備后裝入200L廢物桶內(nèi)，當(dāng)廢物桶由廢物車運至?xí)捍鎺燔囕v停放區(qū)后，辦理交接手續(xù)，現(xiàn)場檢查廢物桶表面劑量率，未超過暫存庫接收限值，方可進(jìn)行下一步接收工作。

經(jīng)檢查核實認(rèn)定可接收后，打開暫存庫裝卸車間的大門，廢物運輸卡車駛?cè)霑捍鎺靸?nèi)的裝卸車間，打開車廂上方開口，根據(jù)廢物桶管理系統(tǒng)確定廢物桶碼放位置，將其廢物桶需要碼放坐標(biāo)系輸入自動控制系統(tǒng)，確定暫存庫區(qū)，選擇轉(zhuǎn)運小車與吊車運輸方式。

與視頻監(jiān)控系統(tǒng)配合，控制起重機(jī)抓取機(jī)構(gòu)至廢物運輸車廢物桶相應(yīng)位置，點擊操作按鈕，自動抓取機(jī)構(gòu)抓起廢物桶，吊運到庫區(qū)廢物桶對應(yīng)位置，抓具松開。重復(fù)進(jìn)行該操作，直至廢物桶碼放完畢。當(dāng)廢物桶需在各區(qū)之間轉(zhuǎn)運時，起重機(jī)將廢物桶放置到轉(zhuǎn)運小車上，由轉(zhuǎn)運小車運輸至相應(yīng)庫區(qū)，再通過該庫區(qū)內(nèi)起重機(jī)和自動抓取機(jī)構(gòu)吊運至指定的碼放坐標(biāo)位置。

通知廢物運輸車駛出裝卸車間，關(guān)閉裝卸車間大門。除定期對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和事故工況外，廢物桶裝卸碼放均為遠(yuǎn)程遙控操作，工作人員的入庫操作時間將會大大減少，可有效減少工作人員的受照劑量。

三、廢物庫自動運輸系統(tǒng)

自動運輸系統(tǒng)主要由200L廢物桶自動抓取機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)、廢物桶運輸車和工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)組成，其中廢物桶自動抓取及其控制系統(tǒng)為關(guān)鍵工藝設(shè)備。

(一)廢物桶自動抓取機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)。廢物桶自動抓取設(shè)備及其控制系統(tǒng)主要包括1臺電動雙梁橋式起重機(jī)、1套抓取機(jī)械手、1套自動控制系統(tǒng)。

1.電動雙梁橋式起重機(jī)。吊裝200L廢物桶設(shè)備為遠(yuǎn)程操作的雙梁橋式起重機(jī)。起重機(jī)安裝在放射性廢物暫存庫大廳土建結(jié)構(gòu)的牛腿上，作為起吊和運輸放射性廢物桶的重要設(shè)備。其行程覆蓋了暫存庫大廳和裝卸車間，采用機(jī)械齒輪條傳動和光電傳感器和超聲波位移傳感器進(jìn)行定位，以確保其對抓取的廢物桶的定位準(zhǔn)確可靠，從而實現(xiàn)廢物桶的自動抓取。同時加裝平行調(diào)整裝置，以減少起重機(jī)行走的不平行度，確保運行的平穩(wěn)可靠。

由于暫存庫作為核設(shè)施具有一定輻射劑量工作場所，設(shè)計時充分考慮輻射劑量對工作人員的影響，因而選用遠(yuǎn)程遙控操作。操作人員在控制室內(nèi)對廢物桶的抓取和提升進(jìn)行操作，僅在事故工況下出入廢物庫大廳，盡可能減少在輻射工作場所停留的時間。遠(yuǎn)距離控制操作廢物裝卸要求高定位精度、高操作安全性和高可靠性。起重機(jī)配套升降定位機(jī)構(gòu)包括橋架及大車運行及定位機(jī)構(gòu)、小車運行及定位機(jī)構(gòu)、起升及剛性伸縮定位機(jī)構(gòu)、抓具和同步電氣控制系統(tǒng)，以滿足運行要求。升降機(jī)構(gòu)主要包括起升電動機(jī)、減速器、制動器、吊具、防晃裝置、限位開關(guān)等。

2.自動抓取機(jī)械手。機(jī)械手安裝在雙梁橋式起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)構(gòu)件上，與起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)和大小車行走機(jī)構(gòu)互相配合，用于200L廢物鋼桶轉(zhuǎn)運裝卸。為保證庫容利用率，廢物桶桶間距需足夠小，同時保證機(jī)械手順利碼放與起吊操作空間，這需要起重機(jī)和抓取機(jī)械手行走精度高，定位準(zhǔn)確，因此設(shè)計采用高精度的剛性伸縮套筒抓具。伸縮套筒抓具采用液壓驅(qū)動，具有足夠的抓取提升能力和伸縮長度，抓取過程中動作平穩(wěn)。抓具位于套筒底端，根據(jù)廢物桶規(guī)格進(jìn)行設(shè)計，采用四抓卡口式，結(jié)構(gòu)相對簡單，可靠性高。該機(jī)構(gòu)各組成零部件應(yīng)滿足相應(yīng)的剛度、強度以及耐磨度等要求。

3.控制系統(tǒng)。為了滿足精確定位和大慣量位能負(fù)載的驅(qū)動要求，設(shè)備的控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，該起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由西門子PLC系統(tǒng)與西門子變頻驅(qū)動、遙控器裝置、監(jiān)視系統(tǒng)、變頻電動機(jī)、低壓電氣系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)間通過電氣連接構(gòu)成一個整體。

(二)轉(zhuǎn)運小車。暫存庫區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)運小車的功能是與起重機(jī)配合，實現(xiàn)廢物桶在庫區(qū)內(nèi)的吊裝與轉(zhuǎn)運。為保證安全平穩(wěn)地運行，廢物桶運輸車采用電動平板車，其裝載面可保證4個廢物桶的放置和固定，運行速度范圍為0～25m/s。轉(zhuǎn)運小車沿各個庫區(qū)之間預(yù)留的通道行走，也延伸運行可到達(dá)暫存大廳1～5的起重機(jī)覆蓋區(qū)域內(nèi)。運輸車具有遠(yuǎn)程遙控性。作業(yè)人員在控制室借助工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)運小車控制系統(tǒng)實現(xiàn)對小車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等指令的操作。本工程中采用無軌轉(zhuǎn)運小車對200L廢物桶進(jìn)行運輸。

四、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

(一)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要通過設(shè)在前端的攝像機(jī)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控，對出入口及重要部位進(jìn)行監(jiān)視和錄像；通過在安裝入侵探測器區(qū)域設(shè)置全方位攝像機(jī)，可以快速與入侵報警系統(tǒng)的報警信號聯(lián)動，顯示相關(guān)報警區(qū)域的圖像，為保安值班人員確認(rèn)敵情提供有效的手段。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端設(shè)備、傳輸系統(tǒng)、后端管理三部分組成。

在主要出入口、人流物流通道、存儲區(qū)域、走廊及安裝有入侵探測器區(qū)域設(shè)置室內(nèi)定焦紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；有吊頂區(qū)域采用半球攝像機(jī)。室外的車輛停放區(qū)、暫存庫外墻一周設(shè)置室外定焦紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。因此，工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括球形攝像機(jī)和監(jiān)控設(shè)備，球形攝像機(jī)分別設(shè)置在廢物庫操作區(qū)、廢物暫存區(qū)和行車上，監(jiān)控控制設(shè)備設(shè)置在控制室內(nèi)。操作人員通過控制室內(nèi)的顯示器可觀察廢物庫內(nèi)的情況，并遠(yuǎn)距離操控行車，完成庫內(nèi)的轉(zhuǎn)移與吊運工作。

本暫存庫工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可全方位、無死角地監(jiān)控并顯示暫存庫內(nèi)放射性廢物桶的轉(zhuǎn)運、存儲和回取操作，作為工作人員操作吊車、下達(dá)吊運裝卸等指令的輔助手段。

五、實保系統(tǒng)

(一)入侵探測報警系統(tǒng)。入侵探測報警系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)和電子信息技術(shù)探測并指示非法進(jìn)入或試圖非法進(jìn)入設(shè)防區(qū)域的行為，處理報警信息、發(fā)出報警信息的電子系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。

暫存庫等重點部位設(shè)置紅外/微波雙鑒探測器和平衡式門磁開關(guān)。暫存庫外墻設(shè)置主動紅外入侵探測器。在值班室設(shè)入侵探測報警主機(jī)、聲光報警器及緊急腳挑按鈕，緊急腳挑按鈕可一鍵報警至有關(guān)部門。

(二)電子巡更系統(tǒng)。出入口控制系統(tǒng)主要是對進(jìn)出該區(qū)域的人員和車輛出入權(quán)限的統(tǒng)一授權(quán)管理，通過系統(tǒng)自動識別通行人員的授權(quán)卡權(quán)限和密碼控制人員和車輛的通行。在出入口設(shè)置門禁系統(tǒng)，重點部位如暫存庫、值班室、設(shè)備機(jī)房等均采用雙向(刷卡與密碼)識別，其余出入口采用單向識別，門禁控制信號引至值班室統(tǒng)一管理。暫存庫的電動屏蔽門均使用雙人雙鎖管理方式進(jìn)行運行。

六、輻射監(jiān)測系統(tǒng)

為保證工作人員、公眾和環(huán)境輻射安全，定期開展輻射監(jiān)測工作，監(jiān)測主要為工作場所監(jiān)測、工作人員劑量監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測。

(一)工作場所監(jiān)測。在卸車區(qū)域設(shè)置γ劑量率儀表和報警裝置，就地顯示輻射劑量水平，并遠(yuǎn)距離傳輸至監(jiān)控平臺。采用便攜式γ劑量率對工作場所γ輻射水平進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻次為1次/半月。采用便攜式αβ表面污染監(jiān)測儀對工作場所表面污染水平進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻次為1次/月。定期對工作場所內(nèi)氣溶膠總α總β進(jìn)行取樣監(jiān)測，取樣頻次為1次/半月。

(二)個人劑量監(jiān)測。工作人員進(jìn)入放射性工作場所必須佩帶個人劑量計和個人劑量報警儀，并統(tǒng)一建立工作個人劑量檔案，檔案長期保存。

(三)環(huán)境監(jiān)測。采用便攜式γ劑量率儀對暫存庫四周γ輻射水平進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻次為1次/半年。定期對氣載和廢液流出物進(jìn)行監(jiān)測，使之滿足相關(guān)排放要求。

七、結(jié)語

隨著核科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，放射性廢物產(chǎn)生量逐年遞增，提高放射性廢物暫存庫的自動化水平可保障其安全、高效運行。該暫存庫設(shè)置的遠(yuǎn)程控制運輸及轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，可提高廢物貨包轉(zhuǎn)運和碼放的自動化水平，保證廢物桶碼放位置的高精度與安全性。通過設(shè)置安防系統(tǒng)與輻射監(jiān)測系統(tǒng)，既可以降低工作人員的勞動強度和受照劑量，又可以有效地保證暫存庫安全運行。未來放射性廢物自動運輸系統(tǒng)將獲得廣泛的應(yīng)用發(fā)展。