趙 芳 ，鄒樹梁 ，王湘江 ，劉君琰 ，劉昌福

（1.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽421001；2.核設施應急安全作業(yè)技術與裝備湖南省重點實驗室，湖南 衡陽421001）

放射性廢物分揀系統(tǒng)測量裝置設計

趙 芳1，2，鄒樹梁2，王湘江1，2，劉君琰1，2，劉昌福1，2

（1.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽421001；2.核設施應急安全作業(yè)技術與裝備湖南省重點實驗室，湖南 衡陽421001）

介紹了放射性廢物分揀測量系統(tǒng)裝置的設計。該裝置由傳送裝置和探測裝置組成，通過振動給料斗均勻送料至傳送帶上，由機械擋刀確定土壤的厚度，放射性廢物在傳送帶運輸過程中進行輻射探測器的探測。并對測量裝置中的主要部件和探測方法進行具體設計分析。采用雙探測器兩段式探測的方法進行粗、精探測，使探測結果更精確，對屏蔽體厚度進行具體計算。該裝置能夠實現(xiàn)全程無人操作和全自動化的探測和分揀等特點，可滿足不同放射性固體廢物的分揀與測量。

分揀系統(tǒng)；探測方法；自動化；傳送裝置

數(shù)十年來，我國的核工業(yè)與非核工業(yè)在科研過程中產(chǎn)生并積累了一定數(shù)量的放射性廢物。不同企業(yè)單位對放射性廢物采取分揀的方法措施大都不同，分揀技術缺乏論證性，沒有形成系統(tǒng)性、全流程的綜合考慮。因此，對放射性廢物分揀技術開展系統(tǒng)性的研究，科學合理的進行放射性廢物工作，將放射性廢物進行合理的貯存、科學分類和優(yōu)化處理，具有很大的經(jīng)濟效益與社會效益。

目前，國內外放射性廢物的分揀工作大部分是通過人工方式或者半自動化分揀方式完成的。加拿大的萊普羅角核電站的所有分揀工作都是采用手工方式進行的，將分揀物裝箱后運到場址外的垃圾填埋場處理[1]。捷克的杜科凡尼核電站也是采用人工方式分揀出放射性廢物，這些放射性固體廢物再進行進一步處置[2]。中國農業(yè)科學院原子能利用研究所在對放射性廢物臨時存放退役的過程中，對該庫放射性廢物進行了分揀，在現(xiàn)場將放射性廢物分為中放、低放、極低放廢物和普通垃圾[3]；某放射性廢物庫退役中通過分揀，共分揀31 t豁免廢物，國內核電站在其放射性廢物管理中也有相關的放射性廢物分揀要求和措施[4-5]。采用人工分揀的方法存在過程復雜，操作麻煩而且效率低等缺點，所以對放射性廢物分揀采用系統(tǒng)化的全自動化是迫切需要的。

根據(jù)使用需求，本工作設計了放射性廢物分揀測量系統(tǒng)裝置。采用雙探測器兩段式探測的方法進行粗、精探測，使探測結果更精確，并對屏蔽體厚度進行具體計算，實現(xiàn)了全程無人操作和全自動化的探測和分揀，可滿足不同放射性固體廢物的分揀與測量的需求[6-7]。

1 裝置簡介

1.1 總體結構

放射性土壤分揀系統(tǒng)測量裝置的整體結構布局如圖1所示。該裝置主要由給料斗、機械刀、輻射探測器、抑塵裝置、傳送帶裝置及屏蔽裝置組成[8-10]。

圖1 分揀系統(tǒng)示意圖

1.2 工作原理

通過各裝置工作的連接與匹配，達到放射性土壤放射性水平的連續(xù)測量和放射性土壤的連續(xù)分揀的目的。該測量裝置首先通過給料斗連續(xù)均勻地送料，把放射性土壤傳送至傳送帶上，此前，傳送帶與給料斗同時啟動。需要指出的是，在輻射探測器開始探測之前需要設定傳送帶上一定均勻的厚度的放射性土壤。本文采取的是雙探測器兩段式探測的方法，通過連續(xù)探測與間斷探測相結合，對放射性土壤進行了粗略探測和精準探測，為放射性水平的高低的探測提供了高效的方法，達到了放射性土壤分揀的目的。

2 主要部件的設計

2.1 給料斗的設計

給料斗被安裝在傳送帶初始端的正上方，根據(jù)該裝置工作狀態(tài)的需求，給料斗選擇慣性平旋型振動給料斗。它的主要作用是破拱和給料，其破拱助流效果大大優(yōu)于專用的其他破拱助流裝置。慣性平旋型振動給料斗的機構如圖2所示。

圖2 慣性平旋型振動給料斗示意圖

2.2 機械擋刀的設計

機械擋刀的機構如圖3所示。圖3中，1為高度調整機構；2為機械擋刀；3為擋刀支架。機械擋刀安裝在傳送帶支架的初始位置，其距離振動給料斗的距離為200 mm≤D≤400 mm.該機械擋刀的材料為鋼材，采用螺釘連接的固定方式固定在傳送帶支架上。機械擋刀的主要作用：（1）可上下調節(jié)高度以實現(xiàn)放射性土壤不同厚度的需要，確定了傳送帶上放射性土壤的厚度，為輻射探測器的探測提供了一個標準值；（2）固定的放射性土壤厚度，同時確定了探測器探測的每段土壤的體積，從而得出準確的探測效率，計算出單位時間裝置的工作處理量[11-13]。

圖3 機械擋刀示意圖

2.3 抑塵噴嘴的設計

放射性土壤在傳送帶上傳送的過程中，由于傳送帶在工作狀態(tài)會伴隨不同程度的振動，會不可避免地產(chǎn)生大量放射性粉塵，嚴重影響輻射探測器探頭部分的探測，本文主要針對該問題設計了一套抑塵裝置，由于本文要求噴霧量小，噴霧范圍小，故設計了一種特定功能下的噴嘴，通過改變抑塵裝置各元器件的選型及各動力參數(shù)，達到該抑塵噴嘴的要求。抑塵噴嘴的機構如圖4所示。

圖4 抑塵噴嘴示意圖

2.4 傳送帶裝置的設計

傳送帶裝置是放射性土壤測量裝置的主體傳動部分，主要由傳送帶、傳送帶支架、擋板、滾筒、傳動軸等五部分組成，其中，傳送帶支架安裝在底盤上，傳送帶連接主動軸與傳動軸，擋板安裝在傳送帶兩側位置，滾筒有若干個，安裝在傳送帶下方位置，起支撐重量的作用。放射性土壤分揀探測系統(tǒng)帶式輸送機的結構形式為水平直線輸送，所以傳送帶選擇的是普通光滑傳送帶，這樣可以實現(xiàn)放射性土壤在傳送過程中減少傳送帶與土壤的粘度，對放射性土壤可以實現(xiàn)快速有效的分揀。傳送帶的傾斜角為0°，傳送帶的傾斜角度的設計主要符合放射性土壤在傳送帶上探測的要求以及在傳送帶上分揀的要求。傳送速度V可調，長度L可根據(jù)需求可調。如圖5所示。

圖5 傳送帶裝置的示意圖

3 探測裝置設計

3.1 總體設計

放射性土壤分揀測量系統(tǒng)的探測裝置是由箱體、探測準直器（屏蔽體）和輻射探測器三部分組成。箱體的主要功能是為輻射探測器對放射性土壤進行安全有效的探測提供容器。箱體的材料為45#鋼材，箱體安裝在傳送帶的正上方，兩個箱體間隔的距離可根據(jù)輻射探測器的工作狀態(tài)進行調節(jié)。探測準直器（屏蔽體)主體采用B/Pb復合核屏蔽材料，由于金屬Pb的特殊性質，其對γ射性有很好的屏蔽吸收作用。結構示意圖如圖6所示。探測準直器（屏蔽體)的主要作用有兩點：其一是屏蔽本底，為輻射探測器提供精準探測；其二是為輻射探測器確定探測放射性土壤的范圍。

圖6 探測裝置示意圖

3.2 探測方法的設計分析

本文設計了一種雙探測器兩段式的探測方法，該方法具有探測效率高、探測過程的連貫性、探測結果精準等優(yōu)點，雙探測器兩段式的探測方法示意圖如圖7所示。本裝置配置了兩套探測器，實行兩段式的探測方法。兩套探測器的型號和大小相同，探測裝置的探測器為南京核安核能科技有限公司的identi FINDER型NaI（TI)閃爍體γ探測器，其探測面積為600 mm × 600 mm，能量范圍：202 keV～3.02 MeV，能量分辨率為662 keV.

圖7 探測方法示意圖

1號探測裝置為粗略探測，其探測裝置箱體安裝在傳送帶前端位置；2號探測裝置為精準探測，其探測裝置箱體安裝在傳送帶中間位置，輻射探測器距離放射性土壤的表面大約在5 cm～10 cm之間。兩個探測裝置均分設I、II、III、IV和V檔次，其探測對象列于表1.

表1 測器探測對象表

3.3 屏蔽厚度的計算

為了屏蔽外界環(huán)境以及散射γ射線入射對探測器測量造成的影響，采用蒙特卡洛方法設計屏蔽體結構并計算屏蔽體厚度。放射源采用137Csγ射線放射，光子能量為0.662 MeV，放射源是柱源，半徑為30 cm，土壤的厚度為10 cm，對三種不同等級放射性廢物活度進行模擬計算。根據(jù)放射性廢物的分類標準GB 9133-1995《放射性廢物的分類》對土壤進行分類：

豁免廢物：10 cm處，≤7.75×105Bq/kg；低放廢物：10 cm 處，＞ 7.75× 105Bq/kg，≤ 4× 106Bq/kg；中放廢物：10 cm處，＞4×106Bq/kg，≤ 4×1011Bq/kg.

模擬實驗條件如下表2所示，模擬計算結果如下表3所示。

表2 模擬實驗條件表

表3 模擬計算結果表

根據(jù)模擬計算結果得出鉛屏蔽的厚度不同時，得到的劑量率也不同，當屏蔽體厚度大于6 cm后，隨著屏蔽層厚度的進一步增大，屏蔽效果的提升不明顯；由表4數(shù)據(jù)分析得到NaI（TI）閃爍體γ探測器的探測量程至少在6.3560μGy/h～3.3721Gy/h之間。為NaI（TI）閃爍體γ探測器的選型提供依據(jù)。

4 結束語

本文介紹了放射性土壤測量系統(tǒng)的工作原理及探測方法，對關鍵部件和探測方法進行了設計與分析。該裝置設計合理，穩(wěn)定性好。本次設計的系統(tǒng)裝置，通過多種裝置的組合，實現(xiàn)了自動測量與輸送的功能，可以有效提高探測效率，對放射性土壤的分揀具有重要意義。本次設計的探測方法是雙探測器兩段式的探測方法，具有創(chuàng)新性；使用蒙特卡洛模擬方法模擬計算，計算得出不同放射性水平時注鉛屏蔽厚度的數(shù)值，得出探測器探測劑量率數(shù)值的范圍，為探測器的選型提供依據(jù)。

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Design and Research of Measuring Device for Radioactive Soil Sorting System

ZHAO Fang1，2，ZOU Shu-liang2，WANG Xiang-jiang1，2，LIU Jun-yan1，2，LIU Chang-fu1，2
（1.University of South China School of Mechanical Engineering，Hengyang Hunan 421001，China；2.Hunan Key Laboratory of Emergency Safety Operation Technology and Equipment for Nuclear Facilities，Hengyang Hunan 421001，China）

The design of radioactive waste sorting and measuring system is introduced.The device consists of a transmission device and detection device，the vibration to the hopper evenly feed to the conveyor belt，the mechanical knife block to determine the soil thickness，radioactive waste on the conveyor belt to detect the radiation detector in the process of transportation.And the measurement device in the main components and detection methods for specific design analysis.The two-stage detection method of double detector is used for coarse and fine detection，so that the detection result is more accurate and the thickness of the shield is calculated.Can achieve full unattended operation and fully automated detection and sorting characteristics，to meet the different radioactive solid waste sorting and measurement.

sorting system；detection method；automation；transmission device

TH122

A

1672-545X（2017）10-0017-04

2017-07-09

核設施退役和核泄漏安全處理技術及裝備研發(fā)（02072012KJT01)

趙 芳（1991-)，女，湖南湘潭人，在讀碩士生，研究方向為核設施應急技術與裝備研究；鄒樹梁（1956-），男，江西安福人，教授，博士生導師，攻讀方向為核設施應急技術與裝備研究。