王展鵬 于 博 薛艷軍 林桐旭 徐 坤

(山東核環(huán)保有限公司, 山東 煙臺(tái), 265116)

目前，大部分核電站產(chǎn)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(jìn)行處理[1,2]。水泥固定具有處理簡(jiǎn)單，加工技術(shù)良好，固定產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和生物化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)。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(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)廢物壓餅漂浮問(wèn)題，致使灌漿過(guò)程無(wú)法正常進(jìn)行，需要人工干預(yù)，也導(dǎo)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(shè)施固廢處理流程如圖1所示。來(lái)自核島的裝有技術(shù)廢物的200 L桶首先進(jìn)入射線成像裝置進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以確定桶內(nèi)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(jìn)行分揀，其中可壓縮廢物直接裝入分揀手套箱內(nèi)的廢物桶，并由分揀手套箱自帶的預(yù)壓機(jī)將桶內(nèi)的廢物壓實(shí)，壓實(shí)并裝滿的200 L桶經(jīng)軌道移動(dòng)至核素分析裝置(HRGS系統(tǒng))進(jìn)行核素種類、活度及廢物桶重量測(cè)量，然后移動(dòng)至超壓機(jī)進(jìn)行壓縮(減壓比1∶5～1∶10)。超壓后的壓餅測(cè)量完高度后暫存在優(yōu)選臺(tái)，待存滿8個(gè)壓餅后，由壓餅裝載人員進(jìn)行優(yōu)選分裝，壓餅使用壓餅抓具裝入320 L再包裝桶內(nèi)，之后在灌漿站灌漿及封蓋。水泥固定后的再包裝桶被運(yùn)往暫存庫(kù)進(jìn)行暫存[4]。

200 L桶內(nèi)廢物主要是來(lái)自核島產(chǎn)生的技術(shù)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(kāi)口鋼桶，外徑588 mm，高903 mm，壓縮后外徑會(huì)少許擴(kuò)大，空桶壓縮后高度在100 mm以上，320 L再包裝桶也為直開(kāi)口鋼桶，內(nèi)徑580 mm，內(nèi)高959 mm。如圖1，壓餅優(yōu)選后通過(guò)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(diào)試時(shí)壓縮后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

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(dòng)至灌漿站，桶下方為振動(dòng)臺(tái)，可在灌漿過(guò)程根據(jù)需要開(kāi)啟，使水泥漿填充密實(shí)。水泥灌漿開(kāi)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(kāi)啟水泥灌漿電動(dòng)閥，啟動(dòng)灌漿泵，開(kāi)始進(jìn)行灌漿操作，灌漿頭上部設(shè)有雷達(dá)液位計(jì)，當(dāng)再包裝桶內(nèi)的水泥漿液位高度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，灌漿自動(dòng)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(tǒng)水泥漿液配方計(jì)算而來(lái))，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于200 L桶內(nèi)混裝金屬、棉織品、聚乙烯等各種技術(shù)廢物，超級(jí)壓縮過(guò)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(shí)，導(dǎo)致桶內(nèi)形成空腔，尤其是聚乙烯制品可能包含空氣。所以，當(dāng)壓餅內(nèi)部存有空腔或者內(nèi)容物密度小，都可能導(dǎo)致壓餅在灌漿或水泥固定過(guò)程中出現(xiàn)壓餅漂浮或傾斜而漏出水面(下文簡(jiǎn)稱“上浮冒頭”)，不能實(shí)現(xiàn)完全包容放射性廢物的目的，導(dǎo)致再包裝桶的放射性劑量升高。若出現(xiàn)壓餅上浮冒頭情況時(shí)，就需要人工進(jìn)行干預(yù)，會(huì)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(hù)分區(qū)屬于黃區(qū)，場(chǎng)所劑量率為0.1～1 mSv/h，為限制人員出入?yún)^(qū)域)。

2 抗漂浮裝置的設(shè)計(jì)

為解決壓餅在灌漿或水泥固定過(guò)程中出現(xiàn)壓餅漂浮或傾斜問(wèn)題，本文在原包裝桶桶壁四處褶皺導(dǎo)軌上分別加裝一個(gè)防漂浮擋片(設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖示于圖3)，檔片為金屬材質(zhì)，加裝高度為距離桶底部?jī)?nèi)表面820 mm(實(shí)際可用裝載高度為790 mm)，以便阻擋壓餅在灌漿時(shí)漂浮超出擋片高度，同時(shí)又保證壓餅裝載時(shí)抓具和壓餅?zāi)苷Ｉ烊?20 L包裝桶內(nèi)部，抓具拔出后擋片能及時(shí)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(zhuǎn)軸安裝在桶壁褶皺導(dǎo)軌上，使擋片能在垂直面上順時(shí)針90°旋轉(zhuǎn)，保證壓餅?zāi)軌蝽樌M(jìn)入桶內(nèi)，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(gè)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(zhǎng)度和裝載率的關(guān)系

擋片安裝完畢后，確實(shí)減少了壓餅上浮冒頭的現(xiàn)象，但是漂浮情況還是存在。根據(jù)生產(chǎn)活動(dòng)的實(shí)際要求，抗漂浮裝置的抗漂浮率必須達(dá)到100%，所以在擋片長(zhǎng)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(guī)格可以看出，壓餅與320 L的內(nèi)徑之間的間距非常小，實(shí)際上也是只有最上層壓餅出現(xiàn)上浮冒頭現(xiàn)象，所以只需要對(duì)最上層壓餅進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析即可。

基于上述要求，建立數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算出當(dāng)漂浮率為0時(shí)，擋片長(zhǎng)度與再包裝桶裝載率的函數(shù)關(guān)系，驗(yàn)證擋片有效性的同時(shí)，確定一個(gè)安全的裝載高度區(qū)間(漂浮率為0)，操作人員在壓餅裝載的優(yōu)選過(guò)程中，只需要將320 L桶的裝載率控制在安全裝載高度區(qū)間內(nèi)，就可以確保最上層壓餅不出現(xiàn)上浮冒頭現(xiàn)象。

由于灌漿后，最上層壓餅在包裝桶內(nèi)的位置不固定，冒頭情況多樣，數(shù)學(xué)模型就無(wú)法建立，實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)若是壓餅水平上浮的話，是一定無(wú)法越過(guò)擋片的，只有在壓餅傾斜上浮時(shí)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(jìn)行計(jì)算，若此時(shí)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(shí)推導(dǎo)出的安全裝載區(qū)間也必然在其他情況下的安全裝在區(qū)間內(nèi)。

為方便平面之間坐標(biāo)系的建立，先不考慮最上層壓餅厚度，因?yàn)閴猴炦^(guò)厚，傾斜時(shí)與320 L桶內(nèi)壁接觸便不可能漂浮，如圖6所示，以o(0,0)為原點(diǎn)，320 L再包裝桶俯視圖為平面建立平面直角坐標(biāo)系，x、y分別表示坐標(biāo)中點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，坐標(biāo)系中較大圓為320 L再包裝桶(內(nèi)徑340 mm)，其中擋片的延長(zhǎng)線與x軸夾角為30°(抓具和320 L桶的原設(shè)計(jì)和制造就是120°和60°的夾角)。

圖5 灌漿過(guò)程中最上層壓餅移位傾斜的情況簡(jiǎn)圖

圖6 以壓餅在桶內(nèi)最不利位置的情況建立水平直角坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模擬模型

結(jié)合實(shí)際情況，當(dāng)320 L再包裝桶內(nèi)不斷的注入密度約為1 680 kg/m3的水泥漿液時(shí)，最不利的情況就是壓餅以直線ox為軸z點(diǎn)為中心向上傾斜，當(dāng)壓餅最外側(cè)恰好超出1、2號(hào)擋片時(shí)壓餅就突破擋片限制，上浮冒頭了。所以數(shù)學(xué)模型建模思路就是：聯(lián)解直線S和圓Q的軌跡方程，求得交點(diǎn)坐標(biāo)，然后用交點(diǎn)坐標(biāo)表示出1號(hào)擋片的長(zhǎng)度以及壓餅傾斜的高度，前文說(shuō)明最上層壓餅要上浮冒頭需要一定的騰挪空間，這個(gè)騰挪空間就是此時(shí)壓餅所需的傾斜高度。擋片在320 L桶內(nèi)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(guān)系公式，也就得到了每個(gè)擋片長(zhǎng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的壓餅安全裝載區(qū)間。圖6中圓Q的軌跡就是壓餅傾斜后在平面直角坐標(biāo)系平面內(nèi)的投影。

圖6中壓餅在320 L桶內(nèi)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(shí)的軌跡方程為：

(1)

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

代入式(1)得：

(2)

設(shè)此時(shí)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(shí)在水平面坐標(biāo)軸上的投影坐標(biāo)方程式為：

(3)

直線S的方程為：

(4)

當(dāng)Q=S時(shí)，聯(lián)解方程式(3)、(4)，可求得兩方程式的交點(diǎn)坐標(biāo)：

(5)

由式(5)得交點(diǎn)橫坐標(biāo)x值。

則此時(shí)擋片的長(zhǎng)度N(mm)為：

(6)

由于此時(shí)壓餅的傾斜高度為H(mm)，得：

(7)

聯(lián)解式(5)～式(7)，可得N和H之間的函數(shù)關(guān)系公式。

表2 部分計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果截取

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)分析可知，壓餅恰好超出擋板的H傾斜高度與擋片的長(zhǎng)度N成正比，擋片越長(zhǎng)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(zhǎng)越好，還要考慮其他各方面因素，從擋片的強(qiáng)度和材料的耗費(fèi)以及最大裝載率來(lái)說(shuō)擋片越短越好，同時(shí)要考慮壓餅入桶后擋片的回彈空間問(wèn)題。

為了能更好的表達(dá)變量之間的關(guān)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(shí)，再包裝桶的壓餅的裝填高度，當(dāng)裝填高度高于最低裝填高度E時(shí)為安全(不可超出)高度，當(dāng)裝填高度低于最低裝填高度E時(shí)為危險(xiǎn)(可超出)高度。

最高裝填高度F(mm)：當(dāng)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(guò)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(shí)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(shí)的裝載率：

最高裝載率R，最高裝填高度時(shí)的裝載率：

要用傾斜高度表示出此時(shí)再包裝桶的裝載高度，就必須考慮最上層壓餅的厚度，設(shè)再包裝桶內(nèi)最上層一個(gè)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(shí)桶的最大裝載高度：

所以安全裝載區(qū)間e為：T

由上述計(jì)算可以看出，當(dāng)最上層一個(gè)壓餅厚度P值和檔片長(zhǎng)度N值確定時(shí)，就可以確定出320 L再包裝桶漂浮率為0的安全裝載區(qū)間，為操作員的手動(dòng)操作甚至是全自動(dòng)的優(yōu)選裝載過(guò)程提供依據(jù)。

4 《壓餅優(yōu)選安全裝載區(qū)間表》的應(yīng)用

實(shí)際上壓餅裝載過(guò)程中，優(yōu)選臺(tái)上存放8個(gè)壓餅，抓具抓持壓餅的同時(shí)測(cè)量壓餅的高度，操作人員根據(jù)壓餅高度對(duì)壓餅進(jìn)行優(yōu)選以達(dá)到320 L桶的最高裝載率，達(dá)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(wú)法回彈，失去作用。

為解決上述問(wèn)題，并使320 L再包裝桶擋片長(zhǎng)度的選用更合理，本文通過(guò)計(jì)算制做表格《壓餅優(yōu)選安全裝載區(qū)間表》(選用部分?jǐn)?shù)據(jù)示于表3)供操作人員參考使用。

表3 壓餅優(yōu)選安全裝載安全區(qū)間 (%)1)

1) 通過(guò)計(jì)算得到的320 L再包裝桶相對(duì)應(yīng)的安全裝在區(qū)間。

舉例說(shuō)明，壓餅裝載人員在壓餅優(yōu)選裝載過(guò)程中，先對(duì)壓餅的平均密度和內(nèi)容物(廢物跟蹤系統(tǒng)已有完整的數(shù)據(jù))進(jìn)行分析，如果不存在上浮冒頭風(fēng)險(xiǎn)，壓餅裝載人員就可選用無(wú)擋片的320 L桶再包裝桶，已達(dá)到廢物最小化目的，如果存在上浮冒頭風(fēng)險(xiǎn)，壓餅裝載人員就可以參照《壓餅優(yōu)選安全裝載區(qū)間表》根據(jù)裝載率和最上層壓餅厚度選用合適擋片長(zhǎng)度的320 L桶進(jìn)行裝載。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)每裝載一層壓餅都會(huì)增加約320 L桶0.5%的實(shí)際裝填率，所以實(shí)際裝填率需要考慮c×0.5%的修正(c為裝載層數(shù))，防止超出安全裝載率區(qū)間上限，導(dǎo)致壓餅無(wú)法回彈。

5 結(jié)語(yǔ)

核電廠放射性技術(shù)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(shè)計(jì)安裝一種壓餅的抗漂浮裝置，在水泥灌漿固定過(guò)程中，壓餅的上浮冒頭現(xiàn)象能被有效的阻擋，以減少人員的干預(yù)，從而避免人員受到不必要的照射。建立了數(shù)學(xué)建模，對(duì)擋片和壓餅的裝載率進(jìn)行分析，并為320 L桶制作了《壓餅優(yōu)選安全裝載區(qū)間表》，為操作人員對(duì)不同擋片320 L桶的選用以及壓餅的優(yōu)選裝載和放射性廢物最小化提供理論依據(jù)。

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