放射性腐蚀试片自动化分析预处理装置研制

王 鹏 郝晓华 杨 彪 邵晓宙 李哲宇 温 毅 康文凯

（1.中国核科技信息与经济研究院，北京 100048；2.中国辐射防护研究院，太原 030006）

乏燃料后处理设备在含高放射性裂变产物的高温浓硝酸（强腐蚀性）条件下工作。为确保溶解池安全稳定运行，必须持续分析溶解池液体腐蚀性。针对国内欠缺高放液体试验时自动化预处理设备只能采用人工处理高放液体试验样品或以无放射性同位素模拟的现状，迫切需要开发一种结构合理、性能安全可靠的放射性液体腐蚀试片分析预处理装置，保证在真实料液试验条件下腐蚀试片预处理的顺利进行，并保证该装置在无转运操作时整体的可靠性密封。本文进行放射性腐蚀试片自动化分析预处理装置样机研制，研究其中的关键技术，为该装置在乏燃料后处理过程中运行和核化工实验平台中的类似项目提供参考。

1 系统简介

该系统由试片转运结构、转运接口结构、吊运结构、超声波清洗结构以及软化水喷淋结构组成，并配以相应的屏蔽密封箱室与自动化控制系统，实现了全自动完成放射性腐蚀试片转运、清洗、喷淋等工序。它的工艺流程简图如图1所示。

图1 系统设计总体方案

系统运行过程如下。第一，腐蚀试片转移。腐蚀试片从放射性液体中取出挂入防护容器中，防护容器装载到手动运输小车中。小车沿轨道进入预处理装置的物料进口，小车限位锁定，关闭物料进口门。第二，容器吊运。过渡小室平开门翻转，吊具下放自动钩锁防护容器，吊具上移，吊车横移，到达超声清洗器位置，吊具下移，防护容器到超声清洗器工位。第三，超声清洗。设备依据控制系统调节功率，完成设定时间的清洗工作。第四，软水喷淋。吊具再次转运，将容器移动到软水喷淋器，软水喷淋自动开启，依据控制系统设定流量和时间工作。第五，试片分析。吊运设备将容器转运到托盘处限位，绿灯亮起，通知人员打开过渡箱门，取走试片。

2 样机研制

2.1 试片转运结构

腐蚀试片从放射性液体中取出挂入防护容器，防护容器装载到运输小车。小车沿轨道进入预处理装置的物料进口，推到预定位置限位，关闭物料转移门[1]。运输车满足屏蔽容器固定要求，并设置有推拉扶手和定位锁紧装置，以便人员拉出小车，保证小车能够稳定停靠在转运接口位置[2]。

2.2 转运接口结构

在密封箱室过渡室，设计了转运接口的开关盖装置，实现将腐蚀试片提篮从转运小车转移到预处理装置内部，且保证无转运操作时该转运接口处密封。本装置采用自动旋转的转运接口开关盖装置，包括驱动电机、联接贯穿轴、密封管套、联轴器、旋转臂和转运接口盖。其中，联接贯穿轴用于连接电机输出端和联轴器，是保证内部气体不外泄的重要组件。

2.3 吊运结构

吊运过程在屏蔽箱中进行。由于屏蔽箱内部空间有限，吊车定位精度与晃动量控制技术尤为重要。若出现定位不准或晃动量大造成腐蚀挂片发生倾斜、卡塞等现象，会给后续清理、去污带来极大麻烦。针对这种情况，采用专用吊具、直线模组及比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）参数控制算法实现了对大车、吊钩的位置、摆角的精确控制。其中：蘑菇头吊具顶部为圆弧，水平面无方向性，可从任意方向起吊，是精密控制的重要支撑，可在重力作用下变换凹凸槽，实现自动锁定和自动脱锁；直线模组可在高负载情况下实现高精度直线运动，是精密控制的基础；PID参数控制根据动力学建立吊车及重物的运动方程式，将状态反馈矩阵结果输入可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的PID控制参数中[3]，通过测量摆角反馈和控制伺服电机加速度，实现晃动量快速衰减，是精密控制的核心。通过以上技术实现了吊运结构角度晃动量小于±1.5°、重复定位精度不大于±1 mm的控制精度。

2.4 超声波清洗结构

超声波清洗器主要由设备主体、超声波发生器、电缆以及控制系统组成。超声波清洗器设计为功率密度高的布置方式，三面设计超声波振盒，单振盒由18个50 W的超声波发生器构成。三面振盒总功率为2.7 kW，超声频率为28 kHz，功率密度为30 W·L-3。

2.5 软化水喷淋

软水喷淋系统由外部容器和内部螺旋状管道组成，自装置顶部引入软化水。螺旋状管道内侧边开有直径1.5 mm小孔，软水连续向试片喷淋。依据控制系统调节流量和定时，完成后计时器反馈信息。淋洗用后的水，通过加长杆阀门开放排到指定管路中。

2.6 屏蔽密封箱室

预处理试验应在屏蔽密封箱室内进行。设计屏蔽层厚度为5 cm铅当量。箱室密封性根据标准《密封箱室密封性分级及其检验方法》（EJ/T 1096—1999）规定采用四级密封[4]。

密封屏蔽箱体外形如图2所示，左侧为物料转移屏蔽门，实现进出料位置屏蔽。箱室顶部两端设计高效过滤器进出口，以产生均匀负压流场，防止气溶胶外泄[5]。压力表安装于箱体前部，可方便人员实时观察装置内部负压。箱体前侧设计手套孔，用于突发情况下人工干预。

图2 屏蔽密封箱室

箱体前侧手套孔中手套直接受到高放样品照射，且手套本身寿命期限，需定期更换，为此研发了一种用于放射性物质操作手套箱的手套更换装置。通过转动滚珠丝杠带动内筒旋转，将新换手套套入手套环，旧手套落入箱室内部。该装置能在保证手套箱内外物理隔绝的状态下快捷完成手套更换，提高了辐射防护领域手套更换的效率和安全性。

2.7 控制系统

自动控制系统包括超声波控制界面、吊运结构控制界面、参数设置界面以及自动模式位置设置界面[6]。在超声波界面，可以分别控制3个振盒装置，并显示清洗池的液位。在吊运结构界面，可以控制直线模组、吊具以及密封开关盖，并显示直线模组运行速度和吊具的实时位置。在参数设置界面，可以分别设置超声波发生装置、吊具升降装置以及直线模组水平电机。在自动模式，可以实时显示各部件的工作状态。

3 性能测试

3.1 吊车晃动控制试验

试验设计吊装100 kg、200 kg两种配重，0.8l、1.2l（l为设计绳长），4组试验，按照工艺设计1.2倍速度运行，重复试验，验证其晃动量控制性能和重复定位精度。吊车晃动量测试结果如表1所示。

由表1吊车晃动量测试结果可知，绳长或物重变化时，摆角最终都会趋于0°。角度测量仪记录值均小于±1.5°，重复定位精度不大于1 mm，说明当绳长或物重在一定的范围内波动变化时，吊车晃动量控制系统都是稳定的，符合设计要求。

表1 吊车晃动量测试结果

3.2 自动控制系统运行试验

如表2所示，经测试，对转运接口开关盖装置、单轨吊车以及超声波清洗器等装置之间协作运行、配套使用时，均可正常运行。自动控制系统满足设计要求。

表2 系统自动运行试验

3.3 与国内外同类装置的比较分析

对比研发的放射性腐蚀试片自动化分析预处理与国内外同类产品的性能，结果如表3所示。研发装置在满足腐蚀实验条件角度方面有较大的提升，实现了该装置的国产化，满足了真实料液腐蚀试验的自动化预处理工艺要求。精准运行方面，利用专用吊具、直线模组及PID参数控制算法实现了密封箱室内的精确控制，为国内外同类产品中较为先进的设计。

表3 国内外同类技术比较

4 结语

放射性腐蚀试片自动化分析预处理装置的研制实现了在辐射防护环境下自动完成放射性腐蚀试片转运、清洗、喷淋等分析预处理操作，在满足放射性腐蚀试片分析预处理工艺的基础上，结构紧凑，屏蔽能力强，自动化程度高，是国内首次将吊车晃动量控制技术应用于小型化密封箱室设备，实现了各项工序的自动化精准操作（晃动角度小于±1.5°、重复定位精度不大于±1 mm），不仅可以提高放射性腐蚀试片分析预处理效率，而且可以减少人员操作，保证人员安全。