放射性废物暂存库安防及废物桶自动运输系统的设计探讨

□王兴华 侯铁钢 王学思 李元岗 苏晓书

随着核科学技术的广泛应用和快速发展，放射源广泛应用在工业、勘探、医疗、科教以及国防建设等领域，积存和产生的放射性固体废物也日益增多，有效实行放射性废物管理制度，建设必要的放射性废物暂存和处理设施，将大大降低放射性废物对公众健康和社会安全带来的危害[1]。本文针对某新建放射性废物暂存库(以下简称“暂存库”)，对暂存库废物桶转运系统的优化设计进行分析和探讨。

一、运输系统简介

目前，暂存库废物桶的运输方式主要有辊道运输、有轨转运车、无轨转运车等。

(一)辊道。辊道主要由轨架、滚筒、传动链轮、驱动电机、定位开关、电气控制柜等组成。辊道的控制采用PLC控制系统，在控制室通过操作台上的人机交互界面及辅助按钮等进行监视控制。辊道运输缺点：占地空间大，且只能单桶单列进行运输，传动系统也相对复杂，设备出现故障概率高。

(二)有轨转运车。有轨转运车由机车单元、运行轨道、运行控制单元等三大部分组成。其中机车单元包括牵引机车运输系统和自动保护系统，运行控制单元包括信息采集系统、操作台系统、无线通信系统和UPS供电系统。有轨转运车是与地面导向轨道接触式的运输车，采用轨道滑触线或蓄电池方式进行供电。

表1 各运输系统特点比较列表

(三)无轨转运车。无轨运输小车主要部件为：激光安全传感器、驱动电机、供电电池、车体机构件以及其它配件等。无轨小车的控制系统通过无线局域网网络与电脑联网，实现大容量的数据传输，从而实现实时监控小车的位置信息、报警信息以及远程调度等功能。对于无轨小车的精确导向需要铺设磁条。磁条导航技术是在转运小车需要行走的路径上铺设橡胶材质的磁条，通过在转运小车上安装有磁导航传感器来实现小车的行走控制，从而实现小车的精确行驶路径。通过上述介绍，辊道运输、有轨转运车与无轨转运车特点比较如表1所示。

二、暂存库设计实例

(一)暂存库简介。该暂存库主要分为辅助用房区和废物暂存区。辅助用房区局部地下一层，地上二层，局部三层，布置公共值班室、卫生通过间、配电室、进风间、排风间、会议室等，作为公共配套系统用房，同时为进入放射性操作工作区域的人员提供更衣、淋浴场所。废物暂存库为地上一层建筑，建筑长85.55m，宽54.60m，采用钢筋混凝土框架结构，库内设有废物运输车接收和卸货区域，厂房内设置有数控起重机和电动转运小车作为吊运、码放及转运设备，该废物库区共设置为5个子库区(1～5#库)，各个子库可分别独立运行。

该暂存库暂存的放射性废物主要为200L桶包装的工作服、劳保用品、纸张、棉纱、塑料等软质轻低放射性废物[2]。废物钢桶[3]大小型式采用200L钢桶，型号为LID-Ⅱb，外形尺寸Φ585×900。该暂存库作为XXX的配套厂房，用以接收外来废物，暂存，并根据后续处理需要进行废物的转运。

图1 暂存库平面图

(二)废物桶出入库暂存流程。该暂存库暂存为低放废物，可以实现对核电、医疗和科研低放废物以及减容项目产生的中低放玻璃固化体进行收贮管理。暂存库中200L废物桶装卸流程框图如图2所示。

图2 200L废物桶装卸流程框图

核电站等(废物产生单位)在运行过程中产生的固体废物，通过一定的整备后装入200L废物桶内，当废物桶由废物车运至暂存库车辆停放区后，办理交接手续，现场检查废物桶表面剂量率，未超过暂存库接收限值，方可进行下一步接收工作。

经检查核实认定可接收后，打开暂存库装卸车间的大门，废物运输卡车驶入暂存库内的装卸车间，打开车厢上方开口，根据废物桶管理系统确定废物桶码放位置，将其废物桶需要码放坐标系输入自动控制系统，确定暂存库区，选择转运小车与吊车运输方式。

与视频监控系统配合，控制起重机抓取机构至废物运输车废物桶相应位置，点击操作按钮，自动抓取机构抓起废物桶，吊运到库区废物桶对应位置，抓具松开。重复进行该操作，直至废物桶码放完毕。当废物桶需在各区之间转运时，起重机将废物桶放置到转运小车上，由转运小车运输至相应库区，再通过该库区内起重机和自动抓取机构吊运至指定的码放坐标位置。

通知废物运输车驶出装卸车间，关闭装卸车间大门。除定期对设备进行维护和事故工况外，废物桶装卸码放均为远程遥控操作，工作人员的入库操作时间将会大大减少，可有效减少工作人员的受照剂量。

三、废物库自动运输系统

自动运输系统主要由200L废物桶自动抓取机构及其控制系统、废物桶运输车和工业电视监控系统组成，其中废物桶自动抓取及其控制系统为关键工艺设备。

(一)废物桶自动抓取机构及其控制系统。废物桶自动抓取设备及其控制系统主要包括1台电动双梁桥式起重机、1套抓取机械手、1套自动控制系统。

1.电动双梁桥式起重机。吊装200L废物桶设备为远程操作的双梁桥式起重机。起重机安装在放射性废物暂存库大厅土建结构的牛腿上，作为起吊和运输放射性废物桶的重要设备。其行程覆盖了暂存库大厅和装卸车间，采用机械齿轮条传动和光电传感器和超声波位移传感器进行定位，以确保其对抓取的废物桶的定位准确可靠，从而实现废物桶的自动抓取。同时加装平行调整装置，以减少起重机行走的不平行度，确保运行的平稳可靠。

由于暂存库作为核设施具有一定辐射剂量工作场所，设计时充分考虑辐射剂量对工作人员的影响，因而选用远程遥控操作。操作人员在控制室内对废物桶的抓取和提升进行操作，仅在事故工况下出入废物库大厅，尽可能减少在辐射工作场所停留的时间。远距离控制操作废物装卸要求高定位精度、高操作安全性和高可靠性。起重机配套升降定位机构包括桥架及大车运行及定位机构、小车运行及定位机构、起升及刚性伸缩定位机构、抓具和同步电气控制系统，以满足运行要求。升降机构主要包括起升电动机、减速器、制动器、吊具、防晃装置、限位开关等。

2.自动抓取机械手。机械手安装在双梁桥式起重机升降机构构件上，与起重机升降机构和大小车行走机构互相配合，用于200L废物钢桶转运装卸。为保证库容利用率，废物桶桶间距需足够小，同时保证机械手顺利码放与起吊操作空间，这需要起重机和抓取机械手行走精度高，定位准确，因此设计采用高精度的刚性伸缩套筒抓具。伸缩套筒抓具采用液压驱动，具有足够的抓取提升能力和伸缩长度，抓取过程中动作平稳。抓具位于套筒底端，根据废物桶规格进行设计，采用四抓卡口式，结构相对简单，可靠性高。该机构各组成零部件应满足相应的刚度、强度以及耐磨度等要求。

3.控制系统。为了满足精确定位和大惯量位能负载的驱动要求，设备的控制系统稳定可靠，该起重机的电气控制系统由西门子PLC系统与西门子变频驱动、遥控器装置、监视系统、变频电动机、低压电气系统及辅助系统组成。各系统间通过电气连接构成一个整体。

(二)转运小车。暂存库区内转运小车的功能是与起重机配合，实现废物桶在库区内的吊装与转运。为保证安全平稳地运行，废物桶运输车采用电动平板车，其装载面可保证4个废物桶的放置和固定，运行速度范围为0～25m/s。转运小车沿各个库区之间预留的通道行走，也延伸运行可到达暂存大厅1～5的起重机覆盖区域内。运输车具有远程遥控性。作业人员在控制室借助工业视频监控系统以及转运小车控制系统实现对小车前进、后退、转弯等指令的操作。本工程中采用无轨转运小车对200L废物桶进行运输。

四、工业视频监控系统

(一)视频监控系统。视频监控系统主要通过设在前端的摄像机进行连续的监控，对出入口及重要部位进行监视和录像；通过在安装入侵探测器区域设置全方位摄像机，可以快速与入侵报警系统的报警信号联动，显示相关报警区域的图像，为保安值班人员确认敌情提供有效的手段。视频监控系统由前端设备、传输系统、后端管理三部分组成。

在主要出入口、人流物流通道、存储区域、走廊及安装有入侵探测器区域设置室内定焦红外高清网络摄像机；有吊顶区域采用半球摄像机。室外的车辆停放区、暂存库外墙一周设置室外定焦红外高清网络摄像机。因此，工业视频监控系统包括球形摄像机和监控设备，球形摄像机分别设置在废物库操作区、废物暂存区和行车上，监控控制设备设置在控制室内。操作人员通过控制室内的显示器可观察废物库内的情况，并远距离操控行车，完成库内的转移与吊运工作。

本暂存库工业视频监控系统可全方位、无死角地监控并显示暂存库内放射性废物桶的转运、存储和回取操作，作为工作人员操作吊车、下达吊运装卸等指令的辅助手段。

五、实保系统

(一)入侵探测报警系统。入侵探测报警系统是利用传感器技术和电子信息技术探测并指示非法进入或试图非法进入设防区域的行为，处理报警信息、发出报警信息的电子系统或网络。

暂存库等重点部位设置红外/微波双鉴探测器和平衡式门磁开关。暂存库外墙设置主动红外入侵探测器。在值班室设入侵探测报警主机、声光报警器及紧急脚挑按钮，紧急脚挑按钮可一键报警至有关部门。

(二)电子巡更系统。出入口控制系统主要是对进出该区域的人员和车辆出入权限的统一授权管理，通过系统自动识别通行人员的授权卡权限和密码控制人员和车辆的通行。在出入口设置门禁系统，重点部位如暂存库、值班室、设备机房等均采用双向(刷卡与密码)识别，其余出入口采用单向识别，门禁控制信号引至值班室统一管理。暂存库的电动屏蔽门均使用双人双锁管理方式进行运行。

六、辐射监测系统

为保证工作人员、公众和环境辐射安全，定期开展辐射监测工作，监测主要为工作场所监测、工作人员剂量监测和环境监测。

(一)工作场所监测。在卸车区域设置γ剂量率仪表和报警装置，就地显示辐射剂量水平，并远距离传输至监控平台。采用便携式γ剂量率对工作场所γ辐射水平进行监测，监测频次为1次/半月。采用便携式αβ表面污染监测仪对工作场所表面污染水平进行监测，监测频次为1次/月。定期对工作场所内气溶胶总α总β进行取样监测，取样频次为1次/半月。

(二)个人剂量监测。工作人员进入放射性工作场所必须佩带个人剂量计和个人剂量报警仪，并统一建立工作个人剂量档案，档案长期保存。

(三)环境监测。采用便携式γ剂量率仪对暂存库四周γ辐射水平进行监测，监测频次为1次/半年。定期对气载和废液流出物进行监测，使之满足相关排放要求。

七、结语

随着核科学技术的快速发展和广泛应用，放射性废物产生量逐年递增，提高放射性废物暂存库的自动化水平可保障其安全、高效运行。该暂存库设置的远程控制运输及转运系统，可提高废物货包转运和码放的自动化水平，保证废物桶码放位置的高精度与安全性。通过设置安防系统与辐射监测系统，既可以降低工作人员的劳动强度和受照剂量，又可以有效地保证暂存库安全运行。未来放射性废物自动运输系统将获得广泛的应用发展。