某核燃料后處理廠共去污及钚線建筑設(shè)計優(yōu)化★

李鑫 陳勇 秦永泉

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

開展任何規(guī)模核燃料后處理廠房建筑設(shè)計前，首先需根據(jù)后處理工程任務(wù)，進(jìn)行總體規(guī)劃，某核燃料后處理廠經(jīng)總體規(guī)劃后將工程建筑物分為五部分:主廠區(qū)、三廢區(qū)、公用區(qū)、廠前區(qū)和廠外區(qū)。主廠區(qū)包括乏燃料接收與貯存設(shè)施、首端處理設(shè)施、共去污分離設(shè)施、钚凈化及钚產(chǎn)品貯存設(shè)施、鈾凈化及鈾產(chǎn)品貯存設(shè)施、分析中心、中央控制室、高放廢液玻璃固化設(shè)施、排風(fēng)塔等建筑物。共去污分離設(shè)施主要任務(wù)是:接收首端處理設(shè)施已調(diào)好的1AF料液，通過鈾、钚的共去污，實現(xiàn)鈾、钚與裂片元素的初步分離，再將鈾钚進(jìn)行分離，鈾钚分離后，含鈾的1CU送鈾凈化及鈾產(chǎn)品貯存設(shè)施，含钚的1BP送钚凈化及钚產(chǎn)品貯存設(shè)施，本設(shè)施產(chǎn)生的高放廢液送高放廢液玻璃固化設(shè)施進(jìn)行玻璃固化。钚凈化及钚產(chǎn)品貯存設(shè)施主要任務(wù)是:將共去污分離設(shè)施送來的1BP溶液進(jìn)行純化、濃縮和草酸钚轉(zhuǎn)化，最終生成二氧化钚產(chǎn)品，并進(jìn)行貯存。

根據(jù)共去污分離和钚凈化及钚產(chǎn)品貯存部分工藝任務(wù)、工藝流程和廠房布置與維修原則開展了廠房建筑設(shè)計，本文提出了共去污分離和钚凈化及钚產(chǎn)品貯存部分合并前后兩個建筑設(shè)計方案以優(yōu)化設(shè)計，本文重點介紹這兩個建筑設(shè)計方案及其比較。

1 廠房建筑布置與維修原則

根據(jù)各建筑物任務(wù)、工藝流程以及設(shè)計參考標(biāo)準(zhǔn)確定后處理廠主工藝廠房建筑布置和維修采用以下原則:

縱深防御多層屏障原則;動態(tài)封閉與靜態(tài)封閉相結(jié)合;分區(qū)布置原則;建筑物按工藝過程分塊布置原則;合理組織通風(fēng)氣流，保持四區(qū)之間的負(fù)壓梯度，防止污染擴(kuò)散;人流、物流分開，合理走向，避免交叉污染;以人為本，操作維修方便;采用“最少維修”和“混合維修”。

2 建筑設(shè)計方案比較

2.1 設(shè)計方案一

共去污分離、钚凈化和钚產(chǎn)品貯存按三個獨立設(shè)施考慮，共去污分離設(shè)施作為一個子項(車間)管理(子項代號A子項)，考慮到钚凈化和钚產(chǎn)品貯存人流物流聯(lián)系頻繁，將钚凈化設(shè)施和钚產(chǎn)品貯存設(shè)施共同納入一個子項(車間)并進(jìn)行管理(子項代號B子項)。

針對A和B兩個單獨子項，根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，開展了多方案設(shè)計比較，形成了各自的最優(yōu)建筑設(shè)計方案，下文將闡述A和B子項最優(yōu)的建筑設(shè)計方案。

2.1.1 A 子項

A子項廠房建筑為框(排)架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上3層，地下2層，由共去污分離循環(huán)、高放廢液處理、高放廢液暫存、酸回收和尾氣處理等系統(tǒng)用房、輔助工種用房及服務(wù)系統(tǒng)用房等部分組成，該廠房建筑按照三排設(shè)備室平行并列布置，廠房建筑布置相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

2.1.2 B 子項

钚凈化及钚產(chǎn)品貯存設(shè)施建筑物包括钚線主工藝廠房(钚凈化和钚尾端)(B/1廠房)和钚產(chǎn)品貯存區(qū)(B/2廠房)，在B/1廠房和A子項合并前后B/2廠房布置不變，只將B/2廠房代號更換為A/2，因此在本章節(jié)只闡述B/1廠房建筑基本布置情況。

B/1廠房建筑為框(排)架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上4層、地下2層。B/1廠房建筑由钚尾端和钚凈化系統(tǒng)用房、輔助工種用房及服務(wù)系統(tǒng)用房等部分組成，钚尾端兩條生產(chǎn)線按照兩排熱室“面對面”布置，钚凈化循環(huán)系統(tǒng)按照兩排設(shè)備室平行并列布置，廠房建筑布置相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 A子項和B/1廠房合并前后數(shù)據(jù)比較

2.2 設(shè)計方案二

由于A子項和B子項處理對象都涉及含钚的高放料液，這種料液具有高放射性、高毒性等特性，因此對建筑物的屏蔽要求和密封要求都很高，均需至少按照四區(qū)布置，工藝過程需要采取遠(yuǎn)距離操作，盡量采用免維修設(shè)備及儀表，采用混合維修方式進(jìn)行維修(盡量采用遠(yuǎn)距離維修和間接維修)。而且兩個子項的處理對象特征決定了這兩個建筑物均需按照放化安全1級以及抗震Ⅰ類進(jìn)行設(shè)計。此外，兩個子項都采用了脈沖萃取柱作為萃取設(shè)備，采用空氣提升進(jìn)行高中放射性料液的輸送，脈沖萃取柱和空氣提升對空間要求較大，需采用高設(shè)備室布置方案。兩個子項各自的溶劑回收、尾氣處理系統(tǒng)、蒸汽復(fù)用、冷卻水等系統(tǒng)可以統(tǒng)一考慮，服務(wù)系統(tǒng)和輔助工種用房也可以合并設(shè)計。另外，在B子項中，由于钚尾端熱室操作區(qū)(綠區(qū))和檢修區(qū)(橙區(qū))存在高α污染風(fēng)險，因此這兩個區(qū)不能與钚凈化設(shè)備室檢修區(qū)和取樣廊等其他橙區(qū)和綠區(qū)房間直接相通，需要采取設(shè)置兩個安裝檢修廳及兩套通排風(fēng)系統(tǒng)等措施，浪費較大。因此，本文認(rèn)為需要進(jìn)行A和B子項合并前后建筑設(shè)計方案的比較，以優(yōu)化設(shè)計。

合并總體思路為:

B子項中的钚凈化廠房(B/1)與A子項合并，按照一個建筑物進(jìn)行設(shè)計，成為新A子項的A/1廠房，钚產(chǎn)品庫(B/2)為完全獨立的建筑物，合并后廠房建筑布置方案不變，作為新A子項的A/2廠房(以下章節(jié)對钚產(chǎn)品庫不做闡述)。

通過多方案比較，形成了合并后A/1廠房最優(yōu)建筑設(shè)計方案，下文將按照這個最優(yōu)建筑設(shè)計方案進(jìn)行闡述。

A/1廠房建筑仍然按照框(排)架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計，地上5層，地下2層。廠房由钚尾端、共去污、钚凈化、高放廢液處理、酸回收、高放廢液貯存和尾氣處理等工藝系統(tǒng)用房、輔助工種用房及服務(wù)系統(tǒng)用房等部分組成，根據(jù)钚尾端和高放廢液貯存的特點，將钚尾端系統(tǒng)和高放廢液貯存系統(tǒng)布置在相對比較獨立的兩個建筑物中，這兩個建筑物的大部分輔助工種用房及工藝服務(wù)用房與主建筑物公用;钚尾端熱室檢修區(qū)(橙區(qū))和熱室操作間(綠區(qū))不與主建筑物橙區(qū)和綠區(qū)直接相通，均設(shè)置過渡間進(jìn)行過渡，而且钚尾端設(shè)置獨立的紅區(qū)、橙區(qū)和綠區(qū)排風(fēng)系統(tǒng)，而钚凈化系統(tǒng)完全融于主建筑物，與共去污系統(tǒng)共享服務(wù)和輔助系統(tǒng)，適當(dāng)減少了浪費，優(yōu)化了設(shè)計。整個建筑群人員公用一個白區(qū)和綠區(qū)出入口，人員通過這兩個出入口與其他子項聯(lián)系。主建筑物按照典型的“H形”設(shè)備室布置方式布置。

2.3 建筑設(shè)計方案比較

2.3.1 數(shù)據(jù)比較及經(jīng)濟(jì)性分析

對A子項和B/1廠房合并前后建筑設(shè)計方案的廠房占地面積、建筑面積、通風(fēng)體積、設(shè)備與閥門數(shù)量、人員編制等方面進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表1。

由表1可知，A子項和B/1廠房合并后總建筑面積將減少約14 740 m2，建筑工程費用按照6 000元/m2計算，僅此一項節(jié)省投資約8 844萬元。由于吊車、貨運電梯、貯槽、泵、檢修容器等常用工藝設(shè)備及閥門、管件等的減少將大大節(jié)約投資，并考慮通風(fēng)、電器、儀控、給排水、通信和劑量檢測等相關(guān)工種設(shè)備減少量，預(yù)計合并后設(shè)備費節(jié)省約2 000萬元，預(yù)計安裝工程費用和設(shè)備運雜費可節(jié)省約600萬元。不考慮征地費、前期工作咨詢費、建設(shè)單位管理費、工程設(shè)計費、工程監(jiān)理費等其他費用減少量，預(yù)計靜態(tài)總投資將節(jié)省1億元以上。

紅區(qū)、橙區(qū)和綠區(qū)通風(fēng)換氣次數(shù)均按5次/h計，通風(fēng)量減少300 000 m3/h，風(fēng)機(L=60 000 m3/h，37 kW)將減少 5 臺，每年節(jié)約用電162萬度;橙區(qū)和綠區(qū)面積減少13 960 m2(紅區(qū)和白區(qū)房間照明用電很少，不予考慮)，照明用電按照8 W/m2考慮，照明時長按照12 h/d計算，每年節(jié)約用電49萬度;各工種用泵將減少20臺以上，按照每天工作4 h計算，每年將節(jié)約用電4.8萬度;僅考慮以上節(jié)省，每年節(jié)約用電210萬度以上，運行費用每年節(jié)省150萬元以上。另外，由于人員編制的減少也節(jié)約了運行成本。因此，預(yù)計每年節(jié)省的運行費用將超過500萬元。

橙區(qū)和紅區(qū)設(shè)備的減少將使得放射性固體廢物年產(chǎn)生量減少(僅通排風(fēng)過濾器的減少將每年減少3.5 m3固體廢物)，橙區(qū)面積的減少使得特下水的量也有所減少，這些減少量使得廢物處置費用相應(yīng)降低。

2.3.2 建筑設(shè)計方案優(yōu)缺點比較

A子項和B/1廠房合并前，廠房任務(wù)相對單一，建筑物內(nèi)管理相對方便，單個廠房面積相對較小，結(jié)構(gòu)相對簡單，施工難度相對小，通風(fēng)體積大小和工藝系統(tǒng)規(guī)模較小，房間內(nèi)大氣及工藝尾氣負(fù)壓調(diào)節(jié)相對方便。A子項和B/1廠房之間存在人流物流接口，接口管理不便，合并后可以減少接口。

合并后由于廠房占地面積和總建筑面積相對A子項或B/1廠房單個建筑物而言較大，結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，施工難度較大，尤其是伸縮縫的處理存在一定難度，但是仍然是可施工可解決的，可以在伸縮縫處預(yù)留管道及設(shè)備安裝洞，待建筑物沉降比較穩(wěn)定后安裝設(shè)備及管道。合并后建筑物管理、建筑物通風(fēng)和工藝尾氣負(fù)壓調(diào)節(jié)、消防等難度加大，可以通過加強聯(lián)系、強化人員培訓(xùn)、重視管理、設(shè)置兩套建筑物通風(fēng)和工藝尾氣系統(tǒng)、嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置自動消防報警與噴淋系統(tǒng)以及設(shè)置消防通道等措施予以解決。

3 結(jié)語

通過共去污和钚線主工藝廠房建筑合并前后建筑設(shè)計方案的比較，可知合并前后的建筑設(shè)計方案是安全可靠的，滿足工藝要求。雖然合并后存在一些不足，但是這些不足是可以通過工程措施和管理措施彌補的，而且合并后的設(shè)計方案總占地面積和建筑面積大量減少;減少了很多重復(fù)性房間、設(shè)備和工作崗位，運行操作控制及維修更加方便;減少了高放廢液輸送距離，提高了建筑物的安全性;在確保安全和完成任務(wù)的前提下降低了大量的靜態(tài)投資和運行成本?？傊?，合并后的建筑設(shè)計方案具有相對優(yōu)勢。建議在某后處理廠工程設(shè)計中，將共去污和钚線主工藝廠房合并成一個建筑物以優(yōu)化設(shè)計。