КОМПЛЕКС УПЛОТНЕНИЯ И УПАКОВКИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области переработки и компактной упаковки биологических вредных веществ, в частности, твердых радиоактивных отходов (ТРО) атомных станций.
Известна установка для спрессования емкостей с радиоактивными материалами, содержащая контейнер-накопитель для бочек с радиоактивными отходами, форпресс для предварительного прессования, механизм перемещения бочек из контейнера-накопителя к форпрессу, выполненный в виде рольгангов, пресс высокой плотности прессования, захватный механизм, поворачивающийся вокруг вертикальной оси, расположенный в модуле этого пресса и оснащенный зажимными пальцами, а также подъемно-транспортный тельферный механизм, снабженный своим специальным захватом для перемещения спрессованной емкости в складское помещение. Данный захват перемещается вертикально без раскачивания и может одновременно вводиться в складской контейнер для помещения в него спрессованной емкости (см. патент РФ на изобретение №2181511 G21F 9/36, В30В 9/30, опубликованный 20.04.2002 г.)
Основным недостатком установки для спрессования емкостей с радиоактивными материалом является отсутствие автоматического управления процессом переработки упаковки твердых радиоактивных отходов (далее ТРО), а также малый объем контейнеров и отсутствие их маркировки по видам отходов.
Также известен комплекс для уплотнения и упаковки твердых радиоактивных отходов, включающий участок предварительного уплотнения ТРО в пакетах, узел съема укладки и обжатия крышек пакетов, гидравлический пресс высокого давления для брикетирования пакетов, устройство загрузки и выгрузки брикетов из пресса высокого давления, измеритель высоты брикетов, контейнер, укладчик брикетов, накопитель брикетов, выполненный в виде приводного многопозиционного диска, устройство с захватом для подачи и удаления контейнеров под брикеты, грузоподъемный механизм удаления контейнеров с рабочей позиции в склад хранения и систему программного управления.
При этом пресс высокого давления снабжен центрователем и дополнительным измерителем толщины брикетов, а механизм загрузки и выгрузки пресса высокого давления представляют собой трехпозиционную транспортно-силовую плиту, установленную на основании пресса высокого давления с возможностью перемещения на ход, равный расстоянию между технологическими позициями ее останова, причем первая позиция останова соответствует месту установки пакета перед прессом высокого давления, вторая рабочей зоне получения брикетов на прессе высокого давления и третья позиция - зоне укладки брикетов в контейнер. Укладчик брикетов содержит вертикальную штангу, на нижнем конце которой установлены клещевые захваты, а накопитель брикетов, выполненный в виде многопозиционного диска, установлен с возможностью его поворота вокруг вертикальной оси посредством электромеханического привода и снабжен двумя горизонтальными толкателями, первый из которых передает брикет от укладчика в накопитель, а второй из накопителя на позицию укладчика (см. патент РФ на изобретение №2012081, МПК G01F 9/36, опубликован 30.04.1994 г.)
Данный комплекс является наиболее близким по технической сущности, функциональному назначению и достигаемому результату, поэтому и выбран в качестве прототипа.
Но и этот комплекс не лишен недостатков. Основной из них - это не полная автоматизация процесса уплотнения и упаковки на всех операциях его выполнения, о чем свидетельствует описание изобретения, и отсутствие алгоритма программного управления работой комплекса.
К числу недостатков следует отнести и малую емкость одноместных контейнеров для брикетов, которые применяются преимущественно для обеспечения текущей утилизации ТРО, при выполнении же ликвидационных работ на АЭС необходимы контейнеры повышенной емкости, использование которых позволит уменьшить затраты на их изготовление и сократить площади складов длительного хранения радиоактивных отходов.
Нелишне указать и на отсутствие маркировки контейнеров ТРО по их виду, степени их радиационного излучения и т.д., что усложняет в дальнейшем процесс их долговременного хранения, следует отметить, что в атомной энергетике практически отсутствуют мощные, высокопроизводительные комплексы и линии с полной автоматизацией процесса переработки и упаковки твердых отходов атомных станций.
Решить задачу по устранению существующего положения, а также недостатков прототипа стало возможным путем создания комплекса заявляемого в качестве полезной модели с новой компоновкой его оборудования, новых средств измерения и системы программного управления.
Технический результат - расширение арсенала средств уплотнения и упаковки твердых радиоактивных отходов применительно к техническим возможностям каждой АЭС, создание системы программного управления с использованием современных средств измерения и автоматизации, а также контейнеров с повышенной вместимостью, достигается тем, что механизм перемещения отпрессованных брикетов и контейнеров представляет собой роликовый конвейер, поделенный на отдельные участки, каждый из которых имеет свой собственный привод, а на роликовом конвейере установлена с возможностью управляемого перемещения транспортная платформа.
При этом комплекс дополнительно имеет оптико-электронную систему наведения подъемно-транспортного средства на транспортную платформу, измеритель координат внутренних поверхностей контейнера, кондуктор для размещения с его помощью отпрессованных брикетов в несколько стоп в контейнер. Причем дисковый накопитель отпрессованных брикетов размещен между прессом высокого давления и механизмом перемещения контейнеров. Узел снятия и укладки крышки выполнен в виде подвижного манипулятора с захватом, перемещающимся в вертикальном направлении.
В целях автоматизации процесса система программного управления образована как единая система управления комплексом по всему циклу его функционирования от загрузки емкостей с ТРО в пресс высокого давления до помещения контейнеров с отпрессованными отходами на склад долговременного хранения в соответствии с разработанным алгоритмом.
Для автоматизации процесса уплотнения и упаковки в комплексе имеется участок маркировки емкостей по их номеру, вместимости, виду и радиоактивности ТРО. На этот же результат работает и оптико-электронная система, состоящая из двух независимых каналов, а именно оптического и электронно-оптического каналов, включающих излучатели и приемники излучения, размещенные соответственно на кране и транспортной платформе.
Отличием комплекса является и то, что в его состав входит измеритель координат внутренних поверхностей контейнера, представляющий собой перемещающийся в вертикальной плоскости линейный модуль с измерительной головкой снабженный лазерными датчиками. Для перемещения контейнеров повышенной вместимости транспортная платформа выполнена в виде трехсекционной силовой рамы с наклонным коробом, ложементом, клещевым захватом и установлена подвижно по осям Х и Y с возможностью управляемого перемещения относительно технологических позиций остановок на роликовом конвейере, а сам контейнер представляет собой емкость повышенной вместимости для долговременного хранения ТРО с размещением в нем, по меньшей мере, двух стоп отпрессованных брикетов, в нашем конкретном случае контейнер вмещает четыре стопы брикетов. На позициях технологических остановок транспортной платформы роликовый конвейер снабжен фиксирующим ее механизмом. Для оптимальной загрузки контейнера в комплексе предусмотрен кондуктор, который выполнен в виде двух перпендикулярных перегородок по длине и ширине контейнера 9. Чтобы обеспечить контроль за выполнением отдельных операций, комплекс снабжен камерами видеонаблюдения.
Полезная модель проиллюстрирована чертежами, где на фиг.1 показан комплекс уплотнения и упаковки радиоактивных отходов, вид сверху; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; устройство установки и выгрузки кондуктора из контейнера изображено на фиг.3, на фиг.4 показано сечение конвейера по Б-Б на фиг.1; а на фиг.5 изображен механизм фиксации транспортной платформы; транспортная платформа изображена на фиг.6 и 7 (виды сбоку и сверху); измеритель координат внутренних поверхностей контейнера показан на фиг.8; на фиг.9 отображено подъемно-транспортное средство с оптико-электронной системой; единая система управления комплексом изображена на фиг.10, и алгоритм функционирования программной части ЕСУ показан на фиг.11.
Комплекс уплотнения упаковки твердых радиоактивных отходов (ТРО) включает пресс 1 высокого давления, устройство 2 подачи емкостей 3, например бочек, стол 4 приема и подачи бочек 3 в пресс 1, дисковый поворотный накопитель 5 отбора отпрессованных брикетов 6, устройство 7 подачи отпрессованных брикетов 6 с кольцевым захватом 77 от пресса 1 до механизма 8 перемещения контейнеров 9 на позицию их упаковки, подъемно-транспортное средство 10 с автоматическим захватом 11 для загрузки пустых контейнеров 9 и выгрузки их с отпрессованными ТРО на склад долговременного хранения, манипулятор 12 снятия и укладки крышек контейнера 9, транспортную платформу 13, оптико-электронную систему 14 наведения подъемно-транспортного средства 10 на транспортную платформу 13, измеритель 15 координат внутренних поверхностей контейнера 9, кондуктор 16 для оптимального размещения с его помощью отпрессованных брикетов 6 в несколько стоп в контейнере 9, устройство 17 для установки и выгрузки его из контейнера 9 и единую систему 18 программного управления (ЕСУ) комплексом (фиг.1; 2).
При этом контейнер 9 представляет собой бетонную емкость повышенной вместимости для долговременного хранения ТРО с размещением в нем четырех стоп отпрессованных брикетов 6, а кондуктор 16 выполнен в виде двух перпендикулярных перегородок 19 и 20 и установлен на линейной направляющей 21 рамы 22, устройства 17 установки и выгрузки кондуктора 16 из контейнера 9 (фиг.3).
Устройство перемещения 8 контейнеров 9 на позицию упаковки представляет собой роликовый конвейер 23, состоящий из рамы 24, стойки 25, ролика 26 и двигателя 27 (фиг.4).
Роликовый конвейер 23 обеспечивает плавное перемещение контейнера 9 с заданной скоростью между положениями останова 28, 29, 30, 31, 32.
Конструктивно конвейер выполнен из нескольких отдельных приводных секций.
Для позиционирования неподвижности транспортной платформы 13 в установленных упомянутых положениях останова предусмотрены механизмы фиксации 33, включающий подвижные и неподвижные упоры 34 и 35 (фиг.5).
Транспортная платформа 13 предназначена для установки и точного позиционирования контейнера 9 на роликовом конвейере 23.
Основу транспортной платформы 13 составляют трехсекционная силовая рама 36 и нижний наклонный короб 37, на верхней раме расположены ложементы 38 и захватами 39, предназначенные для центрирования и удержания контейнера 9 на платформе 13.
Верхняя рама 36 совместно с ложементами 38 и захватами 39 образуют стол 40, на который устанавливается контейнер 9. Ложементы 38 обеспечивают ограничение перемещения углов контейнера 9. На корпусе платформы 13 установлены приводы 41 и 42 перемещения стола 40 по осям Х и Y, с элементами ручного управления 43 и 44, а также размещены оптическая и электронная мишени 45 и 46. Управление перемещением стола 40 транспортной платформы 13 осуществляется как в ручном, так и в автоматическом режимах с помощью панели управления 51 и 52 (фиг.6 и 7).
Измеритель 15 координат внутренних поверхностей контейнера 9 предназначен для определения положения этих стенок в трех сечениях относительно устройства 7 подачи спрессованных брикетов 6 и представляет собой перемещающийся в вертикальной плоскости линейный модуль 47 с измерительной головкой 48, лазерные датчики 49 и стойки 50 (фиг.8).
Кондуктор 16 необходим для обеспечения требуемой плотности и порядка укладки брикетов в ТРО в контейнер 9 устройством 7 от пресса 1.
Оптико-электронная система 14 предназначена для индикативного (командного) наведения транспортного средства 10 с контейнером 9 на верхний стол 40 транспортной платформы 13. Система 14 имеет два независимых канала 53 и 54 - оптический и электронно-оптический. Каждый канал имеет свой излучатель и мишень-приемник излучения. Оптический канал 53 включает в свой состав излучатель 55 с лазерным прицелом, размещенный на транспортном средстве 10, и мишень 45, в центре которой проецируется пятно лазерного луча, находящаяся на транспортной платформе 13.
Электронно-оптический канал 54 также включает в свой состав бесконтактный оптический датчик - излучатель 56 и бесконтактный оптический датчик приема излучения - мишень электронную 46, при этом датчик-излучатель 56 размещен на транспортном средстве 10, а датчик приема излучения - мишень 46 - на транспортной платформе 13 (фиг.9).
Подъемно-транспортное средство 10 реализовано в виде подъемного крана грузоподъемностью 10 тонн, снабженного манипулятором 57 с автоматическим захватом 11, предназначенного для перемещения заполненного радиоактивными спрессованными отходами контейнера 9 с функцией дистанционного сцепления и расцепления в технологическом цикле обращения с контейнерами подобного типа.
Процесс уплотнения ТРО в бочках 3 с превращением их в брикеты 6 осуществляется прессом 1 высокого давления мощностью 4000 тонн. Пресс 1 состоит из основания 58, опорных стоек 59, юбки 60 для центрирования бочек 3 и формообразования брикетов 6, ползуна 61, перемещающего юбку 60, который приводится в действие с помощью гидроцилиндра 62, а также из главного гидроцилиндра 63, на штоке 64 которого помещается пресс-штемпель 65. В прессе 1 предусмотрен измеритель 66 (контроллер) текущих режимов его работы, в частности определения толщины получаемых брикетов 6. В конструкции пресса имеется толкатель 67 для установки бочек 3 на рабочую позицию (фиг.1).
Для учета, автоматизации и упорядочения процесса уплотнения и упаковки ТРО комплекс снабжен рабочей станцией 68 маркирования бочек 3, рабочая станция 68 представляет собой управляющий пульт 69, на верхней панели которого расположена операторская панель и индикаторы состояния, а в передней части выведен лоток приема наклеек. После получения оператором информации о загруженном в бочки 3 материале, он выбирает в классификаторе операторской панели маркировщика бочек пункты, соответствующие типу ТРО и осуществляет печать этикетки с кодом для каждой бочки 3, который содержит ее порядковый номер и вид ТРО, содержащихся внутри. После печати этикетки оператор снимает самоклеящуюся этикетку с ленты и наклеивает ее в центре крышки бочки 3, после этого бочку 3, зарегистрированную в базе данных, отправляют на склад их временного хранения с ТРО, откуда они затем по мере необходимости поступают на позицию прессования.
Для анализа спектра радиационного излучения контейнера 9 с ТРО на позиции его упаковки применяется спектрографическая установка МКГ-01Д «Садовник» (на фиг. не показана).
Пресс 1 высокого давления, устройство 2 подачи емкостей 3, стол 4 приема и подачи емкостей 3 в пресс 1, дисковый поворотный накопитель 5, устройство 7 с кольцевым захватом 77 подачи отпрессованных брикетов 6 от пресса 1 до механизма 8 перемещения контейнеров 9 на позицию их упаковки размещены в кессонном блоке 70 с подвижным шибером 71, обеспечивающим герметизацию помещения.
Автоматизация работы комплекса проводится с использованием системы программного управления, которая выполнена как единая система управления (ЕСУ) комплексом по всему циклу его функционирования от загрузки емкостей 3 с ТРО в пресс 1 высокого давления до помещения контейнеров 9 с отпрессованными отходами на склад долговременного хранения в соответствии с имеющимся алгоритмом программы (фиг.10). Все отдельные элементы в структуре комплекса соединены в единую информационную сеть. В сети данные передаются по кабелям, соединяющим отдельные устройства различным образом в зависимости от вида сети. Для более надежной передачи информации в комплексе использованы два вида сетей. Верхний уровень системы составляют устройства объединенные по стандарту «Ethernet». Нижний уровень составляют устройства, объединенные по стандарту «ProfiBus». Основным управляющим элементом комплекса является рабочая станция 72 оператора ЕСУ и пульты 78 и 79 управления в целом устройством подачи и позиционирования контейнером 9. Внутри рабочей станции 72 оператора ЕСУ находится и сетевое хранилище данных работы всего комплекса. Все устройства, передающие информацию о текущем состоянии дел по сети «Ethernet», подчинены центральному элементу сети - рабочей станции 72 оператора ЕСУ. По сети «Ethernet» рабочая станция 72 собирает информацию с рабочей станции 68 маркировки бочек 3, рабочей станции считывателя и идентификатора (на фиг. не показана), измерителя 66 параметров работы пресса 1, установки спектрометрической и устройства подачи и позиционирования контейнера 9 (роликовый конвейер 23, транспортная платформа 13, подъемно-транспортное средство 10 с захватом и оптико-электронной системой 14).
Рабочая станция 72 оператора ЕСУ управляет перемещением бочки 3 с ТРО в пресс 1, манипулятором 57 снятия и установки крышки контейнера 9. Устройством 17 установки кондуктора 16 и шибера 71, управление подготовкой и установкой контейнера 9 на конвейер 23 осуществляется с пульта 78.
Единая система программного управления изображена на структурной схеме единого комплекса оборудования (фиг.10).
Автоматизацию управления работой комплекса дополняет система видеонаблюдения, которую составляют четыре видеокамеры; расположенные по пути движения контейнера 9. Видеокамера 73 наблюдает за установкой контейнера 9 на транспортную платформу 13, а видеокамера 74 отслеживает работу измерителя 15 координат. Видеокамера 75 направлена на устройство 17 для установки и выгрузки кондуктора 16 из контейнера 9, и видеокамера 76 отслеживает работу устройства 7 подачи отпрессованных брикетов на роликовый конвейер 23.
Комплекс уплотнения и упаковки твердых радиоактивных отходов работает следующим образом.
Заполненные твердыми радиоактивными отходами бочки 3 с подготовленными на рабочей станции маркировки 68 этикетками поступают по грузовому лифту 80 на устройство 2, которое подает их на рабочий стол 4, где установлен сканер (на фиг. не показан) который считывает информацию с этикетки бочки 3 и передает ее в операторскую панель рабочей станции считывателя и идентификатора. После прохождения идентификации бочки 3 с системы управления рабочей станции 72 оператора ЕСУ поступает сигнал о необходимости ее подачи с помощью толкателя 67 на позицию прессования.
С контроллером 66 пресса 1 рабочая станция 72 ЕСУ обменивается данными о текущих режимах его работы. После установки бочки 3 на рабочей позиции пресса 1 ползун 61 усилием гидроцилиндра 62 перемещает юбку 60 до основания 58, а основной гидроцилиндр 63 приводит в действие через шток 64 пресс-штемпель 65, который и осуществляет своим перемещением вниз прессование бочки 3 в брикет 6, выдержав паузу, юбка 60 и пресс-штемпель 65 перемещаются вверх, освобождая позицию прессования для следующей бочки. При этом измеритель 66 пресса 1 контролирует толщину полученного брикета и передает данные на рабочую станцию 72 ЕСУ. Отпрессованный брикет 6 поступает по конвейеру в поворотный многопозиционный диск 5.
Одновременно с началом процесса прессования брикетов 6 в зону действия подъемно-транспортного средства 10 на позицию 28 выставляется транспортная платформа 13, транспортная платформа 13 на этой начальной позиции как и других позициях 29, 30, 31 и 32 ее технологического останова на роликовом конвейере 23 надежно фиксируется от возможного перемещения подвижными и неподвижными упорами 34 и 35. Затем на нее краном 10 с применением оптико-электронной системы 14 автоматическим захватом 11 устанавливают контейнер 9 и фиксируют его неподвижно захватами 39, расположенными в верхней части транспортной платформы 13, а с помощью манипулятора 12 с рабочим захватом снимается крышка с контейнера 9 и устанавливается в положение ее хранения.
Сняв крышку с контейнера 9, транспортную платформу 13 перемещают в положение останова 29 - место расположения средств измерения координат внутренней поверхности контейнера.
При помощи измерителя 15 координат внутренних поверхностей контейнера 9 размещают внутри него измерительную головку 48 с лазерными датчиками 49 и проводят измерение в трех положениях по координатам X, Y, Z и выполняют с использованием приводов 41 и 42 перемещение контейнера 9 на транспортной платформе 13 по осям Х и Y.
Измерив координаты, транспортную платформу 13 перемещают в положение 30, на позицию установки (снятия) кондуктора 16 в контейнер 9, к устройству 17, линейная направляющая 21 устройства 17 которого опускает в контейнер 9 кондуктор 16 с двумя перпендикулярными перегородками 19 и 20, разделяя таким образом внутреннее пространство контейнера 9 на четыре части для последующего равномерного размещения в них отпрессованных брикетов 6.
После установки кондуктора 16 в контейнер 9 с рабочей станции 72 оператора ЕСУ поступает команда на открытие шибера 71 для перемещения транспортной платформы 13 в кессонный блок 70, на позицию 31 - первое положение контейнера 9 для загрузки брикетов 6 устройством 7 с кольцевым захватом 77 на роликовый конвейер 23.
Как только транспортная платформа 13 с контейнером 9 установлена на позиции 31, следует команда на закрытие шибера 71. С закрытием шибера 71 управление работой комплекса с пульта 78 передается на рабочую станцию 72 оператору ЕСУ. Далее, на первой позиции 31 проводят загрузку отпрессованных брикетов 6 устройством 7 с кольцевым захватом из пресса 1 и многопозиционного поворотного дискового накопителя 5 в первую половину контейнера 9, а затем переместив контейнер 9 в положение 32 загружают его вторую половину до полной емкости.
Открыв шибер 71, транспортную платформу 13 с загруженным контейнером 9 направляют из кессонного блока 70 обратно на позицию 30 для удаления из контейнера 9 кондуктора 16, при этом дальнейшее управление работой комплекса опять передается от рабочей станции 72 на пульт 78. На позиции 30 устройством 17 в обратном порядке кондуктор 16 извлекается из загруженного брикетами 6 контейнера 9, после этого транспортную платформу 13 с контейнером 9 перемещают на первоначальную позицию 28, на которой манипулятором 12 с захватами 81 проводят установку ранее снятой крышки. С установленной крышкой контейнер 9 с ТРО поступает для проведения изменения установкой спектрометрической МКГ-01Д «Садовник» степени радиационного излучения и в заключение подъемно-транспортным средством 10 отправляется на место его хранения.
Вся работа комплекса осуществляется с использованием системы программного управления в соответствии с алгоритмом функционирования программной части ЕСУ (фиг.11).
Использование полезной модели не вызывает сомнения, поскольку уже разработана конструкторская документация, «Комплекс переработки радиоактивных отходов с системой управления для обеспечения функционирования суперпресса», и решается вопрос об использовании данного комплекса для его эксплуатации на Смоленской атомной станции.