Перспективные технологии утилизации отхода

         Источники излучения, используемые  в университетах и исследовательских  учреждениях, также требуют соответствующего  обращения с ними и захоро-нения. Многие источники имеют низкую активность или короткий период полу-распада. Однако некоторые исключение составляют долгоживущие источники высокого уровня активности, например радий-226 и америций -241, используе-мые в биологических и / или сельскохозяйственных исследованиях. Они тре-буют долгосрочного управления и удаления.

 

                 Классификация радиоактивных отходов

 

РАО классифицируют по различным признакам (рис. 3.1): по агрегатному состоянию, по составу (виду) излучения, по времени жизни (периоду полурас-пада Т1/2), по удельной активности (интенсивности излучения). Однако, у используемой в России классификации РАО по удельной (объемной) активности есть свои недостатки и положительные стороны. К недостаткам можно отнести то, что в ней не учитывается период полураспада, радионуклидный и физико-химический состав отходов, а также наличие в них плутония и трансурановых элементов, хранение которых требует специальных жестких мер. Положи-тельной стороной является то, что на всех этапах обращения с РАО включая хранение и захоронение главной задачей является предотвращение загрязнения окружающей среды и переоблучения населения, и разделение РАО в зависи-мости от уровня удельной (объемной) активности именно и определяется сте-пенью их воздействия на окружающую среду и человека. На меру радиационной опасности влияет вид и энергия излучения (альфа-, бета-, гамма - излучатели), а также наличие химически токсичных соединений в отходах. Продолжитель-ность изоляции от окружающей среды среднеактивных отходов составляет 100-300 лет, высокоактивных - 1000 и более лет, для плутония - десятки тысяч лет.    Важно отметить, что РАО делятся в зависимости от периода полураспада ра-диоактивных элементов: на короткоживущие период полураспада меньше года; среднеживущие от года до ста лет и долгоживущие более ста лет.

 

Рис.3.1 Классификация  радиоактивных отходов.

 

 

Среди РАО наиболее распространенными по агре-гатному  состоянию счи-таются жидкие и твердые. Для классификации жидких  РАО  был использован пара-метр удельной (объемной) активности таблица 1.Жидкими РАО считаются жидкости, в которых допус-тимая концентрация радио-нуклидов превышает концентрацию установлен-ную для воды открытых водоемов.  Ежегодно на АЭС образуется большое кол-личество жидких радиоактивных отходов (ЖРО). В основном большинство ЖРО просто сливается в открытые водоемы, так как их радиоактивность  счи-тается безопасной для окружающей среды. Жидкие РАО образуются также на радиохимических предприятиях и исследовательских центрах.

 

              Классификация жидких радиоактивных отходов

 

                                                                                                        Таблица 3.1.

 

Категории РАО Удельная активность, Ки/л (Бк/кг)

Низкоактивные ниже 10-5 (ниже 3,7*105)

Среднеактивные 10-5 - 1 (3,7*105 - 3,7*1010)

Высокоактивные выше 1 (выше 3,7*1010)

 

Из всех видов РАО жидкие наиболее распространены, так как  в растворы переводят как вещество конструкционных материалов (нержавеющих  сталей, циркониевых оболочек ТВЭЛов и т.п.), так и технологические элементы (соли щелочных металлов и др.). Большая часть жидких РАО образуется за счет атом-ной энергетики. Отработавшие свой ресурс ТВЭЛы, объединенные в единые конструкции - тепловыделяющие сборки, аккуратно извлекают и выдерживают в воде в специальных бассейнах-отстойниках для снижения активности за счет распада короткоживущих изотопов. За три года активность снижается примерно в тысячу раз. Затем ТВЭЛы отправляют на радиохимические заводы, где их измельчают механическими ножницами и растворяют в горячей 6-нормальной азотной кислоте. Образуется 10% раствор жидких высокоактивных отходов. Та-ких отходов производится порядка 1000 т в год по всей России (20 цистерн по 50 т.).

Для твердых РАО был  использован вид доминирующего  излучения и мощности экспозиционной дозы непосредственно на поверхности отходов таблица 3.2.

 

           

 

 

 

 

 

 

 

 

     Классификация  твердых радиоактивных отходов

 

                                                                                                         Таблица 3.2.

 

Категории РАО Мощность экспозиционной дозы, Р/ч Вид доминирующего излучения

альфа-излучатели, Ки/кг бета-излучатели, Ки/кг Мощность дозы гамма-излучения (0,1м от поверхности), Гр/ч

Низкоактивные ниже 0,2 2*10-7 - 10-5 2*10-6 - 10-4 3*10-7 - 3*10-4

Среднеактивные 0,2 - 2 10-5 - 10-2 10-4 - 10-1 3*10-4 - 10-2

Высокоактивные выше 2 выше 10-2 выше 10-1 выше 10-2

 

Твердые РАО - это  та форма радиоактивных отходов, которая непосредственно подлежит хранению или захоронению. Существует 3 основных вида твердых отходов :

" остатки урана или радия, не извлеченныме при переработке руд,

" искусственные радионуклиды, возникшие при работе реакторов и ускорителей,

" выработавшие ресурс, демонтированные реакторами, ускорителями, радиохимическим и лабораторным оборудованием.

Для классификации  газообразных РАО также  используется параметр удельной (объемной) активности  таблица 3.3.

 

            Классификация газообразных радиоактивных  отходов

 

                                                                                                          Таблица 3.3

 

Категории РАО Объемная активность, Ки/м3

Низкоактивные ниже 10-10

Среднеактивные 10-10 - 10-6

Высокоактивные выше 10-6

 

Газообразные  РАО образуются в основном при  работе АЭС, радиохими-ческих заводов  по регенерации топлива, а также при пожарах и других аварий-ных ситуациях на ядерных объектах.

Это радиоактивный  изотоп водорода 3Н (тритий), который  не задержи-вается нержавеющей сталью оболочки твэлов, но поглощается (99 %) цирко-ниевой оболочкой. Кроме того при делении ядерного топлива образуется радио-генный углерод, а также радионуклиды криптона и ксенона.

         Инертные газы, в первую очередь  85Kr (T1/2 = 10,3 года), предполагают улавливать  на предприятиях радиохимической  промышленности, выделяя его из  отходящих газов с помощью криогенной техники и низкотемпературной адсорб-ции. Газы с тритием окисляются до воды, а углекислый газ, в котором присутст-вует  радиогенный углерод, химически связывается в карбонатах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел 4.  Существующие технологии переработки

 

                                4.1 Обработка и кондиционирование

 

Процессы обработки  и кондиционирования используются для трансформации радиоактивных  отходов в формы, подходящие для  последующего обращения с ними, например, перевозки, хранения и окончательного удаления. Защита людей и окружающей среды от радиации и возможной дисперсии радиоактивных мате-риалов - самые важные приоритеты промышленности.

Основные цели состоят в том, чтобы:

• минимизировать объем отходов, для которых требуется обращение через про-цессы обработки
• уменьшить потенциальную опасность отходов путем их кондиционирования в устойчивые твердые формы, которые фиксируют их в неподвижном состоянии и обеспечивают их сдерживание, гарантируя безопасное обращение с отходами в течение их перевозки, хранения и окончательного удаления.

 

     Необходимо отметить, что выбор используемых процессов зависит от уровня активности и типа (классификации) отходов. Политика в области обращения с ядерными отходами каждой страны и ее национальные нормативы также влияют на принятый подход.

 

                               4.2 Остекловывание радиоактивных  отходов

 

Связывание отходов высокого уровня активности (HLW) требует формирова-ния нерастворимых, твердых форм, которые останутся устойчивыми в течение многих тысяч лет. В основном в качестве среды для размещения HLW выбирается боросиликатное стекло. Стабильная сохранность стекла с античных времен на протяжении тысячелетий подтверждает мысль о пригодности боросиликатного стекла в качестве материала для такой матрицы.

Этот технологический процесс, называемый остекловыванием, также  был применен для отходов низкого  уровня активности, там, где тому соответствовали тип отходов или уровень экономики.

Наиболее высокоактивные отходы образуются в жидкой форме  после  пере-работки отработанного топлива. Чтобы внедрить эти отходы в стеклянную матри-цу, их первоначально прокаливают (высушивают), переводя в твердую форму. В таком виде их затем добавляют в расплавленное стекло, находящееся в нержа-веющем контейнере, и охлаждают, создавая твердую матрицу. Контейнеры затем закрываются сваркой и готовятся для хранения и окончательного удаления.

 

Было создано несколько других альтернативных процессов, использующих керамику, использование которых  также позволило добиться желательного качества продукта.

 

                                           Другое применение технологии

 

        Остекловывание на месте (in-situ) было опробовано  в качестве меры «фикса-ции» радиоактивности в загрязненной почве, а также для создания барьера, пре-дотвращающего дальнейшее распространение загрязнения.

 

Применение

 

       Подобный процесс  в настоящее время используется  во Франции, Японии, ря-де стран  бывшего Советского Союза, Великобритании  и США и считается пред-почтительным  процессом для обращения с  отходами высокого уровня активности (HLW), возникающими при переработке отработанного топлива.

 

                                                        4.3 Сжигание

 

       Технология сжигания (прокаливания) в основном используется  для уменьше-ния объема горючих  отходов низкого уровня активности. Это - технология, кото-рая является также предметом беспокойства населения во многих странах, поскольку местных жителей волнует  проблема образующихся при сжигании выб-росов в атмосферу. Тем не менее, эта технология может использоваться для обра-ботки как жидких, так и твердых отходов -  древесины, бумаги, одежды, резины, а также органических отходов. Пока она используется согласно строгим нормам, установленным для выбросов в атмосферу.

                                                            Процесс

      Современные системы сжигания - хорошо спроектированные, высоко техно-логичные процессы, разработанные для полного и эффективного сжигания отхо-дов с минимальным количеством выделений.

 

       После отделения  горючих отходов от негорючих  составных частей, отходы сжигают  (прокаливают) в специально спроектированной печи для обжига и сушки при температуре  до ~1000^oC. Любые газы, выделившиеся во время прокаливания, обрабатываются и отфильтровываются до их выпуска в атмосферу и должны контролироваться на предмет соответстветствия международным эталонам и на-циональным нормам выпуска выбросов в атомсферу.

      После  прокаливания остается зола, которая  содержит радионуклиды, для нее   может потребоваться дальнейшее  кондиционирование вплоть до  удаления, напри-мер, посредством цементирования или битуминизации. Если это будет рентабель-но, для дальнейшего снижения объема зольных отходов может также использо-ваться технология уплотнения.

       Достигнуты  коэффициенты снижения объема  вплоть до 100 в зависимости от

плотности отходов.

                                      Другое применение технологии

 

       Прокаливание  горючих отходов может применяться  и к радиоактивным, и к другим видам отходам. В случае обращения с радиоактивными отходами оно используется для обработки низкоактивных отходов LLW  атомных электростан-ций, предприятий ядерно-топливного цикла, исследовательских центров (типа центров биомедицинских исследований), медицинских учреждений и предприя-тий по переработке отходов. Прокаливание опасных (например, отработанные масла, растворители) и безопасных отходов (городские отходы, биомасса, шины, сточные воды, ил) также осуществляется во многих странах.

 

                                                      4.4 Уплотнение

 

       Уплотнение - зрелая, высокотехнологичная и  надежная технология умень-шения объема, которая используется при переработке РАО, главным образом, при обращении с  твердыми промышленными отходами низкого уровня активнос-ти (LLW). Некоторые страны (Германия, Великобритания и США) также исполь-зуют эту технологию для уменьшения объема промышленных отходов промежу-точного уровня активности ILW/трансурановые (TRU). Диапозон установок для уплотнения может быть достаточно широк: от систем уплотнения с низкой силой давления  (~5 тонн или выше) до прессов с силой уплотнения более 1000 тонн, ко-торые называются суперуплотнителями. Коэффициенты уменьшения объема обычно находятся между 3 и 10, в зависимости от обрабатываемых отходов.

Процесс

Уплотнение с низкой силой давления осуществляется на  гидравлических или пневматических прессах для сжатия отходов в подходящие для этого контейнеры, например, металлические бочки емкостью в 200 литров. Для достижения супер-уплотнения большой гидравлический пресс сминает непосредственно металличес-кую бочку  или другой приемный резервуар, содержащий различные формы твер-дых отходов низкого или промежуточного уровня активности (LLW или ILW). Металлическая бочка или контейнер удерживается в пресс-форме в течение уплотняющего хода суперуплотнителя, который до минимума уменьшает  наруж-ный размер бочки или контейнера. Сжатая металлическая бочка затем снимается с пресс-формы, и процесс повторяется. Две или больше смятых бочек, также назы-ваемые таблетками, затем герметизируются внутри контейнера для промежуточ-ного хранения и/или окончательного удаления.