Глава 2. ОСНОВНЫЕ СТАДИИ И ПРИНЦИПЫ ОБРАЩЕИЯ С РАО
Обращение с РАО – все виды деятельности, связанные со сбором, транспортированием, переработкой, кондиционированием, хранением и (или) захоронением РАО.
РАО характеризуются чрезвычайно разнообразными физическими и химическими формами и свойствами. Однако основные стадии по обращению с любыми РАО имеют много общего [28]. В настоящее время в России разработаны основополагающие и общепризнанные принципы обращения с РАО.
2.1.Основные стадии обращения с РАО
Всоответствии с предложениями МАГАТЭ [29] целесообразно разделять обращение с РАО на следующие основные стадии: предварительная обработка, обработка, кондиционирование и захоронение.
Предварительная обработка является первоначальной стадией обращения с РАО, которая начинается сразу после их образования. Эта стадия осуществляется в местах образования отходов и включает их сбор и сортировку с учетом радиационных, физических и химических характеристик в соответствии с классификацией отходов и с учетом методов последующего обращения с ними. Предварительная обработка отходов включает в себя разделение их на радиоактивные и нерадиоактивные, на материалы ограниченного и неограниченного использования.
При предварительной обработке первичных ЖРО и ТРО с сортировкой их по различным группам и категориям должны учитываться способы (технологии) дальнейшей их переработки и виды последующего хранения и/или захоронения. В эту стадию может входить также период промежуточного временного хранения отходов.
Обработка РАО включает операции, цель которых состоит в повышении безопасности и экономической целесообразности обращения с РАО путем изменения их характеристик (в основном за
31
счет значительного снижения объема отходов). Примерами таких операций являются: сжигание горючих отходов, уплотнение или прессование ТРО, упаривание (выпаривание) ЖРО, осаждение или флоккуляция химических веществ (изменение состава), фильтрация
иионный обмен. Иногда некоторые из этих процессов используются в сочетании друг с другом для обеспечения требуемой эффективности выделения активных составляющих из РАО. На этой стадии часто приходится иметь дело с несколькими видами отходов, поскольку в процессе обработки одни отходы могут переходить в другие. Например, жидкие – в твердые при отверждении ЖРО или газообразные – в твердые при пропускании их через фильтры, а также твердые – в твердые при прессовании и сжигании (зола) или газообразные – в твердые при их сжигании и т.д.
Наиболее сложными и трудоемкими являются операции по обработке ЖРО, которые на предприятиях атомной промышленности
иособенно РХП образуются в большом количестве [11], [30]-[33].
Традиционными способами обработки ЖРО низкой и средней категории активности являются химическое осаждение, ионный обмен, выпаривание, фильтрование, мембранные методы.
Очистка ЖРО от радиоактивности при использовании методов осаждения происходит за счет сил гравитации и соосаждения, и адсорбции радионуклидов на образовавшихся объемных осадках в системе «отходы – осадитель», а также за счет физического захвата осадками суспензированных коллоидных частиц. Используются различные химические реагенты: гидрооксиды железа, алюминия, титана, фосфаты, сульфаты и сульфиды, ферроцианиды меди, цинка, никеля и т.д. В результате образуется жидкая и твердая фазы. Степень очистки жидкой фазы характеризуется значениями 50 – 100 и более. Твердая фаза обогащается радионуклидами. Жидкая фаза может подвергаться дополнительной очистке, после чего направляться для повторного использования или сбрасываться в окружающую среду.
Очистка ЖРО по ионообменной технологии осуществляется с использованием органических и неорганических природных и синтетических материалов. К неорганическим природным материалам относятся глины, природные цеолиты, минералы: вермикулит, клиноптилолит и др. Органические ионообменные материалы представляют собой смолы. В их основу входят, главным образом, по-
32
листирол и фенолформальдегид, в которые вводятся функциональные группы. Ионообменные смолы позволяют обеспечить высокую степень очистки вод от радионуклидов (102 – 104). Вторичными отходами ионообменных установок являются растворы, полученные при промывке смол (регенерирующие растворы), содержащие значительные количества радионуклидов и солей, и отработанные ионообменные материалы, которые требуют дальнейшей переработки, хранения или захоронения.
Выпаривание является широко распространенным методом переработки ЖРО. Достигаемая степень очистки в среднем составляет 103, а в некоторых схемах – 106. В связи с коррозией выпарных аппаратов, пенообразованием, образованием накипи отходы должны проходить предварительную подготовку. Вторичными отходами являются кубовые остатки – растворы пульпы с высоким содержанием нуклидов и солей. Часть нуклидов может оставаться в конденсате и требует организации многостадийного процесса выпаривания. Выпаривание является весьма энергоемким процессом, что снижает эффективность его использования для переработки больших объемов отходов.
Фильтрование обычно используется в качестве вспомогательного процесса для подготовки ЖРО к переработке различными методами. Применяются различные системы фильтров, центрифуги, гидроциклоны. Загрязненный радионуклидами фильтровальный материал требует дальнейшей переработки.
К мембранным процессам относятся обратный осмос, электродиализ и ультрафильтрация, которые применяются, в основном, для НАО. В стадии разработки находятся электроосмос, электрохимический ионный обмен и др. Во всех этих процессах также получают вторичные отходы, требующие специального обращения.
Кондиционирование РАО, проводимое с целью повышения безопасности, состоит из операций, в процессе которых РАО превращают в форму, приемлемую для транспортирования, хранения и захоронения. Операции кондиционирования могут включать иммобилизацию РАО, помещение отходов в контейнеры и упаковки. Общепринятые методы иммобилизации состоят в отверждении отходов путем включения их в цемент, битум, стекло [33]-[35], в матрицы легкоплавких металлов, керамические матрицы и др.
33
Цементирование является наиболее дешевым способом изолирования отходов от воздействия атмосферных газов и природных вод. Однако из-за высокой проницаемости цементных блоков при длительном их хранении происходит выщелачивание радионуклидов, поэтому этот метод кондиционирования считается наиболее приемлемым для НАО.
Битумирование РАО является также недорогим и простым способом иммобилизации отходов. Он сравнительно малочувствителен к виду перерабатываемых отходов. Это могут быть солевые и гидроксидные шламы, концентраты после выпаривания, органические соединения. Радиационная устойчивость битумов довольна высока: удельная активность блоков до 1 Ки/л не вызывает серьезного радиационного повреждения. Однако из-за ряда технологических и эксплуатационных недостатков (в частности, из-за горючести битума) интерес к битумированию в последнее время заметно угас.
Достаточно большие затруднения на РХП вызывает переработка ВАО. Эти отходы длительное время выдерживаются (хранятся) в специальных емкостях и по истечении некоторого времени перерабатываются, как правило, методом остекловывания. В настоящее время используются боросиликатные и фосфатные стекла. Однако все стекла обладают недостаточной радиационной стойкостью, поэтому вызывает интерес, разрабатываемый в последнее время син- рок-процесс с включением ВАО в керамическую камнеподобную матрицу [7].
Ряд специальных вопросов переработки ТРО и отвержденных РАО всех категорий активности рассматриваются в [30]-[33].
Иммобилизованные отходы в зависимости от их характеристик и удельной активности могут упаковываться в различные контейнеры, начиная от обычных 200-литровых стальных бочек до имеющих сложную конструкцию специальных контейнеров с толстыми стенками и различными устройствами обеспечения безопасности, предназначенных одновременно для транспортирования и хранения РАО. Из специальных контейнеров для хранения РАО можно отметить следующие: в США – контейнеры из нержавеющей стали, у которых пространство между внешней и внутренней оболочками залито свинцом; в Японии – контейнеры из кованой стали; в Швеции внешний контейнер медь, а внутренний – чугун;
34
в России – контейнеры из бетона, общие технические требования к которым изложены в [36].
В зависимости от специфики производства некоторые стадии обращения с РАО могут совмещаться. Например, стадии обработки и кондиционирования РАО.
Захоронение РАО является заключительной стадией системы обращения с РАО, при котором РАО помещаются в пункт захоронения (ПЗРО) при соответствующем обеспечении безопасности без намерения их изъятия. Предполагается, что захоронение осуществлено таким образом, что не требует длительного последующего наблюдения и технического обслуживания. Однако это соответствует идеальному случаю, когда ПЗРО имеет барьеры, обладающие достаточными изолирующими свойствами. Поэтому техническое состояние ПЗРО должно находиться под постоянным контролем в течение всего срока потенциальной опасности. Кроме того, периодически должен осуществляться мониторинг района, где находится ПЗРО. Все документы о ПЗРО должны храниться бессрочно.
Изоляция РАО в ПЗРО достигается путем создания вокруг РАО барьеров, препятствующих проникновению отходов в окружающую среду. Барьеры могут быть как естественные (геологическая порода), так и искусственные (например, стенки контейнера). Система изоляции может состоять из многих физических барьеров, что позволяет повысить ее надежность и снизить скорость перехода радионуклидов из РАО в окружающую среду. Конструкция ПЗРО выбирается с учетом физико-химических и радиационных характеристик РАО (подробнее о захоронении РАО в гл. 3 и 4).
Следует отметить, что в России имеется большое количество объектов хранения РАО, для которых стадии переработки, кондиционирования и захоронения еще не осуществлены. К ним могут быть отнесены открытые водоемы-хранилища ЖРО, поверхностные и заглубленные хранилища ТРО и хранилища высокоактивных ЖРО.
2.2. Радиационная и ядерная безопасность
Радиационная безопасность. Обеспечение радиационной безопасности осуществляется на всех стадиях обращения с РАО: сборе
35