Технологические основы систем управления с радиоактивными отходами

1.

Технологические основы систем
управления с радиоактивными
отходами

2.

Радиоактивные отходы
Радиоактивные отходы – вещества,
материалы, изделия, оборудование, объекты
биологического
происхождения,
радиоизотопные источники, загрязненные
объекты внешней среды, содержание
радионуклидов в которых превышает уровни,
установленные нормами радиационной
безопасности.

3.

Цель обращения с РАО
Целью обращения с РАО является
обращение с ними таким образом, чтобы
защитить здоровье человека и окружающую
среду в настоящее время и в будущем, не
налагая чрезмерного бремени на будущие
поколения.

4.

Принципы обращения с РАО
Принцип 1: Защита здоровья человека
Обеспечивается приемлемый уровень защиты здоровья
человека.
• Принцип 2: Охрана окружающей среды
Обеспечивается приемлемый уровень охраны окружающей
среды.
• Принцип 3: Защита за пределами национальных границ
Необходимо учитывать возможные последствия для здоровья
человека и окружающей среды за пределами национальных
границ.
• Принцип 4: Защита будущих поколений
Предсказуемые последствия для здоровья будущих поколений
не превышают соответствующие уровни последствий, которые
приемлемы в наши дни.

5.

Принципы обращения с РАО
• Принцип 5: Бремя для будущих поколений
Обращение с РАО не
налагает чрезмерного
бремени на будущие поколения.
• Принцип 6: Национальная правовая структура
Обращение с РАО
осуществляется в рамках
соответствующей национальной правовой структуры,
предусматривающей
четкое
распределение
обязанностей
и
обеспечение
независимых
регулирующих функций.
• Принцип 7: Контроль за образованием РАО
Образование РАО должно быть минимальным,
насколько это практически осуществимо;

6.

Принципы обращения с РАО
• Принцип 8: Взаимозависимости образования РАО
и обращения с ними
Необходимо надлежащим образом принимать во
внимание взаимозависимости между всеми этапами
при образовании РАО и при обращении с ними;
• Принцип 9: Безопасность установок
Безопасность установок по обращению с РАО
должна обеспечиваться в течение всего жизненного
цикла установки.
Эксплуатирующая организация (ЭО) в качестве
части общего стратегического планирования должна
разработать и осуществлять программу безопасного
обращения с РАО с учетом указанных принципов

7.

Классификация РАО

8.

Классификация РАО согласно МАГАТЭ

9.

Классификация РАО в РФ

10.

Основные этапы обращения с РАО

11.

Основные этапы обращения с РАО
Кондиционирование РАО – состоит в
превращении радиоактивных отходов в форму,
пригодную для дальнейшего безопасного
обращения,
перемещения,
хранения,
захоронения, и может включать в себя
иммобилизацию отходов, помещение их в
контейнеры (упаковку), а при необходимости и вторичную упаковку.

12.

Основные этапы обращения с РАО
Операции перевода отходов в твердую форму
посредством их отверждения, включения в какуюлибо матрицу или заключение в герметичные
оболочки определяются термином иммобилизация.
На этом этапе производится иммобилизация
отходов путем их помещения в матрицы из бетона,
битума, стеклоподобных или других материалов.
Иммобилизованные
радиоактивные
отходы
упаковываются в контейнеры, конструкция которых
определяется активностью и типом отходов.

13.

Основные этапы обращения с РАО
Связующие компоненты должны обладать следующими
характеристиками:
• низкое вымывание, которое характеризирует высокие
изоляционные свойства;
• хорошая совместимость с составляющими концентрата
отходов, что обеспечивает минимальный объем конечного
продукта;
• прочность, которая включает разрушение отвержденного
продукта в аварийных ситуациях при транспортировке;
• биостойкость – отвержденные продукты не должны
поддаваться влиянию бактерий и микроорганизмов;
• радиационная стойкость, которая определяет, в частности,
газовыделение из отвержденных продуктов.

14.

Цементирование
Включение в цемент является одним из
самых
распространенных
методов
отверждения
и
иммобилизации
радиоактивных отходов низкого и среднего
уровня активности.

15.

Цементирование
Процесс отверждения цемента связан с реакцией
гидратации всех компонентов цемента при
взаимодействии с водой с образованием монолитного
продукта, который называется бетоном.
Понимание гидратации как химического процесса
является исключительно важным в понимании
процесса цементирования. Наличие и участие в
процессе посторонних компонентов (в частности
радиоактивных отходов) может существенно влиять
на процессы гидратации, и как следствие на качество
получаемого отвержденного продукта

16.

Цементирование
Как основной компонент цемента,
трикальцийсиликат определяет все основные
свойства цемента. При смешении с водой он
претерпевает несколько стадий процесса
отверждения, продолжающихся в течение
нескольких суток (от семи и более).

17.

Цементирование
Реакция гидратации трикальцийсиликата

18.

Цементирование
Преимущества цементирования:
1. доступность материалов и технологии,
2. низкая стоимость,
3. совместимость со многими типами отходов,
4. возможность иммобилизации влажных отходов,
5.
отсутствие
парогенерации
в
процессах
иммобилизации,
6. достаточно высокая прочность и гидростойкость,
7. быстрое и регулируемое затвердевание.

19.

Цементирование
Недостатки цементирования:
1. необходимость регулирования рН отходов,
2. значительное тепловыделение при гидратации,
3. взаимодействие некоторых типов отходов с матрицей,
4. необходимость использования различающихся типов
цемента для
разных отходов.
5. Преимущественно для РАО низкого уровня активности;
6. Увеличение объема;
7. Низкая химическая устойчивость, механическая
прочность и морозостойкость;
8. Низкая радиационная устойчивость из-за присутствия
воды, подверженной радиолизу.

20.

Установка цементирования РАО
с точным дозированием ЖРО, цемента и добавок

21.

Битумирование
• Отверждение жидких концентрированных
или сухих радиоактивных отходов путем
смешения их с расплавленным битумом и
термического обезвоживания полученной
смеси.
• Битум — продукт перегонки нефти или
каменного угля. Гидростойкость битума
обеспечивает
достаточно
надежную
гидроизоляцию включенных компонентов.

22.

Битумирование
Битум представляет собой смесь различных
углеводородов,
получаемую
при
окислении
остаточного продукта нефтеперегонки — гудрона —
атмосферным воздухом В его составе, как правило,
выделяются три основные фракции: масла, смолы и
асфальтены Соотношение этих фракций в основном
определяет свойства битумов.
Процесс битумирования включает испарение из
жидких или влажных отходов воды и смешение
обезвоженных отходов с расплавленным битумом при
повышенной температуре.

23.

Битумирование
Преимущества
битумирования
по
сравнению
с
цементированием:
- сокращение объема перерабатываемых отходов
вследствие удаления воды в процессе обработки и
- хорошая водоустойчивость компаундов.

24.

Битумирование
Недостатки
– Малый коэффициент уменьшения объема;
– Низкая химическая устойчивость;
– Низкая радиационная устойчивость из-за присутствия
органических соединений;
– Пожароопасность;
– Загрязнение окружающей среды нитратами;
– Низкая механическая прочность.

25.

Остекловывание
Включение отходов высокого уровня
активности в
боросиликатное стекло,
примерно 14 % по массе.
Остекловывание предназначено для
фиксации радионуклидов в неподвижном
состоянии в нерастворимой, стабильной
матрице, готовой для захоронения

26.

Остекловывание
Предполагается, что для захоронения высокоактивных
отходов наиболее перспективны боросиликатные стекла,
содержащие 35-55% , 7-20% и 10-20% оксидов щелочных
металлов.
Обычная температура стеклообразования составляет
1100С, хотя при высоком содержании оксида кремния может
достигать 1400С. Технология производства таких стекло
продемонстрирована в промышленном масштабе.

27.

Остекловывание
Фосфатные стекла (23-26% мас. 0, 23-28% , 42-52% ),
несмотря
на низкую температуру стеклообразования
(порядка 900С), не считаются перспективными вследствие
относительно низкой температуры расстекловывания (около
4000С) и высокой коррозионной активности расплава по
отношению
к
металлическому
или
керамическому
контейнеру.
Не получили распространения и алюмосиликатные
стекла (например, с содержанием - 60%, ,- 24%, 0 - 10%, - 5%).

28.

Остекловывание
Какие материалы пригодны для остекловывания:
• Все малосолевые растворы и пульпы, поступающие в
Радон или извлеченные из старых емкостей на
площадке в Сергиев Посаде предварительно
концентрируют в роторном пленочном испарителе
до солесодержания около 1000 г/л.
• Концентрат смешивают со стеклообразующими
добавками (кварцевый песок, бентонит, датолит) до
образования суспензии с содержанием воды 20-25
масс.%.
• Суспензия подается в тигель винтовым насосомдозатором.

29.

Остекловывание
Какие материалы пригодны для остекловывания:
• ЖРО с концентрацией солей до 1000 г/л,
основные компоненты: NaNO3 – до 80 масс.%;
нитраты и карбонаты K, Ca, Mg, Fe, сульфаты Na,
K, NaCl, примеси солей Mn, Cr, Ni, SiO2 – до 10-15
масс.% органика (до 5 мас.%).
• Объемная активность: 137Cs – до 1 МБк/л, 90Sr –
до 0,2 МБк/л, 60Co – до 50 кБк/л, другие ПД – до
10 кБк/л, Альфа-излучатели (U, Pu) – до 1 кБк/л.

30.

Остекловывание
Что получают на выходе:
• Продукт, содержащий (масс.%) 17-20 Na2O, 1-3 K2O, 1418 CaO, 1-4 MgO, 2-5 Al2O3, 2-5 Fe2O3, 5-7 B2O3, 45-52
SiO2, до 3 – остальное.
• По физико-механическим свойствам отвечает всем
характеристикам стекла.
• Вязкость стекломассы при 1150 оС – 3-6 Па*с, удельное
электросопротивление – 1,5-8,0 Ом*см.
• Скорость выщелачивания 137Cs – (2…4) 10-6 г/(см2*сут),
90Sr - ~10-7 г/(см2*сут).

31.

Остекловывание
Что получают на выходе:
• Уменьшение объема РАО, по сравнению с
исходным, в 85 раз.
• Вторичные отходы:
– Низкоактивный конденсат из роторного испарителя
– направляется на доочистку методами
электродиализа и электроосмоса и сбрасывается на
грунт;
– Отработанный катализатор разложения остаточных
оксидов азота (оксид ванадия на носителе оксиде
алюминия) – подмешивают в суспензию.

32.

Остекловывание
Что делают со стеклоблоками?
• Отжигают в туннельной печи, являющейся
частью установки, для снятия механических
напряжений;
• Помещают в цементную матрицу вместе с
другими твердыми отходами в хранилище
приповерхностного типа (~ 6 м глубиной).
• Некоторые стеклоблоки выставляют на
тестовые площадки для изучения воздействия
атмосферных условий или грунта.

33.

Остекловывание
Недостатки остекловывания
• Высокая стоимость относительно других методов
переработки
САО
(капитальные
затраты,
электроэнергия и др.). Остекловывание становится
экономически эффективным, если отвержденный
продукт
транспортировать
в
региональные
хранилища на значительные расстояния.
• Сложность и многостадийность процесса.
• Необходимость иметь надежное оборудование,
способное работать при высоких температурах
(более 1000 оС).

34.

Остекловывание
Недостатки остекловывания
• Образование вторичных отходов, требующих дополнительной
обработки.
• Необходимость улавливания оксидов азота.
• Проблемы, связанные с ограниченной растворимостью ряда
компонентов (сульфаты, молибдаты, хроматы, хлориды,
фториды) в стеклах на силикатной основе – образование
«желтой» фазы, концентрирующей цезий и стронций, или ее
разложение и испарение при температурах выше 1300 оС,
увеличивающие нагрузку на систему газоочистки.
• Проблемы, связанные со вспениванием при восстановлении
Fe(III) до Fe(II) при высоких температурах.

35.

Остекловывание
Преимущества
• Значительное уменьшение объема РАО,
• Высокая
химическая
и
радиационная
стойкость остеклованного продукта,
• Высокая механическая прочность отожженных
стекол,
• Инкорпорирование
радионуклидов
в
структуру на атомарном (ионном) уровне,
• Отсутствие пожаро- и взрывоопасности,
• Для остеклованных САО не требуются
специальные меры хранения, т.к. отсутствует
тепловыделение.

36.

Остекловывание