Комплексный подход к решению проблемы жидких радиоактивных отходов на АЭС

На сегодняшний день одной из основных проблем в атомной промышленности является переработка жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в твердые радиоактивные отходы (ТРО) и дальнейшее захоронение этих отходов. С целью решения этой проблемы в нескольких атомных городах уже ведется строительство комплексов переработки жидких радиоактивных отходов (КП ЖРО).

КП ЖРО входит в систему обращения с радиоактивными отходами станции и предназначен для переработки на современном уровне всех видов жидких радиоактивных отходов, образующихся при эксплуатации и реконструкции блоков, а также временного хранения отвержденных отходов. Переработка ЖРО организована с целью перевода их в форму, безопасную при хранении, транспортировании и захоронении. [1].

В настоящее время существуют различные методы отверждения жидких радиоактивных концентратов, например, остекловывание, битумирование, применение термореактивных смол.

Для определения эффективности указанных методов, на установке с керамическим плавителем, был проведен ряд очистных работ и установлено, что при применении метода остекловывания объем остеклованных отходов примерно в 3,5 раза меньше объема отходов при включении в битум и термореактивные смолы и почти в 10 раз меньше объема цементных блоков, полученных из этих отходов. Скорость выщелачивания радионуклидов на 2 порядка ниже скорости выщелачивания из битумного блока и на 4 порядка ниже скорости выщелачивания из цемента. Преимуществом остекловывания также является исключение загрязнения почвы нитратами.

К недостаткам данного метода можно отнести то, что оборудование и технология, применяемые для остекловывания отходов, очень сложны. Так, процесс остекловывания, протекает в диапазоне температур 1000-1300 ° С со значительными тепловыделениями при разложении органических соединений, а наличие окислительно-восстановительных реакций с другими компонентами отходов может привести к тепловому взрыву, при условии превышения скорости выделения тепла над скоростью теплоотвода в окружающую среду. Таким образом, процесс остекловывания целесообразнее применять при переработке высокоактивных отходов, а не среднеактивных, которые образуются на ряде атомных электростанций (АЭС), например, на Курской АЭС ежегодно на четырёх реакторах образуется примерно 900 кубометров среднеактивных радиоактивных отходов. [3]

Процесс битумирования, проводимый с целью отверждения жидких радиоактивных концентратов, основан на физических свойствах битума -термопластичности, позволяющей при нагревании включать в него концентраты с получением гомогенного продукта, и гидростойкости, обеспечивающей надежную гидроизоляцию включенных компонентов.

При введении в битум солевых и солеобразующих компонентов свойства битума изменяются. Характер воздействия зависит от применения различных групп:

• - соли сильных кислот и оснований (NаNО 3 , N 2 SО 4 , NаСL и др.) химически с битумом не взаимодействуют;

• - азотнокислые соли (NH 4 NO 3 , AL(NO 3 ) 3 , Fе(NO 3 ) 3 при больших температурах окисляют битум, превращая его в твердый продукт, лишенный термопластических свойств;

• - щелочи и соли сильных оснований, дающие щелочную реакцию (NаFеО, Nа 2 СО 3 , Nа 3 РО 4 и др.), вызывают омыление органических соединений, значительно уменьшая водостойкость битума. Поэтому

сильнощелочные (рН больше 12) растворы нежелательно направлять на битумирование.

Одним из отрицательных факторов применения битумирования является то, что взаимодействие битума с наполнителем, особенно при повышенной температуре, может привести к взрыву или пожару, хотя исследования показывают, что в условиях битумирования отходов на АЭС (температура меньше, либо равна 200 ° С) и хранения смесей исключается возможность самовозгорания и взрыва. Возгорание может быть только при условии сильного теплового воздействия на битумную смесь. Следующий отрицательный фактор - битумная смесь может явиться пищей для бактерий, живущих в почве в районе хранения. Это может привести к разрушению битумных блоков и распространению хранящихся в них радионуклидов. Один из недостатков битума - его дефицит. Несмотря на то, что его производится миллионы тонн в год, потребности в нем удовлетворяются не полностью. Кроме того, битум - достаточно дорогой продукт. [5]

Термореактивные смолы привлекли к себе внимание как связующее для отверждения концентратов, простотой осуществления и некоторыми свойствами отвержденного продукта - стойкостью к воздействию механических, термических и радиационных нагрузок. При этом обеспечивается высокая степень включения, достигающая 60% по массе. Однако смолы имеют существенные недостатки:

• -    смола - дорогой продукт, стоимость которого в несколько раз выше стоимости битума или цемента;

• -    реагенты (стирол, катализаторы и др.), применяемые при использовании смолы, взрыво- и пожароопасны;

• -    сушку концентратов отходов необходимо доводить до влажности 1 -2%.

Поэтому экономически ее применение в большом масштабе пока невыгодно. [2]

Цементирование – это один из основных методов отверждения как гомогенных (кубовый остаток), так и гетерогенных (пульпы) отходов. Причина широкого распространения цементирования - негорючесть и отсутствие пластичности у отвержденного продукта, а также простота осуществления процесса смешения концентрата отходов с цементом. Однако, наряду с этим, цементирование имеет ряд существенных недостатков:

• -    сравнительно невысокая степень включения отвержденных компонентов в цемент, что приводит к увеличению объема отвержденных продуктов, поступающих на хранение;

• -    значительная вымываемость из цемента, включенных в него компонентов;

• -    наличие большого количества воды в отвержденном продукте.

Существует несколько способов цементирования:

• -    в емкости с мешалкой, из нижней части которой цементное тесто поступает на затаривание в бочки;

• -    в бочке, предназначенной для хранения цементированных отходов, при перемешивании мешалкой (оставляют в бочке);

• -    в герметично закрытой бочке вращением ее одновременно в нескольких плоскостях;

• -    в потоке, смешением в шнеке.

В первых трех случаях процесс проводится периодически, в последнем - непрерывно. Наибольший интерес, представляет непрерывный процесс, т.к. только данный метод позволяет производить цементирование в больших масштабах. [4].

На рисунке 1 приведена схема метода цементирования.

В хранилище жидких радиоактивных отходов (ХЖО) 1 находятся жидкие радиоактивные отходы (ЖРО). оттуда они с помощью трансферных насосов по трубопроводам отправляется на выпарные аппараты 2, где методом выпаривания производят уменьшение объема ЖРО, в результате чего увеличивается концентрация радиоактивных солей.

Рисунок 1. Схема метода цементирования: 1 – Хранилище жидких отходов, 2 – Выпарные аппараты, 3 – цех цементирования.

Далее ЖРО направляют в цех цементирования 3 где в потоке, перемещаемым в шнеке, происходит интенсивное перемешивании ЖРО с цементом с, после чего однородный раствор загружают в стальные бочки, где и происходит процесс цементирования. [4].

Выводы:

• 1.    Из известных методов отверждения радиоактивных концентратов на комплексе КП РАО наиболее оптимальным является метод остекловывания и цементирования, но технологии остекловывание очень сложны и целесообразнее применять для высокоактивных радиоактивных отходов.

• 2.    Метод цементирования обладает свойствами негорючести и сохраняет неизменную форму цементных блоков, обеспечивающую безопасное длительное хранение ЖРО.

• 3.    Предлагаемый метод является также наиболее удачным с экономической точки зрения, т.к. стоимость цемента по сравнению с реагентами других методов значительно ниже.

• 4.    Оборудование и технология процесса цементирования позволяют производить операцию обработки ЖРО в значительных масштабах, что обеспечивает захоронение большого количества радиоактивных отходов.