Разработка процесса утилизации радиоактивных отходов с использованием микроволновой энергии

В результате своей деятельности ядерная промышленность порождает ядерные отходы. Эти отходы относительно малы по сравнению с другими секторами промышленности. Технологии уменьшения объема отходов и их сокращения, а также высокий профессионализм персонала - все это способствуют непрерывному продолжению процесса минимизации произведенных отходов, что является  ключевым принципом стратегии управления отходами.

Однако в прошлом было произведено значительное количество отходов,  являющиеся "наследием" ядерных оружейных программ, которые теперь также требуют удаления. Технологии и принципы управления отходами, разработанные в рамках гражданской ядерной промышленности, в настоящее время используются и для того, чтобы взяться за отходы этого "наследия", произведенные в результате военной деятельности, а также на заре производства ядерной электроэнергии.

Все сектора ядерного топливного цикла   в ходе их повседневной деятельности, которая регламентируется строгими нормами и правилами, производят незначительные выбросы радиоактивных отходов в воздух и воду. Выпуску этих отходов  во внешнюю среду может также предшествовать их соответствующая обработка и очистка. Эти выбросы обычно значительно ниже согласованных международных предельно допустимых норм. Чтобы пролить истинный свет на положение дел, скажем, что средняя доза, получаемая населением от ядерной энергетики, включая дозы от выбросов, составляет 0,0002 мЗв/год. Это эквивалентно небольшой доле всего в 1 % общей ежегодно получаемой населением дозы от фонового излучения (в среднем 2,4 мЗв/год).

Следующие разделы акцентируют внимание на отходах, которые нельзя отнести к стандартным выбросам и которые требуют хранения и удаления после обработки. Схема, приведенная ниже, показывает различные сектора, включенные в ядерный топливный цикл. Нажмите на соответствующий сектор, чтобы получить информацию о типе образуемых там отходов.

1.3 Медицинский сектор

Использование радиоактивных изотопов для медицинской диагностики и лечения приводит к образованию, главным образом, отходов низкого уровня активности (LLW). Эти отходы включают бумагу, ветошь, инструментальные средства, одежду и фильтры, которые обычно содержат небольшие количества короткоживущих радиоактивных веществ. Отходы этого типа часто складируются на период распада, занимающий от нескольких месяцев до нескольких лет,  прежде, чем удаляются на общегородские свалки мусора.

Различные отрасли промышленности используют радиоактивные источники, находя им широкий диапазон применения. Когда эти источники перестают испускать проникающую радиацию в достаточной степени для  их использования, с ними обращаются как с радиоактивными отходами. Источники, используемые в промышленности, в общем случае короткоживущие, и любые сгенерированные отходы могут удаляться в приповерхностные хранилища.

• риску облучения персонала или населения;
• недопустимому радиоактивному загрязнению окружающей среды;
• необходимости исполнять регулирующие требования захоронения радиоактивных отходов.

Основные отрасли промышленности, которые приводят к загрязнению ЕВРМ:

Операции, связанные с добычей нефти и газа.

Поисково-разведочные работы и добыча нефти и газа генерируют большие объемы воды, содержащей растворенные минералы. Эти минералы могут осаждаться как минеральные отложения в трубопроводах и полевом оборудовании нефтяных месторождений или оставаться в лагунах выпаривания. Иногда доза облучения от оборудования, загрязненного минералами, может представлять опасность. Значительно более загрязненное оборудование и минеральные отложения, удаленные из этого оборудования, могут быть классифицированы как радиоактивные отходы. Например, операции, связанные с добычей нефти и газа, - основные источники радиоактивных выбросов в северные воды Европы.

Каменный уголь

Большая часть каменного угля содержит уран и торий, а также другие радионуклиды. Уровни суммарной радиации в общем случае примерно одинаковы с уровнями в других горных породах земной коры. Тепловые электростанции, сжигающие каменный уголь, больше всего испускают радиацию в виде легкой летучей золы. На современной электростанции обычно удерживается 99 % летучей золы (до 90 % - на ТЭС более старой конструкции), и эта зола захоранивается в зольных насыпях. Около 280 миллионов тонн каменноугольной золы производится во всем мире каждый год.

Фосфатные удобрения

Обработка фосфорита для производства фосфатных удобрений (один из конечных продуктов фосфатной промышленности) приводит к увеличению уровня содержания урана, тория и калия.

Технологический процесс и обработка сточных вод

Радионуклиды выщелачиваются в воду, когда она входит в контакт с ураном и торием, находящимися в геологической среде. Водоподготовка часто использует различные фильтры с целью удаления примесей. Следовательно, радиоактивные отходы из ила фильтров, ионообменных смол, гранулированного активированного угля и воды от фильтров обратного потока - также являются частью ЕВРМ.

Промышленный сбор металлолома

Металлолом от различных перерабатывающих отраслей  промышленности может также содержать отходы с расширенными уровнями естественных радионуклидов. Точный характер и концентрация этих радионуклидов зависят от процесса, при котором эти отходы возникли.

Металлоплавильные шлаки

Металлоплавильные шлаки, особенно от выплавки олова, могут содержать расширенные уровни урана и радионуклидов ряда тория.

1.5 Исследовательские  работы

По окончании срока службы ускоритель частиц  в большинстве случаев выводится из эксплуатации. Поскольку на его установках будут оставаться радиоактивные материалы, с ними нужно обращаться как с радиоактивными отходами и обрабатывать их соответственно. Предполагается, что при выводе из эксплуатации ускорителя частиц нового поколения, проработавшего 40 лет, объем отходов и их активность будут в пределах той же величины, что и при выводе из эксплуатации АЭС в 1 ГВт (э), эксплуатировавшейся более 40 лет. Однако необходимо отметить, что на такой ускорительной установке концентрация радиоактивности будет распределена более равномерно.

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

Связывание отходов высокого уровня активности (HLW) требует формирования 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  переработки отработанного топлива. Чтобы внедрить эти отходы в стеклянную матрицу, их первоначально прокаливают (высушивают), переводя в твердую форму. В таком виде их затем добавляют в расплавленное стекло, находящееся в нержавеющем 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

Остекловываниена месте (in-situ) было опробовано  в качестве меры «фиксации» радиоактивности в загрязненной почве, а также для создания барьера, предотвращающего дальнейшее распространение загрязнения.

Применение

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

Технология сжигания (прокаливания) в основном используется для уменьшения объема горючих отходов низкого уровня активности. Это - технология, которая является также предметом беспокойства населения во многих странах, поскольку местных жителей волнует  проблема образующихся при сжигании выбросов в атмосферу. Тем не менее, эта технология может использоваться для обработки 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 технологичные процессы, разработанные для полного и эффективного сжигания отходов 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 ~1000oC. Любые газы, выделившиеся во время прокаливания, обрабатываются и отфильтровываются до их выпуска в атмосферу и должны контролироваться на предмет  соответстветствия международным эталонам и национальным нормам выпуска выбросов в атомсферу.

После прокаливания остается зола, которая содержит радионуклиды, для нее  может потребоваться дальнейшее кондиционирование вплоть до удаления, например, посредством цементирования или битуминизации. Если это будет рентабельно, для дальнейшего снижения объема зольных отходов может также использоваться 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 электростанций, предприятий ядерно-топливного цикла, исследовательских центров (типа центров биомедицинских исследований), медицинских учреждений и предприятий по переработке отходов. Прокаливание опасных (например, отработанные масла, растворители) и безопасных отходов (городские отходы, биомасса, шины, сточные воды, ил) также осуществляется во многих странах.