Переработка и утилизация жидких и твердых радиоактивных отходов АЭС

Введение

Ещё в середине прошло столетия развитие транспорта, промышленности сельского и коммунального хозяйства требует всё большего увеличения производства энергии. Также встают острые проблемы нехватки и истощения органического топлива, повышения загрязнения окружающей среды и увеличения нагрузки на биосферу; возникает возможность появления энергетического кризиса.

Ключом к решению данных проблем становится атомная энергетика. Атомная энергетика не требует потребления кислорода в отличие традиционных источников энергии. При правильной и грамотной эксплуатации атомных электростанций имеет минимальное количество выбросов и отходов. Огромный энергетический потенциал, заключённый в ядерный материалах, может надолго обеспечить человечество чистой энергией, что даёт необходимые ресурсы для обеспечения развития всех отраслей промышленности и решения проблем нехватки энергетических ресурсов.

По всему земному шару атомные электростанции доказывает свою энергетическую эффективность. Отличительной особенностью является её высокая конкурентоспособность, безопасность и экологическая чистота.

Но главной проблемой атомной энергетики, а именно АЭС, является образование различных по агрегатному состоянию и удельной активности радиоактивных отходов. Радиоактивное излучение, или радиация, от таких отходов представляет огромную опасность для человека и окружающей природной среды. При контакте с живым организмом радиация способна накапливаться в нём, вызывая повреждении тканей и органов, а при длительном воздействии — смерть. Также продукты радиоактивного распада способны переноситься на огромные расстояния воздушными массами, увеличивая площадь радиоактивного загрязнения. Радиоактивные элементы аккумулируются в растительности, почве, проникают в грунтовые воды.

Чтобы защитить окружающую среду и человека, обеспечить безопасность при обращении с радиоактивными отходами, были разработаны специальные мероприятия по сбору и изоляции радиоактивных отходов.

Целью данной работы является анализ методов переработки и утилизации твёрдых и жидких радиоактивных отходов.

Задачами данной работы является:

— изучение понятия радиации, радиоактивных отходов и их классификации;

— изучение опыта и концепций обращения стан Евросоюза и США;

— анализ и изучение законодательства Российской Федерации в сфере обращения с радиоактивными отходами;

— изучить методы обращения с твёрдыми и жидкими радиоактивными отходами;

— рассмотреть основные концепции хранилищ РАО;

— рассмотреть виды окончательного захоронения РАО.

1. Понятие о радиации и радиоактивных отходах

1.1 Термины и определения Радиоактивность — процесс самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, который сопровождается выделением ядер и элементарных частиц.

Альфа-частицы (б-частицы) — ядра атома гелия, испускаемые при альфа-распаде некоторыми радиоактивными атомами. б-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Альфа-излучение — поток ядер атомов гелия (положительно заряженных и относительно тяжелых частиц).

Бета-частицы (в-частицы) — электроны и позитроны, испускаемые ядрами атомов при бета-распаде.

Бета-излучение — это электроны или позитроны, которые образуются при бета-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых.

Гамма-излучение — вид электромагнитного излучения с малой длинной волны, сопровождающееся испусканием фотонов.

Радиоактивные отходы (РАО) — не предназначенные для дальнейшего использования вещества в любом агрегатном состоянии, в которых содержание радионуклидов превышает минимальные значения, установленные федеральными нормами и правилами.

Жидкие радиоактивные отходы — РАО в виде вод и других жидкостей, содержащие растворенные или в виде взвесей радиоактивные вещества, активность которых превышает минимальные значения, установленные федеральными нормами и правилами.

Твердые радиоактивные отходы — РАО в виде изделий, материалов, твердых веществ и твердых биологических объектов, активность которых превышает минимальные значения, установленные федеральными нормами и правилами.

Активность радиоактивного источника — ожидаемое число элементарных радиоактивных распадов в единицу времени.

Удельная активность радионуклидов — активность, приходящаяся на единицу массы вещества источника. Измеряется в беккерелях на килограмм (Бк/кг). В образце с активностью 1 Бк происходит в среднем 1 распад в секунду.

Обращение с радиоактивными отходами — комплекс технологических и др. различных организационных мероприятий, включающий сбор, переработку, кондиционирование, транспортирование, хранение и захоронение радиоактивных отходов.

Кондиционирование — перевод радиоактивных отходов в форму, пригодную для транспортирования, хранения и захоронения.

Хранение — процесс размещения радиоактивных отходов в хранилище с обеспечением изоляции их от окружающей природной среды, с возможностью их последующего извлечения.

Захоронение — процесс помещения обработанных и кондиционированных радиоактивных отходов в специальные могильники без возможности дальнейшего извлечения.

Могильник — искусственное сооружение или естественное геологическая формация для захоронения радиоактивных отходов.

Контейнер — ёмкость для радиоактивных отходов, используемая для удобства их транспортирования, хранения и захоронения.

Переработка радиоактивных отходов — комплекс технологических процессов, направленных на уменьшение объёма образовавшихся радиоактивных отходов или перевод их в другую форму.

Отверждение радиоактивных отходов — перевод жидких радиоактивных отходов в твёрдое агрегатное состояние с целью уменьшения возможности миграции или рассеяния радионуклидов.

Матричный материал — материал, используемый для перевода радиоактивных отходов в монолитную структуру.

Битумирование — включение радиоактивных отходов в битумный матричный материал с последующим затвердеванием продукта.

Цементирование — включение радиоактивных отходов в цементный матричный материал с последующим затвердеванием продукта.

Остекловывание — перевод радиоактивных отходов в стеклоподобную форму.

Компаунд — радиоактивные отходы, включённые в матричный материал.

Приповерхностное захоронение радиоактивных отходов — захоронение радиоактивных отходов в специальных сооружения, которые размещаются на поверхности земли или на глубине от нескольких метров до ста метров.

Буферный материал — такой материал, который используется для ограничения доступа атмосферных осадков и подземных вод к упаковкам радиоактивных отходов и снижения скорости попадания радионуклидов из упаковок отходов в окружающую среду. В качестве такого материала обычно используют бетон, глину или битум.

Подстилающий экран — инженерное устройство, которое располагается ниже ячеек захоронения радиоактивных отходов и предназначается для гидроизоляции ячеек, предотвращения распространения радионуклидов в несущие горные породы и от проникновения животных и корней растений.

Сорбция — процесс поглощение веществом в твёрдом или жидком агрегатном состоянии (сорбентом) другого вещества из внешней среды.

Обратный осмос — процесс фильтрования растворов через полупроницаемую мембрану под давлением в обратном для осмоса направлении.

Ультрафильтрация — процесс фильтрования различных растворов под давлением через полупроницаемую мембрану; на мембране задерживаются частицы размером 0,01 мкм.

Электродиализ — электрохимический процесс избирательного переноса ионов через полупроницаемую мембрану под действием тока.

Ионный обмен — обратимый процесс обмена ионами между электролитом (жидкая фаза) и ионитом (твёрдая фаза).

Кальцинация — обработка жидких радиоактивных отходов высокой температурой, сопровождающаяся разложением солей и образованием устойчивых соединений.

Выдержка — хранение радиоактивных отходов в специальных ёмкостях для снижения их радиоактивности и выделения тепла.

Упаковка радиоактивных отходов — контейнер с помещёнными в него иммобилизованными радиоактивными отходами.

1.2 Радиоактивность. Виды радиоактивности Радиоактивностью называют процесс самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа элемента в изотоп другого, сопровождающийся выделением элементарных частиц, ядер и энергии.

Радиоактивность бывает естественной и искусственной. К естественным источникам радиоактивности относят космическое излучение и излучение от естественных радионуклидов, которые рассеяны в гидросфере, литосфере и атмосфере. К искусственным источникам относят радиоактивные элементы, образующиеся в результате деятельности человека — радиоактивные отходы атомных электростанций, горнодобывающая промышленность, ядерное оружие и его испытания.

В СИ активность нуклида измеряют в Беккерелях (Бк), а внесистемной единицей является Кюри (КИ). 1 Бк = 2,7 · 10^-11 КИ.

Различают альфа-, бета-, гамма-, нейтронное, протонное и другие излучения.

Альфа-излучение представляет собой поток двукратно ионизированных ядер гелия. Альфа-частицы имеют положительный заряд и скорость распространения около 2 · 10⁴ км/с, а также большой энергией 2^-11 МэВ. Известно более 160 альфа-активных видов ядер. Альфа-частицы образуются в момент радиоактивного распада при взаимодействии двух протонов и двух нейтронов, движущихся внутри ядра. В результате альфа-распада, по правилу смещения, образуется химический элемент, смещённый влево на две клетки таблицы Менделеева. Альфа-частица, проходя через вещество, быстро теряет свою энергию, взаимодействуя с отрицательными частицами и электронами атомов вещества.

Бета-излучение представляет собой распад радиоактивных элементов с испусканием позитронов и электронов. Если в ядре находится больше нейтронов, то происходит электронный бета-распад — один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино.

Если же в ядре имеется больше протонов, то происходит позитронный бета-распад. Такой распад сопровождается образованием нового химического элемента, который расположен на одно поле влево от изначального. Взаимодействие выпущенных электронов с контактируемым веществом вызывает ионизацию и возбуждение атомов вещества. Глубина проникновения бета-излучения меньше, чем альфа-излучения, в виду отклонения частиц от изначального пути из-за отталкивания одноимённых зарядов. Бета-излучение распространяется со скоростью 3· 10⁶ км/с.

Гамма-излучение представляет собой поток фотонов с высокой энергией и с чрезвычайно малой длиной волны; не содержат заряженных частиц. Гамма-излучение испускается при ядерных реакциях и при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер, например, при изомерном переходе. Такое излучение характеризуется высокой проникающей способностью и при контакте с веществом вызывает ионизацию его атомов. Гамма-излучение не является самостоятельным видом распада, лишь сопровождает альфаи бета-распады.

1.3 Опасность радиации для окружающей среды и человека Различные виды радиации взаимодействуют с веществом по-разному в зависимости от типа испускаемых частиц, их заряда, массы и энергии. Заряженные частицы при контакте с определённым веществом ионизируют атомы этого вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Нейтроны и гамма-кванты при столкновении с заряженными частицами в веществе передают им свою энергию, а в случае воздействия гамма-квантов возможно рождение электрон-позитронных пар. Эти вторичные заряженные частицы, тормозясь в веществе, вызывают его ионизацию.

Воздействие ионизирующего излучения на вещество на промежуточном этапе приводит к образованию быстрых заряженных частиц и ионов. Радиационные повреждения вызываются в основном этими вторичными частицами, так как они взаимодействуют с большим количеством атомов, чем частицы первичного излучения. В конечном итоге энергия первичной частицы трансформируется в кинетическую энергию большого количества атомов среды и приводит к ее разогреву и ионизации.

В органах и тканях биологических объектов, как и в любой среде, при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии.

По силе наносимых повреждений в клетке и по плотности выделения энергии на единицу расстояния, которую пройдёт элементарная частица или волна, все виды радиации значительно варьируются. Например, альфа-частицы, обладая большой массой, создают крайне высокую плотность ионизации, а лёгкие выбитые гамма-излучением электроны образуют зону низкой плотности ионизации. В зависимости от всего этого различные по массе частицы могут вызывать различные биологические эффекты.

В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трёх быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвёртой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом.

Первая физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится 10-¹³ секунд. Во второй, химико-физической фазе, протекающей 10-¹⁰ секунд, образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни. В третьей, химической фазе, длящейся 10-⁶ с, образовавшиеся радикалы, вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул.

Описанные процессы первых трёх фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения. В следующей за ними четвёртой, биологической фазе химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощённой дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвёртой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь.

Бета-излучение обладает большей проникающей способностью. Пробег бета-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17,8 м, а в биологической ткани 2,6 см.

Гамма-излучение имеет еще более высокую проникающую способность. Если внешнее альфа-излучение и бета-излучение поглощается, как правило, в одежде или коже и представляет в основном опасность при попадании радионуклидов внутрь организма, то при внешнем гамма облучении его воздействию подвергается весь организм. Это с одной стороны требует специальных мер защиты от гамма-излучения, а с другой позволяет использовать его в разнообразных методах дистанционной диагностики.

Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории [12]:

— соматические (телесные)? возникающие в организме человека, который подвергался облучению. Наиболее яркими примерами такого эффекта являются лучевые болезни, лейкозы, локальные лучевые поражения и опухоли;

— генетические? связанные с повреждением генетического аппарата и проявляющиеся в последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению. Примерами являются генные мутации и хромосомные абберации.

Различают также несколько типов биологических повреждений, которые вызваны радиацией:

— физический — электроны нарушают молекулярные связи прямо в структуре, в которой они были выбиты. Данное взаимодействие протекает очень быстро и вызывает повреждение ДНК в ядрах клеток, что приводит к мутациям и различным нарушениям. Такой тип повреждений также называют «пулеобразным»;

— химический — основной ущерб наносится различными реакционными частицами, образовавшимися вне данной структуры, но приблизившейся при блуждании. Такой тип повреждений также называют косвенным.

При физическом типе повреждения тяжёлая частица, в отличие от лёгкой, разрывает нити ДНК с гораздо большей вероятностью. Но при химическом типе повреждения лёгкие частицы при прохождении через клетку создают низкую концентрацию ион-радикалов, то есть являются более опасными, чем тяжёлые частицы. Чем концентрация радикалов на участке пути ионизирующей частицы меньше, тем меньше происходит реакций рекомбинаций между радикалами и, как следствие, больше путь блуждающего радикала, который с большей вероятностью может повредить клеточную структуру.

Альфа-излучающие нуклиды, такие как торий, уран и радий, Международной комиссией по радиологической защите признаны наиболее опасными и токсичными из всех остальных радиоактивных элементов [14]

Можно выделить несколько ситуаций опасного контакта человека с радиоактивными отходами [15]:

— непосредственная близость человека к радиоактивным отходам, например, близость места проживания населения от дорог, по которым производится транспортирование радиоактивных отходов, или от объектов обращения с высокоактивными отходами (хранилища, крупные атомные электростанции);

— контакт персонала (или случайный контакт) с радиоактивными отходами;

— транспортные аварии, утечки из контейнеров, неправильное обращение, нарушение техники безопасности при обращении;

— нахождение человека внутри хранилищ радиоактивных отходов.

Окончательное захоронение радиоактивных отходов даже с соблюдением всех правил и норм по защите, применением новейших технологий в сфере обращения с радиоактивными отходами не даёт стопроцентной гарантии безопасности.

1.4 Классификация радиоактивных отходов С точки зрения возможной опасности радиоактивные отходы классифицируются по различным параметрам. В целях Федерального закона от 11 июля 2011 г. № 190-ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» радиоактивные отходы подразделяются на удаляемые РАО и особые РАО.

Удаляемые радиоактивные отходы — радиоактивные отходы, для которых риски, связанные с радиационным воздействием, а также затраты, связанные с извлечением таких радиоактивных отходов из пункта хранения радиоактивных отходов, последующим обращением с ними, в том числе захоронением, не превышают риски и затраты, связанные с захоронением таких радиоактивных отходов в месте их нахождения.

Особые радиоактивные отходы — радиоактивные отходы, для которых риски, связанные с радиационным воздействием, а также затраты, связанные с извлечением таких радиоактивных отходов из пункта хранения радиоактивных отходов, последующим обращением с ними, в том числе захоронением, превышают риски и затраты, связанные с захоронением таких радиоактивных отходов в месте их нахождения.

Удаляемые радиоактивные в зависимости от периода полураспада содержащихся в радиоактивных отходах радионуклидов подразделяются на долгоживущие радиоактивные отходы, короткоживущие радиоактивные отходы.

В зависимости от удельной активности — высокоактивные радиоактивные отходы, среднеактивные радиоактивные отходы, низкоактивные радиоактивные отходы, очень низкоактивные радиоактивные отходы.

В зависимости от агрегатного состояния — жидкие радиоактивные отходы, твердые радиоактивные отходы, газообразные радиоактивные отходы.

В зависимости от содержания ядерных материалов — радиоактивные отходы, содержащие ядерные материалы, радиоактивные отходы, не содержащие ядерных материалов.

Также по виду преобладающего излучения радиоактивные отходы подразделяются на альфа-излучатели, бета-излучатели и гамма-излучатели.

Согласно ОСПОРБ-99/2010, по удельной активности твёрдые радиоактивные отходы подразделяются на очень низкоактивные, низкоактивные, среднеактивные и высокоактивные (таблица 1.1).

Таблица 1.1 Классификация твёрдых радиоактивных отходов по удельной активности ОСПОРБ-99/2010

Согласно ОСПОРБ-99/2010, по удельной активности жидкие радиоактивные отходы разделяются на низкоактивные, среднеактивные и высокоактивные (таблица 1.2).

Таблица 1.2 Классификация жидких радиоактивных отходов по удельной активности ОСПОРБ-99/2010

Также для предварительной сортировки твёрдых радиоактивных отходов применяются критерии по уровню радиоактивного загрязнения и по мощности дозы гамма-излучения на расстоянии 0,1 м от поверхности: низкоактивные — от 0,001 мГр/ч до 0,3 мГр/ч, среднеактивные — от 0,3мГр/ч до 10 мГр/ч, высокоактивные — более 10 мГр/ч. Классификация РАО по уровню радиоактивного загрязнения приведена в таблице 1.3.

Таблица 1.3 Классификация радиоактивных отходов по уровню радиоактивного загрязнения

Также жидкие радиоактивные отходы в зависимости от количества химических компонентов классифицируются на гомогенные и гетерогенные; по составу — органические (радиоактивные масла, растворы детергентов) и неорганические.

Международное агентство по атомной энергетике (МАГАТЭ) представляет собой международную организацию, которая создана для сотрудничества в области невоенного использования атомной энергии. У МАГАТЭ существует собственная классификация радиоактивных отходов, в основе которой лежит длительность распада радионуклидов, так как требования к методам и технологиям захоронения данных отходов определяется временем, в течение которого радиоактивных отходы представляют опасность для окружающей среды и человека.

Согласно классификации, радиоактивные отходы подразделяются на следующие категории:

— Освобождаемые от контроля отходы — это такие отходы, которые могут быть освобождены от регулирующего контроля из-за низкой радиологической опасности. Такая опасность определяется пределами содержания радионуклидов для данной категории.

— Низкоактивные и среднеактивные отходы — отходы, содержащие такое количество нуклидов, при котором необходимы меры для защиты населения. Данная категория включает в себя две группы отходов: отходы, содержащие короткоживущие и долгоживущие радионуклиды.

— Высокоактивные отходы — это такие отходы, которые содержат на столько большие количества радионуклидов, что в течение значительного периода времени необходима их надежная изоляция от биосферы. При обращении требуют наличия биологической защиты и охлаждения.

В зависимости от способа захоронения и утилизации МАГАТЭ предлагает следующую классификацию (таблица 1.4).

Таблица 1.4 Классификация радиоактивных отходов (по рекомендации МАГАТЭ) в зависимости от способа захоронения и утилизации

Также МАГАТЭ рекомендует классифицировать твердые радиоактивные отходы отдельно по четырём категориям: в первых трёх допускается незначительное количество альфа-излучателей, а в четвёртую включаются в основном только альфа-излучатели (таблица 1.5).

Таблица 1.5 Классификация радиоактивных отходов в зависимости от мощности дозы на поверхности отходов

1.5 Твердые радиоактивные отходы К твёрдым радиоактивным отходам относят загрязнённые радионуклидами инструменты, приборы, материалы, образующиеся в результате эксплуатации и ремонта ядерных установок и приборов; вышедшее из строя оборудование, изношенные детали и части оборудования, материалы, строительные загрязнённые материалы, мусор, кабели, средства индивидуальной защиты и спецодежда; ветошь, теплоизоляционные и обтирочные материалы, загрязнённая упаковочная тара, отверженные жидкие радиоактивные отходы (компаунды).

К высокоактивным твёрдым отходам относят нерастворимые вещества, которые отделены из радиоактивных растворов фильтрацией и центрифугированием, а также оболочки и конструктивные материалы тепловыделяющих элементов и водяных контуров.

Можно выделить (при нормальных условиях работы атомной электростанции) три потока твёрдых радиоактивных отходов [21]:

— изначально твёрдые радиоактивные отходы;

— отверждённые жидкие радиоактивные отходы;

— твёрдые радиоактивные отходы, которые являются результатом обработки газообразных радиоактивных отходов.

Твёрдые радиоактивные отходы подразделяются по способам обработки [21]:

— прессуемые — пластмассы, ветошь, одежда, резина, бумага, изоляция;

— непрессуемые — фильтры, стекло, строительный материал (цементные и бетонные блоки), инструменты;

— сжигаемые — дерево, бумага;

— металлические — трубы, арматура, металлические листы, детали реактора.

Классификация твёрдых радиоактивных отходов по рекомендации МАГАТЭ представлена в таблице 1.5. На объектах ядерного цикла организуется строгий учёт и контроль за обращением с радиоактивными отходами — при неправильном обращении отходы могут быть причиной облучения людей и загрязнения окружающей среды.

После образования твёрдых радиоактивных отходов производится их сбор в специальные сборники-контейнеры, которые устанавливаются в точках временного хранения, и одновременно с этим проводится их сортировка. Маршруты транспортировки должны иметь кратчайший путь.

На всех атомных станциях проектируются хранилища для твёрдых радиоактивных отходов, представляющие собой бетонные ёмкости, расположенные над или под землёй, изолированные от контакта с атмосферными осадками и грунтовыми водами. Хранилища оборудуют системами погрузки-разгрузки, вентиляцией и противопожарной системой и системой контроля радиоактивных веществ в почве и атмосферном воздухе.

На блоках реакторов типа ВВЭР-1000, по данным МАГАТЭ, средний поток твёрдых радиоактивных отходов составляет примерно 285 м³ в год, в том числе горючих до 170 м³ в год.

1.6 Жидкие радиоактивные отходы В результате деятельности атомных электростанций всегда образуются ЖРО (жидкие радиоактивные отходы). Причинами попадания радионуклидов в теплоноситель являются: нейтронная активация теплоносителя (⁴²К и ²⁴Na), коррозия активированных частей теплоносителя и реактора (⁶⁰Со, ⁵⁴Mn, ⁵⁹Fe, ⁵¹Cr, ⁵⁸Co, ¹²²Sb, ¹²⁴Sb). Основными продуктами деления в теплоносителе являются ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs. Теплоноситель в контурах станции постоянно подвергается специальной очистке для поддержания в нём необходимого химического режима, чистоты и снижения радиоактивности.

Очистка производится на байпасных фильтрационных установках, которые работают непрерывно. Контуры атомных электростанций обязательно выполняются замкнутыми из-за радиоактивной среды в них, а также из-за экономической целесообразности — сбрасывать отработанный теплоноситель и заменять его на чистый обессоленный крайне не выгодно.

Главные назначения спецводоочистки — это непрерывная дезактивация контуров и выведение примесей. Ионообменные фильтры установок спецводоочистки после исчерпания своей обменной ёмкости нуждаются в регенерации, в результате чего образуется большой объём жидких радиоактивных отходов. Но спецводоочистка не позволяет удалять отложения радиоактивных примесей на некоторых участках контура, поэтому проводится процедура дезактивации, в результате которой образуются радиоактивные промывочные воды.

Главными источниками образования радиоактивных отходов на атомных электростанциях являются [24]:

— протечки;

— регенерационные воды от ионообменных фильтров;

— неорганизованные протечки технической воды;

— контурный теплоноситель;

— конденсат турбин;

— обмывочные воды, воды прачечных;

— растворы дезактивации;

— пульпа ионообменных смол;

— лабораторные сточные воды.

Переработка жидких радиоактивных отходов состоит из двух этапов. На первом этапе производится сокращение объёмов отходов с получением определённого объёма чистой воды, которую можно заново включить в цикл, и объёма концентрата отходов. На втором этапе производится переработка полученного концентрата для дальнейшего хранения или захоронения.

Выбор методов переработки и удаления жидких радиоактивных отходов зависит от активности отходов, радиохимического состава, количества отходов, требуемой степени очистки и способа хранения концентрата.

Для очистки и переработки ЖРО применяются такие методы, как мембранные, термические, сорбционные, ионный обмен, фильтрацию, обратный осмос, электродиализ и многие другие. В отдельности ни один из этих методов не обеспечивает эффективной очистки, поэтому эти методы применяются в комплексе в виде цепочек установок.

Жидкие радиоактивные отходы обязательно должны быть переведены в твёрдую форму для удобства их транспортировки, хранения, дальнейшей переработки, захоронения и обеспечения безопасности.

Процесс отверждения включает такие стадии, как упаривание, сушка, прокаливание, плавление, отжиг, заключение концентратов в металлическую матрицу и другие.

Представленные термины дают чёткое определение основным понятиям в сфере обращения с радиоактивными отходами. Различают альфа-, бетаи гамма-излучения. Бетаи альфа-излучение обладают большой проникающей способностью, но их влияние на организм человека и окружающую среду различен. Радиоактивное излучение может вызывать соматические и генетические изменения, а также физические и химические повреждения. Различные подходы к классификации радиоактивных отходов в Российской Федерации и МАГАТЭ, которые основываются на агрегатном состоянии, удельной активности, по виду преобладающего излучателя, методам захоронения, необходимы для определения дальнейших этапов обращения с ними; в зависимости от классификации отходы подвергаются тому или иному методу обработки, переработки, кондиционированию и захоронению. На АЭС образуются большие объёмы различных по степени активности жидких радиоактивных отходов, их главный источник — теплоноситель в контурах и трапные воды; твёрдые радиоактивные отходы образуются в меньшем количестве, основной источник которых демонтированные узлы реактора и вспомогательных элементов, загрязнённые поддоны и спецодежда.

В следующем разделе будет рассмотрена деятельность и стратегии обращения с радиоактивными отходами в США и странах Евросоюза.

2. Анализ деятельности и стратегий обращения с РАО в странах Евросоюза и США

2.1 Обращение с РАО в Бельгии

В Бельгии имеется четыре действующих ядерных реактора: один в г. Доель и три в г. Тиханж. Также действует три исследовательских реактора, кроме всего этого имеется завод по производству тепловыделяющих элементов. В процессе выведения из эксплуатации находятся: перерабатывающий завод Eurochemic, завод по производству тепловыделяющих элементов в Десселе, а также Центр по изучению ядерной энергии (SCK/CEN) и по одному исследовательскому реактору в г. Мол и г. Гент.

Из основных концепций обращения с радиоактивными отходами можно выделить следующие [25]:

— временное хранение отработанного ядерного топлива производится на самих территориях атомных электростанций;

— в стране существует мораторий на переработку радиоактивных отходов, поэтому вопрос о переработке и захоронении ещё не решён;

— основной рекомендуемой концепцией в настоящее время является окончательное захоронение в глинистые геологические формации;

— временное хранение радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности производится в основном в накопителях на территории образования;

— кондиционирование тоже производится на территории образования или на объектах по обработке радиоактивных отходов;

— короткоживущие радиоактивные отходы низкого и среднего уровней активности направляются на окончательное захоронение в приповерхностные пункты захоронения;

— отходы очень низкого уровня радиоактивности могут быть сброшены в окружающую среду.

В хранилищах радиоактивных отходов, перед тем как там начинают размещать радиоактивные отходы, делают анализ глинистых пород и проводят испытания на прочность и герметичность в жёстких условиях.

Также в Моле имеется специальная подземная лаборатория по изучению и испытанию отдельных элементов и агрегатов подземных хранилищ. Хотя на 2011 год никаких решений в отношении местоположения хранилища не предлагалось.

В долгосрочном планировании возможен ввод в эксплуатацию нескольких глубинных геологических хранилищ для высокорадиоактивных отходов. Приповерхностные хранилища для окончательного захоронения радиоактивных отходов низкого и среднего уровней радиоактивности будут установлены в Десселе и введены в эксплуатацию к 2016 году.

Основной проблемой является то, что отработанное топливо и высокорадиоактивные отходы должны содержаться во временных хранилищах в течение долгого времени, так как окончательное захоронение возможно только к 2080 году, также просто невозможно предсказать состояние радиоактивных отходов и их потенциальную опасность к тому времени.

2.2 Обращение с РАО в Чехии

В Чехии имеется четыре действующих реактора в Дукованы и два в Темелине, но в 2010 году строительство двух других реакторов в Темелине было временно приостановлено. Также в городе Рез расположен один действующий исследовательский реактор и два стратегических блока, оба действующие. Кроме всего этого на территории страны имеется одна действующая урановая шахта и одна обогатительная фабрика.

Концепции по обращению с радиоактивными отходами в Чехии представлены следующими положениями.

Отдаётся предпочтение многолетнему временному хранению отработанного ядерного топлива из реакторов в защитных контейнерах на территории самих атомных электростанций. Ко всему прочему после 2065 года планируется ввести в эксплуатацию централизованное геологическое хранилище для отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных отходов. Также идут обсуждения о переработке радиоактивных отходов за границей и строительства на своей территории собственных хранилищ.

Отработанное ядерное топливо исследовательских реакторов отправляется на переработку в Российскую Федерацию, а образовавшиеся в результате переработки высокорадиоактивные ядерные отходы возвращаются обратно в Чехию. Твердые радиоактивные отходы среднего уровня активности в настоящее время не подвергают кондиционированию. Такие отходы размещают во временных подземных хранилищах на территории реактора или централизованно в Дукованы. По сути, решение по дальнейшей судьбе этих отходов будет принято в процессе выведения из эксплуатации ядерных реакторов.

Твердые огнестойкие радиоактивные отходы низкого уровня, которые выгружаются из реакторов, упаковываются в защитные контейнеры на месте и размещаются во временных хранилищах. Горючие радиоактивные отходы сжигают, а золы кальцинируют и направляют в действующие приповерхностные хранилища в Дукованы.

Жидкие радиоактивные отходы хранятся в специальных резервуарах временных хранилищ на территории их образования. Затем проводится процедура битумирования и остекловывания. После того, как степень радиоактивности отходов низкого и среднего уровней станет соответствовать радиологическим условиям хранилища, их транспортируют в хранилище в Дукованы. Радиоактивные отходы очень низкого уровня выпускаются в обычный сектор, как только их суммарная радиоактивность падает ниже установленных норм.

Радиоактивные отходы, образовавшиеся в ходе добычи урана, хранятся в наземных накопителях на месте (свалки и отстойные бассейны). В Чехии эти отходы не подчиняются Атомному Закону.

2.3 Обращение с РАО в Финляндии

В Финляндии расположены два действующих ядерных реактора: один в г. Ловииса, а другой расположен в г. Олкилуото. Еще один атомный реактор находится в процессе строительства. Также имеется один действующий исследовательский реактор в г. Эспоо.

Основные концепции обращения с радиоактивными отходами представлены следующими положениями [25]:

— в соответствии с Актом 1994 года, отработанное ядерное топливо, образовавшееся в атомных энергетических реакторах, относится к радиоактивным отходам. В связи с этим его переработка запрещена законом;

— временное хранение отработанного ядерного топлива осуществляется на территории его образования, в специальных отдельных сооружениях;

— извлечения радиоактивных отходов из хранилища считается возможным;

— отработанное ядерное топливо, которое образовалось в специальных исследовательских реакторах, помещается во временное хранилище на территории объекта образования и хранится определённое установленное время [25];

— кондиционирование радиоактивных отходов низкого и среднего уровней радиоактивности проводится на территории организации, на которой они были образованы;

— после буферного хранения радиоактивные отходы направляют на окончательное захоронение в приповерхностные сооружения. Такие сооружения обычно размещаются на глубине (50ч60) метров от поверхности земли и располагаются на территории самой атомной электростанции, если они соответствуют всем требованиям данного хранилища;

— если отходы не соответствуют требованиям хранилища, то их продолжают содержать во временных сооружениях на территории станции, после чего размещают в глубоких геологических формациях с соответствующей защитой [25];

— окончательное захоронение отработанного ядерного топлива, образовавшегося в ядерных реакторах, производится в скальных породах на глубине (500ч600) метров;

— при обращении с отходами очень низкого уровня радиоактивности их сбрасывают непосредственно в море как жидкие отходы, или размещают в привычных местах захоронения, или используют повторно. В г. Олкилуото на территории электростанции имеется свалка с токсическими отходами.

К 2001 году в г. Олкилуото власти определились с местом для хранилища отработанного топлива и радиоактивных отходов высокого уровня. Также проводятся различные геологические исследования шахты по сбору информации и характеристик. Данная шахта будет частью окончательного хранилища. Подтверждение строительства хранилища ожидается к 2012 году, а введение его в эксплуатацию — в 2020 году. Приповерхностные хранилища для радиоактивных отходов низкого и среднего уровней находятся в стадии эксплуатации на территории атомной станции.

Не смотря на довольно эффективные концепции по обращению с радиоактивными отходами, Финляндия имеет некоторые проблемы. Самым главным моментом в концепции хранения радиоактивных отходов является обеспечение эффективности технических барьеров в течение долгого периода времени. Из-за особых геологических условий Скандинавии, окончательное захоронение отходов в большинстве случаев возможно только в твердых скальных породах. Но из-за особой структуры скальных пород в них могут образовываться трещины, что увеличивает вероятность проникновения грунтовых вод в захоронения.

Получается, что безопасное хранение радионуклидов в хранилищах в течение долгого времени может быть возможно только при использовании контейнеров, выполненных из устойчивых к коррозии материалов.

2.4 Стратегии обращения с РАО во Франции Во Франции имеется пятьдесят действующих ядерных реакторов на девятнадцати площадках, один реактор находится на стадии строительства. Также имеется девять исследовательских реакторов, которые действуют в четырех разных местах. Четыре действующих завода по производству тепловыделяющих элементов или топливных таблеток располагаются на трех площадках, один обогащающий и два конверсионных завода. Четырнадцать энергетических и исследовательских реакторов и десять других ядерных установок выводятся из эксплуатации.

Концепция обращения с радиоактивными отходами основывается на следующих методах и положениях [25]:

— отработанное ядерное топливо после выгрузки хранится в реакторном бассейне;

— по большей части, отработанное топливо подвергается переработке: до 2009 года около 850 тонн в год, а с 2010 года — около 1050 тонн из 1150 тонн образовавшегося отработанного ядерного топлива;

— урановое отработанное топливо отправляется на временное хранение до тех пор, пока не будет возможности его использования в будущих усовершенствованных атомных реакторах;

— при обращении с высокорадиоактивными отходами, образовавшимися в ходе переработки, а также с отходами среднего уровня применяют следующие методы и положения:

1) разделение и трансмутация;

2) хранение в глубоких геологических формациях. Такой метод хранение позволяет извлекать радиоактивные отходы в течение 100 лет. Это является стандартным решением для радиоактивных отходов, которые нельзя размещать в надземных сооружениях для окончательного захоронения в целях безопасности для окружающей среды [26];

3) дальнейшее совершенствование технологий временного хранения и кондиционирования, которое планируется осуществить к 2015 году;

— отработанное ядерное топливо исследовательских реакторов частично идёт на переработку, а частично направляется на временное приповерхностное хранение для ожидания переработки.

— радиоактивные отходы низкого и среднего уровней с долгоживущими радионуклидами хранятся по месту их образования в специальных хранилищах [25];

— радиоактивные отходы низкого и среднего уровней с короткоживущими радионуклидами кондиционируются на территории объектов, где были произведены;

— для некоторых видов радиоактивных отходов пока не разработано технологии их переработки — для графитных отходов из исследовательских и тяжеловодных реакторов, определенных жидких растворов, которые получаются при переработке; отходов, содержащих тритий. А также не протестирован метод кондиционирования для некоторых других радиоактивных отходов — для отходов, содержащих натрий, которые образовались в результате испытаний реактора-размножителя, и уран-молибденовых растворов, образовавшихся при переработке отходов [25];

— отличительной особенностью хранилищ является то, что хранилище не покрывается специальным герметизирующими материалами и не герметизируется до тех пор, пока каждая секция хранилища не будет заполнена;

— после закрытия наземного хранилища его состояние будет наблюдаться в течение 300 лет;

— для окончательного захоронения радиоактивные отходы очень низкого уровня радиоактивности помещают в наземные хранилища с меньшими требованиями безопасности. Также возможен сброс таких отходов в окружающую среду, но в крайне редких случаях;

— примерно (48ч50) миллионов тонн отходов, образованных в ходе переработки урановой руды, и 200 миллионов тонн рудных остатков, образованных уранодобывающей промышленностью, которые не могут быть повторно использованы, хранятся на территории этих заводов.

В плане строительства хранилищ для радиоактивных отходов французские власти планируют рядом с подземной лабораторией в Буре создать хранилище для высокорадиоактивных отходов и отходов с долгоживущими радионуклидами.

Введение

в эксплуатацию этого хранилища намечено на 2025 год. Также в 2019 году предполагается введение в эксплуатацию приповерхностного хранилища для низкоактивных отходов с долгоживущими радионуклидами. В г. Морвильере расположено наземное хранилище для отходов очень низкого уровня радиоактивности, а в г. Сулан действует хранилище для отходов низкого и среднего уровней радиоактивности с короткоживущими радионуклидами. Не смотря на закрытие в 1994 году одного из наземных хранилищ, оно будет наблюдаться специальными мониторинговыми службами в течение последующих 300 лет.

Из основных проблем, которые возникают во Франции при обращении с радиоактивными отходами, можно выделить следующие.

На конец 2007 года во Франции было зарегистрировано около 1121 объектов для хранения радиоактивных отходов. Данным числом объектов до конца 2011 года в сумме было образовано около 1 152 533 м³ радиоактивных отходов. Французские власти не намерены отказываться от ядерной энергетики, которая не является экологически безопасной, по мнению многих жителей Европы.

После переработки радиоактивных отходов и отработавшего топлива и получения из него новых тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) требуется некоторая обработка радиоактивных материалов. Последствия такой обработки выражаются следующим [26]:

— работники перерабатывающих станций подвергаются опасности радиационного облучения;

— интенсивный выпуск радионуклидов — возрастающая опасность негативного воздействия радиации на окружающую природную среду и население;

— повышенный риск аварий и несчастных случаев.

На некоторых территориях, предназначенных для выбора места хранилищ, в глубинных геологических формациях, не был проведен сопоставительный анализ, который требуется законом.

В 2007 году для строительства хранилища РАО определен район г. Бюра, где расположена действующая подземная лаборатория для тестирования глинистых пород.

Для многих радиоактивных отходов низкого и среднего уровней во Франции еще не разработана концепция по обращению с ними.

Большие объёмы обеднённого урана направляются в Российскую Федерацию для повторного обогащения, но около 4/5 всего этого объёма осталась в РФ. В Российско-Французских контрактах не оговорены взаимные обязательства по поводу дальнейшего обращения с радиоактивными отходами, причём для РФ длительное хранение таких отходов не приемлемо.

2.5 Анализ деятельности по обращению с радиоактивными отходами на территории Швеции Среди атомных электростанций и других источников первичных отходов, образующихся в Швеции, можно выделить следующие: десять атомных энергетических реакторов работает на трёх площадках и два исследовательских реактора имеется на двух площадках. Ко всему прочему работает завод по производству тепловыделяющих элементов и специальный завод, которых перерабатывает урановые остатки. К тому же три энергетических реактора и два исследовательских реактора находятся на стадии выведения из эксплуатации.

Обращения с отходами в Швеции характеризуется следующими положениями [25]:

— хранение отработанного ядерного топлива и радиоактивных отходов средней активности производится в реакторных бассейнах;

— после процедуры охлаждения топливо и радиоактивные отходы перевозят и хранят в центральном подземном временном хранилище отходов около тридцати лет. Данное хранилище расположено на глубине (25ч30) метров от поверхности земли;

— соответствующий требованиям хранилища способ упаковки пока ещё не разработан;

— геологическое хранилище окончательного захоронения располагается в твердых породах на глубине (400ч700) метров;

— хранилища засыпают изъятым из котлована грунтом и затем тщательно изолируют, что является технически неверным — необходимо оставлять возможность изъятия радиоактивных отходов;

— определённая часть отработанного ядерного топлива из исследовательских реакторов отправляется на экспорт в США;

— кондиционирование радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности проводится на территории их образования, а горючие и загрязнённые металлические отходы направляются в г. Студсвик;

— окончательное захоронение радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности с короткоживущими радионуклидами производится в хранилище SFR-1, которое расположено в твердых скальных породах [25];

— с 2020 года все отходы, которые образовались в процессе выведения из эксплуатации, будут направляться на окончательное захоронение в хранилище SFR-1;

— долгоживущие радиоактивные отходы низкого и среднего уровней активности временно хранятся на территории их образования. В 2045 году планируется запуск автономного хранилища, куда будут направляться отходы из центрального временного хранилища и площадок складирования отходов АЭС и исследовательских реакторов;

— радиоактивные отходы очень низкого уровня активности будут направлены в наземные хранилища, которые расположены на территориях АЭС или кондиционирующего завода в г. Студсвик. Также они могут быть выгружены на территории обычных свалок.