Особенности обращения с радиоактивными отходами

Содержание радиоактивный отходы металлический переплавка Перечень условных обозначений Введение

1. Источники образования твердых радиоактивных отходов и их классификация

• 1.1 Источники образования твердых радиоактивных отходов
• 1.2 Классификация твердых радиоактивных отходов
• 2. Методы переработки твердых радиоактивных отходов
• 2.1 Обращения с металлическими отходами, загрязненными радиоактивными веществами
• 2.2 Основные методы переработки твердых радиоактивных отходов
• 2.2.1 Сортировка
• 2.2.2 Цементирование
• 2.2.3 Прессование
• 2.2.4 Сжигание

2.2.5 Плавление

3. Технология «ЭКОМЕТ-С»

Выводы Список используемой литературы Перечень условных обозначений АЭС — атомная электростанция РБМК — реактор большой мощности кипящий ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор РАО — радиоактивные отходы ТРО — твердые радиоактивные отходы МРО — металлические радиоактивные отходы МОЗРВ — металлические отходы, загрязненные радиоактивными веществами ЯЭУ — ядерная энергетическая установка ОЯТ — отработанное ядерное топливо ЯТЦ — ядерно-топливный цикл ЧАЭС — Чернобыльская атомная электростанция НАО — низкоактивные отходы САО — среднеактивные отходы Введение В настоящее время на атомных электростанциях (АЭС) в процессе эксплуатации и производства ремонтных работ накопилось значительное количество твердых радиоактивных отходов (ТРО), в состав которых входит отработавшее гарантийный срок оборудование, материалы, элементы конструкций, спецодежда, строительные отходы, отходы теплоизоляционных волокнистых материалов и др.

С выводом энергоблоков атомных станций из эксплуатации количество радиоактивных отходов возрастет многократно. Их хранение связано со значительными затратами и приводит к определенному риску воздействия на окружающую среду и человека в случае аварийной ситуации.

Металлические радиоактивные отходы (МРО), такие как сталь, алюминий и др. могут быть дезактивированы. Их основная масса после плавления и контроля может быть вторично использована.

Вывод из эксплуатации и демонтаж оборудования предприятий атомной промышленности, ядерных реакторов и других установок, применяющих делящиеся материалы, приводит к образованию и накоплению большого количества отходов металла, загрязненных радионуклидами, называемых металлическими радиоактивными отходы (МРО). В результате из хозяйственного оборота выводится значительное количество высоколегированного металла и значительные площади приходится занимать под специальные хранилища для МРО. В связи с этим весьма актуальны вопросы разработки и применения эффективных способов дезактивации МРО.

Одной из сложных экологических проблем является проблема обращения с радиоактивными отходами, в том числе с металлическими отходами, загрязненными радиоактивными веществами (МОЗРВ). Наличие их большого объема обусловлено не только накоплением в результате производства и массового сокращения ядерных вооружений, но и при использовании атомной энергии в мирных целях за счет эксплуатации и демонтажа отработавших ресурс объектов атомной энергетики и промышленности. Большое количество МОЗРВ также накоплено на объектах неядерного сектора, в первую очередь, на предприятиях нефтяной и газовой промышленности. Эти отходы представляют собой трубопроводы (насоснокомпрессорные трубы), арматуру и технологические аппараты газои нефтеперерабатывающих заводов, загрязненные природными радионуклидами (радий, торий, калий). По уровням радиоактивной загрязненности большая часть отходов (90−95%) относится к категории низкоактивных отходов в соответствии с классификацией, принятой в ОСПОРБ99 и СПОРО2002.

1. Источники образования твердых радиоактивных отходов и их классификация

1.1 Источники образования твердых радиоактивных отходов В Украине отходы относятся к радиоактивным, если активность радионуклидов в них или их радиоактивное загрязнение превышают уровни изъятия радиоактивных отходов из сферы санитарного надзора, установленные действующими «Основными санитарными правилами противорадиационной защиты» .

Проблемы использования радиоактивных материалов и субстанций, которые являются продуктами производственной деятельности, в качестве вторичного сырья принимаются в разных странах в зависимости от технологических возможностей и экономической целесообразности (которые со временем могут изменяться).

Так, в настоящее время отработанное ядерное топливо ядерных реакторов типа РБМК (Чернобыльская АЭС) не рассматриваются как такие, что подлежат переработке, и, таким образом, должны относиться к РАО. Наоборот, ОЯТ реакторов типа ВВЭР (все другие АЭС Украины) подлежат переработке и к РАО не относятся.

В зависимости от вида деятельности, в результате которых образовались и локализованы радиоактивные отходы, они могут быть отходами:

· ядерно-топливного цикла:

· атомных электростанций (в т. ч. при снятии их с эксплуатации);

· предприятий уранодобывающей и перерабатывающей промышленности;

· производства и использования радионуклидов вне ЯТЦ: в промышленности, научных, медицинских и других учреждениях, обслуживаемых предприятиями «Радон» ;

· дезактивации объектов и территорий, которые были загрязнены в результате аварий, в т. ч. объектов, существование и функционирование которых обусловлено Чернобыльской катастрофой и мероприятиями по ликвидации (минимизации) ее последствий:

· объект «Укрытие» — разрушенный аварией 4-й энергоблок ЧАЭС;

· предприятия дезактивации территории, сооружений, механизмов, пункты хранения и захоронения РАО и места не контролированного сосредоточения РАО в зоне отчуждения ЧАЭС;

· функционирования и дезактивации объектов Министерства обороны Украины.

Особенностью структуры РАО, накопленных в Украине, является значительная часть отходов, образованных вследствие Чернобыльской катастрофы.

Твердые радиоактивные отходы представляют собой следующее:

— спецодежда и средства индивидуальной защиты, ветошь;

— бумага, древесина, строительные материалы, тара;

— различное оборудование;

— изделия из керамики, стекла (например, лабораторная посуда);

— изделия из резины, полимерных материалов и пластмассы;

— изделия из металлов и сплавов;

— отработавшие источники ионизирующих излучений ;

— фильтры системы газовой очистки;

— почвы, горные породы;

— ионообменные смолы.

Сбор и первоначальная упаковка радиоактивных отходов, производимые непосредственно на месте их образования в учреждениях и организациях, регламентируются национальными правилами и разработанными на их основе местными инструкциями.

Обработка радиоактивных отходов заключается в операциях, направленных на перевод их в стабильную инертную форму, приемлемую для долговременной изоляции от потенциального влияния на человека и окружающую среду.

1.2 Классификация твердых радиоактивных отходов Таблица 1. Классификация твердых РАО для гамма-, бета-, альфаизлучателей (используется любой из трех критериев)

— первый параметр: мощность дозы гамма-излучения на расстоянии 0,1 м от их поверхности превышает 1 мкЗв/ч (100 мкР/ч);

— второй параметр: удельная активность дляизлучателей превышает 7,4 Ч104 Бк/кг (74 кБк/кг), дляизлучателей превышает 7,4 Ч103 Бк/кг (7,4 кБк/кг);

— третий параметр: фиксированное поверхностное загрязнение превышает для — излучателей 500 -частиц/см2 Чмин, а дляизлучателей — 5 -частиц/см²мин. определяемых с площади 100 см². [2]

К высокоактивным твердым отходам относят оболочки и конструкционные материалы ТВС, а также нерастворимые вещества, отделенные от растворов топлива декантацией, центрифугированием или фильтрацией. По физическим характеристикам твердые радиоактивные отходы можно подразделить на следующие группы:

— прессуемые — одежда, резина, пластикаты, теплоизоляция, бумага, фильтры;

— непрессуемые — дерево, фильтры — рамки, трубопроводы, стекло, инструменты, трубы, вентили, бетонные блоки;

— сжигаемые — бумага, дерево;

— металлические.

Новая классификация радиоактивных отходов, рекомендованная МАГАТЭ, предлагает использовать новую систему классификации, разработанную МАГАТЭ, для того, чтобы проводимые работ соответствовали международным стандартам.

Система классификации радиоактивных отходов, разработанная МАГАТЭ, основана как на уровне радиоактивности, так и на периоде полураспада. МАГАТЭ рекомендует твердые радиоактивные отходы классифицировать по четырем категориям, в трех из которых допускается содержание незначительного количества а-излучателей, а одна включает в основном а-излучатели МАГАТЭ рекомендует следующие основные характеристики классов отходов:

ЕW — отходы, которые могут быть изъяты из-под контроля как нерадиоактивные. Изъятие основано на ограничении ежегодной дозы для населения (менее 0,01 мЗв). Рекомендованные величины удельной активности зависят от отдельных радионуклидов и изменяются от 0,1 Бк/г до 10 000 Бк/г. Для Украины допустимые концентрации радионуклидов изложены в «Нормах радиационной безопасности Украины» ;

LILW — низкои среднеактивные отходы — отходы, чьи уровни активности находятся выше ЕУ/ и ниже высокоактивных НЬМ. Они в свою очередь подразделяются на две категории:

LILW-SL — отходы с короткоживущими радионуклидами — с ограничением по содержанию долгоживущих альфа-излучающих радионуклидов на уровне 4000 Бк/г для отдельных упаковок отходов и в среднем до 400 Бк/г для всей группы упаковок отходов;

LILW-LL — отходы с долгоживущими радионуклидамдля которых концентрация долгоживущих радионуклидов превышает ограничения для предыдущей категории;

HLW — высокоактивные отходы — отходы с уровнем тепловыделения выше 2кВт/м3 и концентрацией долгоживущих радионуклидов, превышающей пределы, установленные для короткоживущих отходов.

Низкоактивные отходы представляют опасность только при попадании внутрь организма. Поэтому их достаточно локализовать таким образом, чтобы радионуклиды, содержащиеся в этих отходах, не могли попасть внутрь организма в результате миграции по биологическим цепочкам. Среднеактивные отходы представляют опасность как источник не только внутреннего, но и внешнего облучения, а следовательно, при их переработке и захоронении необходимо предусматривать соответствующие защитные барьеры для ослабления потоков излучения (в основном фотонного) до регламентированных уровней.

Высокоактивные отходы из-за крайне высокой удельной активности, а следовательно, и большого энерговыделения, требуют дополнительного создания систем охлаждения емкостей, в которых они содержатся.

2. Методы переработки твердых радиоактивных отходов

2.1 Обращения с металлическими отходами, загрязненными радиоактивными веществами В целом, наличие больших объемов МОЗРВ и отсутствие их переработки вызывает необходимость строительства новых хранилищ, что связано с существенными затратами на их сооружение, ухудшением радиоэкологической обстановки в регионах, и приводит к безвозвратным потерям дефицитных и дорогостоящих материалов. Кроме того, наличие большого объема МОЗРВ увеличивает вероятность поступления этих отходов на металлургические предприятия в составе металлолома, что может привести к радиоактивному загрязнению оборудования и образованию радиоактивных отходов (шлак, футеровка, пыль).

Обращение с МОЗРВ на объектах атомной энергетики и промышленности в настоящее время сводится, главным образом, к размещению (захоронению) в хранилищах различного типа, как правило, вместе с другими твердыми радиоактивными отходами (ТРО) или хранению на открытых площадках, прежде всего, крупногабаритного оборудования.

Обращение с МОЗРВ на объектах нефтегазового комплекса заключается, в основном, в их хранении на открытых площадках капитального ремонта скважин. На некоторых объектах проводится дезактивация труб путем удаления солевых отложений с последующим повторным использованием по прямому назначению. Широко распространена также практика сдачи таких труб в качестве вторсырья на предприятия по заготовке и переработке металлолома, что противоречит действующим санитарным правилам и нормативам.

К основным недостаткам в области обращения с МОЗРВ можно отнести следующие: — большая часть накопленных и вновь образующихся отходов не перерабатывается; - многие инженерные сооружения не обеспечивают безопасное хранение не переработанных отходов; - отсутствует эффективная система учета и контроля за образованием и хранением отходов; - нет систематизированного и полного пакета нормативно-технических документов, регламентирующих единый порядок безопасного обращения с МОЗРВ на всех стадиях переработки и утилизации.

2.2 Основные методы переработки твердых радиоактивных отходов

2.2.1 Сортировка Сортировка — проводится на крупных предприятиях, либо при работах по реабилитации радиационно-загрязненных объектов.

Обычно РАО разделяются по либо по морфологическому составу (металл, стекло, изоляционные материалы и т. д.), либо по активности (НАО, САО), либо по способам дальнейшей переработки (прессуемые-непрессуемые, горючие-негорючие и т. п.).

Основной задачей сортировки ТРО по виду материала является подготовка их к переработке (прессованию, сжиганию, дезактивации). ТРО первой группы активности (низкоактивные) по виду материала сортируются на:

— дезактивируемые металлические отходы (металлические отходы с относительно гладкой поверхностью);

— сжигаемые (текстиль, дерево, бумага, пластикат, пластмасса, резина и пр.);

— прессуемые отходы, не проходящие предварительного прессования (бетон, кирпич, строительный мусор, шлам, песок, лампы накаливания, стекло, поранит, материалы огневой защиты кабелей, металл и пр.);

— прессуемые отходы, подвергающиеся предварительному прессованию (теплоизоляционные маты, и пр.).

В целях обеспечения принципов ALARA (As Low As Reasonably Achievable) упаковки с отходами второй и третьей групп активности без сортировки по виду материала загружаются в ячейки хранилища ТРО на временное хранение.

2.2.2 Цементирование Цементирование — используется, прежде всего, для кондиционирования сыпучих ТРО (зола после сжигания РАО и др.). Обеспечивает включение ТРО в состав цементной матрицы. Обычно используется совместное цементирование ТРО и ЖРО. Может реализовываться как при смешении твердых компонентов с водой, так и пропиткой высокопроницаемым цементным раствором первичных упаковок с ТРО. Процесс цементирования заключается во включении радиоактивных веществ в портландцемент марки 500 с последующим образованием твердого монолита (Рисунок 1.1).

Рисунок 3.1 — Схема установки цементирования жидких радиоактивных отходов

1 — устройство подачи цемента, 2 — дозатор, 3 — бункер цемента, 4 — циклоны, 5 — дозатор ЖРО, 6 — бетономешалка, 7 — емкость исходных ЖРО, 8 — насос подачи ЖРО, 9 — блок отвержденных ЖРО, 10 — транспортная тележка Оптимальное соотношение между отходами и цементом 1:0,67 ч 0,7. Цемент из бункера 3 через дозатор 2 и циклоны 4 устройством подачи 1 доставляется в бетономешалку 6. Туда же из емкости исходных вод 7 c помощью насоса 8 подаются жидкие отходы в дозировочную емкость 5. В результате заливки цемента образуется блок монолита 9, пригодный для захоронения.

2.2.3 Прессование Прессование — используется для уменьшения объема прессуемых ТРО (теплоизоляция, отработанные фильтры газоочистки, смешанные отходы и др.). Прессование обычно происходит в 100 или 200 литровых бочках.

Установки прессования различаются по давлению, которое пресс они может развивать при прессовании отходов. Прессы низкого давления обычно развивают усилие до 10 МН. Большинство используемых прессов обеспечивает уменьшение объема в 3−5 раз.

Прессы высокого давления, также называемые «суперкомпакторы» или «суперпрессы», получили в последнее время значительное развитие. После обработки высоким давлением из первичных контейнеров с отходами получаются т.н. блины или таблетки, которые помещают затем в другие контейнеры. Контейнеры, подвергаемые сжатию, обычно цилиндрической формы. В таких прессах используется давление 10 МН или выше, позволяющее достигнуть уменьшения объема в 10−15 раз.

Прессованию под низким давлением подлежат низкоактивные негорючие твердые отходы типа пластмассы, бумаги, резины и ткани (горючие низкоактивные отходы, которые в существующих условиях нельзя подвергать сжиганию, также подлежат прессованию). Коэффициент сокращения объема в результате прессования не превышает 10 крат и зависит от состава ТРО: максимальный коэффициент у металлических отходов (8−10), наименьший — у резины и полимеров (2−3).

В настоящее время используются следующие установки прессования:

— Прессы, в которых сжимание отходов происходит без использования контейнеров (производство тюков);

— Прессы, в которых сжимание отходов происходит внутри стальных бочек;

— Прессы, в которых сжимание отходов происходит внутри ящиков;

Прессование неприемлемо к материалам, содержащим взрывчатые и пирофорные вещества, и технически трудно осуществимо для арматуры, крупногабаритных деталей и оборудования. Прессование сопровождается образованием запыленных воздушных потоков, поэтому оборудование следует размещать в изолированных герметичных помещениях с отсосом воздуха и его очисткой перед выбросом в атмосферу.

Для обеспечения изоляции радионуклидов при захоронении спрессованные брикеты заливают цементом в бочках или в хранилище. Одним из методов уплотнения кусков оболочек ТВС является прессование в брикеты с последующей заливкой оставшихся пустот сплавами на основе свинца, олова и сурьмы с присадками других металлов и заключением образующегося продукта в контейнеры для хранения (Бельгия, ФРГ). Другой метод представляет собой включение кусков оболочек в бетон после их уплотнения с помощью специальной прокатной машины (ФРГ). Возможно также включение твердых отходов в матрицу из 80% графита и 20% серы с прессованием и нагреванием до 150 °C (ФРГ), включение в расплав стекла (Франция, США), а также смешение измельченных оболочек с порошком алюминия, прессование и спекание при 450 °C (ФРГ) или с порошком Аl2O3 с последующим прессованием и спеканием при 1200 °C (Франция).

Первые установки прессования ТРО были созданы в 60-х годах. Широкое распространение получило прессование ТРО в кипы с постоянной площадью сечения и толщиной, определяемой количеством отходов и их физическими свойствами.

В Англии для прессования в кипы и непосредственного обжатия использовали установки с плунжером, приводимым в действие сжатым воздухом, с усилием 8,5 и 10 МН. При прессовании в кипы объем сокращался в 2,5 раза, при обжатии — в 5 раз. Очистка воздуха осуществлялась на стекловолокнистых и стеклобумажных фильтрах в три стадии. Эффективность очистки воздуха 99,995%.

В США выпускаются восемь типов конструкции прессов, которые предназначены для обработки РАО. В конце 70-х годов в Маундской лаборатории установлен пресс, уплотняющий ТРО в 208-ми литровые бочки. В национальной научной лаборатории в Айдахо и на заводе в Роки-Флетс ТРО прессуют в тюки, причем в Роки-Флетс отходы перед прессованием измельчают до 5 мм и помещают в фиберглассовые упаковки.

В Голландии разработан и эксплуатируется пресс усилием 1,8 МН. С его помощью достигается уменьшение объема ТРО в 610 раз.

В последнее время в мировой практике стали применять для прессования отходов компакторы и суперкомпакторы высокого давления. Мобильный компактор фирмы «Вестингауз» (США) с горизонтальным усилием прессования 10 МН прессует отходы вместе 9 барабанами объемом 200 л до плотности получаемого брикета 1000 кг/м³. Прессование происходит в гильзе. Брикеты помещают в бочки и цементируют. Пресс транспортабелен.

Пресс «Радон» развивает усилие 4,9 МН и позволяет перерабатывать до 3 м³ отходов в чае при коэффициенте концентрирования 210. Совместно с венгерскими специалистами разработана и изготовлена установка прессования ТРО 1-й и 2-й групп загрязненности в бочки объемом 200 л. Установка работает на Запорожской АЭС. Усилие прессования — 0,5 МН, уменьшение объема в результате прессования 48 раз в зависимости от морфологического состава отходов.

Прессы для производства тюков Схема установки прессования без использования контейнеров приведена на рис. 3.

Рисунок 3.2 — Схема установки прессования (производства тюков) на базе вертикального гидравлического пресса.

1 — защитный бокс, 2 — гидротолкатель, 3 — пресс, 4 — привод пресс формы, 5 — насосная станция, 6 — пресс-форма, 7 — контейнер.

Такой типичный пресс сжимает отходы с трех сторон, обычно в картонную коробку. Затем тюк стягивается стальной проволокой и оборачивается в пластик для предотвращения утечки радиоактивных жидкостей. Такие прессы могут производить довольно большие по объему упаковки, они довольно экономичны и легки в эксплуатации. Однако из-за отсутствия надежного контейнера в таких упаковках довольно трудно удерживать выделения и трудно обеспечить целостность упаковки.

Прессы для прессования отходов внутри стальных бочек Прессы для прессования отходов внутри стальных бочек широко используются во всем мире, и на рынке имеется несколько недорогих прессов. Фотография типичного пресса, в котором прессование твердых отходов происходит внутри стальных 200-л бочек, приведена на рисунке 3.3.

Такие прессы обычно снабжаются системой фильтров тонкой очистки (HEPA), вытяжной системой, поддоном для сбора жидкостей, выделяющихся при прессовании, и устройства для загрузки и выгрузки стальных бочек.

Выше бочки размещается дверца для загрузки твердых отходов, которая обычно производится вручную, т.к. очень трудно организовать автоматическую подачу отходов. Из-за этого производительность таких прессов довольно низка. Необходимость проводить прессование в несколько циклов для полного наполнения бочки и учет пружинящего эффекта прессуемых отходов также влияет на производительность. Иногда приходится уменьшать силу прессования из-за возможного разрушения бочки и вышеупомянутого пружинящего эффекта.

Рисунок 3.3 — Типичный пресс для прессования отходов внутри бочек.

Прессы в которых сжимание отходов происходит внутри ящиков Подразумеваются прессы, которые прессуют отходы внутри металлических ящиков или деревянных ящиков, облицованных изнутри металлическими листами. Вертикальные зубчатые металлические полосы используются для крепления антипружинящего устройства. На ящике укрепляется кожух для удержания эмиссий из прессуемых отходов. В некоторых прессах используются двойные гидравлические толкатели для более однородного прессования. По сравнению с бочками, в ящиках может разместиться большее количество отходов и отходов больших размеров.

К недостаткам относится более высокая стоимость оборудования и трудности с обращением с упаковками большего веса и размера по сравнению со стандартными 200-л бочками.

Прессование под высоким давлением («суперпрессование, сверхпрессование») используется для уменьшения объема практически любых типов отходов, включая бумагу, пластмассы и ткани, обычно относящиеся к категории сжимаемых отходов, а также такие материалы, как металлы, бетонный мусор, стекло, дерево, песок и т. д., которые считаются несжимаемыми. Прессованием высоким давлением можно получить продукт с плотностью свыше 90% его теоретической плотности по материалу.

В случае прессования пористых материалов, таких как дерево, плотность продукта может превышать 100%. В зависимости от природы отходов типичные плотности находятся в диапазоне от 1000 до 3500 кг/м³.

Продукт, получающийся в результате сверхпрессования, обычно помещаются в контейнеры и заливаются бетоном. Такие упаковки обычно удовлетворяют критериям приемлемости отходов для захоронения.

В связи с высокой стоимостью прессов высокого давления, они применяются на таких ядерных установках, где образуются очень большие объемы твердых отходов и, следовательно, его применение может быть экономически оправдано.

Суперпрессы могут быть вертикальными или горизонтальными в конструктивном отношении. Дополнительно, они могут быть стационарными или мобильными. Выбор вертикальной или горизонтальной конструкции основывается на практических вопросах эксплуатации и стоимости оборудования.

Мобильные суперпрессы Преимущество мобильных суперпрессов скрыто в их названии — мобильности. В связи с высокой производительностью таких установок (40 контейнеров в час), их использование на одном месте может быть не оправдано, и они могут арендоваться другими предприятиями в той же стране или даже в другой стране. Один из мобильных суперкомпакторов представлен на Рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 — Мобильный суперкомпактор

1 — механизм загрузки, 2 — пресс-загрузочный механизм, 3 — шток загрузки/выгрузки, 4 — рукав, 5 — уплотняющий механизм, 6 — основной пресс, 7 — механизм загрузки/выгрузки, 8 — станция выгрузки, 9 — разгрузочный кран, 10 — контейнер для отходов

2.2.4 Сжигание Сжигание — используется для значительного уменьшения объема сжигаемых органических ТРО (ветошь, органические остатки, илы и др.). Большинство существующих печей также позволяют сжигать органические ЖРО. Разработано большое количество конструкций печей, температура сжигания варьируется от 800 до 17 000С (плазменная технология). Плазменная технология позволяет также сжигать смешанные ТРО со значительным количеством негорючих РАО. Недостатком данного метода является необходимость тщательной очистки отходящих дымовых газов, что повышает стоимость переработки.

Сжигание — один из самых эффективных методов используемых для переработки и концентрирования твердых отходов. Применение этого метода обычно дает уменьшение объема в 10 15 раз. Но при этом процессе происходит выделение большого количества радиоактивных газов и аэрозолей, в дополнение к остающемуся твердому пеплу. При сжигании, таким образом, необходима газоаэрозольная очистка газов. Оставшуюся радиоактивную золу цементируют или битумируют в блоки.

Химическая реакция горения представляет собой ряд элементарных процессов окислительно-восстановительного типа, в которых окислителем служит кислород воздуха, горючей массой — отходы.

В зависимости от состава отходов выбирается режим процесса для обеспечения полноты сгорания материала (исключение образования промежуточных продуктов — CH4, CO и др.) и отсутствия в газовой фазе взрывоопасных концентраций водорода. При этом тепловыделение в результате реакции окисления должно превысить отвод тепла из зоны реакции. Теплотворная способность основных компонентов отходов с учетом влажности и зольности колеблется в пределах 40 004 600 кДж/кг. В большинстве случаев температура процесса горения отходов составляет 900 1000 С, а в установках с плазменным нагревом достигает до 1400−1600 °С.

Наибольшее применение для сжигания твердых радиоактивных отходов нашли камерные (двухи трехкамерные) печи. В них первая камера предназначена для сжигания или пиролитического разложения отходов, а вторая и третья камеры — для дожигания продуктов пиролитического разложения, поступающих из первой камеры. Для сжигания отходов в печах характерным является наличие нескольких температурных зон: сушки отходов, зажигания и горения, дожигания.

При сжигании отходов в камерных и барабанных печах в основном происходит верхнее зажигание в открытом факеле или от нагретых стенок камеры сжигания (при электронагреве). Конструкции печей могут быть самые разнообразные. Существуют различные конструктивные оформления самих камер сгорания и дожигания, устройств для загрузки отходов и выгрузки золы. Для поддержания устойчивого горения преимущественно используют газообразное топливо, реже — жидкое, иногда системы электронагрева.

В последнее время значительно возрос интерес к системам с плазменным нагревом. Использование плазмотронов или топливно-плазменных горелок позволяет существенно повысить энтальпию высокотемпературного газового потока, уменьшить объем отходящих газов и легко варьировать окислительно-восстановительные условия процесса путем подбора соответствующего плазмообразующего газа. Использование топливно-плазменных горелок позволяет достичь более равномерного распределения температур по высоте и сечению факела, по сравнению с чисто топливным или плазменным нагревом.

В процессе сжигания достигается существенное сокращение объема отходов и возможность более надежного хранения концентратов (золы) после включения в химически инертную форму (цемент, битум, стекло). Процесс сжигания ТРО позволяет сократить их объем в 20 100 раз, а массу в 10 20 раз. Такое большое сокращение объемов отходов позволяет экономить объемы дорогостоящих хранилищ. Кроме того, термическая переработка переводит отходы в негорючее состояние, что повышает уровень их безопасного хранения и захоронения.

При сжигании ТРО должны быть предусмотрены технические средства:

— очистки газов, образующихся при сжигании ТРО, от радиоактивного загрязнения и химически вредных веществ до уровней, определяемых Нормами радиационной безопасности и правилами в области использования атомной энергии;

— контроля параметров процесса сжигания, в том числе: температуры и давления (разрежения) в печи сжигания, содержания взрывоопасных компонентов радионуклидного состава выбрасываемых газов;

— автоматического и (или) дистанционного управления процессом сжигания;

— дезактивации оборудования и помещений;

— пожароизвещения и пожаротушения.

Направляемые на сжигание ТРО должны проходить входной контроль. Не подлежат сжиганию ТРО, содержащие взрывоопасные вещества. В сжигаемых ТРО должно быть ограничено содержание поливинилхлорида и других материалов, в результате сжигания которых образуются агрессивные и токсичные вещества в количестве, превышающем пределы, установленные нормативными документами. Содержание радионуклидов С (14), I (129) и Н (3) в сжигаемых ТРО не должно приводить к превышению допустимого выброса радиоактивных веществ из печи сжигания в атмосферу. Сжигание ТРО совместно с нерадиоактивными отходами не допускается.

В НПО «Радон» (РФ) с 1982 г. эксплуатируется двухкамерная печь «Факел» (Рис. 1) по сжиганию ТРО исследовательских центров. Установка состоит из двухкамерной керамической печи и системы сухой газоочистки. В первой зоне происходит сушка и частичная газификация отходов, во второй — горение на колосниковой решетке, через которую подается основное количество воздуха, необходимого для сжигания. Система газоочистки состоит из воздушного высокотемпературного теплообменника, металлотканевого фильтра, теплообменника — конденсатора и фильтра тонкой очистки на основе ультратонкого стекловолокна.

1 — лифт, 2 — узел загрузки ТГРО, 3 — печь, 4, 11,12 — теплообменник, 5 — испарительный теплообменник, 6 — фильтр грубой очистки, 7 — скруббер, 8 — емкость раскислителя, 9 — емкость оборотная, 10, 18 — насос, 13 — фильтр тонкой очистки, 14,21,22,23- вентилятор, 15 — вентиляционная труба, 16 — узел золоудаления, 17 — система зажигания факела, 19 — топливная емкость, 20 — емкость ЖГРО. 21,22 — вентилятор. 24 — узел остекловывания зольного остатка, 25 — узел цементирования зольного остатка Рисунок 3.5 — Двухкамерная печь по сжиганию ТРО «Факел»

Аналогичная установка сжигания ТРО с комбинированной газоочисткой пущена в эксплуатацию на Запорожской АЭС в 1987 г.

Печь шахтного типа (Рис.2) состоит из узла загрузки упаковок с отходами РАО (1), шахты (2) с расположенным в верхней части патрубком выхода пирогаза (7), плавителя (3), бокса приема шлака (4).

В верхней, сводовой части плавителя установлены плазмотроны (5), являющиеся генераторами воздушной низкотемпературной плазмы. В торцевой части плавителя имеется сливное устройство, состоящее из сливного блока с горизонтальным сливным каналом и стопора (6), запирающего сливной канал в процессе разогрева плавителя и по окончании слива.

1 — узел загрузки, 2 — шахта, 3 — плавитель, 4 — бокс приема шлака, 5 — плазмотрон, 6 — стопор, 7 — выход пирогаза.

Рисунок 3.6 — Шахтная печь Узел загрузки отходов (1) установлен над шахтой (2) и представляет собой герметичный двухшиберный бокс, обеспечивающий возможность сохранения разрежения в шахтной печи при загрузке упаковок с отходами. В нижней части печи, под сливным устройством, установлен бокс приема шлакового расплава (4), в котором размещаются одноразовые металлические приемные контейнеры.

Отходы загружаются сверху через систему шлюзов, предотвращающих подсос воздуха внутрь шахтной печи и выход продуктов переработки наружу В состав плазменной установки сжигания РАО должны входить:

— участок приемки и входного контроля РАО в составе: автоматизированного приемо-накопительного склада, обеспечивающего регламентированный запас радиоактивных отходов, приемку упакованных и паспортизованных РАО и подачу партий отходов на плазменную переработку.

— узел загрузки отходов в шахтную печь.

— шахтная печь с плазменным оборудованием и узлом удаления шлакового расплава.

— узел дожигания горючих компонентов пиролизных газов, образующихся при деструкции органических РАО.

— система очистки технологических газов: блок высокотемпературных рукавных фильтров, скрубберный блок, узлы охлаждения и тонкой фильтрации газов, емкостное и насосное оборудование.

— система технологической вентиляции, удаления и очистки сдувок и компенсации аварийного выброса.

— системы энергетического и инженерного обеспечения, вспомогательное оборудование.

— системы радиационного и экологического контроля.

— система технологического контроля процесса, пульт управления, средства автоматизации контроля и управления процессом.

3.2.5 Плавление Плавление (переплавка) — используется для уменьшения объема загрязненной теплоизоляции (до 100 раз), либо для очистки металлических РАО, загрязненных незначительными количествами радиоактивных веществ.

Известны способы переработки и пирометаллургической дезактивации МРО, предусматривающие расплавление МРО и перевод большей части радионуклидов в шлак. Такие способы дают возможность уменьшить уровень загрязнения металла до пределов, обеспечивающих возможность возвращения в хозяйственный оборот.

В МРО возможны два вида радиоактивного загрязнения: поверхностное загрязнение вследствие контакта с содержащим радионуклиды, обычно жидким, веществом и сорбции радионуклидов на поверхности металла и загрязнение вследствие нейтронного облучения, вызывающего образование радиоактивных изотопов компонентов металла непосредственно в объеме металла.

Известны способы переработки и дезактивации, предусматривающие плавление МРО в небольших электропечах под слоем основного раскисленного шлака с низким (менее 1% содержанием оксидов железа). Такой шлак после использования в качестве среды для фиксации радионуклидов, перешедших в него из МРО в процессе плавления, очень неудобен для последующего захоронения, так как имеет низкую прочность и через некоторое время рассыпается на мелкие частицы. Из таких частиц при воздействии влаги могут вымываться радионуклиды.

Для получения металла, пригодного к использованию без ограничений, необходимо обеспечить полное отделение частиц радиоактивного шлака от дезактивированного металла во время слива металла из плавильного агрегата и последующей разливки на слитки. Легче и надежней всего это можно обеспечить при раздельном сливе чистого металла и «грязного» радиоактивного шлака из плавильного агрегата.

Однако большинство известных способов пирометаллургической дезактивации МРО и агрегатов, применяемых для их осуществления, не обеспечивают такой возможности.

Приходится перед проплавлением МРО производить их предварительную поверхностную дезактивацию низкотемпературными способами (гидравлическими, механическими, химическими), что усложняет и удорожает процесс получения чистого дезактивированного металла. Из-за невозможности осуществления раздельного выпуска чистого металла и «грязного» радиоактивного шлака для дезактивации МРО используют небольшие электрические печи (дуговые, индукционные, электрошлакового переплава) и разделывают МРО на куски небольших размеров и массы. Такие плавильные агрегаты имеют низкую производительность, что еще больше усложняет и удорожает процесс дезактивации МРО. Обычно применяется комплексная технология переработки, включающая несколько методов. На крупных предприятиях существуют большие стационарные комплексы для переработки образующихся ТРО. Из предприятий, не относящихся к ядерному топливному циклу, и эксплуатирующих крупные комплексы для переработки ТРО в России, можно выделить ГУП «МосНПО «Радон», Ленинградское отделение ФГУП «РосРАО» и филиал СЗЦ «СевРАО». Переработку значительных количеств металлических РАО осуществляет ЗАО «Экомет-С» .

Целесообразность переработки и утилизации с использованием переплавки Наиболее очевидным и целесообразным подходом при решении проблемы обращения с МОЗРВ является их переработка с целью уменьшения объема ТРО, подлежащих захоронению, и утилизации металла. Мировая практика показывает, что оптимальным решением проблемы утилизации, обеспечивающим возврат металла в промышленность для повторного использования, является использование на заключительной стадии переработки МОЗРВ метода переплавки с получением в качестве конечной продукции слитков металла.

В зависимости от остаточной загрязненности металл после переработки может направляться на использование в промышленности без ограничения, использование в ограниченных целях (напр., в атомной промышленности) или на выдержку до естественного распада находящихся в нем радионуклидов. Слитки металла, направляемые на неограниченное использование в промышленности, являются экологически безопасными при их любой последующей переработке. Использование при производстве стали в качестве металлолома полученных в результате переработки МОЗРВ шихтовых слитков металла позволяет исключить из производственного цикла одно из самых энергои капиталоемких звеньев — доменное производство чугуна. Это, по расчетам экологов, обеспечивает снижение вредных выбросов в атмосферу более чем в шесть раз, загрязнение воды — в четыре раза, количество твердых отходов — в 16 раз, а затраты на нейтрализацию ущерба, наносимого окружающей среде при использовании чугуна, в тридцать раз больше, чем при использовании металлолома. Учитывая очевидные по сравнению с другими методами переработки преимущества, за последние десять лет переплавка загрязненного металла сформировалась в мировой практике как новая индустрия. В настоящее время в промышленном масштабе переплавкой МОЗРВ занимаются несколько специализированных предприятий, среди которых можно отметить:

— Siempelcamp Nukleartechnik GmbH, Германия, (с 1989 г.);

— Studsvik RadWaste AB, Швеция (с 1987 г.);

— BNFL, Великобритания (с 1994 г.);

— Duratek Inc, США (с 1991 г.);

— ЗАО «ЭКОМЕТС», г. Сосновый Бор, Ленинградская обл., Россия (с 1994 г.).

Анализ мирового опыта обращения с МОЗРВ показывает, что большинство специализированных западных предприятий используют переплавку МОЗРВ в качестве основной технологической стадии без предварительной глубокой дезактивации, обеспечивающей получение металла, пригодного для свободного неограниченного использования. По этой причине после переплавки МОЗРВ получается металл, главным образом, пригодный лишь для ограниченного использования, из которого изготавливают оборудование для применения в атомной промышленности.

Для решения проблемы обращения с МОЗРВ еще в 80х годах прошлого века была разработана концепция обращения, технология переработки и принципы нормирования остаточной загрязненности металлов, обеспечивающие возврат очищенного металла в промышленность. Данные разработки были реализованы ЗАО «ЭКОМЕТС», которое в настоящее время является единственным в РФ специализированным предприятием по обращению с МОЗРВ. Используемая на этом предприятии технология переработки и утилизации позволяет вернуть большую часть загрязненного металла после его очистки в промышленность для неограниченного повторного использования, а образующиеся вторичные радиоактивные отходы, количество которых не превышает 5−10% от исходного количества МОЗРВ, перевести в экологически безопасную форму, удобную и безопасную для транспортировки и захоронения.

Целесообразность и перспективность развития этого направления подтверждается тем, что переплавка МОЗРВ в качестве основной технологической стадии при обращении с МОЗРВ используется практически всеми специализированными предприятиями стран с развитой ядерной энергетикой.

Анализ экономических аспектов переработки и утилизации МОЗРВ в РФ показывает, что стоимость услуг переработки с переплавкой на заключительной стадии в настоящее время существенно ниже стоимости услуг по кондиционированию и захоронению (долговременному хранению) на специализированных комбинатах «Радон», а также затрат на переработку МОЗРВ по существующим на некоторых объектах технологиям. При этом необходимо учитывать, что помимо прямой экономической выгоды переработка МОЗРВ по существующей технологии с переплавкой на заключительной стадии обеспечивает:

— уменьшение объема ТРО, направляемых на захоронение, в 20−80 раз;

— снижение потребности в объемах хранилищ для ТРО;

— возврат металла в повторное использование;

— исключение попадания МОЗРВ в металлургическое производство в виде металлолома.

В целом, применение существующей технологии с переплавкой обеспечивает повышение уровня радиоэкологической безопасности на всех стадиях обращения с МОЗРВ, вторичными ТРО и металлом, направляемым на повторное использование, и позволяет практически исключить необходимость захоронения (долговременного хранения) МОЗРВ, накопленных и образующихся в результате использования атомной энергии и производственной деятельности ряда предприятий неядерного сектора.

3. Технология «ЭКОМЕТ-С»

Технология основана на применении на заключительном этапе переработки обязательной стадии переплавки прошедших дезактивацию МОЗРВ с получением конечного продукта в виде шихтовых слитков металла, которые в качестве вторичного сырья направляются на металлургические предприятия для производства изделий, используемых в промышленности. Технология переработки и утилизации МОЗРВ включает в себя в качестве основных стадий радиационный контроль, сортировку, фрагментацию, дезактивацию и переплавку.

Входной радиационный контроль осуществляется при поступлении контейнеров или упаковок с МОЗРВ на предприятие для определения степени и характера загрязненности радионуклидами конкретной партии МОЗРВ.

Сортировка отходов производится по степени загрязненности радиоактивными веществами, весогабаритным и качественным характеристикам материала с целью формирования партий металла, направляемых на дальнейшую переработку.

Фрагментация отходов производится до размеров, позволяющих произвести загрузку фрагментов в плавильную печь. Применяются механическая, газовая и плазменная способы резки с использованием стационарно установленного и переносного оборудования.

Рисунок 4.1 — Установка дробеструйной дезактивации Дезактивация МОЗРВ, в зависимости от состава и уровня радиоактивного загрязнения, проводится с использованием установки механической (дробеструйной) (рисунок 4.1) т или термической дезактивации.

Переплавка проводится в индукционной плавильной печи под слоем рафинирующих флюсов. После полного расплавления и небольшого перегрева металла производится удаление образовавшегося шлака. Расплавленный металл разливается в изложницы (рис. 2), после остывания слитки извлекаются из изложниц и направляются на радиационный контроль. Загрязненные радиоактивными веществами шлак и использованные футеровочные материалы направляются на кондиционирование и захоронение. Отделение дезактивации включает в себя участок термической дезактивации, участок абразивной дезактивации, участок дезактивации контейнеров.

Участок термической дезактивации предназначен для очистки меди и ее сплавов, а также для удаления лакокрасочных покрытий и органических загрязнений с поверхности МРО. Участок состоит из прокалочной электронагревательной печи (максимальная температура — 1150? С), стола для охлаждения и виброударной установки. Прокалочная печь оборудована системой местного отсоса воздуха. Виброударная установка и стол для охлаждения контейнера оборудованы поворотным зонтом. Расход отсасываемого воздуха составляет 5000 м³/час.

Участок абразивной дезактивации предназначен для глубокой дезактивации МРО из нержавеющих и углеродистых сталей, а также доочистки МРО из цветных металлов и сплавов до уровней, обеспечивающих после переплавки возврат металла в хозяйственном оборот для повторного использования. Участок оснащен дробеструйной установкой производительностью до 3 т/час (масса единовременной загрузки МРО — 1 т, время обработки — 10−30 мин). Установка дробеструйной дезактивации укомплектована ковшовым погрузчиком и системой газоочистки производительностью 10 000 м³/час, включающей патронный фильтр-пылесборник и фильтр тонкой очистки. Общая эффективность очистки воздуха — не менее 99,9%.

В процессе дробеструйной обработки с поверхности МРО удаляются радиоактивные отложения и коррозионные пленки, а также слой металла толщиной до 100 мкм. Дробь регенерируется и используется повторно. Металлическая пыль и радиоактивные оксиды отделяются от дроби и собираются в специальные сборники. Отдезактивированный металл выгружается в технологические контейнеры и направляется в бокс на установку технологического контроля. Все работы на участке абразивной дезактивации полностью механизированы. Предусмотрена возможность автоматической работы дробеструйной установки по заданной программе.

Участок плавления предназначен для плавления металла с использованием индукционной печи ИСТ-2,5/1,6-М4. Участок оборудован рабочей площадкой, пультом управления системами печи, подъемно — поворотным зонтом для отсоса от тигля печи газовоздушной смеси (производительность 5000 м³/час), оборотной шлаковней для приема шлака, аварийной емкостью для слива металла.

Участок оборотного водоохлаждения предназначен для охлаждения электрооборудования и элементов печи. Выполнен по двухконтурной схеме с замкнутым первым контуром, заполненным специальным доочищенным конденсатом.

Участок разливки металла в изложницы предназначен для разливки металла в изложницы, расположенные на самоходной разливочной тележке полукозлового типа. На тележку устанавливается пять изложниц и шлаковня, управление тележкой ведется с пульта электропечи, расположенного на рабочей площадке.

Выдержка слитков в изложницах на тележке производится в течение одного часа. После этого изложницы снимаются с тележки кран-балкой устанавливаются в участок охлаждения слитков. На разливочную тележку после зачистки платформы устанавливаются заранее подготовленные изложницы и тележка передается в исходное положение.

Участок охлаждения и извлечения слитков предназначен для охлаждения и извлечения слитков. Извлечение частично остывших слитков осуществляется путем кантования изложниц на 180? С помощью чалочного устройства, навешенного на крюк мостового крана. Дальнейшее остывание слитков и изложниц происходит раздельно. Охлаждение слитков происходит за счет естественной циркуляции воздуха.

Рисунок 4.2 — Разливка металла после переплавки Радиационный технологический контроль проводится на всех стадиях переработки. На этапах фрагментации, дезактивации и переплавки МОЗРВ осуществляется контроль мощности дозы гамма излучения от отходов, контроль поверхностной загрязненности фрагментов отходов и оборудования, гаммаспектрометрический анализ проб отходов и расплава, контроль загрязненности воздуха, выбрасываемого в атмосферу. Выходной контроль слитков металла предусматривает измерение мощности экспозиционной дозы и уровней поверхностного загрязнения слитков. Кроме того, предусмотрен контроль загрязненности партии слитков металла путем измерения на гаммаспектрометре проб расплава, отбираемых перед разливом металла в изложницы.

Имеющаяся в России практика и результаты переработки более 10 тыс. тонн МОЗРВ показали высокую эффективность применяемой технологии переработки и утилизации и подтвердили, что оптимальным и единственно возможным в настоящее время способом решения проблемы утилизации МОЗРВ является использование на заключительной стадии обращения с отходами метода переплавки с получением в качестве конечной продукции шихтовых слитков металла.

Предлагаемая ЗАО «ЭКОМЕТ-С» практика обращения с металлическими РАО основана на принципах утилизации и повторного использования металла при применении малоотходных методов переработки, исключающих образование вторичных радиоактивных отходов при любых вариантах дальнейшего использования металла.

Для решения проблемы обращения с металлическим РАО предприятием разработана комплексная технология переработки и утилизации, исключающая необходимость захоронения низкоактивных металлических РАО. Оптимальным и экологически обоснованным способом решения проблемы утилизации низкоактивных металлических РАО является использование на заключительной стадии обращения метода переплавки с добавлением специальных рафинирующих флюсов и получением в качестве конечной продукции слитков металла.

Остаточная загрязненность слитков металла после переплавки регламентируется разработанным с участием «ЭКОМЕТ-С» ГОСТом Р 51 713−2001 «Слитки черных и цветных металлов. Допустимые уровни гамма-излучающих радионуклидов. Метод радиационного контроля» .

Слитки металла, получаемые после переплавки и направляемые на повторное использование, не подвергаются в дальнейшем никакой дополнительной обработке, а поступают непосредственно на металлургические предприятия, где используются в качестве шихтовых слитков при выплавке сталей и сплавов. Шихтовые слитки металла являются экологически безопасными при их любой последующей переработке Использование технологии «ЭКОМЕТ-С» позволяет значительно (в 20−80 раз) сократить объем ТРО, направляемых на захоронение, вернуть большую часть металла в промышленность для неограниченного использования и существенно уменьшить суммарные затраты на переработку и захоронение металлических РАО. Количество вторичных ТРО, образующихся в процессе переработки металлических РАО, составляет в среднем 5−7% масс. (максимальная величина — до 10% масс.) от исходного количества поступающих на переработку отходов.

Переработка металлических РАО производится на введенном в эксплуатацию в 2002 г. Актом Государственной приемочной комиссии производственном комплексе предприятия. Комплекс предназначен для переработки металлических РАО, относящихся в соответствии с ОСПОРБ-99/2010, СПОРО-2002 к категории твердых низкоактивных отходов.

Технология обращения с металлическими РАО, предложенная к реализации ЗАО «ЭКОМЕТ-С», соответствует действующим в РФ СанПиН и основана на принципах радиационной безопасности, рекомендуемых Международной комиссией по радиационной защите.