Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Комплексная переработка твердых радиоактивных отходов методом плавления

Хранение радиоактивных отходов  связано со значительными затратами и приводит к определенному риску воздействия на окружающую среду и человека в случае аварийной ситуации.

В настоящее время на атомных электростанциях (АЭС) РФ 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.

Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Рис. 1. Принципиальная схема способа комплексной переработки ТРО методом плавления в электропечи постоянного тока.
Рис. 1. Принципиальная схема способа комплексной переработки ТРО методом плавления в электропечи постоянного тока.
Рис. 2. Принципиальная схема комплексной переработки ТРО методом плавления в электрической печи постоянного тока.
Рис. 2. Принципиальная схема комплексной переработки ТРО методом плавления в электрической печи постоянного тока.
Рис. 3. Схема двух поточной многоступенчатой системы газоочистки.
Рис. 3. Схема двух поточной многоступенчатой системы газоочистки.
Рис. 4. Вид переработанных ТРО.
Рис. 4. Вид переработанных ТРО.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации

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.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

В пористых отходах: бетон, дерево и др. радионуклиды проникают на значительную глубину 200 – 300 мм. В волокнистых теплоизоляционных отходах радионуклиды распределяются по всему объему, причем неравномерно, извлечь которые практически невозможно. Особую опасность представляет мелкодисперсная пыль ТРО, которую сложно локализовать и обеспечить гарантированное хранение.

Для обеспечения безопасности длительного хранения ТРО необходимо произвести надежную фиксацию радионуклидов в стабильной матрице, при этом максимально уменьшить объем и размещение материалов переработки в рациональной упаковке. Безусловно, должны быть обеспечены условия безопасности при переработке и хранении.

Наиболее распространенными методами переработки ТРО являются: сжигание, цементирование, низкое или высокое прессование, плазменная переработка и плавление в электрических печах.

Сжигание ТРО в печах возможно только горючих твердых и жидких отходов. Коэффициент сокращения объема в результате переработки твердых отходов достигает 70 ÷ 95, жидких порядка 750. При этом методе переработки не происходит фиксации радионуклидов, требуются дополнительные технологии по омоноличиванию зольного остатка. Использование органического топлива и связанного с этим образование дополнительного значительного объема уходящих газов, особенно диоксидов и фуранов, влечет повышенные требования к системе газоочистки.

Прессование производится на установках низкого и высокого давления в стандартизованные бочки объемом 100 ÷ 200 дм3. Коэффициент сокращения объема в результате низкого прессования составляет 2 ÷ 5, высокого прессования обычно не превышает 10 и зависит от вида ТРО: у металлических отходов (8 ÷ 10), у резинотехнических изделий и полимерных материалов (2 ÷ 3).

При прессовании происходит измельчение ТРО и не обеспечивается фиксация радионуклидов, а в случае разрушения упаковки увеличивается вероятность распространения радионуклидов. Наличие органических включений и влаги в ТРО при длительном хранении приводит к их разложению и образованию агрессивных газовых соединений. Значительное остаточное давление и коррозия при длительном воздействии не обеспечивают гарантированную стойкость упаковки в целом на весь период хранения ТРО. Особенно при «супер» прессовании, когда происходит деформация материала и нарушается защитное покрытие внутренней поверхности бочки.

При цементировании с целью получения прочного цементного камня количество вводимых ТРО не должно превышать 20%. Неоднородный химический состав и наличие органических включений в бетонном компаунде не обеспечивает гарантированный период его хранения

При прессовании и цементировании за счет ввода дополнительных «чистых» материалов общее количество отходов увеличивается многократно. Металлическая бочка имеет ограниченный срок гарантированного хранения, определяемый в 50 лет. Для радионуклидов цезия 137Сs и кобальта 60Со, основных составляющих активности ТРО, срок хранения должен составлять не менее 350 лет. Таким образом, проблема их захоронения переносится на будущее.

Плавление в плазменной установке приводит к большим тепловым нагрузкам поверхностей плавильной установки. Температура плазмы достигает t=3000÷5000°С. Высокая тепловая напряженность стенок плавильной печи и присутствие образующихся агрессивных газов влечет низкую стойкость установки. При этом усложняется система газоочистки за счет образования большого объема вредных газов.

Плавление металлических радиоактивных отходов (МРО) с использованием индукционной печи в качестве плавителя и всего комплекса подготовки и контроля успешно освоено на ЗАО «ЭКОМЕТ-С».

Наиболее рациональным и перспективным, на наш взгляд, является способ комплексной переработки твердых радиоактивных отходов методом плавления в электрической печи постоянного тока. Он заключается в том, что плавление ТРО происходит за счет тепла, выделяемого при протекании электрического тока в расплаве между опускным угольным электродом 3 и донным расплавом металла 7 (Рис.1).

Под действием высокой температуры t=1500÷2000°С все органические соединения, составляющие ТРО, переходят в газообразное состояние и удаляются на систему газоочистки, неорганические – плавятся. В процессе плавления изменяется агрегатный и морфологический состав продуктов переработки.

Для обеспечения плавления неметаллических отходов в электропечи предварительно на подине печи формируется жидкая ванна -«болото», путем плавления металлических отходов. По мере его формирования производится загрузка отходов. До образования необходимого объема расплава передача тепла электрической дуги отходам и служит жидкий металл - «болото». Затем тепло выделяется за счет электротермического сопротивления расплава - «джоулево» тепло. Загрузка очередной порции ТРО в печь осуществляется по мере плавления отходов в печи. Слив расплава производится в форму или упаковку. «Болото» заменяется по мере достижения определенного уровня активности. Оно состоит из соединений железа и внедренных из расплава ТРО нуклидов кобальта 60Со и других тяжелых металлов и сплавов.

С целью минимизации образования диоксидов и фуранов процесс протекает при ограниченном поступлении воздуха в зону плавления и резком охлаждении уходящих газов на выходе из печи плавления до температуры ниже 50 ºC.

Особенности работы электрической печи постоянного тока и физикохимических свойства основных нуклидов обеспечивают проведения частичной дезактивации материала переработки (Рис.2).

Радиоактивный кобальт 60Со под действием электрического поля перемещаются в «болото», имеющее отрицательный потенциал. Электрическое поле действует не только на микрочастицы – электроны, протоны, ионы, но и на макрочастицы – частицы пыли, дыма и т. д., имеющие заряд, и на электронейтральные частицы с общим нулевым зарядом, обладающие электрической полярностью или способные приобрести полярность в электрическом поле. После слива и остывания «болота» тяжелые нуклиды кобальта 60Со образуют стабильную структуру сплава железа и кобальта.

Предлагаемая технология частичного извлечения кобальта 60Со и других тяжелых металлов аналогична технологии извлечения металлических включений из металлургических шлаков и шламов. Она широко применяется в черной и цветной металлургии в обеднительных или шлаковых печах.

Изотоп цезия 137Сs, -температура кипения tкип = 669,2 ºC, - является продуктом ядерного распада. Относится к очень активным нуклидам. При плавлении ТРО в граничной зоне твердых материалов и расплава и высокой температуры, комплексные соединения цезия 137Сs удаляются отходящими газами и мелкодисперсной пылью, и улавливаются в двух поточной многоступенчатой системе газоочистки (Рис. 3). При повторном переплаве твердой составляющей уносов комплексные соединения цезия фиксируются в стекловидной массе.

Образующиеся в процессе плавления вредные газовые соединения адсорбируются на водогазовом эжекторе.

Радионуклиды кобальт 60Со и цезий 137Сs составляют более 85% активности в ТРО. Их частичное удаление из расплава позволит снизить активность продукта переработки и в результате переквалифицировать основную массу ТРО в очень низкие радиоактивные отходы (ОНАО).

После слива расплава в упаковку или форму и его охлаждения получается монолитный стеклообразный композит (Рис.4), близкий по структуре к базальтам с высокой механической прочностью и химической стойкостью. Фиксация радионуклидов в подобной матрице гарантирует их нераспространение на весь период хранения до необходимого уровня радиоактивного распада и соответствует самым жестким критериям приемлемости.

Образующиеся по предлагаемому способу комплексной переработки ТРО методом плавления композиты подлежат паспортизации. В дальнейшем ОНАО могут быть захоронены или вторично использованы как специфический строительный материал на полигоне АЭС. ТРО должны быть размещены в невозвратных контейнерах (НЗК) и переданы на региональный пункт захоронения радиоактивных отходов (ПЗ РАО).

С целью исключения выбросов в рабочую атмосферу цеха пыли и отходящих газов в печи в процессе плавления ТРО поддерживается отрицательное давление. Технологический процесс протекает под постоянным температурными радиационным контролем.

Проведенные экспериментальные работы подтвердили возможность переработки на установке плавления иловых отложений, зольного остатка печи сжигания и твердых остатков ЖРО.

Технология не требует дополнительной сортировки, что значительно снижает допустимые дозы облучения обслуживающего персонала в процессе эксплуатации установки.

Способ комплексной переработки ТРО методом плавления в электрической печи постоянного тока в результате переработки обеспечивает:

- максимальное сокращение объема переработанных ТРО,

- гарантированную фиксацию радионуклидов в стабильной матрице на весь период храненияили захоронения,

- снижение стоимости дальнейшего хранения или захоронения конечного продукта переработки ТРО,

- частичную дезактивацию ТРО по предлагаемому способу, максимальное образование ОНАО и их захоронение на полигоне АЭС,

- придание рациональной формы продуктам переработки для захоронения в ПЗ ОНАО на полигоне АЭС,

- существенно повышает экологическую безопасность за счет высокой механической прочности и химической стойкости стеклообразной матрицы,

- вторичное целевое использование материалов переработки,

- значительное сокращение образование диоксидов и фуранов в выбросах,

- повышение безопасности при хранении и захоронении ТРО.

- значительное снижение температуры переработки и тем самым повышение ресурса используемого огнеупорного материала,

- уменьшение объема уходящих газов и создание более благоприятных условий работы системы газоочистки; За время эксплуатации электрической печи переменного тока на

Курской АЭС переплавлено свыше 10000 м3 теплоизоляционных материалов, коэффициент уменьшения объема составил 32,5 с учетом расходуемых материалов, что в 10 раз превышает коэффициент уплотнения при прессовании. Расход электроэнергии составляет 1,5 – 2,0 Квт/час на 1 кг отходов. Скорость выщелачивания 137Cs не превышает 10-6 г/(см2×сутки), плотность 2,6 ÷ 2,9 г/см3. Блок из переработанных ТРО размером 200×200×400 мм выдержал статическую нагрузку в Ġ = 40 тн. до полного разрушения. Механические испытания бетонных блоков с заполнителем из щебня, полученного дроблением материала переработки, прошли испытания и соответствуют прочности бетона класса В-10 (марки М – 150).

Получаемые композиты могут быть использованы в хозяйственной деятельности в качестве специфического строительного материала при сооружении объектов для длительного хранения биологических отходов (патент 23214658 С2, МПК В09В 3/00 (2006.01), A61L 11/00 (2006/01).

Данная технология может быть использована для получения исходных материалов по выделению радионуклидов.

Историческим аналогом материала переработки ТРО по данному способу могут служить фульгуриты (оплавленные молниевыми разрядами материалы почвы) обнаруженные в пустыне Сахара. Их исследование показало, что они состоят из стеклообразного композита оплавленного грунта. В них и после 15000 лет с момента образования сохранились даже газовые составляющие (Наука и жизнь № 10 2007 г., «Фульгуриты рассказывают о древнем климате»).

Технология переработки ТРО методом плавления в электрических печах соответствует основным «Базовым принципам системы обращения с радиоактивными отходами» и прежде всего принципу: «Предотвращение необоснованного бремени на будущие поколения». Этот принцип связан с тем, что поколение, которое извлекло определенную пользу от практического использования атомной энергии или радиоактивных изотопов, должно нести ответственность за обработку и изоляцию образующихся при этом отходов, неперекладывая эту проблему на плечи будущих поколений.

Литература:

1. Серия проектных и отчетных материалов по переработке. РАО, г. Курчатов 1998÷2012г.

2. Технологические и организационные аспекты обращения с радиоактивными отходами. МАГАТЭ, Вена 2008 г. Серия учебных курсов.

3. Андрюшкин И. А. Юдин Ю. А. Обзор проблем обращения с радиоактивными отходами и отработанным ядерным топливом. РФЯЦ ВНИИЭФ г. Саров

4. Рафаэль Наварро Тонсалес. БИНТИ. Фульгуриты рассказываюто древнем климате. «Наука и жизнь» № 10 2007г.

Автор: Валерий Никитенко, технический директор ООО «Комплектпром», д.х.н. Людмила Жукова, профессор Курской государственной сельскохозяйственной академии, д. ф.-м. н. Алишер Гуламов, профессор Юго-Западного государственного университета