3.3. Обработки жидких радиоактивных отходов

Основной задачей при переработке жидких радиоактивных отходов (ЖРО) является выделение и концентрирование долгоживущих и высокоток­сичных радионуклидов.

Жидкие радиоактивные отходы АЭС можно охарактеризовать как сложные, преимущественно щелочные растворы с рН от 6 до 13[24]. Радионуклиды, присутствующие в ЖРО АЭС, являются либо продуктами деления урана, либо облученными продуктами коррозии конструкционных материалов ядерного реактора. По количественному содержанию главными среди них являются ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co, ⁵⁴Mn, ⁵¹Cr, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb, ²⁴Na, ¹⁴⁰Ba, ¹³¹I.

По периоду полураспада радионуклиды разделены на три группы: коротко-, средне- и долгоживущие. Радионуклиды ¹³⁷Cs и  ⁶⁰Co относятся к долгоживущим. При сроке хранения отходов более 1 года практически вся активность ЖРО обусловлена присутствием долгоживущих радионуклидов. Удаление радионуклидов ¹³⁷Cs и  ⁶⁰Co позволит снизить уровень активности на 3-4 порядка.

Радионуклиды в водных растворах содержатся в формах:

• взвешенных твердых частиц или эмульгированных жидких нефтепродуктов (размер частиц от 10^-7 м до нескольких миллиметров),

• коллоидных частиц или мицелл (размер частиц от 10^-8 м до 10^-7 м),

• растворенных сложных органических веществ (молекул) и/или поверхностно-активных веществ (размер частиц от 10^-9 м до 10^-8 м),

• ионов (размер частиц от 10^-10 м до 10^-9 м).

Большинство радионуклидов существуют в ионной форме, способны гидролизовываться до коллоидных и псевдоколлоидных частиц, образовывать прочные координационные соединения.

Очистка ЖРО состоит в разделении их на очищенную воду и радиоактивный концентрат, содержащий основную массу радионуклидов.

Эффективность очистки ЖРО определяется коэффициентом очистки воды от радионуклидов и коэффициентом концентрирования радионуклидов в конечном объеме.

Для i-го радионуклида коэффициент очистки определяется отношением:

3.1.

где С_i,0 и С_i,f - концентрация i-го радионуклида в исходном растворе и очищенном, соответственно,

а коэффициент концентрирования:

3.2.

где С_i;к - концентрация i-го радионуклида в концентрате.

3.3.1. Способы разделения и концентрирования.

Для очистки низкоактивных ЖРО используют методы осаждения, коагуляции, сорбции, фильтрации (объемной и мембранной), выпаривания и другие. Каждый из указанных методов имеет свои ограничения, поэтому выбор метода или комплекса методов зависит от состава ЖРО и свойств его компонентов. [25-29].

Механическая фильтрация - это процесс очистки, извлекаются взвешенные частицы и/или эмульсии вследствие их механической задержки или адгезионного взаимодействия с материалом фильтра или фильтровального слоя.

Сорбция - это процесс очистки жидких радиоактивных отходов, когда в результате контакта отходов с сорбентом (активированные угли, цеолиты и т. п.) происходит сорбционное извлечение радионуклидов из раствора. Различают сорбенты широкого спектра действия и специфические сорбенты, извлекающие только определенные вещества или определенные радионуклиды.

Ионный обмен - частный случай сорбции, когда ионы радионуклидов К⁺, находящиеся в растворе, обмениваются с нерадиоактивными ионами К⁺ (Н⁺, Na⁺ и др.), находящимися в матрице гранулированного ионообменника R (ионообменные смолы, синтетические неорганические сорбенты, цеолиты), путем взаимодействия с ионообменными группами, например:

R К1 + К+ = R К2 + К+

3.3.

Микрофильтрация - это процесс фильтрации, когда ЖРО продавливаются через микрофильтрационную мембрану (диафрагму) с размером пор от 0,1 мкм до нескольких микрометров. Рабочее давление при микрофильтрации - до 0,1 МПа.

Ультрафильтрация - это процесс очистки ЖРО, когда отходы продавливаются через ультрафильтрационную мембрану с размером пор от 0,01 мкм до 1 мкм. Рабочее давление - до 0,5 МПа. При ультрафильтрации полностью задерживаются взвеси, коллоидные частицы, эмульсии, большая часть высокомолекулярных веществ, бактерии.

Обратный осмос - это процесс очистки ЖРО, когда отходы продавливаются через обратноосмотическую мембрану с размером пор от 0,001 мкм до 0,01 мкм. Рабочее давление может достигать значений до 10 МПа. При обратном осмосе задерживаются практически все примеси, содержащиеся в воде.

Электродиализ - это процесс очистки ЖРО, когда очищаемые отходы протекают между катионообменной и анионообменной мембраной, а ионы радионуклидов под действием постоянного электрического тока выводятся из раствора через мембраны в концентратные камеры.

Реагентная коагуляция - процесс соосаждения радиоактивных примесей в очищаемом растворе с осаждающимся носителем (гидроокись металлов, нерастворимые соли) при изменении рН, электроокислительного потенциала или соосаждения с добавленными осадителями (коагулянтами). В качестве осадителя может быть сульфат железа, гидроокись алюминия, другие соединения. Частным случаем реагентной коагуляции является реагентное окисление, когда в очищаемый раствор добавляют некоторый окислительный реагент (например, перманганат или бихромат калия) в целях разрушения органических примесей, препятствующих образованию нерастворимых соединений, или изменения валентной формы многозарядных ионов, способствующей образованию нерастворимых форм и их выведению в осадок.

Электрокоагуляция - процесс осаждения примесей вместе с ионами, растворяющимися в очищаемой воде из растворимого анода при пропускании электрического тока. Материалом анода при электрокоагуляции обычно служит железо или алюминий, которые после перехода в раствор в результате анодного растворения затем легко образуют нерастворимые соединения, выпадающие в осадок и захватывающие при этом растворенные радионуклиды.

Многообразием форм радионуклидов обусловливает использование для очистки радиоактивных вод не один способ, а комбинацию нескольких. Каскад очистных аппаратов, соединяющие их трубопроводы, насосное оборудование, контрольно-измерительная аппаратура и баковое хозяйство в совокупности образуют очистную установку.

Очистные установки различают стационарные и мобильные. Стационарные очистные установки целесообразно использовать при наличии постоянно образующихся ЖРО, характеризующихся стабильностью по химическому и радионуклидному составу. Передвижные или мобильные установки (особенно модульного типа) характеризуются гибкостью технологической схемы и, позволяют оперативно решать проблемы очистки ЖРО различного состава.

При очистке ЖРО из разных накопителей возникает задача изменения или доработки технологической схемы. В этом случае оптимальным является модульный принцип организации переработки ЖРО. Под отдельным модулем подразумевается автономная технологическая единица, использующая один способ очистки (осаждение, сорбция, ионный обмен и т. д.). Система очистки может включать несколько последовательных модулей (фильтрации, сорбции, ионного обмена, обратного осмоса и др.). Система очистки включает вспомогательные аппараты, обеспечивающие нормальную работоспособность основных аппаратов, различное оборудование (насосы, трубопроводы, контрольно-измерительная аппаратура, запорная арматура), общие поддон и опорную раму, предназначенную для фиксации оборудования, погрузки-выгрузки и транспортирования модулей. Основным требованием к очистным модулям является согласование их производительности по очищаемым растворам и стандартизация стыковочных узлов.