Практическая работа № 8 Утилизация радиоактивных отходов
Цель: рассмотреть виды утилизации радиоактивных отходов.
Оборудование: раздаточный учебный материал.
Ход работы:
1. Ознакомиться с теоретическим материалом.
2. Выполнить практические задания.
3. Ответить на контрольные вопросы.
Теоретическая часть.
Радиоактивные отходы (РАО) — отходы, содержащие радиоактивныеизотопыхимических элементови не имеющие практической ценности.
Согласно российскому «Закону об использовании атомной энергии» (от 21 ноября 1995 года № 170-ФЗ) радиоактивные отходы — это ядерные материалы и радиоактивные вещества, дальнейшее использование которых не предусматривается.
Радиоактивные отходы образуются в различных формах с весьма разными физическими и химическими характеристиками, такими, как концентрации и периоды полураспада составляющих их радионуклидов. Эти отходы могут образовываться:
в газообразной форме, как, например, вентиляционные выбросы установок, где обрабатываются радиоактивные материалы;
в жидкой форме, начиная от растворов сцинтилляционных счётчиков из исследовательских установок до жидких высокоактивных отходов, образующихся при переработке отработавшего топлива;
в твёрдой форме (загрязнённые расходные материалы, стеклянная посуда из больниц, медицинских исследовательских установок и радиофармацевтических лабораторий, остеклованные отходы от переработки топлива или отработавшего топлива от АЭС).
Источники появления радиоактивных отходов в человеческой деятельности:
ПИР (природные источники радиации). Бо́льшая часть этих веществ содержит долгоживущие нуклиды, такие как калий-40, рубидий-87 (являются бета-излучателями), а также уран-238, торий-232 (испускают альфа-частицы) и их продукты распада.
Уголь. Уголь содержит небольшое число радионуклидов, таких как уран или торий, однако содержание этих элементов в угле меньше их средней концентрации в земной коре.Их концентрация возрастает в зольной пыли, поскольку они практически не горят.Однако радиоактивность золы также очень мала, она примерно равна радиоактивности чёрного глинистого сланца и меньше, чем у фосфатных пород, но представляет известную опасность, так как некоторое количество зольной пыли остаётся в атмосфере и вдыхается человеком.
Нефть и газ. Побочные продукты нефтяной и газовой промышленности часто содержат радий и продукты его распада. Сульфатные отложения в нефтяных скважинах могут быть очень богаты радием; вода, нефть и газ в скважинах часто содержат радон.
Обогащение полезных ископаемых. Отходы, полученные при обогащении полезных ископаемых, могут обладать природной радиоактивностью.
Медицинские РАО. В радиоактивных медицинских отходах преобладают источники бета- и гамма-лучей. Эти отходы разделены на два основных класса. В диагностической ядерной медицине используются короткоживущие гамма-излучатели, такие как технеций-99m. Большая часть этих веществ распадается в течение короткого времени, после чего может быть утилизирована как обычный мусор. Примеры других изотопов, используемых в медицине: Иттрий-90, используется при лечении лимфом; Иод-131 - диагностика щитовидной железы, лечение рака щитовидной железы; Стронций-89 - лечение рака костей, внутривенные инъекции; Иридий-192 - брахитерапия; Кобальт-60 - брахитерапия, внешняя лучевая терапия; Цезий-137 - брахитерапия, внешняя лучевая терапия.
Промышленные РАО. Они могут содержать источники альфа-, бета-, нейтронного или гамма-излучения. Альфа-источники могут применять в типографии; гамма-излучатели используются в радиографии; источники нейтронного излучения применяются в различных отраслях, например, при радиометрии нефтяных скважин. Пример применения бета-источников: радиоизотопные термоэлектрические генераторы для автономных маяков и иных установок в труднодоступной для человека местности ( в горах).
Классификация жидких и твёрдых радиоактивных отходов в соответствии с «Основными санитарными правилами обеспечения радиационной безопасности»
|
Удельная (объёмная) активность, Бк/кг (Бк/л) |
|||
Категория отходов |
Бета-, гамма излучающие нуклиды |
Альфаизлучающие нуклиды (исключая трансурановые) |
Трансурановые радионуклиды |
|
Низкоактивные |
Менее 106 |
Менее 105 |
Менее 104 |
|
Среднеактивные |
От 106 до 1010 |
От 105 до 1010 |
От 104 до 108 |
|
Высокоактивные |
Более 1010 |
Более 109 |
Более 108 |
|
Условно радиоактивные отходы делятся на:
низкоактивные (делятся на четыре класса: A, B, C и GTCC (самый опасный);
среднеактивные(законодательство США не выделяет этот тип РАО в отдельный класс, термин в основном используется в странах Европы, вместо них выделяют понятие трансурановые РАО);
высокоактивные.
Основные стадии обращения с радиоактивными отходами
Основные стадии обращения с радиоактивными отходами
При хранении радиоактивных отходов их следует содержать таким образом, чтобы:
- обеспечивались их изоляция, охрана и мониторинг окружающей среды;
- по возможности облегчались действия на последующих этапах.
Предварительная обработка отходов является первоначальной стадией обращения с отходами. Она включает сбор, регулирование химического состава и дезактивацию и к ней может относиться период промежуточного хранения. Эта стадия очень важна, так как во многих случаях в ходе предварительной обработки представляется наилучшая возможность для разделения потоков отходов.
Обработка радиоактивных отходов включает операции, цель которых состоит в повышении безопасности или экономичности посредством изменения характеристик радиоактивных отходов. Основные концепции обработки: уменьшение объёма, удаление радионуклидов и изменение состава. Примеры:
- сжигание горючих отходов или уплотнение сухих твёрдых отходов;
- выпаривание, фильтрация или ионный обмен потоков жидких отходов;
- осаждение или флокуляция химических веществ.
Кондиционирование радиоактивных отходов состоит из таких операций, в процессе которых радиоактивным отходам придают форму, приемлемую для перемещения, перевозки, хранения и захоронения. Эти операции могут включать иммобилизацию радиоактивных отходов, помещение отходов в контейнеры и обеспечение дополнительной упаковки. Общепринятые методы иммобилизации включают отверждение жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности путём их включения в цемент (цементирование) или битум (битумирование), а также остекловывание жидких радиоактивных отходов. Иммобилизованные отходы в свою очередь в зависимости от характера и их концентрации могут упаковываться в различные контейнеры, начиная от обычных 200-литровых стальных бочек до имеющих сложную конструкцию контейнеров с толстыми стенками.
Захоронение главным образом состоит в том, что радиоактивные отходы помещаются в установку для захоронения при соответствующем обеспечении безопасности без намерения их изъятия и без обеспечения долгосрочного наблюдения за хранилищем и технического обслуживания. Безопасность в основном достигается посредством концентрации и удержания, что предусматривает изоляцию надлежащим образом концентрированных радиоактивных отходов в установке для захоронения.
Обращение со среднеактивными РАО
Обычно в ядерной индустрии среднеактивные РАО подвергаются ионному обмену или другим методам, целью которых является концентрация радиоактивности в малом объёме. После обработки уже гораздо менее радиоактивное тело полностью обезвреживают. Существует возможность использовать гидроксид железа в качестве флокулянтадля удаления радиоактивных металлов из водных растворов. После абсорбции радиоизотопов гидроксидом железа полученный осадок помещают в металлический барабан, где он перемешивается с цементом, образуя твердую смесь. Для большей стабильности и долговечности бетон изготовляют из зольной пыли или печного шлака и портландцемента(в отличие от обычного бетона, который состоит из портландцемента, гравия и песка).
Обращение с высокоактивными РАО
Хранение
Для временного хранения высокоактивных РАО предназначены резервуары для хранения отработанного ядерного топлива и хранилища с сухотарными бочками, позволяющие распасться короткоживущим изотопам перед дальнейшей переработкой.
Витрификация
Долговременное хранение РАО требует консервации отходов в форме, которая не будет вступать в реакции и разрушаться на протяжении долгого времени. Одним из способов достижения подобного состояния является витрификация (или остеклование). В настоящее время высокоактивные РАО смешивают с сахаром и затем кальцинируют. Кальцинирование подразумевает прохождение отходов через нагретую вращающуюся трубу и ставит целью испарение воды и деазотирование продуктов деления, чтобы повысить стабильность получаемой стекловидной массы. В полученное вещество, находящееся в индукционной печи, постоянно добавляют измельченное стекло. В результате получается новая субстанция, в которой при затвердении отходы связываются со стеклянной матрицей. Это вещество в расплавленном состоянии вливается в цилиндры из легированной стали. Охлаждаясь, жидкость затвердевает, превращаясь в стекло, которое является крайне устойчивым к воздействию воды.
После заполнения цилиндр заваривают, затем моют. После обследования на предмет внешнего загрязнения стальные цилиндры отправляют в подземные хранилища. Такое состояние отходов остаётся неизменным в течение многих тысяч лет.
Синрок
Более сложным методом нейтрализации высокоактивных РАО является использование материалов типа СИНРОК (syntheticrock — синтетическая порода). СИНРОК был разработан для утилизации военных высокоактивных РАО США, но в будущем возможно его использование для гражданских нужд.
Глубокое геологическое захоронение
Поиски подходящих мест для глубокого окончательного захоронения отходов в настоящее время ведутся в разных странах (пустыни, океаны).
В 1990-х годах было разработано и запатентовано несколько вариантов конвейерного захоронения в недра радиоактивных отходов. Технология предполагалась следующая: пробуривается стартовая скважина большого диаметра глубиной до 1 км, внутрь опускается капсула, загруженная концентратом радиоактивных отходов весом до 10 т, капсула должна саморазогреваться и в форме «огненного шара» проплавлять земную породу. После заглубления первого «огненного шара» в ту же скважину должна опускаться вторая капсула, затем третья и т. д., создавая некий конвейер.
Более реальным выглядит проект под названием «Remix&Return» (Перемешивание и возврат), суть которого состоит в том, что высокоактивные РАО, смешанные с отходами из урановых рудников и обогатительных фабрик до первоначального уровня радиоактивности урановой руды, будут затем помещены в пустые урановые рудники. Достоинства данного проекта: исчезновение проблемы высокоактивных РАО, возврат вещества на место, предназначенное ему природой, обеспечение работой горняков, и обеспечение цикла удаления и обезвреживания для всех радиоактивных материалов.
Трансмутация
Существуют разработки реакторов, потребляющих в качестве топлива РАО, превращая их в менее вредные отходы, в частности, интегральный ядерный реактор на быстрых нейтронах, не производящий трансурановые отходы, а, по сути, потребляющий их. Другим предложением, более безопасным, но требующим дополнительных исследований, является переработка подкритическими реакторами трансурановых РАО.
Существуют также теоретические исследования, посвящённые использованию термоядерных реакторов в качестве «актиноидных печей». В таком комбинированном реакторе быстрые нейтроны термоядерной реакции делят тяжелые элементы (с выработкой энергии) или поглощаются долгоживущими изотопами с образованием короткоживущих.
Повторное использование РАО
Ещё одним применением изотопам, содержащимся в РАО, является их повторное использование. Уже сейчас цезий-137, стронций-90, технеций-99 и некоторые другие изотопы используются для облучения пищевых продуктов и обеспечивают работу радиоизотопных термоэлектрических генераторов.
Удаление РАО в космос
Отправка РАО в космос является заманчивой идеей, поскольку РАО навсегда удаляются из окружающей среды. Однако у подобных проектов есть значительные недостатки, один из самых важных — возможность аварии ракеты-носителя. Кроме того, значительное число запусков и большая их стоимость делает это предложение непрактичным. Дело также усложняется тем, что до сих пор не достигнуты международные соглашения по поводу данной проблемы.
Практическая часть:
1. Составьте схему Формы РАО.
2. Зарисуйте схему «Основные стадии обращения с радиоактивными отходами».
3. Заполните таблицу «Стадии обращения с РАО»
Стадия |
Характеристика стадии |
|
|
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение понятию «радиоактивные отходы».
2. Назовите формы радиоактивных отходов.
3. Назовите источники появления радиоактивных отходов в деятельности человека.
4. Перечислите стадии обращения с РАО.