|
|
 |
|
 |
|
Утилизация радиоактивных отходов атомной энергетики
Категория: Новости |
Новость от: admin |
22-06-2011
Утилизация радиоактивных отходов атомной энергетики
путем их иммобилизации на основе природных минералов
в стабильные матричные кристаллические материалы – ситаллы
Докт.-проф. ГЕВОРКЯН РУДОЛЬФ ГРИГОРЬЕВИЧ
Кафедра минералогии, петрологии и геохимии ЕРГОСУНИВЕРСИТЕТА
Ереван-0025. Тел: (+37410) 57 81 35 раб. (+374 77)755-571 моб.e-mail: rgev@ysu.am
http://rgeph.do.am/
1. Суть проблемы
Целью проекта является разработка ресурсосберегающей инновационной технологии кондиционирования-ситаллизации радиоактивных отходов (шламов, сорбентов и т.д.) путем их иммобилизации в новые стабильные матричные стеклокристаллические материалы (СКМ), –специальные ситаллы на основе природных минералов и пород Армении.
Опасность повышенных уровней радиоактивных излучений, определила особое отношение к атомной энергии и радиоактивным отходам (РАО), потребовала принятия кардинальных и оперативных мер по их изоляции от человека. На основе анализа инцидентов на Атомных станциях и объектах, определены три основных направления по обращению с РАО:
* переработка РАО с извлечением радионуклидов для их последующего использования;
* перевод жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в твердую форму и их хранение;
* захоронения РАО в геологических формациях.
В настоящее время наиболее актуальной (и пока оптимально не решенной) задачей является минимизация концентрированных жидких радиоактивных отходов (КЖРО) с переводом их в наименее подвижную форму. Для уменьшения объемов ЖРО применяется их концентрирование путем дистилляции или глубокого упаривания с получением среднеактивных и высокосолевых КЖРО, а для обеспечения безопасного хранения повсеместно используется технология иммобилизации КЖРО с применением матриц типа стекла и цемента. При этом матричные блоки с иммобилизованными радионуклидами упаковывают в металлические или бетонные емкости, а продукты с установки глубокого упаривания (УГУ) помещают в спецконтейнеры для последующего длительного хранения.
Сооружение хранилищ, принятие особых мер по их гидроизоляции, а также хранение на атомных станциях контейнеров с продуктами УГУ являются технологически сложными проблемами, которые требуют значительных затрат и далеко не обеспечивают безопасное хранение КЖРО. Что же касается стекломатриц, то они, позволяя уменьшить объем кондиционированных отходов и резко улучшить физико-химические свойства самой матрицы, в силу аморфного строения обладают рядом недостатков: высокой хрупкостью, наличием многочисленных структурных дефектов, низкой гомогенностью и плотностью, сравнительно низкой радиационной резистентностью.
При эксплуатации ядерных энергетических установок образуется значительное количество жидких радиоактивных отходов (ЖРАО). При этом особо следует отметить, что на сегодняшний день имеющиеся ёмкости для хранения ЖРАО почти на всех атомных электростанциях (АЭС) заполнены более чем на 80%. Находящиеся в упомянутых емкостях ЖРАО характеризуются как удельной активностью 107 – 108 Бк/л, обусловленной наличием радионуклидов 137Cs, 134Cs и 60Co, так и высоким солесодержанием неорганических солей (нитратов, боратов, фосфатов, карбонатов натрия, в меньшей степени калия, щелочноземельных элементов, железа) – до 300 – 400 г/л и высоким содержанием органических веществ (поверхностно-активных веществ – синтетических моющих средств, оксалатов, трилона Б, жиров, мыл, индустриальных масел) – до 70 – 120 г/л.
Следует отметить, что объёмы РАО (в том числе и жидких), образующихся на действующих АЭС, крайне велики. С целью сокращения их объемов и обеспечения временного хранения в специальных хранилищах жидких отходов (ХЖО) на действующих АЭС применяется концентрирование ЖРАО дистилляцией и глубоким упариванием с получением среднеактивных и высокосолевых концентрированных жидких радиоактивных отходов (КЖРАО). Стоимость долговременного хранения 1 м3 уже скондиционированных РАО очень высока (по разным оценкам и для разных стран – от $1000 до $20000. Так, на Армянской АЭС, по данным на май 2007 года, скопилось 2914 контейнера объемом 200 литров со смесью, полученной на выходе с установки глубокого упаривания (УГУ). По оценочным прогнозам до конца эксплуатации Армянской АЭС на станции дополнительно прибавятся еще 1400 контейнеров. Кроме уже отмеченной дороговизны, хранение на атомных станциях контейнеров с продуктами УГУ является технологически сложным процессом. Причина – высокая химическая активность солевого плава, содержащегося в контейнерах, не позволяющая осуществлять их длительное безопасное хранение (незначительное нарушение герметичности контейнеров может привести к экологической катастрофе).
2. Ситуация в мире по данной проблеме
В настоящее время сформировались взгляды на решение проблемы РАО, суть которых может быть представлена в виде двух основных положений:
1) при реализации любой технологии количество образующихся отходов должно быть минимизировано, а форма отходов должна быть наименее подвижной;
2) отходы концентрируются и перерабатываются с целью придания им наименее токсичной и наиболее устойчивой формы и хранятся, пока их использование не станет возможным.
Традиционными способами обращения с низко- и среднеактивными ЖРАО являются химическое осаждение, ионный обмен, выпаривание, фильтрование, мембранные методы, цементирование, стеклование и т. д. Завершающей стадией рассмотренных технологий является отверждение высококонцентрированных отходов. Наибольшее развитие находит остекловывание высококонцентрированных отходов с получением боросиликатных, фосфатных, базальтовых, содоизвестковых и других типов стекол.
В настоящее время для уменьшения объемов и безопасности уже сконцентрированных ЖРАО повсеместно используется технология иммобилизации РАО с применением матриц типа стекла и цемента. Битум, как превосходная матрица для включения среднеактивных отходов, забракована мировым сообществом по причине пожароопасности. При больших объемах перерабатываемых отходов цементирование не представляется экономичным и эффективным процессом из-за малой степени включения (5-10% весовых по окислам). Это влечет за собой значительные затраты на сооружение хранилищ и принятие особых мер по их гидроизоляции и обеспечению постоянных положительных температур. В то же время, стеклокомпаунд позволяет уменьшить объем кондиционированных отходов и резко улучшить физико-химические свойства самой матрицы, однако стекломатрица в силу аморфного строения обладает рядом недостатков: высокой хрупкостью, наличием многочисленных структурных дефектов, низкой гомогенностью и плотностью, сравнительно низкой радиационной резистентностью.
3. Итоговая информация по ранее проведенным исследованиям
Ранее успешно выполнен проект ISTC A-485 «Эффективная очистка радиоактивных жидких отходов с помощью химико-радиационно модифицированных цеолитов». Были проведены исследования процесса очистки ЖРАО на Армянской АЭС с помощью отечественных модифицированных цеолитов. В частности, только по изотопам Cs137 и Cs134 после 7-го цикла очистки ЖРАО было достигнуто снижение радиоактивности в более чем 2500 раз по сравнению с исходной. Вместе с тем, частичное уменьшение объема ЖРАО участниками упомянутого проекта рассматривалось как временная мера, до разработки технологии ситаллизации сорбентов с высокой концентрацией радионуклидов и шламов с установки глубокого упаривания. Это направление работ, по которым также были проведены поисковые исследования, требовало значительно большего времени и нового финансирования. При этом предполагалось, что перевод вышеупомянутых сорбентов и шламов в твердые формы с одновременным уменьшением физического объема даст большую свободу в выборе окончательного способа обращения и хранения КЖРАО.
В отличие от стекла, «ситаллы»-«пирокерамы» относятся к перспективным кристаллическим материалам (КМ), которые занимают особое место по своим свойствам и областям применения. Ситаллы – искусственные поликристаллические материалы, получаемые кристаллизацией стекла путем специальной термической обработки, которая обеспечивает переход в кристаллизованное состояние.
Преимущество СКМ-ситаллов заключается в формировании в них устойчивых микроновообразований, определяющих долговечность – одну из важнейших качеств, предъявляемых к матричным материалам, используемым для иммобилизации радиоактивных отходов.
В отличие от принятой технологии остекловывания КЖРО, ситаллизация предполагает создание микрокристаллической структуры матрицы, модифицированной присадками из специальных добавок природных минералов, в частности бария, свинца, висмута, бора, кадмия и др. Используя технологию ситаллизации, могут быть получены максимально минимизированные в объеме материалы, обладающие сочетанием разнообразных ценных свойств. Необходимость разработки надежных матриц на основе минеральных силикатных материалов получает в последнее время все возрастающее признание среди ученых, занятых в области обращения с РАО.
Таким образом, исследование по разработке технологии кондиционирования радиоактивных сорбентов и шламов с образованием кристаллических плит, устойчивых к природным агрессивным средам и катаклизмам, является весьма актуальной задачей.
Поэтому, как уже выше отмечалось, целью настоящего проекта является разработка ресурсосберегающей инновационной технологии кондиционирования-ситаллизации радиоактивных отходов (сорбентов с высокой концентрацией радионуклидов и шламов с установки глубокого упаривания) путем их иммобилизации в стабильные матричные стеклокристаллические материалы - специальные ситаллы на основе горных пород Армении (перлит, пемза, базальт, туф, доломит и т.д.).
При этом предполагается, что в ходе реализации проекта будут решены задачи по разработке новой доступной технологии отверждения концентрированных РАО, а также по ее удешевлению за счет использования недорогих природных минералов, горных пород и каменных отходов, известных своими радиационно-устойчивыми свойствами.
Ситалловые плиты, полученные при сплавлении отходов АЭС с горными породами или другими добавками, будут обладать высокой химической, радиационной стойкостью и механической прочностью, что позволит намного уменьшить скорость выщелачивания радионуклидов при одновременном значительном уменьшении объема полученного продукта.
В результате выполненных работ по проекту будут достигнуты следующие результаты:
* определен оптимальный состав шихты, состоящей из радиоактивных шламов и природных минералов, для последующего приготовления стекломассы;
* установлен оптимальный технологический режим варки стекломассы
* определен оптимальный технологический режим кристаллизации (ситаллизации) полученной массы с определением температур 1-ой и 2-ой ступеней термообработки, времени выдержки при этих температурах, а также скорости подъема температур;
* синтезированы КМ на основе сложных многокомпонентных природных соединений с высокой химической и структурной однородностью, радиационной резистентностью и устойчивостью к природным агрессивным средам; полученные КМ будут так же обладать высокой экологической безопасностью и оптимальными технико-экономическими показателями.
* выработаны рекомендации по использованию разработанной технологии утилизации радиоактивных отходов на примере Армянской АЭС.
Применение результатов полученных в рамках данного проекта приведет к:
- сокращению объемов КЖРО, образующихся на действующих АЭС, – уменьшатся затраты по созданию специальных хранилищ;
- обеспечению более безопасного хранения РАО – исключен фактор их миграции в окружающую среду, так как они будут включены в более жесткую кристаллическую структуру;
- повышению долговечности СКМ, содержащих радионуклиды, за счет их модификации и получения новых минералоподобных компаундов;
- упрощению и удешевлению технологии кондиционирования радиоактивных сорбентов и шламов за счет использования недорогих, известных своими радиационно-устойчивыми свойствами, природных минералов –горных пород и каменных отходов Армении.
Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, могут быть обкатаны в рамках пилотного проекта на АрмАЭС, так как дан старт работам по выводу из эксплуатации до 2016 года АрмАЭС, а также последующему безопасному сохранению и минимизации расходов, связанных со строительством могильника для радиоактивных отходов. Результаты, полученные на примере АрмАЭС, в последствии могут быть реализованы на АЭС и химкомбинатах других стран.
Ожидаемая прибыль
На действующих АЭС применяется концентрирование ЖРАО дистилляцией и глубоким упариванием с получением среднеактивных и высокосолевых концентрированных жидких радиоактивных отходов (КЖРАО). Стоимость этого процесса с последующим обеспечением долговременного хранения 1 м3 уже скондиционированных РАО очень высока (по разным оценкам и для разных стран от 10000$ до 20000$).
Следует отметить, что по вышеотмеченной технологии КМ, получаемые из модифицированных природных стекол, будут отличаться исключительно низкой стоимостью. Так, ориентировочный экономический расчет показывает, что цена приготовления и хранения 1 м3 «специальных ситаллов» не будет превышать 800$ – 1500$.
Коммерциализуемые результаты проекта
Исследования и полученные конечные научные результаты по проекту, а также разработанная технология утилизации радиоактивных отходов атомной энергетики с применением радиационно-стойких ситаллов из природных материалов могут быть использованы на всех без исключения атомных станциях и химкомбинатах, где остро стоит вопрос переработки и утилизации жидких радиоактивных отходов.
2.1.2. Уникальность результатов проекта
Новизна проекта состоит в разработке уникальной ресурсосберегающей технологии кондиционирования-ситаллизации сорбентов с высокой концентрацией радионуклидов и шламов с установки глубокого упаривания путем их иммобилизации в матричные стеклокристаллические материалы на основе горных пород Армении.
В рамках настоящего проекта в первую очередь будет достигнуто предупреждение какого-либо воздействия РО на человека. К уникальным результатам относятся:
- обеспечение надежной изоляция КЖРО в пределах установленных границ в течение необходимого времени, пока радионуклиды будут представлять опасность для человека и окружающей среды;
- обеспечение надежного хранения КЖРО в объеме хранилища, так как не будут развиваться процессы, ухудшающие условия изоляции КЖРО, приводящие к выходу компонентов КЖРО за пределы хранилища;
- предотвращение извлечения радионуклидов из хранилищ даже после воздействия природно-катастрофических явлений благодаря уникальной физико-химической структуре полученных СКМ;
- сокращение возможных площадей и объемов хранилищ КЖРО и, как следствие, минимизация негативного влияния вышеупомянутых КЖРО на природные ресурсы и различные виды деятельности на сопредельных территориях.
2.1.3. Наличие потенциального спроса на результаты проекта
На сегодняшний день имеющиеся ёмкости для хранения ЖРАО почти на всех атомных электростанциях заполнены более чем на 80%. Их длительное хранение не безопасно (незначительное нарушение герметичности емкостей и контейнеров может привести к экологической катастрофе).
Сложившаяся в настоящее время неблагоприятная ситуация на АЭС и химкомбинатах требует более эффективных и экономичных технологий по изоляции от биосферы образующихся КЖРАО.
Для эффективной и долговременной изоляции от биосферы образующихся КЖРО авторами проекта предлагается уникальная технология ситаллизации - инкорпорирования последних в устойчивые к природным катаклизмам долговечные СКМ.
|
|
 |
|
 |
|
|
|
|
|
Проекты АТА
|
|
 |
|
 |
|
Центр Здоровья и Долголетия
Путеводитель по Армении
Негорючая электропроводка.
Эластичные чулки из быстро высыхающей гели с лечебными свойствами.
Создание на основе природных компонентов эффективного антикаогулянта, дешевого и без побочных явлений.
Инновационные проекты в области возобнавляемой энергетике.
Сигареты с лечебными свойствами.
|
|
|
|
|
|
