Содержание
Что такое отработавшее ядерное топливо?
Что такое отработавшее ядерное топливо? — Атомэнергомаш
Отработавшее ядерное топливо — это уран, поработавший в ядерном реакторе и содержащий радиоактивные продукты деления. Поэтому его называют также облученным или выгоревшим ядерным топливом.
Чем ОЯТ отличается от радиоактивных отходов (РАО)? Прежде всего тем, что ОЯТ — это ценный продукт, содержащий 2 полезных компонента — невыгоревший уран и трансурановые элементы. Кроме того, среди продуктов деления содержатся радионуклиды (радиоактивные изотопы), которые можно с успехом применять в промышленности, медицине, а также в научных исследованиях.
После удаления из реактора, отработанное ядерное топливо (ОЯТ) сохраняет радиоактивность и выделяет тепло. Поэтому в течение некоторого времени такое топливо выдерживают в бассейнах под водой для отвода теплоты и защиты от ионизирующего излучения. Следующим шагом может быть:
- окончательное захоронение – завершение открытого топливного цикла как это делается в США, Канаде и Швеции.
- переработка отработанного ядерного топлива для дальнейшего использования — закрытый топливный цикл. Путь закрытого топливного цикла выбрали Россия, Великобритания, Франция и Япония.
Хранение отработанного ядерного топлива первоначально осуществляется непосредственно в реакторном отделении. Затем оно перемещается в другое место на специальные склады «сухого хранения». В закрытом топливном цикле для современных легководных реакторов топливо проходит точно такой же путь. Начиная с урановых рудников и заводов, уран проходит все стадии преобразования и обогащения для изготовления реакторного топлива. После удаления топлива из реактора топливные стержни проходят обработку на перерабатывающих заводах, где они дробятся и растворяются в кислоте. После специальной химической обработки из отработанного топлива выделяют два ценных продукта: плутоний и неиспользованный уран. Примерно 3% топлива при этом остается в качестве высокоактивных отходов. После битумирования, бетонирования или остекловывания эти высокорадиоактивные материалы подлежат длительному захоронению.
В отработанном ядерном топливе содержится примерно 1% плутония. Это очень хорошее ядерное топливо, которое не нуждается ни в каком процессе обогащения. Плутоний можно смешать с обедненным ураном и получить смешанное оксидное топливо или MOX-топливо, которое поставляется в виде свежих топливных сборок для загрузки в реакторы. Его можно использовать для загрузки в реакторы. Восстановленный уран может возвращаться на дополнительное обогащение или поставляться в виде свежего топлива для действующих реакторов. Закрытый топливный цикл является более эффективной системой максимального использования урана без его дополнительной добычи на рудниках (в энергетических единицах экономия составляет около 30%). И хотя промышленность сразу одобрила этот подход, такие схемы переработки отработанного ядерного топлива пока не получили широкого распространения.
Одна из причин столь неполного использования возможностей урана заключается в том, что большая часть существующих промышленных реакторов относится к так называемым «легководным» реакторам ЛВР.
Они во многом хороши, но при этом не рассчитаны на выжимание из топлива всей энергии до последнего ватта. Однако существуют и другие типы реакторов – так называемые «быстрые» (реакторы на быстрых нейтронах), способные «перерабатывать» отработавшее топливо с извлечением куда большего количества энергии.
Атомная энергетика
Тепловая энергетика
Газнефтехимия
Судостроение
Филиал АО «Атомэнергомаш»
«АЭМ-Пропульсия»
Научная деятельность
Водоподготовка
Этот сайт использует cookies.
Продолжая работу с сайтом, Вы выражаете своё согласие на обработку Ваших персональных данных с использованием интернет-сервиса Яндекс Метрика. Отключить cookies Вы можете в настройках своего браузера. Подробнее
СОГЛАСЕН
Обработка ядерных отходов | МАГАТЭ
Перед выбором стратегии обращения с отходами необходимо определить и понять источник отходов и темпы образования отходов, а также объемы и характеристики отходов. Характеризация – это метод, позволяющий получить информацию о физических, химических и радиологических свойствах отходов, помогающий установить надлежащие требования безопасности и потенциальные варианты их обработки. Она также обеспечивает совместимость и соответствие принятым критериям хранения и захоронения.
Существуют три основных этапа обработки ядерных отходов: предварительная обработка, обработка и кондиционирование.
В ходе предварительной обработки отходы подготавливаются к обработке, и она может включать их сортировку и разделение на загрязненные и незагрязненные предметы.
Иногда оказывается необходимым уменьшить физические размеры отходов, например, путем их резки или измельчения с целью оптимизации последующей обработки. Методы дезактивации позволяют уменьшить объем отходов, требующих обработки, благодаря чему сокращаются затраты на их захоронение.
После того, как отходы надлежащим образом подготовлены, следующим шагом является обработка с целью повышения их безопасности и снижения затрат на дальнейшие этапы обращения, такие как хранение или захоронение. Обычно процессы обработки приводят к уменьшению объема радиоактивных отходов в результате отделения радиоактивной составляющей от общей массы отходов, что часто изменяет состав отходов в процессе обработки. В зависимости от характера отходов и требований к форме отходов на выбранной площадке захоронения, могут быть использованы разнообразные этапы процесса обработки отходов. Двумя типичными примерами обработки являются сжигание твердых отходов и выпаривание жидких отходов.
В ходе третьего этапа технологического процесса – кондиционирования – отходы переводятся в безопасную, стабильную и удобную в обращении форму, с тем чтобы их можно было перевозить, хранить и подвергать захоронению.
Целью методов кондиционирования является замедление высвобождения в окружающую среду радионуклидов из подвергнутых захоронению отходов. При кондиционировании отходов перед захоронением их зачастую подвергают герметизации или отверждению в цементе, битуме или стекле или помещают в защитные чехлы, представляющие собой специальные контейнеры.
МАГАТЭ оказывает государствам-членам помощь в создании надлежащей системы безопасности при обращении с радиоактивными отходами и отработавшим топливом. Оно разрабатывает нормы безопасности для обращения с радиоактивными отходами и отработавшим топливом перед захоронением и оказывает государствам-членам поддержку в их применении. Агентство также координирует работу Комитета по нормам безопасности отходов, который является одним из пяти комитетов по нормам безопасности МАГАТЭ. Он был учрежден с целью предоставления Агентству отзывов и рекомендаций относительно его программ по безопасности отходов.
Кроме того, МАГАТЭ предоставляет услуги Секретариата для совещаний Договаривающихся сторон Объединенной конвенции о безопасности обращения с отработавшим топливом и о безопасности обращения с радиоактивными отходами.
Агентство регулярно организует международные проекты и рабочие группы для проведения работы по согласованию подходов к обеспечению безопасности обращения с радиоактивными отходами перед их захоронением. Эти мероприятия также обеспечивают площадку для обмена между государствами-членами.
МАГАТЭ охватывает широкий спектр тем в области обращения с радиоактивными отходами перед их захоронением, таких как политика и стратегии; оценка инвентарных количеств; анализ затрат и экономических параметров обращения с отходами; минимизация отходов; совершенствование эксплуатационной практики на ядерных установках; и разработка технологий обращения отходами. Оно также принимает участие в международных проектах по этой тематике, одним из которых является проект CRAFT. Эта инициатива касается демонстрации безопасности установок по обращению с радиоактивными отходами перед их захоронением.
Агентство оказывает государствам-членам помощь в рамках своих сетей LABONET и IPN и своей программы технического сотрудничества.
Переработка ядерных отходов | IAEA
Прежде чем выбрать стратегию обработки отходов, важно знать и понимать источник отходов и скорость образования отходов, а также количество и характеристики отходов. Характеристика – это метод, который позволяет получить информацию о физических, химических и радиологических свойствах отходов, что помогает определить соответствующие требования безопасности и потенциальные варианты обработки. Он также обеспечивает совместимость и соответствие принятым критериям хранения и утилизации.
Существует три основных этапа переработки ядерных отходов: предварительная обработка, обработка и кондиционирование.
Предварительная обработка подготавливает отходы к переработке и может включать сортировку и разделение для отделения загрязненных предметов от незагрязненных. Иногда необходимо уменьшить размер отходов, например, путем их резки или измельчения, чтобы оптимизировать их последующую переработку. Методы дезактивации уменьшают объем отходов, требующих обработки, что, в свою очередь, минимизирует затраты на их утилизацию.
После того, как отходы надлежащим образом подготовлены, следующим шагом является обработка для повышения их безопасности и снижения затрат на последующие этапы обращения, такие как хранение или захоронение. Как правило, процессы обработки имеют тенденцию к уменьшению объема радиоактивных отходов путем отделения радиоактивных компонентов от сыпучих отходов, часто изменяя состав отходов в процессе. Для использования доступны различные этапы обработки отходов, в зависимости от характера отходов и требований к приемке отходов для выбранного места захоронения. Двумя распространенными методами обработки являются: сжигание твердых отходов и выпаривание жидких отходов.
Третий этап процесса — кондиционирование — приводит отходы в безопасную, стабильную и удобную форму, чтобы их можно было транспортировать, хранить и утилизировать. Методы кондиционирования предназначены для замедления выброса радионуклидов из упаковок захороненных отходов в окружающую среду. Чтобы подготовить отходы для захоронения, их часто герметизируют или затвердевают в цементе, битуме или стекле или упаковывают в специальные контейнеры.
МАГАТЭ помогает своим государствам-членам в создании надлежащей системы безопасности при обращении с радиоактивными отходами и отработавшим топливом. Он разрабатывает нормы безопасности для обращения с радиоактивными отходами и отработавшим топливом перед их захоронением и поддерживает государства-члены в их применении. Агентство также координирует работу Комитета по нормам безопасности отходов, который является одним из пяти комитетов по нормам безопасности МАГАТЭ. Его цель — предоставить Агентству обратную связь и рекомендации по его программам безопасности отходов.
Кроме того, МАГАТЭ обеспечивает секретариат для совещаний Договаривающихся сторон Объединенной конвенции о безопасности обращения с отработавшим топливом и о безопасности обращения с радиоактивными отходами.
Агентство регулярно организует международные проекты и рабочие группы для работы по согласованию подходов к безопасности обращения с радиоактивными отходами перед захоронением. Эти мероприятия также служат форумом для обмена мнениями между государствами-членами.
МАГАТЭ занимается широким кругом вопросов управления перед захоронением, таких как политика и стратегия; оценка запасов; анализ калькуляции и экономики обращения с отходами; минимизация отходов; совершенствование методов эксплуатации объектов использования атомной энергии; и разработка технологий обращения с отходами. Он также участвует в международных проектах по этому вопросу, одним из которых является проект КРАФТ. Эта инициатива связана с демонстрацией безопасности установок перед захоронением.
Агентство оказывает помощь государствам-членам через свои сети LABONET и IPN и свою программу технического сотрудничества.
Переработка и кондиционирование ядерных отходов
(обновлено в апреле 2021 г.)
- Перед захоронением ядерные отходы должны быть в твердой форме и устойчивыми к выщелачиванию.
- Упаковка должна соответствовать отходам и их утилизации.
- Высокоактивные отходы требуют экранирования.
Процессы обработки и кондиционирования используются для преобразования широкого спектра радиоактивных отходов в формы, пригодные для их последующего обращения, включая транспортировку, хранение и окончательное захоронение. Основными целями являются:
- Минимизация объема отходов, требующих обращения с помощью процессов обработки.
- Уменьшите потенциальную опасность отходов, приведя их в стабильную твердую форму, которая иммобилизует их и обеспечивает локализацию.
Важно отметить, что хотя такие процессы обработки, как уплотнение и сжигание, уменьшают объем отходов, уровень радиоактивности остается прежним. Таким образом, радиоактивность отходов становится более концентрированной по мере уменьшения объема.
Выбор используемого(ых) процесса(ов) зависит от уровня активности и типа (классификации) отходов. Политика каждой страны по обращению с ядерными отходами и ее национальное законодательство также влияют на применяемый подход.
Процессы кондиционирования, такие как цементация и витрификация, используются для преобразования отходов в стабильную твердую форму, нерастворимую и предотвращающую попадание в окружающую среду. Системный подход обычно включает:
- Определение подходящего матричного материала, такого как цемент, битум, полимеры или боросиликатное стекло, который обеспечит стабильность радиоактивных материалов в течение необходимого периода времени. Тип кондиционируемых отходов определяет выбор матричного материала и упаковки.
- Иммобилизация отходов путем смешивания с материалом матрицы.
- Упаковка иммобилизованных отходов, например, в металлические бочки, металлические или бетонные ящики или контейнеры или медные канистры.
Более сложный подход заключается во включении конкретных отходов в кристаллическую структуру природных минералов, которые являются геохимически стабильными (см. раздел Synroc и композитные формы отходов ниже).
Высокоактивные отходы (ВАО) находятся в центре внимания, хотя они составляют лишь около одного процента всех радиоактивных отходов по объему.
Основная область сокращения объема относится к низкоактивным отходам (НАО) и среднеактивным отходам (САО). Как САО, так и ВАО требуют экранирования, поэтому для обеспечения этого обработка и кондиционирование могут осуществляться в горячих камерах различного типа.
Сжигание и уплотнение
Сжигание
Горючие элементы как радиоактивных, так и других отходов можно сжигать для уменьшения объема. Сжигание многих видов опасных отходов (например, отработанных масел, растворителей) и неопасных отходов (например, бытовых отходов, биомассы, шин, осадка сточных вод) практикуется во многих странах при соблюдении предельных значений выбросов.
В случае радиоактивных отходов они использовались для обработки НАО атомных электростанций, предприятий по производству топлива, исследовательских центров (например, биомедицинских исследований), медицинского сектора и установок по обработке отходов.
После разделения негорючих компонентов отходы сжигаются в специально сконструированной печи при температурах примерно до 1000 o C.
Газы и дымы, образующиеся при сжигании, обрабатываются и фильтруются перед выбросом в атмосферу, и выбросы должны соответствовать международным стандартам и национальным нормам. После сжигания образующаяся зола, содержащая радионуклиды, перед захоронением может потребовать дополнительной обработки, такой как цементация или битумирование. Уплотнение также можно использовать для дальнейшего уменьшения объема, если это считается рентабельным. Достигается общий объемный коэффициент сокращения примерно до 100, в основном для НАО, в зависимости от плотности отходов.
Уплотнение
Уплотнение — это простой способ сокращения объемов отходов, который используется для переработки в основном твердых промышленных НАО. В некоторых странах (Германия, Великобритания, США) также используется технология уменьшения объемов САО и трансурановых отходов. Уплотнители могут варьироваться от систем уплотнения с малым усилием (~ 5 тонн) до прессов с усилием уплотнения более 1000 тонн, называемых суперуплотнителями.
Коэффициенты уменьшения объема обычно составляют от 3 до 10, в зависимости от обрабатываемого материала отходов.
Уплотнение с малым усилием обычно применяется для сжатия мешков с мусором, чтобы упростить упаковку для транспортировки либо на предприятие по обработке отходов, где может быть выполнено дальнейшее уплотнение, либо на место хранения/захоронения. В случае суперкомпакторов в некоторых случаях отходы сортируются на горючие и негорючие материалы. Затем горючие отходы сжигают, а негорючие отходы подвергают суперуплотнению. В некоторых случаях пепел мусоросжигательных заводов также подвергают суперуплотнению, чтобы добиться максимального уменьшения объема перед безопасным удержанием.
Уплотнение с малым усилием предполагает использование гидравлического или пневматического пресса для сжатия отходов в подходящий контейнер, такой как 200-литровая бочка, для транспортировки либо на предприятие по обработке отходов, где может быть выполнено дальнейшее уплотнение, либо на место хранения/захоронения средство.
Другие отходы, включая золу мусоросжигательных заводов, могут подвергаться сверхуплотнению перед хранением или захоронением. Здесь большой гидравлический пресс измельчает бочку или другую емкость, содержащую различные виды твердых низко- или среднеактивных отходов (НАО или САО). Полученные гранулы затем запечатывают во внешнем контейнере для временного хранения и/или окончательной утилизации.
Системы суперуплотнения могут быть мобильными или стационарными и иметь значительный диапазон сложности. Для выбора бочек, подлежащих обработке, измерения веса и уровня радиации, сжатия бочек, помещения измельченных бочек в транспортные контейнеры, герметизации транспортных пакетов и регистрации содержимого бочек и транспортных пакетов может использоваться сложная система с компьютерным управлением. компьютеризированная система хранения.
Суперкомпактор мощностью 1800 тонн в рамках Проекта усовершенствованной обработки смешанных отходов в Айдахо (AMWTP) наработал 100 000 часов, уплотнив около 238 000 бочек по 200 литров каждая с военными трансурановыми отходами до одной пятой этого объема перед отправкой грузовиками для утилизации в Экспериментальный завод по изоляции отходов (WIPP) в Нью-Мексико.
Цементация
Цементация с использованием специально разработанных цементных растворов обеспечивает средства для иммобилизации радиоактивных материалов, которые находятся в различных формах шлама и осадков/гелей (флоков) или активированных материалов, а также фрагментированных твердых частиц.
Как правило, твердые отходы помещаются в контейнеры. Затем затирку добавляют в емкость и дают застыть. Шламы и хлопья помещаются в контейнер и добавляется цементная смесь в виде порошка. Оба смешиваются и оставляются для застывания. В каждом случае контейнер с монолитным блоком забетонированных отходов подходит для хранения и утилизации.
Этот процесс использовался, например, в небольших бочках для масла и 500-литровых контейнерах для САО и был распространен на транспортные контейнеры ИСО для НАО.
Данная технология используется для иммобилизации многих токсичных и опасных отходов, образующихся за пределами ядерной промышленности, и может быть использована во многих других случаях.
В некоторых случаях битум является матричным материалом.
Витрификация
Иммобилизация ВАО требует образования нерастворимой твердой формы отходов, которая будет оставаться стабильной в течение многих тысяч лет. В основном в качестве среды для обращения с отделенными ВАО было выбрано боросиликатное стекло. Стабильность древнего стекла на протяжении тысячелетий подчеркивает пригодность боросиликатного стекла в качестве матричного материала.
Этот тип процесса, именуемый стеклованием a , также был распространен на более низкоактивные отходы, если тип отходов или экономика были подходящими.
Большая часть ВАО, за исключением самого отработавшего топлива, образуется в жидкой форме в результате переработки отработавшего топлива. Эти ВАО состоят из высокорадиоактивных продуктов деления и некоторых трансурановых элементов с долгоживущей радиоактивностью. Для включения в стеклянную матрицу отходы сначала прокаливают (высушивают) до гранулированного порошка.
Затем продукт добавляют в расплавленное стекло, заливают в прочную канистру из нержавеющей стали высотой около 1,3 метра и дают остыть, образуя твердую матрицу. Затем контейнеры завариваются и готовы к хранению и окончательной утилизации.
Этот процесс в настоящее время используется во Франции, Японии, России, Великобритании и США и рассматривается как подходящий и адекватный процесс обращения с отделенными ВАО, образующимися в результате переработки. Мощность западноевропейских заводов по остекловыванию составляет около 2500 канистр (1000 т) в год, а некоторые из них работают уже три десятилетия.
Витрификация на месте также исследовалась как средство «фиксации» активности в загрязненной почве, а также создания барьера для предотвращения дальнейшего распространения загрязнения. 1
Synroc и композитные отходы
Synroc в основном представляет собой керамику, изготовленную из нескольких природных минералов, которые вместе включают в свою кристаллическую структуру почти все элементы, присутствующие в ВАО, обеспечивая очень стабильный и прочный материал для захоронения.
Первоначальная форма предназначалась в основном для иммобилизации жидких ВАО, образующихся при переработке топлива легководных реакторов. Однако к 1980 году те, кто перерабатывал отработанное топливо, выбрали боросиликатное стекло в качестве среды для иммобилизации, поскольку это была наиболее технически совершенная технология. За последние несколько лет были разработаны различные формы Synroc для обращения с отходами, для которых в настоящее время не существует маршрута утилизации, особенно радиоактивными отходами военного назначения.
Формы отходов Synroc разрабатываются с учетом характеристик конкретных ядерных отходов, подлежащих иммобилизации, а не с применением единого универсального подхода.
Процесс Synroc включает горячее изостатическое прессование при температуре более 1200°C и давлении 150 МПа. В горячей камере жидкие радиоактивные отходы смешиваются с добавками, образующими суспензию, которая затем высушивается для получения сыпучего порошка. Гранулированный порошок распределяется по банкам, где он запечатывается.
Каждая банка помещается в печь, содержащуюся в горячем изостатическом прессе (HIP), где применяется тепло и давление, чтобы зафиксировать радионуклиды — порошкообразная смесь сплавляется вместе, образуя твердое вещество, не выделяя никаких выбросов. Сжатая банка имеет цилиндрическую форму примерно на две трети первоначального объема.
Тонкостенный сосуд (слева) заполнен гранулированным порошком отходов формы, который затем прессуется в твердую массу горячим изостатическим прессованием. Банка предназначена для складывания в сосуд цилиндрической формы (справа) для хранения. В центре изображения показано поперечное сечение плотной формы твердых отходов, инкапсулированной внутри сосуда. (Изображение: Ansto)
В проекте ядерной медицины ANSTO в Сиднее окончательный объем хранения с Synroc составит 1% от тех же отходов, зацементированных для захоронения.
Дополнительная информация в приложении 1 по обращению с радиоактивными отходами: Synroc.
Стеклокерамические композиты
Стеклокерамические композиты, которые сочетают в себе технологическую и химическую гибкость стекла с превосходной химической стойкостью керамики, были разработаны и достигли очень высокого содержания отходов (50-80%)..jpg)
Их можно адаптировать для конкретных отходов и применять к тем, которые трудно поддаются обработке из-за их сложного и гетерогенного химического состава.
Специальная герметизация
Изображение: Posiva
Если отработавшее топливо не перерабатывается для повторного использования его полезных компонентов, после длительного хранения и перед утилизацией оно инкапсулируется. Само топливо представляет собой стабильные керамические топливные таблетки внутри трубок. Но перед утилизацией их помещают в большие металлические контейнеры длиной около пяти метров, чтобы обеспечить дополнительную изоляцию. Швеция и Финляндия используют медные контейнеры с внутренней конструкцией из чугуна или борсодержащей стали, каждый из которых вмещает около 12 тепловыделяющих сборок.
Ссылки
1. Обзор технологий обработки отходов на месте, С. Уокер, Р. А. Хайд, Р. Б. Пайпер, М. В. Рой, Национальная инженерная лаборатория Айдахо, представлен на конференции Spectrum ’92, Бойсе, Айдахо (август 1992 г.