Классификация радиоактивных отходов

РАО классифицируют по различным признакам (рис. 16): по агрегатному состоянию, по составу (виду) излучения, по времени жизни (периоду полураспада Т _1/2), по удельной активности (интенсивности излучения). Однако, у используемой в России классификации РАО по удельной (объемной) активности есть свои недостатки и положительные стороны. К недостаткам можно отнести то, что в ней не учитывается период полураспада, радионуклидный и физико-химический состав отходов, а также наличие в них плутония и трансурановых элементов, хранение которых требует специальных жестких мер. Положительной стороной является то, что на всех этапах обращения с РАО включая хранение и захоронение главной задачей является предотвращение загрязнения окружающей среды и переоблучения населения, и разделение РАО в зависимости от уровня удельной (объемной) активности именно и определяется степенью их воздействия на окружающую среду и человека. На меру радиационной опасности влияет вид и энергия излучения (альфа-, бета-, гамма – излучатели), а также наличие химически токсичных соединений в отходах. Продолжительность изоляции от окружающей среды среднеактивных отходов составляет 100-300 лет, высокоактивных – 1000 и более лет, для плутония – десятки тысяч лет. Важно отметить, что РАО делятся в зависимости от периода полураспада радиоактивных элементов: на короткоживущие период полураспада меньше года; среднеживущие от года до ста лет и долгоживущие более ста лет.

 

 

 

Рис.16 Классификация радиоактивных отходов.

Среди РАО наиболее распространенными по агрегатному состоянию считаются жидкие и твердые. Для классификации жидких РАО был использован параметр удельной (объемной) активности (таблица 15).

. Жидкими РАО считаются жидкости, в которых допустимая концентрация радионуклидов превышает концентрацию установленную для воды открытых водоемов. Ежегодно на АЭС образуется большое количество жидких радиоактивных отходов (ЖРО). В основном большинство ЖРО просто сливается в открытые водоемы, так как их радиоактивность считается безопасной для окружающей среды. Жидкие РАО образуются также на радиохимических предприятиях и исследовательских центрах.

 

Таблица 15. Классификация жидких радиоактивных отходов

Категории РАО	Удельная активность, Ки/л (Бк/кг)
Низкоактивные	ниже 10^-5 (ниже 3,7*10^5)
Среднеактивные	10^-5 – 1 (3,7*10^5 - 3,7*10^10)
Высокоактивные	выше 1 (выше 3,7*10^10)

Из всех видов РАО жидкие наиболее распространены, так как в растворы переводят как вещество конструкционных материалов (нержавеющих сталей, циркониевых оболочек ТВЭЛов и т.п.), так и технологические элементы (соли щелочных металлов и др.). Большая часть жидких РАО образуется за счет атомной энергетики. Отработавшие свой ресурс ТВЭЛы, объединенные в единые конструкции - тепловыделяющие сборки, аккуратно извлекают и выдерживают в воде в специальных бассейнах-отстойниках для снижения активности за счет распада короткоживущих изотопов. За три года активность снижается примерно в тысячу раз. Затем ТВЭЛы отправляют на радиохимические заводы, где их измельчают механическими ножницами и растворяют в горячей 6-нормальной азотной кислоте. Образуется 10% раствор жидких высокоактивных отходов. Таких отходов производится порядка 1000 т в год по всей России (20 цистерн по 50 т.).

Для твердых РАО был использован вид доминирующего излучения и мощности экспозиционной дозы непосредственно на поверхности отходов таблица 17.

 

Таблица 17. Классификация твердых радиоактивных отходов

Категории РАО	Мощность экспозиционной дозы, Р/ч	Вид доминирующего излучения
		альфа-излучатели, Ки/кг	бета-излучатели, Ки/кг	Мощность дозы гамма-излучения (0,1м от поверхности), Гр/ч
Низкоактивные	ниже 0,2	2*10^-7 – 10^-5	2*10^-6 – 10^-4	3*10^-7 – 3*10^-4
Среднеактивные	0,2 – 2	10^-5 – 10^-2	10^-4 – 10^-1	3*10^-4 – 10^-2
Высокоактивные	выше 2	выше 10^-2	выше 10^-1	выше 10^-2

 

Твердые РАО — это та форма радиоактивных отходов, которая непосредственно подлежит хранению или захоронению. Существует 3 основных вида твердых отходов:

остатки урана или радия, не извлеченныме при переработке руд,

искусственные радионуклиды, возникшие при работе реакторов и ускорителей,

 выработавшие ресурс, демонтированные реакторами, ускорителями, радиохимическим и лабораторным оборудованием.

 

Для классификации газообразных РАО также используется параметр удельной (объемной) активности (табл.18).

 

Таблица 18. Классификация газообразных радиоактивных отходов

Категории РАО	Объемная активность, Ки/м^3
Низкоактивные	ниже 10^-10
Среднеактивные	10^-10 - 10^-6
Высокоактивные	выше 10^-6

 

Газообразные РАО образуются в основном при работе АЭС, радиохимических заводов по регенерации топлива, а также при пожарах и других аварийных ситуациях на ядерных объектах.

Это радиоактивный изотопводорода ³Н (тритий), который не задерживается нержавеющей сталью оболочки твэлов, но поглощается (99 %) циркониевой оболочкой. Кроме того при делении ядерного топлива образуется радиогенный углерод, а также радионуклиды криптона и ксенона.

Инертные газы, в первую очередь ⁸⁵Kr (T_1/2 = 10,3 года), предполагают улавливать на предприятиях радиохимической промышленности, выделяя его из отходящих газов с помощью криогенной техники и низкотемпературной адсорбции. Газы с тритием окисляются до воды, а углекислый газ, в котором присутствует радиогенный углерод, химически связывается в карбонатах.

Захоронение радиоактивных отходов

Проблема безопасного захоронения РАО является одной из тех проблем, от которых в значительной мере зависят масштабы и динамика развития ядерной энергетики. Генеральной задачей безопасного захоронения РАО является разработка таких способов их изоляции от биоцикла, которые позволят устранить негативные экологические последствия для человека и окружающей среды. Конечной целью заключительных этапов всех ядерных технологий является надежная изоляция РАО от биоцикла на весь период сохранения отходами радиотоксичности.

В настоящее время разрабатываются технологии иммобилизации РАО и исследуются различные способы их захоронения, основными критериями при выборе которого для широкого использования являются следующие: – минимизация затрат на реализацию мероприятий по обращению с РАО; – сокращение образующихся вторичных РАО.

За последние годы создан технологический задел для современной системы обращения с РАО. В ядерных странах имеется полный комплекс технологий, позволяющих эффективно и безопасно перерабатывать радиоактивные отходы, минимизируя их количество. В общем виде цепь технологических операций обращению с ЖРО может быть представлена в следующем виде:

 

 

Однако нигде в мире не выбран метод окончательного захоронения РАО, технологический цикл обращения с РАО, не является замкнутым: oтвержденные ЖРО, так же как и ТРО, хранятся на специальных контролируемых площадках, создавая угрозу радиоэкологической обстановке мест хранения.

 Глубокое геологическое захоронение РАО.

Продолжительный масштаб времени, в течение которого некоторые из отходов остаются радиоактивными, привел к идее глубокого геологического захоронения в подземных хранилищах в устойчивых геологических формациях. Изоляция обеспечивается комбинацией инженерных и естественных барьеров (горная порода, соль, глина), при этом никаких обязательств по активному обслуживанию такого захоронения не передается будущим поколениям. Этот метод часто называют многобарьерной концепцией с учетом того, что упаковка отходов, инженерное оборудование хранилища и сама геологическая среда – все это обеспечивает барьеры по предотвращению достижения радионуклидами людей и окружающей среды.

Хранилище включает в себя пройденные в горных породах туннели или пещеры, в которых размещаются упакованные отходы. В некоторых случаях (например, влажная горная порода) контейнеры с отходами затем окружаются материалом типа цемента или глины (обычно бентонит), чтобы обеспечить дополнительный барьер (называемым буфером или закладкой). Выбор материалов для контейнеров с отходами, а также проекта и материалов для буфера изменяется в зависимости от типа отходов, которые нужно сдерживать, и от характера пород, в которых закладывается это хранилище.

Ведение проходческих и земляных работ при сооружении глубокого подземного хранилища, использующих стандартную технологию горных работ или гражданского строительства, ограничено доступными для этого местами (например, под участком суши или под прибрежной зоной), блоками горной породы, являющиеся достаточно стабильными и не содержащими большого потока грунтовых вод, и глубинами между 250 и 1000 метрами. При глубине более 1000 метров, выемка грунта становится в большей степени технически трудной и, соответственно, более затратной.

Глубокое геологическое захоронение остается предпочтительным вариантом обращения с радиоактивными долгоживущими отходами во многих странах, включая Аргентину, Австралию, Бельгию, Чешскую Республику, Финляндию, Японию, Нидерланды, Республику Корея, Россию, Испанию, Швецию, Швейцарию и США. Таким образом, достаточно доступной информации по различным концепциям захоронения; несколько примеров приводятся здесь. Единственное специально построенное глубокое геологическое хранилище для долгоживущих отходов среднего уровня активности, которое в настоящее время лицензировано для операций по захоронению, находится в США. Планы по захоронению отработавшего топлива хорошо проработаны в Финляндии, Швеции и США, причем ввод в эксплуатацию первого такого сооружения запланирован к 2010 году. Политика по глубокому захоронению в настоящее время рассматривается в Канаде и Великобритании.

 Приповерхностное захоронение

МАГАТЭ определяет этот вариант как захоронение радиоактивных отходов с инженерными барьерами или без них в:

1. Приповерхностные захоронения на уровне земли. Эти захоронения находятся на или ниже поверхности, где толщина защитного покрытия составляет примерно несколько метров. Контейнеры с отходами размещаются в построенных камерах для хранения, и когда камеры заполняются, они забутовываются (засыпаются). В конечном счете, они будут закрыты и покрыты непроницаемой перегородкой и верхним слоем почвы. Эти захоронения могут включать некоторую форму дренажа и, возможно, газовую систему вентиляции.

2. Приповерхностные захоронения в пещерах ниже уровня земли. В отличие от приповерхностного захоронения на уровне земли, где выемка грунта проводится с поверхности, неглубокие захоронения требуют подземной выемки грунта, но захоронение располагается на глубине нескольких десятков метров ниже поверхности земли и доступно через слабонаклонную горную выработку.

Термин '"приповерхностное захоронение" замещает термины "поверхностное захоронение" и "захоронение в землю", но эти, более старые, термины все еще иногда используются, когда ссылаются на этот вариант.

На эти захоронения могут воздействовать долгосрочные изменения климата (например оледенение), и этот эффект должен приниматься во внимание при рассмотрении аспектов безопасности, так как такие изменения способны вызывать разрушение этих захоронений. Однако этот тип захоронения обычно используется для отходов низкого и среднего уровня активности, содержащих радионуклиды с коротким периодом полураспада (приблизительно до 30 лет).

 

Приповерхностные захоронения на уровне земли, находящиеся в настоящее время в эксплуатации:

Великобритания – Дригг в Уэльсе, управляется BNFL.

Испания – ЕльКабрил, управляется ENRESA.

Франция – Центр Аюбе, управляется Andra.

Япония – Роккасе Мура, управляется JNFL.

Приповерхностные захоронения в пещерах ниже уровня земли, находящиеся в настоящее время в эксплуатации:

Швеция - Форсмарк, где глубина захоронения составляет 50 метров под дном Балтийского моря.

Финляндия – атомные электростанции Олкилуото и Ловииса, где глубина каждого захоронения составляет около 100 метров.

 Плавление горной породы

Вариант плавления горной породы, расположенной глубоко под землей, предусматривает плавление отходов в смежной породе. Идея состоит в том, чтобы произвести устойчивую, твердую массу, которая включает в себя отходы, или внедрить отходы в разбавленной форме в породу (то есть рассредоточить по большому объему породы), которая не может легко выщелачиваться и переноситься обратно к поверхности. Этот метод предлагался, главным образом, для отходов, генерирующих тепло, например, остеклованных, и для пород с подходящими характеристиками по уменьшению потерь тепла.

Высоко активные отходы в жидкой или твердой форме могли бы помещаться в полость или глубокую буровую скважину. Выделяемая отходами теплота затем бы аккумулировалась, что в результате привело бы к достижению достаточно больших температур, для того чтобы расплавить окружающую породу и растворить радионуклиды в растущей толще расплавленного материала. Когда горная порода охладится, она кристаллизуется и станет матрицей для радиоактивных веществ, таким образом, рассеивая отходы по большому объему породы.

Просчитана разновидность этого варианта, при котором тепло, генерируемое отходами, аккумулировалось бы в контейнерах, а порода плавилась бы вокруг контейнера. В качестве альтернативы, в случае, если бы отходы генерировали недостаточно тепла, отходы фиксировались бы в неподвижном состоянии в матрице породы обычным или ядерным взрывом.

Плавление горной породы нигде не было реализовано для удаления радиоактивных отходов. Не было никаких примеров практической демонстрации выполнимости этого варианта, кроме лабораторных исследований плавления горных пород. Ниже описываются некоторые примеры этого варианта и его вариаций.

В конце 1970-х и начале 1980-х годов вариант плавления породы на глубине был продвинут до стадии инженерного проектирования. Этот проект предусматривал прокладку шахты или буровой скважины, которые вели бы в полость на глубину 2,5 километра. Проект был подвергнут экспертизе, но не продемонстрировал, что отходы будут зафиксированы в неподвижном состоянии в объеме породы в тысячу раз больше, чем первоначальный объем отходов.

Еще одним ранним предложением был проект теплостойких контейнеров с отходами, генерирующими тепло в таком количестве, что они смогли бы расплавить подстилающую породу, позволяя им двигаться вниз на большие глубины, причем расплавленная порода застывала бы над ними. Эта альтернатива имела сходство с подобными методами самозахоронения, предложенными для захоронения высокоактивных отходов в ледовых щитах.

В 1990-х годах возобновился интерес к этому варианту, особенно для удаления ограниченных объемов специализированных высоко активных отходов, особенно плутония, в России и в Великобритании. Была предложена схема, согласно которой содержание отходов в контейнере, композиция контейнера и план их размещения разрабатывались для сохранения контейнера и предотвращения того, чтобы отходы встраивались в расплавленную породу. Вмещающая порода была бы расплавлена только частично, и контейнер не двигался бы на большие глубины.

Российские ученые предложили, чтобы высокоактивные отходы, особенно с избытком плутония, размещались бы в глубокой шахте и фиксировались бы в неподвижном состоянии ядерным взрывом. Однако большое возмущение массы породы и грунтовой воды при использовании ядерных взрывов, а также рассмотрение мер контроля над вооружениями, привели к общему отказу от этого варианта.[8]

Прямое закачивание

Этот подход касается закачивания жидких радиоактивных отходов непосредственно в пласт горной породы глубоко под землей, который выбирается из-за своих подходящих характеристик по удержанию отходов (то есть минимизируется любое их дальнейшее движение после закачивания).

Для этого нужен ряд геологических предпосылок. Должен иметься пласт горной породы (пласт закачки) с достаточной пористостью, чтобы разместить отходы, и с достаточной проницаемостью, чтобы позволять легкое закачивание (то есть действовать подобно губке). Выше и ниже пласта закачки должны быть непроницаемые пласты, которые могли бы действовать как естественные затворы. Дополнительные выгоды могут обеспечивать геологические характеристики, которые ограничивают горизонтальное или вертикальное перемещение. Например, закачивание в пласты горной породы, содержащей природную рапу грунтовой воды. Это связано с тем, что высокая плотность рапы (соленая вода) уменьшила бы возможность движения, направленного вверх.

Прямое закачивание могло бы, в принципе, использоваться для любого типа радиоактивных отходов при условии, что они будут преобразованы в раствор или гидросмесь (очень мелких частиц в воде). Гидросмеси, содержащие цементный раствор, который отвердевает под землей, также могут использоваться, чтобы минимизировать движение радиоактивных отходов.
Прямое закачивание было реализовано в России и США, как описано ниже.

В 1957 году в России начались всесторонние геологические исследования пластов, подходящих для закачки радиоактивных отходов. Были найдены три места, все в осадочных породах. В Красноярске-26 и Томске-7 закачивание проводилось в пористые слои песчаника, блокированные глинами, на глубинах до 400 метров. В Димитровграде в настоящее время закачка остановлена, но она производилась там в песчаник и известняк на глубине 1400 метров. Всего было закачено несколько десятков миллионов кубических метров отходов низкой, средней и высокой активности.

В Соединенных Штатах прямое закачивание приблизительно 7 500 кубических метров малоактивных отходов в качестве цементных гидросмесей было предпринято в 1970-х годах на глубину около 300 метров. Оно производилось в течение 10 лет в Окриджской национальной лаборатории, штат Теннеси, и было оставлено из-за неопределенности по перемещению жидкого цементного раствора в окружающие горные породы (сланцы). Кроме того, схема, касающаяся закачивания отходов высокой активности в кристаллическую коренную породу ниже производственного комплекса Саванна Ривер в штате Южная Каролина в США, была застопорена прежде, чем была реализована, из-за беспокойства общественности.

Радиоактивные материалы, образуемые в качестве отходов деятельности нефтегазовой промышленности, в общем, относятся к "природным радиоактивным материалам передовых технологий - TENORM". В Великобритании большая часть этих отходов освобождена от необходимости захоронения, что санкционировалось Законом Великобритании 1993 года о радиоактивных веществах, из-за низкого уровня их радиоактивности. Однако некоторые такие отходы обладают более высокой активностью. В настоящее время имеется ограниченное число доступных путей их захоронения, включая путь обратной закачки назад в буровую скважину (то есть источник), который санкционирован Агентством по защите окружающей среды Великобритании.