Переработка и утилизация жидких и твердых радиоактивных отходов АЭС

В 2025 году планируется ввести в эксплуатацию хранилище глубиной 500 метров для отработанного ядерного топлива, для чего ещё в 2009 году была выбрана территория, расположенная недалеко от АЭС «Форсмарк». В поисках данного места было проведено много исследовательских работ на похожих территориях с такими твердыми породами [25].

Уже действующие геологические хранилища радиоактивных отходов предназначены только для короткоживущих отходов низкого и среднего уровней активностей.

В Швеции до сих пор не имеется точной концепции обращения с долгоживущими отходами низкого и среднего уровней активности [26].

Основной серьёзной проблемой в концепции хранения радиоактивных отходов в Швеции является обеспечение безопасности для окружающей среды и эффективности технических барьеров в течение очень долгого времени. Шведская и финская проблема очень похожа - окончательное захоронение отходов может быть возможным только в твердых скальных породах, которые на определённых территориях и глубине имеют трещиноватую структуру [26].

В 2009 году Стокгольмский Королевский Технологический институт опубликовал результаты своего многолетнего исследования, в котором выяснилось, что образование коррозии в герметически закрытых хранилищах может проходить гораздо быстрее, чем предполагалось ранее. Это вызывает огромную опасность проникновения радионуклидов в окружающую среду [26].

2.6 Ситуация с радиоактивными отходами в США

В США на 2009 год имеется сто четыре энергетических атомных реактора, а также ряд вспомогательных установок обслуживания реакторов. Также имелся один гражданский перерабатывающий завод в г. Вест-Велли, который являлся крупнейшим местом образования отходов, на данный момент закрыт. Также имеется много гражданских и военных исследовательских ядерных установок [25].

Концепции обращения с отходами, образовавшихся в результате эксплуатации военных и гражданских стаций, некоторым образом различаются. Но будет рассмотрена концепция обращения с гражданскими «мирными» отходами [25].

Отработанное ядерное топливо хранится в бассейнах выдержки на территории самой атомной электростанции. Ко всему прочему, примерно половина всех реакторов на своей территории имеет установки для временного хранения, не зависящие от работы самого реактора. Для увеличения емкости хранения применяются коробки для сухого хранения, которые расположены контейнерах или в бетонных бункерах. Отработанное топливо из исследовательских ядерных реакторов, а также из иностранных реакторов Евросоюза хранится в сухом временном хранилище в районе реки Саванна и в Национальной лаборатории штата Айдахо [25].

Отработанное ядерное топливо из исследовательских реакторов, а также из энергетических реакторов планируется размещать для захоронения в глубоких геологических формациях.

Правительство США, находящееся у власти, собрало экспертную комиссию Blue Ribbon Panel (BRP) для нахождения новых путей обращения с отходами и подготовки отчетов о проделанной работе [25].

Высокоуровневые отходы, которые образуются в результате гражданской переработки отходов, направляются в хранилища так же, как и отработанное ядерное топливо [25].

Хранилища остаётся открытым больше ста лет с начала размещения в нем радиоактивных отходов - отходы можно загружать в течение пятидесяти лет, а в следующие пятьдесят лет хранилище находится в открытом доступном состоянии [26].

Классификация радиоактивных отходов в США имеет свои особенности. Например, в классификации нет категории отходов среднего уровня радиоактивности, но зато есть дополнительные четыре подкатегории отходов низкого уровня. Обычно такие отходы хранятся во временном хранилище радиоактивных отходов на территории их образования до накопления достаточного количества для дальнейшей перевозки [25].

Отходы с долгоживущими радионуклидами загружаются во временные хранилища отходов на неопределенный период времени, чаще всего длительный срок. Радиоактивные отходы низкого уровня активности размещаются в приповерхностных хранилищах, которые расположены на глубине (30ч40) метров. Радиоактивные отходы очень низкого уровня активности отправляются в другие места хранения опасных веществ [26].

В настоящее время на территории США действует 4 приповерхностных хранилища для радиоактивных отходов низкого уровня активности.

Начиная с 1987 года, в качестве проекта сооружения долговременного хранилища радиоактивных отходов исследовался потухший вулкан горы Юкка. Но в 2010 году правительство США отказалось от данной программы из-за неудобства транспортировки отходов и сомнений в плане безопасности - жерло вулкана было засыпано [25].

На территории Экспериментального завода по изоляции отходов, на глубине 700 метров, были захоронены трансурановые отходы от производства ядерного оружия [25].

В США на протяжении многих лет проводятся исследования в отношении стабильности соляных формаций или их способности изолировать в случае выброса радионуклидов после окончательного захоронения военных ядерных отходов на Экспериментальном заводе по изоляции отходов [26].

Одной из главных проблем, связанных с захоронением отходов в США, является то что организации некоторых штатов, которые производят отходы, вынуждены сами организовать длительное захоронение этих отходов. Одно приповерхностное хранилище находится в процессе лицензирования. До этого четыре таких хранилища не были лицензированы из-за несоответствия требованиям безопасности [25].

В странах ЕС и США радиоактивные отходы атомных электростанций и исследовательских реакторов проходят все стадии переработки, а затем, в основном, направляются на долговременное хранение с целью снижения активности. Также всё больший интерес проявляется к захоронению отходов в глубинных формациях; отходы очень низкого уровня активности сбрасываются в водные объекты. Такие страны, как Франция и Чехия, направляют часть радиоактивных отходов в РФ для переработки и хранения.

В следующем разделе будет рассмотрено экологическое законодательство РФ в области обращения с радиоактивными отходами.

3. Экологическое законодательство в области обращения с радиоактивными отходами в РФ

3.1 Федеральные законы

Правовое регулирование отношений в области обращения с радиоактивными отходами производится следующими федеральными законами.

Федеральный закон от 11 июля 2011 г. № 190-ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» определяет полномочия Правительства Российской Федерации, федеральных органов исполнительной власти, органов государственной власти субъектов Российской Федерации и органов местного самоуправления в области обращения с радиоактивными отходами [16].

Законодательно устанавливается классификация радиоактивных отходов. Устанавливаются требования к обеспечению безопасности при обращении с радиоактивными отходами, в том числе критерии и порядки обращения с радиоактивными отходами. Определяется право собственности на радиоактивные отходы и пункты их захоронения [16].

Установлены требования к организациям, осуществляющим обращение с радиоактивными отходами. Определяются требования к регистрации радиоактивных отходов и пунктов хранения радиоактивных отходов [16].

Определена ответственность за нарушение требований в области обращения с радиоактивными отходами [16].

Федеральный закон от 21 ноября 1995 года № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» определяет правовую основу и принципы регулирования отношений, которые возникают при использовании атомной энергии [27].

Установлены полномочия Президента Российской федерации, полномочия Правительства Российской Федерации, полномочия федеральных органов исполнительной власти, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органов местного самоуправления в области использования атомной энергии [27].

Также определяются права организаций, которые осуществляют деятельность в области использования атомной энергии. Регламентируется государственный мониторинг радиационной обстановки на территории РФ, проводится государственный учёт и контроль атомных станций, ядерных материалов, радиоактивных веществ и радиоактивных отходов. Устанавливается порядок проведения федерального государственного надзора в области использования атомной энергии [27].

Регулируются вопросы собственности на ядерные материалы, пункты хранения и радиоактивные вещества [27].

Федеральный закон от 9 января 1996 года № 3-ФЗ «О радиационной безопасности населения» устанавливает требования к обеспечению радиационной безопасности при обращении с источниками ионизирующего излучения. Также предусматривается оценка состояния радиационной безопасности по конкретным показателям [28].

Устанавливается ответственность за невыполнение или за нарушение требований к обеспечению радиационной безопасности [28].

Федеральный закон от 30 марта 1999 года № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» устанавливает санитарно-эпидемиологические требования к условиям работы с источниками физических факторов воздействия на человека [29].

Федеральный закон от 10 января 2002 года № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» в сфере обращения с радиоактивными отходами определяет полномочия органов государственной власти, к которым относится установление порядка обращения с радиоактивными отходами, а также контроль за обеспечением радиационной безопасности. Также данный федеральный закон устанавливает, что радиоактивные отходы должны подлежать сбору, обезвреживанию, транспортировке, хранению и захоронению, условия и способы которых должны быть безопасными для окружающей среды и человека [30].

Федеральный закон от 1 декабря 2007 года № 317-ФЗ «О Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» устанавливает полномочия и функции государственной корпорации в области использования ядерной энергии, полномочия по нормативно-правовому регулированию деятельности, функции для обеспечения безопасности при использовании ядерной энергии. Определяются виды деятельности государственной корпорации. Устанавливаются полномочия различных уровней управления корпорации [31].

Федеральный закон от 21 февраля 1992 № 2395-1 «О недрах» устанавливает, что одним из оснований получения права пользования участками недр может быть решение Правительства РФ для целей захоронения радиоактивных, токсичных и иных опасных отходов в глубоких горизонтах [32].

Водный кодекс Российской Федерации запрещает захоронение ядерных материалов и радиоактивных веществ в водных объектах, также устанавливается запрет на проведение на основе ядерных и иных видов промышленных технологий взрывных работ, при которых выделяются радиоактивные вещества. Запрещается сброс в водные объекты сточных вод, в которых содержание радиоактивных веществ превышает нормативы допустимого воздействия на водные объекты [33].

3.2 Государственные стандарты

ГОСТ 12.1.048-85 «Система стандартов безопасности труда. Контроль радиационный при захоронении радиоактивных отходов. Номенклатура контролируемых параметров» устанавливает номенклатуру параметров радиационного контроля при захоронении радиоактивных отходов в наземных и подземных неглубоких могильниках. Также стандарт определяет главные требования к объёму радиационного контроля при захоронении радиоактивных отходов в специальных могильниках [34].

ГОСТ Р 51883-2002 «Отходы радиоактивные цементированные. Общие технические требования» устанавливает общие технические требования к цементированным радиоактивным отходам, которые получены включением жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности в матричные композиции на основе неорганических вяжущих материалов. Также в стандарте устанавливаются параметры, которые характеризуют качество цементных компаундов и установлены допустимые пределы показателей качества компаундов [35].

ГОСТ Р 50927-96 «Отходы радиоактивные битумированные. Общие технические требования» устанавливает общие технические требования к битумным компаундам, полученным путем включения в расплавленную битумную матрицу жидких радиоактивных отходов, удельная активность которых позволяет безопасное для окружающей среды захоронение вблизи поверхности. Устанавливаются требования к качеству битумных компаундов [36].

ГОСТ Р 50996-96 «Сбор, хранение, переработка и захоронение радиоактивных отходов. Термины и определения» устанавливает термины и определения понятий в области сбора, хранения, переработки и захоронения радиоактивных отходов. Дано чёткое определение понятию «радиоактивные отходы» [37].

ГОСТ Р 51824-2001 «Контейнеры защитные невозвратные для радиоактивных отходов из конструкционных материалов на основе бетона. Общие технические требования» стандарт распространяется на защитные невозвратные контейнеры из конструкционных материалов на основе бетона, предназначенные для размещения, длительного хранения в хранилищах, транспортирования и захоронения в приповерхностных или подземных могильниках твердых и отверждённых радиоактивных отходов. В стандарте устанавливаются технические требования к невозвратным контейнерам и к их конструктивным материалам [38].

ГОСТ Р 50926-96 «Отходы высокоактивные отверждённые. Общие технические требования» устанавливает общие технические требования к качеству отверждённых высокоактивных отходов независимо от способа их получения. Также рассматриваются и определяются параметры, которые характеризуют качество высокоактивных отверждённых отходов [39].

3.3 Постановления правительства

В данном подразделе представлены основные постановления Правительства, относящиеся к сфере обращения с радиоактивными отходами.

Постановление Правительства РФ от 19.10.2012 № 1069 «О критериях отнесения твердых, жидких и газообразных отходов к радиоактивным отходам, критериях отнесения радиоактивных отходов к особым радиоактивным отходам и к удаляемым радиоактивным отходам и критериях классификации удаляемых радиоактивных отходов».

Постановление Правительства РФ от 19 ноября 2012 г. № 1188 «О порядке осуществления государственного учета и контроля радиоактивных отходов, в том числе регистрации радиоактивных отходов и пунктов хранения радиоактивных отходов, органом государственного управления в области обращения с радиоактивными отходами».

Постановление Главного санитарного врача РФ от 23 октября 2002 г. № 33 «О введении в действие санитарных правил СП 2.6.6.1168-02 «Санитарные правила обращения с радиоактивными отходами (СПОРО-2002)».

Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 26.04.2010 № 40 «Об утверждении СП 2.6.1.2612-10 "Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99/2010)».

Постановление Правительства РФ от 11 октября 1997 г. № 1298 «Об утверждении правил организации Системы государственного учета и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных отходов».

Постановление Правительства РФ от 14 марта 1997 г. № 306 «О Правилах принятия решений о размещении и сооружении ядерных установок, радиационных источников и пунктов хранения».

Постановление Правительства РФ от 3 декабря 2012 г. № 1249 «О порядке государственного регулирования тарифов на захоронение радиоактивных отходов».

Постановление Правительства РФ от 25 июля 2012 г. № 767 «О проведении первичной регистрации радиоактивных отходов».

3.4 Отраслевые стандарты

- ОСТ 95 10517-95 «Хранилища твердых радиоактивных отходов. Общие требования».

Стандарт распространяется на хранилища твердых радиоактивных отходов и устанавливает общие требования к техническим решениям при проектировании, строительстве, эксплуатации, модернизации и снятии с эксплуатации сооружений и оборудования хранилищ в части предотвращения распространения радиоактивных загрязнений и обеспечение возможности дезактивации [40].

3.5 Федеральные и санитарные нормы и правила

В данном подразделе представлены нормы и правила, которые устанавливают требования к обеспечению безопасности при обращении с радиоактивными отходами.

НП-055-04 «Захоронение радиоактивных отходов. Принципы, критерии и основные требования безопасности». Данные федеральные нормы и правила устанавливают цели, принципы, критерии и основные требования безопасности при приповерхностном захоронении радиоактивных отходов, захоронении радиоактивных отходов в глубокие геологические формации, а также при захоронении жидких радиоактивных отходов. Также устанавливаются требования к обеспечению безопасности при эксплуатации и закрытии пунктов захоронения радиоактивных отходов и полигонов глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов, а также критерии обеспечения качества при захоронении РАО. Устанавливается допустимое содержание радионуклидов в радиоактивных отходах, которые захораниваются в приповерхностных пунктах захоронения [41].

НП-058-04 «Безопасность при обращении с радиоактивными отходами. Общие положения». Данные нормы и правила устанавливают цели и принципы обеспечения безопасности при обращении с радиоактивными отходами, общие требования к обеспечению безопасности при обращении с ними. Также устанавливаются требования к содержанию проектной и эксплуатационной документации объекта использования ядерной энергии [42].

НП-020-2000 «Сбор, переработка, хранение и кондиционирование твердых радиоактивных отходов. Требования безопасности». Настоящие федеральные нормы и правила устанавливают требования к обеспечению безопасности при сборе, переработке, хранении и кондиционировании твердых радиоактивных отходов на ядерных установках, радиационных источниках, в пунктах хранения ядерных материалов и радиоактивных веществ, хранилищах РАО. Также в данных нормах и правилах устанавливаются характеристики контейнеров и упаковки твёрдых радиоактивных отходов; характеристики документации для упаковок отходов [43].

НП-016-05 «Общие положения обеспечения безопасности объектов ядерного топливного цикла». Данные нормы и правила устанавливают критерии, принципы и требования обеспечения безопасности на данных объектах, требования к проектированию и размещению таких объектов, к техническим процессам, оборудованию и документации [44].

НП-019-2000 «Сбор, переработка, хранение и кондиционирование жидких радиоактивных отходов. Требования безопасности». Настоящий документ устанавливает требования к обеспечению безопасности при сборе, переработке, хранении и кондиционировании ЖРО на ядерных установках, радиационных источниках, в пунктах хранения ядерных материалов и радиоактивных веществ, хранилищах РАО [5].

НП-069-06 «Приповерхностное захоронение радиоактивных отходов. Требования безопасности». Настоящий документ распространяется на приповерхностное захоронение радиоактивных отходов и устанавливает требования безопасности к проектируемым, сооружаемым, эксплуатируемым, закрываемым и закрытым приповерхностным пунктам захоронения радиоактивных отходов. Данные нормы и правила также устанавливают критерии запрета захоронения определённых отходов. Устанавливаются требования к защитным контейнерам, подстилающим экранам и буферному материалу пункта захоронения, к выбору места захоронения, климатическим, топографическим, гидрологическим и другим условиям местности [6].

СП 2.6.6.1168-02 «Радиоактивные отходы. Санитарные правила обращения с радиоактивными отходами (СПОРО-2002)». Данные санитарные правила устанавливают основные принципы обеспечения безопасности и стадии обращения с РАО, а также следующие требования: требования к хранению, сбору и удалению радиоактивных отходов из организации, где они были образованы; требования к транспортировке радиоактивных отходов; требования к кондиционированию и переработке; требования к захоронению и долговременному хранению радиоактивных отходов. Устанавливаются принципы переработки жидких, твёрдых и газообразных радиоактивных отходов, а также требования к выбору места захоронения отходов и консервации могильников [18].

СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности. Санитарные правила и нормативы (НРБ 99/2009)». Нормы радиационной безопасности устанавливают требования к ограничению радиоактивного облучения в определённых условиях, а также устанавливают основные пределы доз для населения и допустимые уровни воздействия ионизирующего излучения. Определяются ограничения техногенного облучения в нормальных условиях [45].

НП-067-05 «Основные правила учета и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных отходов в организации». Данные нормы и правила устанавливают требования к контролю и учёту радиоактивных отходов в организации, устанавливается состав документации, требования к передаче отходов, минимальные значимые удельные активности радионуклидов в радиоактивных отходах, перечень обязательных сведений в журналах учёта радиоактивных отходов [46].

НП-002-04 «Правила безопасности при обращении с радиоактивными отходами атомных станций». Данные нормы и правила устанавливают требования и рекомендации при проектировании и эксплуатации систем обращения с жидкими, твёрдыми и газообразными радиоактивными отходами [47].

3.6 Обращения с радиоактивными отходами в Российской Федерации

На 2012 год в Российской Федерации имеется тридцать два энергетических реактора и установок для их обслуживания, 23 исследовательских реактора [48].

В Российской Федерации действует 10 атомных электростанций: Балаковская (Балаково, Саратовская область), Белоярская (Белоярский, Екатеринбургская область), Билибинская АТЭЦ (Билибино, Магаданская область), Калининская (Удомля, Тверская область), Кольская (Полярные Зори, Мурманская область), Ленинградская (Сосновый Бор, Санкт-Петербургская область), Ростовская (Волгодонск-28, Ростовская обл.), Смоленская (Десногорск, Смоленская область), Курская (Курчатов, Курская область), Hововоронежская (Hововоронежск, Воронежская область) [2].

Все атомные электростанции имеют различные количества и типы реакторов (рисунок 3.1).

Условные обозначения:

- Атомная электростанция;

- ВВЭР-1000 (Водо-водяной энергетический реактор) мощностью 1000 МВт;

- БН-600 (Реактор на быстрых нейтронах) мощностью 600 МВт;

- ВВЭР-400 (Водо-водяной энергетический реактор) мощностью 400 МВт;

- ЭГП (Графитовый реактор с естественной циркуляций теплоносителя) мощностью 12 МВт;

- РМБК-1000 (Реактор большой мощности канальный) мощностью 1000 МВт.

Рисунок 3.1 - Атомные электростанции РФ и типы действующих реакторов

Система обращения с радиоактивными отходами в Российской Федерации была сформирована в процессе развития атомных энергетических технологий ещё при СССР, в виду она имеет определённые особенности. Данная система привязана к пунктам образования радиоактивных отходов и не является строгой структурированной системой обращения с отходами и контроля за ними. Хранилища радиоактивных отходов и могильники разбросаны по огромной территории, отсутствует единая система управления и надзора над ними. Во многих случаях хранилища строились на загрязнённых радиоактивными отходами территориях [49]. В области обращения с РАО Российская Федерация руководствуется принципами, заложенными в ратифицированных РФ Конвенции о физической защите ядерного материала, Конвенции об оперативном оповещении о ядерной аварии, Конвенции об оказании помощи в случае ядерной аварии или радиационной аварийной ситуации, Конвенции о ядерной безопасности [11].

Вышеперечисленные особенности присущи и многим другим странам с развитой атомной энергетикой. Но в зарубежных странах в последние десятилетия был проведён огромный объём работ по реабилитации загрязнённых территорий, удалению опасных отходов и модернизации хранилищ. В РФ только в 2008 году была объявлена Федеральная целевая программа «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года».

На основе этой программы в 2011 году был принят закон «Об обращении с радиоактивными отходами». Также постановлением Правительства Российской Федерации от 19 ноября 2012 г. N 1185, в соответствие со статьёй закона, устанавливаются порядок и сроки создания (к 2021 году) «Единой государственной системы обращения с радиоактивными отходами» [49].

Отличительной особенностью хранилищ радиоактивных отходов в США - это их огромные объёмы. Например, полигон в штате Невада имеет объём (3000000ч3,5000000) м³, объём же самого большого российского хранилища на территории государственного предприятия «Радон» имеет объём (100000ч160000) м³, что несравнимо с американскими показателями. Поэтому остающиеся нерешёнными проблемы с хранилищами радиоактивных отходов не позволяют вплотную заняться проблемами рекультивации загрязнённых территорий [49].

Сложившаяся система обращения с радиоактивными отходами в РФ сильно тормозит вышеназванную федеральную целевую программу. К.т.н. Волков В.Г. и Чесноков А.С. из Курчатовского института полагают, что для решения подобных проблем необходимы значительные мощности по созданию устойчивой системы хранения радиоактивных отходов и организации с лицензиями и большим опытом работ в данной сфере. По их мнению, выделение больших денежных средств на разработки, модернизацию технологий и исследования в области хранения, переработки и захоронения радиоактивных отходов, в том числе опасного отработанного ядерного топлива, будет способствовать решению проблемы, благодаря этому российские технологии смогут догнать зарубежные и, в конце концов, способствовать реализации федеральной программы в полной мере [49].

Также проблемой системы обращения с радиоактивными отходами является то, что на многих перерабатывающих комбинатах и заводах не применяются простейшие эффективные методы переработки радиоактивных отходов из-за халатности руководства и возможной дороговизны.

Федеральный закон «Об обращении с радиоактивными отходами», принятый в 2012 году, имеет некоторые недостатки, что тоже негативно сказывается на ситуации в сфере обращения с радиоактивными отходами [50]:

- отработанное ядерное топливо не входит в сферу регулирования данного закона;

- отсутствие чёткого регулирования в отношении импорта и экспорта РАО, которые образуются от переработки иностранных ОЯТ;

- некоторые правила обращения с отходами не согласуются с нормами прирoдooхранного законодательства;

- для полной реализации закона необходима разработка значительного количества подзаконных актов, без которых некоторые положения закона не могут быть исполнены;

- отсутствует чёткое описание процедур участия общественного мнения при обращении с радиоактивными отходами [50].

Таким образом, законодательство в области обращения с радиоактивными отходами включает такие нормативно-правовые акты, как федеральные законы, постановления правительства, указы президента, санитарные и федеральные нормы и правила, государственные стандарты, отраслевые стандарты. Основополагающими документами являются Конституция РФ и Федеральный закон «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». На территории Российской Федерации располагается 10 атомных электростанций с различными типами реакторов, и, соответственно, образуются различные виды радиоактивных отходов. Разработанные и введенные в действие федеральные нормы и правила и руководства по безопасности позволяют осуществлять нормативное регулирование безопасности большинства видов деятельности со всеми видами и категориями РАО на объектах использования атомной энергии.

В следующем разделе будут рассмотрены принципы и концепции обращения с радиоактивными отходами, а также методы обработки твёрдых радиоактивных отходов.

4. Обращение с радиоактивными отходами

4.1 Принципы и концепции обращения с радиоактивными отходами

Главным требованием любой стратегии обращения с радиоактивными отходами остаётся то, что такие отходы должны перерабатываться, храниться, транспортироваться и захораниваться таким образом, чтобы негативное воздействие от испускаемой ими радиации на окружающую среду не превышало установленных пределов. Причём такое требование относится как к настоящему времени, так и к будущему [18].

Достижение этой цели должно обеспечиваться системным подходом, определяющимся нормами и правилами по охране природной среды и здоровья человека. Только комплексный подход к решению данной проблемы может обеспечить безопасность при обращении с радиоактивными отходами.

Международной организацией МАГАТЭ и Международной комиссией по радиологической защите были разработаны и совершенствуются фундаментальные принципы обеспечения безопасности при обращении с РАО.

Главными целями обеспечения безопасности при обращении с РАО являются: обеспечение надёжной изоляции радиоактивных отходов от окружающей среды; обеспечение надёжной защиты населения от радиационного излучения и предотвращение аварий и попадания радиоактивных веществ в таком количестве, которое превышает установленные нормы [18].

При обращении с радиоактивными отходами обязательно должны соблюдаться следующие принципы [15]:

- принцип охраны окружающей среды - обеспечение достаточного уровня защиты окружающей среды от радиоактивного воздействия на неё;

- принцип защиты будущего поколения;

- принцип контроля накопления и образования радиоактивных отходов - количество отходов должно быть минимальным;

- принцип учёта зависимости образования радиоактивных отходов и обращения с ними;

- принцип защиты здоровья человека - обеспечение высокого уровня защиты населения от радиоактивного воздействия отходов;

- принцип предотвращения радиационных аварий и их последствий;

- принцип невозложения проблем с радиоактивными отходами на будущие поколения людей;

- принцип взаимозависимости образования радиоактивных отходов и обращения с ними - надлежащим образом учитываются взаимозависимости между всеми стадиями образования радиоактивных отходов и обращения с ними.

Безопасность хранилища радиоактивных отходов (во время его эксплуатации) должна обеспечиваться за счет последовательной реализации концепции глубокоэшелонированной защиты - применение системы барьеров для защиты от радиоактивного излучения, а также совокупности технических мер по защите данных барьеров при сохранении их эффективности, и по защите персонала, населения и окружающей среды. То же самое относится и к обеспечению долговременной безопасности [15].

4.2 Последовательные стадии процесса обращения с радиоактивными отходами

Процесс обращения с радиоактивными отходами представляет собой последовательные стадии переработки и окончательного или временного захоронения отходов в геологической формации [16].

Прохождение радиоактивных отходов через данные стадии зависит от вида данных отходов, их физических и химических свойств, а также от уровня активности. В результате их характеризации отходы разделяют на специальные группы для обеспечения соответствия требованиям захоронения и методам обработки. Характер и свойства отходов подлежат учёту, регистрации и документированию с последующей передачи этих данных от одной стадии переработки к другой [16].

Переработка отходов включает четыре основных стадии, после которых производится захоронение [15]:

- предварительная обработка - сбор, разделение, регулирование состава и сортировка;

- обработка - уменьшение объёма сжиганием или компактированием, удаление радионуклидов (очистка), изменение состава, дезактивация;

- кондиционирование - перевод жидких отходов в твёрдую форму, включение в матрицу, локализация в специальных контейнерах и дополнительных упаковках;

- транспортировка;

- временное хранение;

- окончательное захоронение.

Между данными стадиями возможны промежуточные стадии транспортирования и хранения отходов, количества которых зависят от различных факторов и условий.

Предварительная обработка является первой стадией обращения с радиоактивными отходами сразу же после их образования. Данная стадия имеет лучшую возможность для разделения отходов на потоки, которые предназначены для определённых методов обработки, захоронения и освобождения от контроля. На этой стадии отходы собираются, анализируются и разделяются в соответствии с их свойствами. При первичной сортировке производится разделение отходов на радиоактивные и нерадиоактивные. Предварительная обработка сильно облегчает главную процедуру обработки отходов, способствует повышению её эффективности и снижению объёмов отходов, которые требуют определённый метод обращения с ними [18].

Санитарными правилами обращения с радиоактивными отходами (СПОРО-2002) для процедуры сбора устанавливаются определённые требования. Сбор радиоактивных отходов должен проводиться в пунктах их образования с учётом их агрегатного состояния, физико-химических характеристик, их дальнейших методов обработки и удельной активности. При сборе запрещается смешивать радиоактивные отходы с бытовыми и промышленными отходами (для твёрдых отходов) и разбавлять жидкостью (для жидких отходов). Твёрдые радиоактивные отходы должны собираться в специальные сборники-контейнеры, ящики различных конструкций (прочных). Также допускается собирать радиоактивные отходы в прочные мешки, которые затем помещаются в сборники-контейнеры (контакт персонала с отходами должен быть минимальным). Жидкие радиоактивные отходы должны собираться в баки или специальные бочки. При сборе должна осуществляться сортировка радиоактивных отходов по агрегатному состоянию, горючести, степени активности. Строго запрещается сброс жидких отходов в компоненты окружающей среды [18].

Обработка отходов представляет собой последовательность или сочетание процедур, которые направлены на повышение безопасности отходов при помощи изменения их свойств и характеристик. Примерами таких операций являются: компактирование, выпаривание, фильтрация, сжигание, флоккуляция, осаждение, ионный обмен и измельчение [18].

Стадия кондиционирования радиоактивных отходов представляет собой совокупность операций, с помощью которых отходы переводятся в обладающую радиационной и химической устойчивостью форму (иммобилизация). Такая форма позволяет сохранять безопасность и стабильность при хранении, захоронении и перевозке. Самыми эффективными и распространёнными методами иммобилизации являются цементирование, битумирование и остекловывание. Обработка и кондиционирование радиоактивных отходов тесно связаны между собой [43].

Главная цель кондиционирования - снижение объёма отходов и снижение вероятности попадания радиоактивных веществ в окружающую природную среду. Кондиционирование производится также для удобства последующего хранения, транспортировки и захоронения радиоактивных отходов. При выборе методов кондиционирования опираются на свойства радиоактивных отходов, экономическую целесообразность, условия дальнейшего обращения с ними [43].

Упаковки с отходами подлежат паспортизации; в паспорте указываются такие показатели отходов, как категория, радионуклидный состав, удельная и суммарная активность, мощность дозы г-излучения на расстоянии 0,1 и 1 метр от стенки упаковки [18].

При кондиционировании отходы обязательно должны быть приведены в твёрдое состояние и иметь регламентированную устойчивость к различным типам воздействия; содержание влаги в отвержённом продукте должно быть на минимально возможном уровне; обязательно должны быть удалены взрывоопасные и легковоспламеняющиеся вещества. Операция помещения отходов в контейнеры является последней стадией кондиционирования (создание упаковки). Упаковка предназначена для надёжного и безопасного хранения, транспортирования и захоронения радиоактивных отходов. К конструкциям контейнеров предъявляются такие требования, как герметичность, долговечность, обеспечение био- и термоустойчивости, прочность, простота обслуживания и коррозионная стойкость [18].

Хранение представляет собой процедуру безопасной изоляции и локализации радиоактивных отходов с возможность их последующего изъятия для окончательного захоронения или дальнейшей обработки. Хранение осуществляется раздельно для отходов разных категорий и групп в сооружении, которое обеспечивает безопасную изоляцию их от окружающей природной среды. Также одной из главных целей временного хранения является снижение уровней активности отходов в течение длительного периода времени, что предоставляет возможность упрощения и повышения эффективности дальнейшей обработки таких отходов, а также снижение затрат [18].

Санитарными правилами и нормами (СПОРО-2002) устанавливаются требования для временного хранения радиоактивных отходов. Радиоактивные отходы должны храниться в защитных контейнерах с соблюдением безопасности, контакт персонала с отходами должен быть сведён к минимуму. Контейнеры с радиоактивными отходами должны размещаться в специально оборудованных помещениях или защищённых площадках. Время хранения отходов устанавливается проектом. При временном хранении на контейнеры должны быть нанесены знак радиоактивности (рисунок 4.1) и характеристики отходов [18].

Рисунок 4.1 - Знак радиоактивности

После выемки отходов контейнеры должны быть подвергнуты процедуре дезактивации специальными растворами [18].

Транспортировка представляет собой процесс перемещения упаковок отходов посредством специально оборудованного автотранспорта, морских судов, железнодорожного (рисунок 4.2) и воздушного (редко) транспорта. Для транспортировки радиоактивных отходов применяют транспортные контейнеры, обладающие высокой прочностью и защитными свойствами. Погрузка-разгрузка должна осуществляться дистанционно (краны, погрузчики, манипуляторы), за исключением низкоактивных отходов. Загрязнённое радионуклидами крупногабаритное оборудование подлежит разборке на фрагменты и детали с последующим покрытием их специальными растворами для предотвращения выветривания радионуклидов или упаковки в многослойный брезент [18].

Рисунок 4.2 - Перевозка радиоактивных отходов железнодорожным транспортом

Окончательное захоронение представляет собой конечную стадию обращения с радиоактивными отходами. Данная стадия заключается в размещении радиоактивных отходов в специальных могильниках без намерения их дальнейшего возможного извлечения. При захоронении обеспечивается соответствующая безопасность (создание многобарьерной системы изоляции), долгосрочные наблюдения за могильником и радиационным фоном, а также возможное техническое обслуживание [18].

4.3 Методы обработки твёрдых радиоактивных отходов

4.3.1 Измельчение

Обработка твёрдых радиоактивных отходов позволяет намного уменьшить объём таких отходов и, как следствие, появляется возможность сокращения объёмов и площадей хранилищ и повышения радиологической безопасности [21].

Главной цель обработки твёрдых радиоактивных отходов является сокращение их объёма и надёжная фиксация в них радиоактивных веществ и различных опасных примесей [21].

Для концентрирования радиоактивных отходов применяют такие методы, как измельчение, сжигание, компактирование и суперкомпактирование [21].

Технологии измельчения применяют для крупногабаритных отходов, например, изношенных ионообменных фильтров, загрязнённого металлолома, для удобства последующего обращения с ними (транспортировка, сжигание, прессование, хранение) [21].

Для измельчения используют специальные стационарные режущие машины, например, гильотины, а также передвижные режущие установки, например, промышленные пилы, ножницы, электродуговые резаки и горелки. Новосибирский завод «Тяжстанкогидропресс» изготавливает гидравлические ножницы модели Н-1600 с усилием 15,7 МН, что позволяет резать особо прочные металлические конструкции и агрегаты реактора, вышедшие из строя или сильно корродированные [21].

После измельчения радиоактивные отходы обычно прессуют, а затем либо отправляют на дальнейшую переработку, либо на хранение, либо заключают в матрицу, чтобы исключить возможность миграции радиоактивных веществ в окружающую или рабочую среду [21].

4.3.2 Сжигание

Применение технологии сжигания позволяет уменьшить объём твёрдых радиоактивных отходов в (20ч90) раз, а массу в (10ч20) раз, что делает данный метод одним из самых эффективных. Образующуюся радиоактивную золу заключают в битумную или цементную матрицу [21].

Данный метод дорог и имеет некоторые недостатки [21]:

- образование в процессе сжигания большого объёма аэрозолей и газов, причём радиоактивных, поэтому метод требует организации системы газовой очистки;

- в зависимости от морфологического состава отходов режимы горения выбираются для обеспечения полноты сгорания топлива и вещества и отсутствия взрывоопасных концентраций водорода;

- сжигание некоторых типов твёрдых радиоактивных отходов приводит к образованию диоксинов и фуранов.

Запрещается сжигать радиоактивные отходы вместе с нерадиоактивными (промышленный, бытовой мусор), а также радиоактивные отходы, которые содержат взрывоопасные и сильно токсичные вещества [43].

Из-за разнообразного состава радиоактивных отходов и требований к методам сжигания имеется большое количество технологий и схем сжигания.

При сжигании используют печи с контролем, избытком воздуха, вращающиеся печи, печи с кипящим слоем, пиролизные печи [21].

Наибольшее распространение получило сжигание отходов в трёхкамерных печах. В первой камере происходит пиролитическое разложение или сжигание отходов, а во второй и третьей идёт дожег продуктов неполного сгорания, которые поступают из первой камеры [21].

Обычно сжиганию подвергаются твёрдые радиоактивные отходы органической и горючей составляющей, например, резиновые прокладки, различные пластмассы, спецодежда, деревянные поддоны, коробки, упаковки, ветошь с удельной активностью до 4 · 10^-7 Бк/кг [21].

Также эффективным способом сжигания являются установки с плазменным источником нагрева. Это позволяет повысить коэффициент сокращения объёма отходов по сравнению с обычными печами и перерабатывать широкий диапазон несортированных отходов. Такие установки позволяют нейтрализовать загрязнённое стекло, металлический лом и различную изоляцию. После сжигания получается стеклоподобный шлак, в котором уже сконцентрированы радионуклиды и отходящие газы; такой шлак заметно превосходит композиции цементных компаундов; обладает хорошей химической стойкостью. После окончания операции шлак помещается в контейнеры и транспортируется в места хранения или захоронения [21].

4.3.3 Компактирование

Метод компактирования заключается в прессовке твёрдых радиоактивных отходов под давлением. В процессе компактирования объём отходов уменьшается в (2,5ч9) раз. На рисунке 4.3 представлен внешний вид спрессованных твёрдых радиоактивных отходов.

При прессовании необходимо специальными техническими средствами производить отвод жидкости и удаление влаги, которая выделяется из отходов. Также при осуществлении процесса могут образовываться радиоактивные аэрозоли, которые необходимо улавливать газоочистным оборудованием. Компактированию не подлежат отходы, содержащие взрывоопасные и легковоспламеняющиеся вещества [43].

Рисунок 4.3 - Внешний вид спрессованных твёрдых радиоактивных отходов

Обычно твёрдые отходы транспортируют в металлических бочках, которые затем могут быть использованы в качестве ёмкости компактора.

У данного метода имеются серьёзные недостатки [21]:

- компактирование неприемлемо для отходов, которые содержат различные взрывоопасные и легковоспламеняющиеся вещества;

- компактирование сложно осуществимо для отходов, содержащих загрязнённую арматуру, а также для крупногабаритных деталей и оборудования;

- компактирование сопровождается образованием больших объёмов пыли. Для устранения этого недостатка прессовальное оборудование должно размещаться в изолированных помещениях с пылеочистным оборудованием.

В Германии и Бельгии для уплотнения средне- и высокорадиоактивных отходов агрегатов реакторов применяется прессование в брикеты, после которого производится заливка пустот различными сплавами, включающие в себя свинец, сурьму и олово. После этого брикеты заключают в контейнеры для последующего захоронения или хранения. Применяется также включение твёрдых радиоактивных отходов в бетонную матрицу после прессования, а также включение в расплав стекла. Также возможно смешение измельчённых отходов с оксидом алюминия с последующим прессованием и спеканием при температуре (1100ч1200) °С [22].

При компактировании могут возникать некоторые проблемы - до закрытия бочки крышкой отходы могут увеличиваться в объёме из-за снятия усилия. Для устранения данного недостатка отходы смешивают с эластичными материалами и размещают их в нижней части бочки, также возможно усиление крышки специальной рамкой. Для прессов с низким усилием плотность обработанных отходов достигается (390ч790) кг/м³ [21].

4.3.4 Суперкомпактирование

В суперкомпакторах применяется пресс, способный развивать усилие (10ч21) МН. Прессование контейнеров в суперкомпакторах происходит после предварительного компактирования. Плотность обработанных отходов после суперкомпактирования достигает, в зависимости от состава радиоактивных отходов, (900ч3400) кг/м³. Коэффициент уменьшения зависит от твёрдости отходов и составляет для мягких от (5:1) до (10:1), для твёрдых - от (2:1) до (8:1) [21].

Суперкомпактор может быть выполнен как в виде стационарной установки, так мобильной - монтируется на нескольких прицепах. Недостатком является ограничение по влажности отходов и наличие взрывоопасных и горючих веществ, а также возникновение аэрозолей. Для устранения аэрозольного загрязнения помещение с суперкомпактором оборудуют вентиляцией и газоочистными фильтрами [21].

Отходы в суперкомпактор поступают в специальных контейнерах; полученные после обработки «шайбы» заключают в другие контейнеры меньшего размера и включают в битумную матрицу. И в таком виде отходы поступают на хранение или захоронение [22].

Стоимость производства и обслуживания установок компактирования и суперкомпактирования гораздо дешевле, чем сжигающих установок, что является оптимальным вариантом для атомных электростанций с небольшими объёмами твёрдых радиоактивных отходов. Для крупных атомных электростанций и центров переработки твёрдых радиоактивных отходов ситуация обратная [22].

4.3.5 Способы дезактивации металлических радиоактивных отходов

По различным оценкам во всём мире накоплено около 12 миллионов тонн металлических радиоактивных отходов, в том числе 1,5 миллиона тонн в Российской Федерации [7].

При эксплуатации атомных электростанций постоянно возникает потребность снижения уровня радиоактивности различных деталей оборудования и агрегатов реактора. С экономической точки зрения невыгодно заменять загрязнённое радионуклидами оборудования на новое, поэтому требуется применение методов дезактивации поверхностей металлических деталей без изменения их физических и конструктивных свойств [21].

Процесс дезактивация металлических радиоактивных отходов включает в себя дезактивацию, регенерацию электролита и кондиционирование вторичных отходов [22].

Существует несколько групп способов дезактивации металлических радиоактивных отходов и изделий [21]:

- жидкостные;

- термические;

- механические.

Жидкостный метод дезактивации нашёл наиболее широкое применение. Данный метод заключается в обработке загрязнённых металлов дезактивирующими растворами, а также может применяться в сочетании с другими методами [21].

Дезактивация осуществляется с применением различных растворов щелочей, ПАВ, кислот и их комбинаций. Самым эффективными являются кислотные способы обработки серной, соляной и азотными кислотами с добавлением различных присадок. Но появляется проблема утилизации объёмов отработанных растворов [22].

Обработка средне- и низкоактивных металлических радиоактивных отходов идёт в две стадии. На первой производится снижение активности отходов, чтобы было возможно безопасное обращение с ними. Здесь целесообразно применение жидкостных методов. На второй стадии производится уменьшение объёмов отходов. Здесь целесообразно использовать методы переплавки [22].

На практике часто применяется дезактивация в растворах кислот, электрохимическая дезактивация в кислых и слабощелочных электролитах. Общим принципом химической дезактивации является окисление металлов, которые входят в состав поверхностного слоя, с последующим их растворением в присутствии комплексообразователей. Метод эффективен для нержавеющей стали, медных и алюминиевых сплавов [21].

Термические способы дезактивации основываются на прокаливании металлических отходов в печах и последующим удалением нескольких слоёв в виде окалины. Главным недостатком метода является то, что после такой обработки дальнейшее использование конструкций невозможно. Также термические методы требуют значительного расхода топлива или электроэнергии и наличия газоочистного оборудования; термическая обработка сопровождается образованием больших объёмов вторичных отходов - пыль, шлак, окалины и конденсатов [21].

Также возможна и переплавка металлических радиоактивных отходов. При плавлении происходит гомогенное распределение радионуклидов по всему объёму скрапа, приводя к значительному понижению удельной активности металла. При этом идёт частичная очистка скрапа из-за выделения радионуклидов из расплавов в шлам и с частичками газами, улавливаемыми газоочистным оборудованием. Эффективность дезактивации составляет (10ч40)% [22].

Плавление является экологически безопасным, но полученная продукция из переплавленного металла имеет ограничения в применении на объектах промышленности и энергетики из-за невозможности полной очистки от радионуклидов [22].

Количество отходов при переплавке зависит от качества металлического скрапа и различных примесей в нём. При плавлении образуется 3-6% шлама и 0,15% осадка от объёма скрапа [21].

Механические способы дезактивации основаны на физическом воздействии на обрабатываемый металл различными абразивными материалами. Такой способ дезактивации обеспечивает удаление слоя металл, загрязнённого радионуклидами, на глубину (12ч700) мкм, что эффективно для глубинных загрязнений. Недостатком являет образование большого количества вторичных отходов и неравномерная обработка поверхности [21].

4.3.6 Плавление в электрической печи

При применении данного метода плавление твёрдых радиоактивных отходов идёт при воздействии на них высокой температуры, которая возникает при протекании электрического тока в расплаве между угольным электродом и расплавом металла, находящегося внизу установки [23].

На данный момент технология нашла применение на Курской атомной электростанции; расход электроэнергии на 1 кг твёрдых радиоактивных отходов (1,4ч2,1) кВт/час [23].

При воздействии температуры в (1400ч2100) °С на отходы их органические составляющие сгорают, а продукты горения переходят в газообразное состояние; все неорганические компоненты отходов превращаются в расплав. Образующиеся газообразные вещества удаляются посредством вентиляции, а затем поступают в газоочистное оборудование. Следует отметить, что при плавлении состав продуктов переработки изменяется [23].